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ADALM2000實(shí)驗(yàn):CMOS放大器級

發(fā)布時(shí)間:2022-01-20 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】CMOS反相器也可以被視為高增益放大器,它由一個(gè)PMOS器件M1和一個(gè)NMOS器件M2構(gòu)成。通常,CMOS制造工藝經(jīng)過特別設(shè)計(jì),使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補(bǔ)。然后,反相器的設(shè)計(jì)人員調(diào)整NMOS和PMOS器件的寬長比W/L,使其各自的跨導(dǎo)也相等。


本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是探討由互補(bǔ)MOS器件(CMOS)構(gòu)建的高增益反相放大器。


材料


●     ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

●     無焊面包板

●     跳線

●     三個(gè)100 kΩ電阻

●     一個(gè)10 kΩ電阻

●     一個(gè)4.7 kΩ電阻

●     兩個(gè)22μF電容

●     兩個(gè)1μF電容

●     一個(gè)10 pF電容

●     一個(gè)CD4096A、CD4069UB、CD74HCU04或CD4007


背景信息


CMOS反相器也可以被視為高增益放大器,它由一個(gè)PMOS器件M1和一個(gè)NMOS器件M2構(gòu)成。通常,CMOS制造工藝經(jīng)過特別設(shè)計(jì),使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補(bǔ)。然后,反相器的設(shè)計(jì)人員調(diào)整NMOS和PMOS器件的寬長比W/L,使其各自的跨導(dǎo)也相等。


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圖1.CMOS反相放大器(CD4007引腳)


說明


首先構(gòu)建圖2所示的簡單示例,以測試簡單CMOS放大器的輸入到輸出傳遞函數(shù)。將Vp (5 V)電源連接到VDD(引腳14),并將地連接到GND(引腳7)。將波形發(fā)生器的輸出端連接到反相器輸入端之一(引腳1)以及示波器輸入端1+,并將反相器輸出端(引腳2)連接到示波器輸入端2+。如果您使用的是CD4069A(UB),您可以將引腳7 VSS連接到電路板負(fù)電源Vn,而不是接地,因?yàn)镃D4069A(UB)支持大于5 V的電源電壓。


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圖2.放大器轉(zhuǎn)換函數(shù)


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圖3.CD4007封裝引腳排列


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圖4.使用CD4007的硬件設(shè)置


硬件設(shè)置


CMOS反相放大器電路的面包板連接如圖4所示。


配置波形發(fā)生器生成1 kHz三角波,峰峰值幅度為4 V,偏移為2.5 V。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。如果正負(fù)電源上使用CD4069A,您將需要使用更大的8 V峰峰值幅度和0 V偏移。


程序步驟


測量輸出的斜率并計(jì)算放大器的直流增益,即輸出電壓的變化與輸出擺幅中心(大約2.5 V)處輸入電壓的變化之比。請注意,這應(yīng)該是一個(gè)負(fù)數(shù),因?yàn)榉糯笃鞣聪唷?/p>


Scopy示波器圖示例如圖5所示。


17.jpg

圖5.CMOS反相放大器Scopy圖


增加負(fù)反饋


使用無焊面包板構(gòu)建圖6所示的放大器電路。


1642683070612205.png

圖6.單級放大器


硬件設(shè)置


單級放大器的面包板連接如圖7所示。


配置波形發(fā)生器生成1 kHz正弦波,峰峰值幅度為2 V,偏移為0 V。


程序步驟


將2 V峰峰值幅度和0 V偏移的正弦信號(hào)應(yīng)用于輸入端,并測量整個(gè)系統(tǒng)從10 kHz到100 kHz的增益。使用網(wǎng)絡(luò)(Bode)分析儀繪制整個(gè)系統(tǒng)的增益和相位與頻率的關(guān)系圖。


LTspice?關(guān)系圖示例如圖8所示。


添加更多級以獲得更高增益


使用無焊面包板構(gòu)建圖9所示的放大器電路。


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圖7.使用CD4007的單級放大器的硬件設(shè)置


1642683007592248.png

圖8.使用CD4007的單級放大器的關(guān)系圖


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圖9.三級放大器


硬件設(shè)置


三級放大器的面包板連接如圖10所示。


配置波形發(fā)生器生成1 kHz正弦波,峰峰值幅度為2 V,偏移為0 V。


程序步驟


將2 V峰峰值幅度和0 V偏移的正弦信號(hào)應(yīng)用于輸入端,并測量整個(gè)系統(tǒng)從10 kHz到100 kHz的增益。使用網(wǎng)絡(luò)(Bode)分析儀繪制整個(gè)系統(tǒng)的增益和相位與頻率的關(guān)系圖。


LTspice關(guān)系圖示例如圖11所示。


22.jpg

圖10.使用CD4007的三級放大器的硬件設(shè)置


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圖11.使用CD4007的三級放大器的關(guān)系圖


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圖12.斬波放大器


附加電路


斬波放大器


CD4069A(UB)無緩沖十六通道CMOS反相器和CD4066四通道模擬開關(guān)用作斬波放大器的元件。參考圖12可以確定該電路的各種功能。圖12左下方的兩個(gè)反相器產(chǎn)生一個(gè)方波及其互補(bǔ)信號(hào),以驅(qū)動(dòng)CD4066的開關(guān)控制。這些方波驅(qū)動(dòng)開關(guān),開關(guān)A和B在輸入端用作單刀雙擲開關(guān),而開關(guān)C和D在輸出端執(zhí)行相同的功能。圖12中間的另一個(gè)反相器用作交流耦合放大器,類似于我們剛剛在圖6中看到的。


在運(yùn)行時(shí),輸入信號(hào)由輸入開關(guān)調(diào)制,并由交流放大器放大,然后由輸出開關(guān)解調(diào)。20 kΩ、560 pF低通濾波器最大限度地減少了輸出中的高頻紋波。


問題:


對于圖6所示的電路,從輸入源W1到反相器輸出端看到的輸出的增益是多少?


●     哪些元件決定了圖6所示電路的增益?

●     您可以在 學(xué)子專區(qū) 博客上找到問題答案。



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