【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(zhǎng)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(zhǎng)比W/L，使其各自的跨導(dǎo)也相等。
圖1.CMOS反相放大器（CD4007引腳）
說明
首先構(gòu)建圖2所示的簡(jiǎn)單示例，以測(cè)試簡(jiǎn)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。
圖2.放大器轉(zhuǎn)換函數(shù)
圖3.CD4007封裝引腳排列
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(cè)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(qǐng)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。
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。
圖6.單級(jí)放大器
硬件設(shè)置
單級(jí)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(cè)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(jí)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。
圖7.使用CD4007的單級(jí)放大器的硬件設(shè)置
圖8.使用CD4007的單級(jí)放大器的關(guān)系圖
圖9.三級(jí)放大器
硬件設(shè)置
三級(jí)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(cè)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。
圖10.使用CD4007的三級(jí)放大器的硬件設(shè)置
圖11.使用CD4007的三級(jí)放大器的關(guān)系圖
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(duì)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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