學(xué)子專(zhuān)區—ADALM2000實(shí)驗：調諧放大器級

目標

本次實(shí)驗旨在研究調諧放大器的特性。

背景知識

對通信系統的許多要求都超出了運算放大器的高頻限制。在此類(lèi)情況下，通常會(huì )使用分立式調諧放大器。分立式放大器通常使用LC（并聯(lián)電感電容）諧振電路來(lái)代替集電極（或漏極）電阻器進(jìn)行調諧。此類(lèi)電路見(jiàn)圖1。

圖1.具有諧振輸出負載的共發(fā)射極放大器。

并聯(lián)LC（諧振回路）電路決定了放大器的頻率響應。在某個(gè)頻率下，XL = XC。此頻率稱(chēng)為諧振頻率FR，其計算公式如下：

正如我們在電感器自諧振實(shí)驗1中了解到的那樣，在設計調諧放大器時(shí)一定要考慮內置電容。在理想的諧振電路中，電感電流滯后電容電流180°，凈電路電流為零。因此，并聯(lián)諧振電路的阻抗在FR處極高。當集電極的負載阻抗最大（即在FR處工作）時(shí)，共發(fā)射極放大器的電壓增益達到最大值。

當輸入頻率（FIN）低于FR時(shí)，電路阻抗從其最大值開(kāi)始減小并呈感性。當FIN高于FR時(shí)，電路阻抗再次下降，但呈容性。當在FR處工作時(shí)，諧振電路的阻抗達到其最大值。因此，調諧共發(fā)射極放大器2的增益也處于最大值。

實(shí)驗前仿真

構建調諧放大器的仿真原理圖見(jiàn)圖1。計算偏置電阻R1和R2的值，確保當發(fā)射極電阻R3設置為100 Ω時(shí)，NPN晶體管Q1中的集電極電流約為5 mA。假設電路由10 V電源供電。確保R1和R2之和（總電阻）達到合理的最高值，從而讓放大器級保持盡可能高的輸入阻抗。將輸入和輸出交流耦合電容C2和C3設置為0.1 μF。計算C1的值，確保當L1設置為100 μH時(shí)，諧振頻率接近500 kHz。在輸入端口執行小信號交流掃描，并繪制在輸出處看到的幅度和相位曲線(xiàn)。保存這些結果，將它們與實(shí)際電路的測量結果進(jìn)行比較并將比較結果隨附在實(shí)驗報告中。您可能還希望為圖3和圖4中所示的電路創(chuàng )建仿真原理圖。

材料

?ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊

?無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)套件

?一個(gè)2N3904 NPN晶體管

?一個(gè)100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

?兩個(gè)0.1μF電容

?一個(gè)100 Ω電阻

?所需的其他電阻和電容

說(shuō)明

在無(wú)焊試驗板上構建圖2所示的電路。根據您的實(shí)驗前仿真，從器件套件中選擇偏置電阻器R1和R2的值，以便在使用100 Ω發(fā)射極電阻器R3時(shí)，NPN晶體管Q1中的集電極電流介于5 mA和10 mA之間。假設電路由+5V和–5V電源（總共10V）供電。確保R1和R2之和（總電阻）達到合理的最高值，從而讓放大器級保持盡可能高的輸入阻抗。同樣，根據您的仿真，計算C1的值，使100 μH L1的諧振頻率接近500 kHz。從器件套件內提供的標準電容器值中選擇一個(gè)值，或者將兩個(gè)器件串聯(lián)或并聯(lián)在一起，使其值盡可能接近計算值。根據最終得到的C1值計算新的諧振頻率。您可能希望考慮在實(shí)驗中測量的寄生繞組電容對電感器自諧振的影響。1

此調諧放大器的峰值增益可能會(huì )非常高。我們將需要通過(guò)選擇比R1和R2并聯(lián)電阻值（放大器的輸入電阻）大2到3倍的RS值來(lái)略微衰減AWG1的輸出信號。輸出負載RL的值還決定了放大器的最大增益。在初始測量時(shí)，要將RL排除在電路之外。示波器通道的大約1 MΩ輸入電阻將用作RL。

圖2.共發(fā)射極調諧放大器。

硬件設置

綠色區域表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復檢查接線(xiàn)之后，再打開(kāi)電源。試驗板連接見(jiàn)圖3。

圖3.共發(fā)射極調諧放大器試驗板連接。

程序步驟

在主Scopy窗口打開(kāi)網(wǎng)絡(luò )分析儀軟件工具。配置掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為10 MHz。將振幅設置為200 mV，偏置設置為0 V。使用波特圖顯示，將可顯示的最大幅度設置為60 dB，顯示范圍設置為80 dB。將可顯示的最大相位設置為180°，顯示范圍設置為360°。在示波器通道下，點(diǎn)擊“使用通道1”，將其作為參考通道。將步驟數設為100。

運行單次頻率掃描。您應該會(huì )看到，幅度和相位與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)和仿真結果非常相似。一旦確定放大器的最大增益出現在500 kHz附近，就可以縮小頻率掃描范圍，使其從100 kHz開(kāi)始，到1 MHz停止。請務(wù)必將所有頻率掃描數據導出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB?進(jìn)行深入分析。Scopy波形圖示例見(jiàn)圖4。

說(shuō)明

計算輸入偏置電阻分壓器R1和R2的新值，使得在沒(méi)有施加輸入信號的情況下晶體管Q1截止(IC = 0)。正弦波通常不包含任何諧波，因此將AWG1設置為產(chǎn)生方波信號，其頻率為您在早期測試中測量的諧振頻率的1/3。要生成大諧波，請將對稱(chēng)性設置為20%（在20%的周期內脈沖處于高電平）。您需要將輸入脈沖的幅度增加到大于2 V，或者移除輸入衰減源電阻器RS。

程序步驟

倍頻器由集電極電流的脈沖驅動(dòng)，集電極電流由C類(lèi)放大器產(chǎn)生。盡管集電極電流以脈沖形式流動(dòng)，但由于諧振電路的作用，交流集電極電壓為正弦波。使用一個(gè)示波器通道，通過(guò)測量發(fā)射極電阻器R3兩端的電壓來(lái)監控集電極電流脈沖。Scopy波形圖見(jiàn)圖5。

圖4.共發(fā)射極調諧放大器，RL為1 MΩ。

現在向電路中添加負載電阻RL。從100 kΩ開(kāi)始運行新掃描。記下最大增益和頻率。將它們與僅使用示波器輸入作為負載時(shí)獲得的結果進(jìn)行比較。連續嘗試較低的RL值，例如10 kΩ和1 kΩ等。記下并比較測量結果。

倍頻器

倍頻器或諧波發(fā)生器是一類(lèi)特殊的放大器，其偏置比正常截止偏置低3到10倍。使用它們生成的輸出頻率是較低輸入頻率的倍數（諧波）。

圖2的調諧放大器電路可以用作倍頻器。如果輸入信號（例如包含足夠大諧波的方波或脈沖）的頻率為167 kHz，也就是輸出回路的諧振頻率500 kHz的1/3，則輸出信號將達到500 kHz，即輸入頻率的三倍，而且此時(shí)的增益最高。輸入的基頻和其他諧波將因電路的調諧特性而顯著(zhù)降低。五次諧波（五倍頻）信號通常在倍頻中盡可能高，因為高于五次的輸入信號諧波通常非常弱，并且倍增輸出會(huì )減小到非常弱的信號。

圖5.通道2測量發(fā)射極電阻R3兩端的電壓。

改進(jìn)的調諧放大器級

下面的電路（如圖6所示）是更通用的調諧放大器級，它使用帶有LC諧振輸出負載的NPN差分對3。

材料

?ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊

?無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)套件

?一個(gè)2N3904 NPN晶體管

?一對SSM2212 NPN匹配晶體管

?一個(gè)100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

?兩個(gè)0.1 μF電容（標記為104）

?一個(gè)100 Ω電阻

?兩個(gè)1 kΩ電阻

?兩個(gè)2.2 kΩ電阻

?所需的其他電阻和電容

說(shuō)明

在無(wú)焊試驗板上構建圖6所示的電路。為Q1和Q2配備SSM2212匹配晶體管對。從器件套件中選擇偏置電阻器R1和R2的值，以便在使用100 Ω發(fā)射極電阻器R3時(shí)，NPN晶體管Q3中的集電極電流介于5 mA和10 mA之間。請注意，在這種情況下，R1、R2電阻分壓器由地和–5 V電源供電。使用與前面的放大器級相同的L1和C1組合。

圖6.具有單端諧振輸出負載的差分放大器級。

硬件設置

綠色區域表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復檢查接線(xiàn)之后，再打開(kāi)電源。試驗板連接見(jiàn)圖7。

圖7.具有單端諧振輸出負載試驗板連接的差分放大器級。

程序步驟

在主Scopy窗口打開(kāi)網(wǎng)絡(luò )分析儀軟件工具。配置掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為10 MHz。將振幅設置為200 mV，偏置設置為0 V。使用波特圖顯示，將可顯示的最大幅度設置為50 dB，顯示范圍設置為80 dB。將可顯示的最大相位設置為180°，顯示范圍設置為360°。在示波器通道下，點(diǎn)擊“使用通道1”，將其作為參考通道。將步驟數設為500。

與第一個(gè)實(shí)驗一樣，運行單次頻率掃描。一旦確定放大器的最大增益出現在500 kHz附近，就可以縮小頻率掃描范圍，使其從100 kHz開(kāi)始，到1 MHz停止。請務(wù)必將數據導出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB進(jìn)行深入分析。Scopy波形圖見(jiàn)圖8。

圖8.經(jīng)過(guò)改進(jìn)的調諧放大器，RL為1 MΩ。

與前面一樣，向電路中添加負載電阻RL。從100 kΩ開(kāi)始運行新掃描。記下最大增益和頻率。將它們與僅使用示波器輸入作為負載時(shí)獲得的結果進(jìn)行比較。連續嘗試較低的RL值，例如10 kΩ和1 kΩ等。記下并比較測量結果。它們應當與第一個(gè)實(shí)驗中獲得的結果類(lèi)似。

額外實(shí)驗

通過(guò)一個(gè)電容器將幅度調制應用于輸出頻率，該電容器將源自AWG 2的調制（音頻）信號耦合到電流源晶體管Q3的基極或發(fā)射極。

添加2階高通濾波器輸入級

有時(shí)，需要在單晶體管調諧放大器級的輸入端接入一個(gè)簡(jiǎn)單的有源高通濾波器。圖9所示的濾波器電路提供一個(gè)具有單位增益的2階濾波器。此濾波器便于放置在較大的電路中，因為它包含的元件很少，而且占用的空間不大。

有源高通晶體管電路相當簡(jiǎn)單，總共僅使用四個(gè)電阻器、兩個(gè)電容器和單個(gè)晶體管。晶體管的工作條件以正常方式進(jìn)行設置。如圖1所示，R1和R2用于設置晶體管基極的偏置點(diǎn)。電阻器R3是發(fā)射極電阻器，用于設置晶體管的電流。

濾波器元件包含在從晶體管發(fā)射極到輸入的負反饋中。構成有源濾波器網(wǎng)絡(luò )的元件包含C2、C3、R4以及R1和R2的并聯(lián)組合，并假設晶體管基極的輸入電阻非常高，可以忽略不計。

這針對的是高通濾波器電路中晶體管本身的影響可以忽略的值，即：

其中：

β = 晶體管的正向電流增益 Fo = 高通濾波器的截止頻率 π = 3.14159

用于確定元件值的方程提供Butterworth響應，該響應以盡可能快地實(shí)現最終滾降為代價(jià)提供通帶內的最大平坦度。之所以這樣選擇，是因為這種形式的濾波器適合大多數應用，并且數學(xué)計算很容易。

材料

?ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊

?無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)套件

?一個(gè)2N3904 NPN晶體管

?一個(gè)100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

?一個(gè)0.1 μF電容

?一個(gè)100 Ω電阻

?所需的其他電阻和電容

說(shuō)明

在無(wú)焊試驗板上構建圖9所示的電路。對偏置電阻器R1和R2使用與實(shí)驗1中相同的值（圖2）。使用與前面的放大器級相同的L1和C1組合。使用上面的高通截止頻率FO公式計算C2、C3和R4的值，從而產(chǎn)生比L1和C1的諧振頻率低兩倍頻程的頻率。例如，如果FR等于500 kHz，則基于FO等于125 kHz進(jìn)行計算。

圖9.向調諧放大器中添加2階高通輸入濾波器。

圖10.試驗板連接。

硬件設置

綠色區域表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復檢查接線(xiàn)之后，再打開(kāi)電源（圖10）。

程序步驟

在主Scopy窗口打開(kāi)網(wǎng)絡(luò )分析儀軟件工具。配置掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為10 MHz。將振幅設置為200 mV，偏置設置為0 V。使用波特圖顯示，將可顯示的最大幅度設置為30 dB，顯示范圍設置為60 dB。將可顯示的最大相位設置為180°，顯示范圍設置為360°。在示波器通道下，點(diǎn)擊“使用通道1”，將其作為參考通道。將步驟數設為100。

圖11.RL 為1MΩ時(shí)的結果

與第一個(gè)實(shí)驗一樣，運行單次頻率掃描，示波器通道2通過(guò)耦合電容C4連接到Q1的集電極。要測量高通輸入濾波器的響應，請通過(guò)耦合電容C4將示波器通道2連接到Q1的基極。請務(wù)必將數據導出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB進(jìn)行深入分析。將響應曲線(xiàn)與在圖2的電路中測量的曲線(xiàn)進(jìn)行比較。嘗試C2、C3和R4值的不同組合，了解頻率響應有何變化。Scopy波形圖見(jiàn)圖11。

問(wèn)題

1.當運算放大器不適合高頻要求時(shí)，通常使用哪些元件來(lái)調諧放大器？

2.并聯(lián)諧振電路的阻抗在其諧振頻率下會(huì )發(fā)生什么變化，這對共發(fā)射極放大器的電壓增益有何影響？

3.文中提到的高通濾波器的主要功能是什么？它對放大器的輸入信號有何影響？

您可以在學(xué)子專(zhuān)區論壇上找到問(wèn)題答案。

參考文獻

1 “實(shí)驗：電感自諧振?！?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/ADI">ADI公司，2020年6月。

2 “ADALM2000實(shí)驗：共發(fā)射極放大器?！薄赌M對話(huà)》，第54卷第2期，2020年6月。

3 “ADALM2000實(shí)驗：BJT差分對?！薄赌M對話(huà)》，第55卷第2期，2021年6月。

(作者：Antoniu Miclaus，系統應用工程師)