學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn)：放大器輸出級(jí)

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)旨在研究簡單推挽放大器的輸出級(jí)（B類和AB類）。

背景信息

輸出級(jí)的作用是提供功率增益。它應(yīng)該具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。該級(jí)的一個(gè)顯而易見的選擇就是發(fā)射極跟隨器。但是，為了同時(shí)提供拉電流和灌電流能力，需要兩個(gè)互補(bǔ)跟隨器：一個(gè)NPN型用于拉電流，一個(gè)PNP型用于灌電流。結(jié)果就是所謂推挽配置，圖1顯示了一個(gè)簡單例子。R1和R2用于檢測Q1和Q2的集電極電流，以及在輸出過載的情況下限制這些電流。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無焊面包板

■   跳線

■   兩個(gè)100 Ω電阻

■    一個(gè)2.2 kΩ電阻

■   兩個(gè)10 kΩ電阻

■   兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（最好是具有匹配VBE的SSM2212）

■   兩個(gè)小信號(hào)PNP晶體管（最好是具有匹配VBE的SSM2220）

說明

開始之前，請確保關(guān)閉ADALM2000上的電源。電路和實(shí)驗(yàn)室硬件的連接如圖1所示。示波器輸入1應(yīng)連接到Q1和Q2基極的接合處。示波器輸入2應(yīng)連接到Q1和Q2發(fā)射極的接合處。

圖1 推挽輸出級(jí)

硬件設(shè)置

示波器的通道1應(yīng)連接為顯示第一發(fā)生器的輸出，兩個(gè)通道（1和2）均應(yīng)設(shè)置為以每格1 V顯示輸出。面包板連接如圖2所示。

程序步驟

波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度約為6 V，偏移為0。將正電源(Vp)設(shè)置為+5 V，將負(fù)電源(Vn)設(shè)置為-5 V。使用示波器通道1觀察W1的輸入，使用示波器通道2觀察放大器在RL處的輸出。圖3為Scopy波形圖示例。

圖2 推挽輸出級(jí)面包板電路

圖3 推挽輸出級(jí)波形

接下來施加電源并調(diào)整波形發(fā)生器，使W1為100 Hz三角波，其偏移為0 V，峰峰值幅度為3 V。在x-y模式下使用示波器觀察電路的電壓傳輸曲線。圖4為Scopy XY波形圖示例。

圖4 電壓傳輸曲線

減少輸出失真

在圖1所示的基本推挽級(jí)中，過零處的大量失真是死區(qū)——此時(shí)NPN和PNP發(fā)射極跟隨器均關(guān)閉——造成的結(jié)果。如果用兩個(gè)VBE壓降預(yù)偏置BJT，則波形在過零處的死區(qū)大幅減少，如圖5所示。這里，預(yù)偏置功能由二極管連接的NPN Q1和PNP Q3提供。電阻R1和R2提供偏置電流，并設(shè)置流入輸出器件Q2和Q4中的空閑電流。

說明

在電源關(guān)閉的情況下，組裝圖5所示電路，引線應(yīng)盡可能短且整潔。NPN晶體管Q1和Q2以及PNP晶體管Q3和Q4應(yīng)從VBE匹配最佳的可用器件中選擇。在同一封裝中制造的晶體管，例如SSM2212或CA3046，往往比單個(gè)器件匹配得更好。

圖5 具有過零失真消除功能的推挽輸出級(jí)

考察圖5中由Q1、Q2、Q3和Q4的基極發(fā)射極電壓形成的環(huán)路，我們知道環(huán)路周圍的壓降之和必須為零。因此，如果Q1與Q2相同，并且Q3與Q4相同，則僅當(dāng)Q1中的電流與Q2中的電流相同，并且Q3中的電流與Q4中的電流相同時(shí)，環(huán)路周圍的電壓才會(huì)為零。當(dāng)輸出為0 V——也就是說RL中沒有電流，輸入也必然為0 V。

硬件設(shè)置

示波器的通道1應(yīng)連接第一路信號(hào)發(fā)生器的輸出，兩個(gè)通道（1和2）均應(yīng)設(shè)置為以每格1 V顯示輸出。面包板連接如圖6所示。

圖6 具有過零失真消除功能的推挽輸出級(jí)面包板電路

程序步驟

波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度約為6.0 V，偏移為0。使用示波器通道1觀察W1的輸入，使用示波器通道2觀察放大器在RL處的輸出。

圖7 具有過零失真消除功能的推挽輸出級(jí)波形

另一種配置

記住由Q1、Q2、Q3和Q4的基極發(fā)射極電壓形成的環(huán)路，我們還知道環(huán)路周圍壓降的順序可以互換。因此，如果互換NPN Q1和PNP Q3的VBE值，我們將得到圖8所示的配置。有些人可能意識(shí)到，Q3和Q2的組合就是我們在4月份文章“ADALM2000實(shí)驗(yàn)：發(fā)射極追隨器(BJT)”中討論的低失調(diào)跟隨器。電路利用PNP發(fā)射極跟隨器的VBE向上偏移來部分抵消NPN發(fā)射極跟隨器的VBE向下偏移。晶體管Q1和Q4分別與Q3和Q2互補(bǔ)。

圖8 發(fā)射極跟隨器過零失真消除

硬件設(shè)置

示波器的通道1應(yīng)連接第一路信號(hào)發(fā)生器的輸出，兩個(gè)示波器通道（1和2）均應(yīng)設(shè)置為以每格1 V顯示輸出。面包板連接如圖9所示。

程序步驟

波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度約為6 V，偏移為0。使用示波器通道1觀察W1的輸入，使用示波器通道2觀察放大器在RL處的輸出。

圖9 發(fā)射極跟隨器過零失真消除面包板電路

圖10 發(fā)射極跟隨器過零失真消除波形

問題：

■   對于圖5中的電路（具有過零失真消除功能的推挽輸出級(jí)）和圖8中的電路（發(fā)射極跟隨器過零失真消除），仿真并繪制輸入/輸出傳輸曲線。這些電路與圖1中的電路相比如何？

作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab^?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。