试验三简易放大器

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1、應用電子學實驗講義（I ）單級放大器的設計目的單級放大器是放大器設計的基礎，這個實驗是要介紹不同單級放大器的特性，及簡單電阻負載放大器的偏壓設計。相關知識1. 共射極放大器2. 共源極放大器3. 射極與源極隨耦器一、雙載子接面電晶體（bipolar junction transistor，BJT）回顧好久沒碰 BJT 了，複習一下 BJT 的特性。一個 npn BJT 偏壓調在順向活性區（ forward active）時， V BE 差不多維持在 0.7V 左右，變化不大，而且這時的 IC是 IB 的 倍。我們還要注意， V CE 必須大於 0.2V。 BJT 在順向活性區的簡單電路模型總結

2、如下圖：CBIBCB0.7VI B0.2VVBE(ON)0.7VEE簡易小訊號模型如下：分為VCCS 和 CCCS 模型BbeCBibCrgm beberibEE單級放大器之1應用電子學實驗講義（I ）二、共射極放大器（ Common-Emitter Amplifier ）下面我們利用這個簡單的BJT 模型瞭解右圖電路的操作：1. 靜態偏壓分析這是一個標準的four-resister bias circuit ，R1和 R2 將電晶體 Q1 偏壓在順向活化區，基極的靜態偏壓約為 V B=VCCR2/(R1 +R2)，這裡假設 IB 很小，不影響 V B 之偏壓值。射極的偏壓V E 約為V B-

3、0.7V ，射極的靜態電流IE=V E/RE，集極電流 I C=IE /( +1) I E（通常1）。 C1 為阻隔電容（ blocking capacitor），使的直流部份影響。2. 功能分析假如在 Vin 輸入交流訊號V ，而 C1 對 V 可視為短路，因此VB= V，又射極的電壓會隨 V B 變化， V E= V B= V，若輸出訊號由射極接出，則此電路為一射極隨耦器（ emitter follower ），類似的電路在上學期已經測量過。假如輸出是由集極接出呢？這裡我們看一下 VC 多大。 IC IE= VE/RE= V/R，又V=V-I R，V=-RCI，故ECCC CCCCV=V(

4、-R/R )。（式 3-1）CCE因 此這 個電 路 可視 做一 個放 大器 （稱 做共 射極 放大 器， common-emitter amplifier ），放大率 A V =-RC/RE，負號代表輸出訊號的相位和輸入差了 180 。三、射極接地放大器（Grounded-Emitter Amplifier ）假如上面放大器電路中RE=0， A V =-？不太可能吧？問題出在推導式3-1 時，我們假設電晶體在forward active 時 V BE 固定在 0.7V，不受 IC（或 I E）影響，即有IC 但無V BE。事實上，由Ebers-Moll模型可知I CI SeV BE /25m

5、V （在 forward active 時），IC/V BE =(1/25mV) I S eVBE /25mV單級放大器之2應用電子學實驗講義（I ）=(1/25mV)I C，我們再定義 reVBE / IC，那麼re25。（式 3-2）I C in mA現在來處理RE=0 的情形。由上電路圖可知V BE = V B= V ， I C= V BE/re，VC=-RC IC=-RCVBE/re=V(-R C/re)，放大率 A V= V C/ V=-R C/re。注意 re 是 I C 的函數，這樣會使得A V 和輸出訊號大小有關，導致非線性失真（nonlineardistortion）。假如把

6、 re 的效應考慮進去，前面共射極放大器的放大率A V=-RC /(RE+re)，RE 可使re 所造成的非線性失真減小 ，但同時 |AV|也減小。同理射極隨耦器的 A V 不再是 1，而是 RE/(RE+re)。四、共源極放大器（ Common-Source Amplifier ）共源極放大器的原理可參閱前面實驗的補充教材，這裡僅簡單介紹一下。電路如右圖， FET 的靜態偏壓應設計在飽和（或恆流）區，其傳輸特性為ID =IDSS=k(V GS-V t)2/2。（式 3-3）互導 gm 定義為 ID/ V GS，故gm=k(V GS-V t)=(2k I D )1/2（式 3-4）為 V GS

7、 或 ID 的函數。此放大器的放大率AV =-gmRD ，由 RD 控制。RS 用來穩定直流偏壓 ，C2 讓交流訊號看到一個接地的源極。V GS 被偏壓在 - IDRS。五、源極隨耦器（ Source Follower）源極隨耦器以前已經量測過，電路如右圖，輸出訊號由源極接出。 C2 要拿掉。ID = IS=gm V GS=gm( V G- VS)，又 I S= V S/RS，兩式合併可得AVVSgm RSVGgm RS1RSRS1/ g m（式 3-5）單級放大器之3應用電子學實驗講義（I ）六、共基極（閘極）放大器（Common-Base/Gate Amplifier）我們可以利用前面提到

8、的four-resistor bias circuit 設計共基極 /閘極（ CB/CG）放大器的直流偏壓，但在基極或閘極必須有一夠大的電容接地，確保在AC 訊號的頻率範圍基極 /閘極是接地的。放大器的輸入是射極/源極，輸出是集極 /汲極。假如不考慮輸入的負載效應 ，此類放大器的增益為gmRC/R L(gmRD/R L)，不反相。這種放大器的高頻頻率響應遠較共射極放大器好。BJT 電晶體的射極輸入阻抗為 re25，相當的小。假如訊號源的輸出阻I C in mA抗稍微大一點的話，負載效應就相當嚴重，訊號會變成r /(R+r )倍。esource e對 FET 而言，源極的情形也類似，但輸入阻抗改

9、為1/gm。程序 1射極接地放大器（ Grounded-Emitter Amplifier ）1. 線路圖如上，接好後先檢查電晶體 E、B、C 三極之直流靜態偏壓的電壓值，推算出電晶體各接腳的直流電流，確定電晶體是在forward active。2. Vin 用一個頻率為 10kHz 之三角波輸入，振幅調到使 V out 之波形剛好不被削截 ，這時的輸出波形式不是有些像 “穀倉頂 ”或 “拱窗 ”，如下圖。請把你所得到的圖記錄下來。VoutVcctime注意！ V in 的振幅可能會需要很小，假如你訊號產生器上的AMPL鈕轉到MIN還不夠小到讓 V out 不產生削截的話，記得“ PULL”此

10、鈕，輸出會衰減20dB。AMPL單級放大器之4-20dB應用電子學實驗講義（I ）PULLMINMAX3. 現在將電路中的 C2（22 F）移去，將 Vin 之振幅增大（這時 |AV |小很多），觀察 Vout 之波形，失真是不是小很多？記錄 V in 和 V out 振幅，計算增益大小（注意相位）。4. 將 C2 接回去，將 V in 之振幅調到最小（記得 PULL-20dB ），由 V out 和 V in 之振幅比求得 A V ，和你預測的值（ -RC/re）一樣嗎？2共射極放大器的輸入及輸出阻抗1.程序 1 的電路若沒有C2，請你設計出一套方法測出此放大器的輸入（Zin ）及輸出阻抗（

11、 Zout）。提示：圖 (a) 為放大器的等效電路。圖(b) 顯示在輸入端先串接一個大小適當的RS，觀察RS 所造成V out的衰減（ V outA V V S Z in ）即可得出 Z in。圖 (c) 顯示在輸出接一適當之電阻RL（中間必須串接Z inR SRL 所造成 V out 的衰減（ V outA VVSRL一阻隔電容以免影響放大器之偏壓），觀察）即可得Z outR L出 Zout。2. C2 加上去，測量在 10kHz 的輸入和輸出阻抗。3共源極放大器（ Common-Source Amplifier ）單級放大器之5應用電子學實驗講義（I ）1. 電路圖如右，RD=4.7k 。

12、先將輸入接地（即Vin =0），測量 FET 的靜態偏壓點，包括V G、VS 和 VD，I D 可由 VS/RS 求得。電晶體在飽和區嗎？2. Vin 用一個頻率為 10kHz 之三角波輸入 ，振幅調到使 V out 之波形剛好不被削截，觀察他失真的情形。3. Vin 用 1kHz 的正弦波輸入，振幅調得不使 Vout 波形失真。記錄 V in 和 V out 的振幅及相位，計算 A V。注意！請一定要用探針的x10 檔。4. RD 分別用 10k 和 15k 代替，重複步驟 1 到 3。5. 利用和程序 2 相同的方法測量此放大器的輸入及輸出阻抗。6. 將源極的電容移除，重複步驟 1 到 3

13、。 4共基極放大器（ Common-Base Amplifier）1. 這裡我們要測試一個單電源的共基極放大器，電路圖在下一頁。電容找到接近的值即可，注意極性。注意觀察一下，他偏壓的方式就是典型的 four-resistor biascircuit 。檢查各極的直流偏壓，電晶體是不是在forward active? IC 是多大？2. 為了避免輸入的負載效應，訊號在進入放大器前，先加一個利用運算放大器 uA741 接成的 buffer。訊號頻率用100kHz，振幅調小到輸出沒有明顯的失真（可以用三角波試試）。求出放大率。3. 利用程序 2 的方法，量出此放大器的輸入和輸出阻抗。記號測輸入阻抗時

14、，要利用 buffer。5共閘極放大器（ Common-Gate Amplifier ）單級放大器之6應用電子學實驗講義（I ）1. 右圖是一簡單 CG 的 JFET 放大器電路圖，偏壓方式較 BJT 簡單。注意電容極性。先測一下各極的直流電壓。要確定 JFET 在飽和區很容易，你可以調整 V DD，由 0V 開始慢慢增加，用 DVM觀察 1k 電阻兩端的電壓。當V DD 加到此電壓不太變化時，JFET 就已經進入飽和區。量出V GS，V DS 和 I D。2. 為了避免輸入的負載效應 ，訊號在進入放大器前，先加一個利用運算放大器 uA741 接成的 buffer。訊號頻率用10kHz，振幅調

15、小到輸出沒有明顯的失真（可以用三角波試試） 。求出放大率。3. 利用程序 2 的方法，量出此放大器的輸入和輸出阻抗。記號測輸入阻抗時，要利用 buffer。問題與討論1. (a)計算程序 1 電路中 BJT 的靜態操作點，和你的實驗值比較。(b)解釋在步驟 2 所得之輸出波形。(c)為什麼將 C2 移去會使得失真減小？(d)計算有 C2 及沒有 C2 時之 A V ，和實驗值比較。(e)利用 PSPICE 模擬你的結果。2. 仔細說明你在程序 2 測量輸入輸出阻抗的方法，還有結果。3. 由程序 3 的實驗結果求 FET 的 gm。和你在以前實驗測出來的結果比較。4. 分析程序 4 的放大器，和你測量的結果是否一致？並做 PSPICE 模擬。5. 分析程序 5 的放大器，和你測量的結果是否一致？並做 PSPICE 模擬。6. 程序 5 中的電路中，假如改變 RD 為 5k ，I D 會不會改變？放大率呢？做PSPICE模擬。單級放大器之7