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    ADALM2000實驗:放大器輸出級

    2022-04-28 12:33:20 來源:Doug Mercer,ADI 顧問研究員; Antoniu Miclaus,ADI 系統應用工程師

    目標

    本次實驗旨在研究簡單推挽放大器的輸出級(B類和AB類)。

    背景信息

    輸出級的作用是提供功率增益。它應該具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。該級的一個顯而易見的選擇就是發射極跟隨器。但是,為了同時提供拉電流和灌電流能力,需要兩個互補跟隨器:一個NPN型用于拉電流,一個PNP型用于灌電流。結果就是所謂推挽配置,圖1顯示了一個簡單例子。R1R2用于檢測Q1Q2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主動學習模塊

    無焊面包板

    跳線

    兩個100 Ω電阻

    一個2.2 kΩ電阻

    兩個10 kΩ電阻

    兩個小信號NPN晶體管(最好是具有匹配VBESSM2212

    兩個小信號PNP晶體管(最好是具有匹配VBESSM2220

     

    說明

    開始之前,請確保關閉ADALM2000上的電源。電路和實驗室硬件的連接如圖1所示。示波器輸入1應連接到Q1Q2基極的接合處。示波器輸入2應連接到Q1Q2發射極的接合處。

     389482-fig-01.jpg

    1.推挽輸出級

    硬件設置

    示波器的通道1應連接為顯示第一發生器的輸出,兩個通道(12)均應設置為以每格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)設置為+5 V,將負電源(Vn)設置為-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3Scopy波形圖示例。

     389482-fig-02.jpg

    2.推挽輸出級面包板電路

     389482-fig-03.jpg

    3.推挽輸出級波形

    接下來施加電源并調整波形發生器,使W1100 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4Scopy XY波形圖示例。

     389482-fig-04.jpg

    4.電壓傳輸曲線

    減少輸出失真

    在圖1所示的基本推挽級中,過零處的大量失真是死區——此時NPNPNP發射極跟隨器均關閉——造成的結果。如果用兩個VBE壓降預偏置BJT,則波形在過零處的死區大幅減少,如圖5所示。這里,預偏置功能由二極管連接的NPN Q1PNP Q3提供。電阻R1R2提供偏置電流,并設置流入輸出器件Q2Q4中的空閑電流。

     

    說明

    電源關閉的情況下,組裝圖5所示電路,引線應盡可能短且整潔。NPN晶體管Q1Q2以及PNP晶體管Q3Q4應從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SSM2212CA3046,往往比單個器件匹配得更好。

     389482-fig-05.jpg

    5.具有過零失真消除功能的推挽輸出級

    考察圖5中由Q1、Q2、Q3Q4的基極發射極電壓形成的環路,我們知道環路周圍的壓降之和必須為零。因此,如果Q1Q2相同,并且Q3Q4相同,則僅當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,環路周圍的電壓才會為零。當輸出為0 V——也就是說RL中沒有電流,輸入也必然為0 V。

     

    硬件設置

    示波器的通道1應連接第一路信號發生器的輸出,兩個通道(12)均應設置為以每格1 V顯示輸出。面包板連接如圖6所示。

     389482-fig-06.jpg

    6.具有過零失真消除功能的推挽輸出級面包板電路

     

    程序步驟

    波形發生器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。

     389482-fig-07.jpg

    7.具有過零失真消除功能的推挽輸出級波形

    另一種配置

    記住由Q1、Q2、Q3Q4的基極發射極電壓形成的環路,我們還知道環路周圍壓降的順序可以互換。因此,如果互換NPN Q1PNP Q3VBE值,我們將得到圖8所示的配置。有些人可能意識到,Q3Q2的組合就是我們在4月份文章ADALM2000實驗:發射極追隨器(BJT)中討論的低失調跟隨器。電路利用PNP發射極跟隨器的VBE向上偏移來部分抵消NPN發射極跟隨器的VBE向下偏移。晶體管Q1Q4分別與Q3Q2互補。

     389482-fig-08.jpg

    8.發射極跟隨器過零失真消除

    硬件設置

    示波器的通道1應連接第一路信號發生器的輸出,兩個示波器通道(12)均應設置為以每格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。

     389482-fig-09.jpg

    9.發射極跟隨器過零失真消除面包板電路

     389482-fig-10.jpg

    10.發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)和圖8中的電路(發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 Mercer1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI),獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來,他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品,并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年,他從全職工作轉型,并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問,為“主動學習計劃”撰稿。2016年,他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

     

    Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師,從事ADI教學項目工作,同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。他于20172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軟件工程碩士項目的理學碩士生,擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。


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