學子專區(qū)—ADALM2000實驗：放大器輸出級

作者：Doug Mercer，ADI 顧問研究員；? Antoniu Miclaus，ADI 系統(tǒng)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(fā)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。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V_BE的SSM2212）

?兩個小信號PNP晶體管（最好是具有匹配V_BE的SSM2220）

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Q1和Q2基極的接合處。示波器輸入2應連接到Q1和Q2發(fā)射極的接合處。

圖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(fā)生器的輸出，兩個通道（1和2）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(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R_L處的輸出。圖3為Scopy波形圖示例。

圖2.推挽輸出級面包板電路

圖3.推挽輸出級波形

接下來施加電源并調整波形發(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所示的基本推挽級中，過零處的大量失真是死區(qū)——此時NPN和PNP發(fā)射極跟隨器均關閉——造成的結果。如果用兩個V_BE壓降預偏置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，并設置流入輸出器件Q2和Q4中的空閑電流。

說明

在電源關閉的情況下，組裝圖5所示電路，引線應盡可能短且整潔。NPN晶體管Q1和Q2以及PNP晶體管Q3和Q4應從V_BE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

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(huán)路周圍的電壓才會為零。當輸出為0 V——也就是說R_L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(fā)生器的輸出，兩個通道（1和2）均應設置為以每格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R_L處的輸出。

圖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、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V_BE值，我們將得到圖8所示的配置。有些人可能意識到，Q3和Q2的組合就是我們在4月份文章“ADALM2000實驗：發(fā)射極追隨器(BJT)”中討論的低失調跟隨器。電路利用PNP發(fā)射極跟隨器的V_BE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。

圖8.發(fā)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(fā)生器的輸出，兩個示波器通道（1和2）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(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R_L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）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(shù)據(jù)轉換器產(chǎn)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(xù)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。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)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(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。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。

關鍵詞： 發(fā)射極跟隨器 推挽輸出 學士學位 的情況下 主動學習