学子专区—ADALM2000实验：跨阻放大器输入级

　　目标

　　本次实验旨在研究简单跨阻放大器的输入级配置。

　　背景信息

　　跨阻放大器输出的电压与输入电流成比例。跨阻放大器通常被称为互阻放大器，尤其是半导体制造商喜欢这样叫。在网络分析中，跨阻放大器的一般描述是电流控制的电压源(CCVS)。

　　反相跨阻放大器可由传统运算放大器和单个电阻器构成。电阻器连接在运算放大器的输出和反相输入之间，同相输入连接到地。这样，输出电压便与反相输入节点处的输入电流成比例，随着输入电流的增加而减小，反之亦然。

　　本次实验活动探究一种交替差分输入结构，它能够产生固有的低输入阻抗(电流输入)，而在ADI公司 6月学子专区实验和 7月学子专区实验(MOS)中探究的电压差分对则与此相反，其输入阻抗相对较高。完整的转换放大器可能需要添加更多增益级和一个输出驱动器级。

　　材料

　　● ADALM2000 主动学习模块

　　● 无焊面包板

　　● 跳线

　　● 三个1 kΩ电阻

　　● 两个2.2 kΩ电阻

　　● 一个47 kΩ电阻

　　● 两个10μF电容

　　● 两个NPN晶体管(2N3904或SSM2212)

　　● 两个PNP晶体管(2N3906或SSM2220)

　　说明

　　与ADALM2000(ADI公司)相连的电路及连接如图1所示。NPN晶体管Q1和Q2以及PNP晶体管Q3和Q4应从VBE匹配最佳的可用器件中选择。在同一封装中制造的晶体管，例如SSM2212、SM2220或CA3046，往往比单个器件匹配得更好。探究本电路的工作原理时，示波器输入1+可以连接到Q1和Q3发射极的连接点，或连接到Q1或Q3的集电极。位于Q1和Q3的发射极连接点的电流输入节点是标称低阻抗，因此它可以从电流源驱动。ADALM2000的AWG输出更像电压源。因此，1 kΩ电阻RIN用于将AWG1的电压输出转换为电流(IIN = VIN/1 kΩ)。

图1.电流驱动的跨阻放大器输入级

图2.面包板电路上的电流驱动跨阻放大器输入级

　　硬件设置

　　第一个波形发生器W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为800 mV，偏移为0。示波器的通道1应连接为显示第一发生器的输出，通道2应设置为显示输出信号(每格40 mV)。

　　程序步骤

　　配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。使用LTspice®的波形示例如图3所示。

图3.电流驱动的跨阻放大器输入级的波形

　　观测RL的输出，其为Q1和Q3的集电极信号交流耦合的和。测量从AWG1输出到RL的电压增益，并将其与计算值进行比较。观测电流输入节点(1+，Q1和Q3的发射极在此连接)处的信号的电压幅度。基于该幅度计算放大器的输入电流幅度(RIN两端的电压除以RIN)和有效输入电阻。将这些值与计算值进行比较。

　　配置电压驱动

　　附加材料

　　● 一个470 Ω电阻

　　说明

　　现在将输入重新配置为电压驱动。用470 Ω电阻替换RIN，另一端接地，如图4所示。断开Q2和Q4的发射极与地的连接，并断开其与AWG1输出的连接。

图4.带尾电流源的差分对

　　硬件设置

　　第一个波形发生器W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为800 mV，偏移为0。示波器的通道1应连接为显示第一发生器的输出，通道2应设置为显示输出信号(每格80 mV)。

图5.面包板电路上的电压驱动跨阻放大器输入级

　　程序步骤

　　配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。使用LTspice的波形示例如图6所示。

图6.电压驱动的跨阻放大器输入级的波形

　　观测RL的输出，其为Q1和Q3的集电极信号交流耦合的和。测量从AWG1输出到RL的电压增益，并将其与计算值进行比较。观测电流输入节点(1+，Q1和Q3的发射极在此连接)处的信号的电压幅度。基于该幅度计算放大器的输入电流幅度(RIN两端的电压除以RIN)和有效输入电阻。将这些值与计算值进行比较。

　　在该电压驱动配置中，为了测量输入驱动器(W1)需要提供的电流，应插入1 kΩ电阻与AWG1(以及Q2和Q4的发射器)串联。横跨1 kΩ电阻连接差分通道1示波器输入1+、1-。当AWG1以±400 mV摆幅摆动时，观测此电压并计算电流。

　　问题：

　　● 说出定义跨阻放大器的主要特性。

　　● 您能否指出采用此类电路的一些应用?您可以在学子专区 论坛上找到答案。

　　作者简介

　　Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

　　Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。