【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構成。通常，CMOS製造工藝經過特別設計，使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補。然後，反相器的設計人員調整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)構建的高增益反相放大器。

材料

●     ADALM2000 主動學習模塊

●     無焊麵包板

●     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構成。通常
，CMOS製造工藝經過特別設計，使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補。然後，反相器的設計人員調整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。將Vp (5 V)電源連接到VDD（引腳14）
，並將地連接到GND（引腳7）。將波形發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+
，並將反相器輸出端（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)支持大於5 V的電源電壓。

圖2.放大器轉換函數

圖3.CD4007封裝引腳排列

圖4.使用CD4007的硬件設置

硬件設置

CMOS反相放大器電路的麵包板連接如圖4所示。

配置波形發生器生成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

測量輸出的斜率並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，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

使用無焊麵包板構建圖6所示的放大器電路。

圖6.單級放大器

硬件設置

單級放大器的麵包板連接如圖7所示。

配置波形發生器生成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於輸入端
，並測量整個係統從10 kHz到100 kHz的增益。使用網絡(Bode)分析儀繪製整個係統的增益和相位與頻率的關係圖。

LTspice®關係圖示例如圖8所示。

添加更多級以獲得更高增益

使用無焊麵包板構建圖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的單級放大器的關係圖

圖9.三級放大器

硬件設置

三級放大器的麵包板連接如圖10所示。

配置波形發生器生成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於輸入端
，並測量整個係統從10 kHz到100 kHz的增益。使用網絡(Bode)分析儀繪製整個係統的增益和相位與頻率的關係圖。

LTspice關係圖示例如圖11所示。

圖10.使用CD4007的三級放大器的硬件設置

圖11.使用CD4007的三級放大器的關係圖

圖12.斬波放大器

附加電路

斬波放大器

CD4069A(UB)無緩衝十六通道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生一個方波及其互補信號，以驅動CD4066的開關控製。這些方波驅動開關
，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，類似於我們剛剛在圖6中看到的。

在運行時
，輸入信號由輸入開關調製，並由交流放大器放大，然後由輸出開關解調。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：

對於圖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 博客上找到問題答案。

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