实验3：放大器频率响应
该实验室介绍了学生在设计电路时频率响应的重要性。学生将研究两个放大器电路的频率响应，一个由晶体管和另一个使用opamps制成的频率响应。通过比较他们的频率响应在仍然提供相同的整体函数的同时，学生将学习不同的输入频率范围如何影响设计考虑因素。高级学生可以挑战自己以研究高速opamps，并将其设计和规格与常规opamps进行比较。
介绍
频响分析是用来了解电路在不同频率范围内的行为。在前两个实验中，我们看到频率响应是如何被考虑在有源和无源滤波器的设计中。事实上，电路的频率响应不仅是滤波电路的一个重要组成部分，而且适用于任何电路设计。此外，提供相同功能的两个不同电路可能会有非常不同的频率响应。在这种情况下，理解每个电路的频率响应是很重要的，以便为任何给定的频率应用选择最佳的设计。在这个实验室中，你将观察两个电压放大器电路，共发射极(CE)和反相运算放大器(opamp)，并研究它们的频率响应。
电压放大器是一种接收输入电压信号并输出较大电压信号的电路。你将研究的CE放大器利用一个NPN晶体管与电阻和电容用于设置增益和频率响应。在这个实验中，你将不会学习如何为一个期望的电压增益选择电阻或电容值，相反，你将学习CE放大器在不同频率范围下如何工作，以及如何在电路的频率响应分析中反映出来。
运放是一种常用的电压放大方法;与CE放大器相比，它更容易使用，并且需要更少的组件。在本实验室中，我们将运放配置为反相放大器配置，我们将探索运放的频率响应，以了解它与运放IC的不同参数之间的关系。
学习目标
在本节中，学生将:
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利用Multisim仿真一个CE放大器和运放的开环增益。
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构建CE放大器和反相opamp放大器，并使用来自波形的仪器测量输出增益和频率响应。
部分列表
本实验需要以下设备:
硬件
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2N3904，或兼容NPN晶体管
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741，或兼容的运算放大器
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22μF电解电容器
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10μF电解电容器
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4.7μF电解电容器
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10 kΩ电阻器
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5.6 kΩ电阻器
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2.2 kΩ电阻器
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1.8 kΩ电阻器
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2 x 1 kΩ电阻
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680Ω电阻
电路理论和仿真
共发射极放大器
图中的电路是一个使用NPN晶体管的CE放大器。在CE放大器中，电压增益是通过选择适当的电阻和电容来设定的。如前所述，在本实验室中，我们将更关注频率响应而不是设计参数。表1提供了可以用来分析放大器频率响应的直流和交流量。
如果你有一个高级帐户，你可以在Multisim中找到2N3904G NPN晶体管的模型。在免费版本中，可以选择通用的NPN晶体管模型，打开高级参数，并使用附件中的值完成字段:2 n3904g.zip，其余字段保持默认值。
| 直流参数 | 交流参数 | ||
|---|---|---|---|
| $ {\ beta} $ | 135 | 发射极交流电阻($r_e$) | 25Ω |
| 美元V_{基地}$ | 1.41 v | 集电极交流电阻($r_c$) | 1525Ω |
| 美元V_{发射器}$ | 0.71V. | ||
| $ v_ {collector} $ | 3.12 v | ||
| $ i_e = i_c $ | 1.00马 | ||
临界频率
右边的图像显示了CE放大器的频率响应。你需要调查以下三个部分:
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当频率增加时，当增益增加时，临界频率低（$ f_ {cl} $）。
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中档是输出电压最大的地方。这个范围是放大器应该工作的地方。
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当频率增加时，增益减少时，高临界频率（$ f_ {ch} $）。
本实验室的目标是了解低临界频率和高临界频率。低临界频率和高临界频率之间的范围是放大器的工作带宽。好的设计要求我们在带宽中加入一定的容差，所以我们将低频乘以10，高频除以10来计算放大器带宽。
使用Multisim Live构建电路。设置交流电源为10mV和30kHz，运行暂时分析在时域中查看电路增益。
运行交流扫描分析，查看电路的频率响应。
输入耦合电容器
CE放大器有三个电容，为了了解每个电容如何影响频率响应，我们将分别研究每个电容。临界频率可以用以下公式计算:$f_c=\frac{1}{2{\pi}RC}$。
代文宁定理可以用来推导出由}$中的电容器$C_{所看到的电阻。$R_{in}$是$R_1$、$R_2$和相互并联的晶体管交流电阻。可以计算美元R_用以下公式:{}中$ $ \压裂{1}{R_{在}}= \压裂{1}{R_1} + \压裂{1}{R_2} + \压裂{1}{{\β}r_e} $。
从源电压看的总电阻是：$ r_ {th} = r_ {in} + r_g $。
输出耦合电容
耦合电容$C_{out}$受到负载电阻$R_{load}$和$R_c$的影响，因此:$R_{th}=R_c+R_1$。
发射器旁路电容器
发射极电容器看到的等效电阻为:$r_{th}=r_e+ frac{R_g||R_1||R_2}{\beta}$。
电阻$R_e$不包含在方程中，因为它比上式中的$r_{th}$非常大，回想一下，当两个电阻并联时，总电阻更接近较小的值。
一旦你计算了三个电容器的临界频率，整个放大器的低临界频率$f_{cl}$就是你计算的最高频率。
高临界频率
在高频时，存在于晶体管内部的电容开始影响电路输出。2N3094 On Semiconductor的数据表列出了输出电容$C_{obo}$，为4pF。
将出现在电路中的另一个电容来源是寄生电容。该电容存在于每个组件，以及彼此靠近的电路元件中。随着频率的增加，这些不需要的电容将改变电路行为并使输出减小。
您可以使用以下方法近似于临界高频：$ c = c_ {obo} + c_ {para} $，$ r_ {th} = r_c || r_1 $。
- 问题和练习
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计算电容$C_{in}$的临界频率。
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计算电容器$ c_ {out} $的临界频率。
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计算发射电容的临界频率$C_e$。
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如果$C_{para}=10pF$，近似高临界频率。
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使用放大器的最高频率应该是多少?
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放大器的最大增益是多少？
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将最大增益乘以0.707，计算出低临界频率。将您的计算结果与仿真结果进行比较。是什么导致了计算和模拟之间的差异?
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你应该在什么频率以上操作放大器?
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opamp放大器频率响应
该运算放大器非常流行，用途广泛，需要很少的外部组件，易于设计。右边的图像显示了一个开环放大器。在这种情况下，你可以使用以下公式计算运放增益:$V_{out}=A_o(V_{In +}-V_{In -})$，其中$A_o$是开环增益。
使用Multisim Live构建电路开环放大器。使用3端子Opamp模型。3端子OPAMP模型具有默认的内部±12V电源。将$ V_ {OMP} $和$ V_ {OMN} $更改为±100V以修改内部opamp电源到±100v。内部电源模拟用于为实际OPAMP IC供电的电压范围。请注意，Opamp Gain $ a_ {vol} $是200k。
设置源频率为100Hz，然后模拟电路。对1MHz、10Mhz重复此步骤。随着交流电源频率的增加，输出电压会发生什么变化?
运行交流扫描分析来查看开环运放频率响应。
- 问题和练习
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随着交流电源频率的增加，输出电压会发生什么变化?
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使用来自格拉夫特的响应，opamp开始滚动之前的带宽是多少？
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运放内部电压如何影响增益?
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增益带宽积
开环结构在实际中没有使用。通常，在输出和一个输入之间有一个反馈连接。带反馈的电路的一个例子是反相放大器。
反相放大器的增益由$A=-\frac{R_2}{R_1}$给出。当$R_1$和$R_2$为1kΩ时，增益保持不变为1。你可以看到，降低增益给你的电路一个更大的工作带宽。
在下面的等式中可以看到增益和带宽之间的关系：$ GBW = AF_C $，其中$ GBW $是增益带宽产品，$ a $是电路增益，$ f_c $是输出开始滚动的频率关闭（带宽）。您可以从数据表获取GBW，这是一个示例从模拟设备OP27数据表中获取的示例。
- 问题和练习
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下载您的opamp数据表，并找到增益带宽产品。设计一个带宽为100kHz的电路。电路能达到的最大增益是多少?
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转换速率
该运放包含许多晶体管，类似于我们在讨论CE放大器部分，在高频时，晶体管内部的电容器开始影响输出。除寄生电容外，运放还具有补偿电容。补偿电容被添加以提供一个可预测的频率响应和防止振荡。
在运放内部的第一级是差分放大器，如图所示。该电路在运放输入端比较输入电压。补偿电容器位于差分输出。如果你还记得，电容器的充电速率是指数的，它有一定的斜率。当输入信号频率较高时，输入信号的斜率大于补偿电容的斜率，因此，电容会造成失真，即摆率失真。
从模拟设备OP27数据表中，你可以看到以V/μs为单位的转换速率。这个值告诉你补偿电容的斜率。
如果输入信号是正弦波，可以用下面的公式计算斜率:$S_S=2{\pi}fV_p$，其中$S_S$是正弦波的斜率，$f$是信号频率，$V_p$是输入电压的峰值。
使用MultiSim Live来调查转换率的效果。构建反相opamp放大器并运行瞬态分析。逐渐增加输入信号频率，直到您可以看到转换速率失真的效果。
为了有一个更明显的转换率失真，您可以使用UA741CD运放模型。别忘了把电源接到这个运放上。
- 问题和练习
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如果输入信号是正弦波，则显示出在显示速率失真之前的最大频率是多少？
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找到Opamp的频率响应图。增益为1的带宽是多少？
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使用运算放大器构建一个增益为1的缓冲区。将频率响应与数据表进行比较。
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建造和测量电路
CE放大器
构建中介绍的电路CE放大器在Breadboard Canvas上。您可以省略600Ω电阻($R_g$)，因为它模拟函数生成器的输出阻抗。你需要用+5V(红线)给电路供电。将函数发生器的W1通道(黄色线)和示波器的1+通道(橙色线)连接到电路的输入端，示波器的2+通道(蓝色线)连接到电路的输出端。将示波器的1路和2路(橙白和蓝白线)、函数发生器的地和运放的正输入接地。
不要忘记将Scope Channel 1和Scope Channel 2开关转向MTE头和5V开关转向POWER标签。
你可在此下载接线图:wiring_diagram_ce.zip
发射波形，产生50kHz的信号使用Wavegen仪器，设置振幅为10mV。使用范围在时域内查看电路响应。
打开网络分析仪并扫描频率范围从1赫兹到10.兆赫．将计算结果与仿真计算结果进行了比较。
- 问题和练习
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将实测结果与仿真结果进行比较。如果你的反应与模拟结果不同，请解释差异的原因。
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如果您的应用程序需要更宽的带宽，您会对设计进行哪些更改?
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研究Opamp频率响应
构建中介绍的电路转换速率在Breadboard Canvas上。你需要用±12V(红白线)给运放供电。将函数发生器的W1通道(黄色线)和示波器的1+通道(橙色线)连接到电路的输入端，示波器的2+通道(蓝色线)连接到电路的输出端。将示波器的1路和2路接地(橙白和蓝白线)，函数发生器的接地和运放的正输入。
不要忘记转动范围通道1，并且范围通道2向MTE标题交换，并向电源标签开关12V±切换。
你可在此下载接线图:wiring_diagram_opamp.zip．
在波形中开始Wavegen和范围仪器。设置Wavegen产生1kHz的正弦信号，并逐渐增加频率，直到看到转换率的效果。使用范围在时域内查看电路响应。
使用网络分析仪查看放大器的频率响应。
- 问题和练习
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测量的电路响应带宽如何与数据表的开环增益图进行比较？
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使用CE放大器比opamp的优点和缺点是什么?
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进一步的探索
高频组件
在本实验中，您调查了频率如何影响电路可以运行的限制。您了解了CE放大器频率响应。您还了解了Opamp带宽和补偿电容;您在高频运行时，它会如何导致转换速率失真。这些是opamps通常用于低频应用的原因。在设计以高频范围运行的电路时（兆赫），设计师需要考虑内部电容并寄生电容。通常，ICS专门考虑到这些考虑因素。例如，而不是常规opamp，您可以购买高速opamp。比较您在此实验室中使用的一些opamp的一些规格，其中包含高速opamp的数据表。实验室中讨论的哪个规范涉及高速操作？这些规格如何在常规opamp和高速opamp之间进行比较？