【導讀】CMOS反相器也可以被視為高增益放大器，它由一個PMOS器件M1和一個NMOS器件M2構(gòu)成。通常，CMOS制造工藝經(jīng)過特別設計，使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補。然后，反相器的設計人員調(diào)整NMOS和PMOS器件的寬長比W/L，使其各自的跨導也相等。
本次實驗的目標是探討由互補MOS器件(CMOS)構(gòu)建的高增益反相放大器。
材料
● ADALM2000 主動學習模塊
● 無焊面包板
● 跳線
● 三個100 kΩ電阻
● 一個10 kΩ電阻
● 一個4.7 kΩ電阻
● 兩個22μF電容
● 兩個1μF電容
● 一個10 pF電容
● 一個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PMOS器件M1和一個NMOS器件M2構(gòu)成。通常，CMOS制造工藝經(jīng)過特別設計，使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補。然后，反相器的設計人員調(diào)整NMOS和PMOS器件的寬長比W/L，使其各自的跨導也相等。
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連接到電路板負電源Vn，而不是接地，因為CD4069A(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的硬件設置
硬件設置
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。兩個示波器通道均應設置為每格1 V。如果正負電源上使用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，這應該是一個負數(shù)，因為放大器反相。
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.單級放大器
硬件設置
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偏移的正弦信號應用于輸入端，并測量整個系統(tǒng)從10 kHz到100 kHz的增益。使用網(wǎng)絡(Bode)分析儀繪制整個系統(tǒng)的增益和相位與頻率的關系圖。
LTspice?關系圖示例如圖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。
圖7.使用CD4007的單級放大器的硬件設置
圖8.使用CD4007的單級放大器的關系圖
圖9.三級放大器
硬件設置
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偏移的正弦信號應用于輸入端，并測量整個系統(tǒng)從10 kHz到100 kHz的增益。使用網(wǎng)絡(Bode)分析儀繪制整個系統(tǒng)的增益和相位與頻率的關系圖。
LTspice關系圖示例如圖11所示。
圖10.使用CD4007的三級放大器的硬件設置
圖11.使用CD4007的三級放大器的關系圖
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左下方的兩個反相器產(chǎn)生一個方波及其互補信號，以驅(qū)動CD4066的開關控制。這些方波驅(qū)動開關，開關A和B在輸入端用作單刀雙擲開關，而開關C和D在輸出端執(zhí)行相同的功能。圖12中間的另一個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。
在運行時，輸入信號由輸入開關調(diào)制，并由交流放大器放大，然后由輸出開關解調(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 學子專區(qū) 博客上找到問題答案。
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