斩波放大

图 7 – 信号 v(t)的傅里叶变换 调制就是用方波乘以信号 v(t)，该方波的角频率为 ω c ，幅值在+1 与−1 之间变动。这个调制信 号的傅里叶表达式为：
S (t ) = 2∑
n =1
∞
sin(
nπ ) 2 cos( nω t ) c nπ ( ) 2
∞
（1）
将初始信号 v(t)与式（1）相乘就得到被调制信号：
因此，如图 8 所示，被调制信号的傅里叶变换为：
（3）
图 8- 被调制信号 解调
的傅里叶变换
式（2）中的被调制信号 Vm (t ) 被放大 A 倍，然后解调。在同步解调方式中，将式（1）与 被放大的信号相乘就得到：
Vd (t ) = 4 Av (t )∑
nn( 2 cos( nω t ) 2 cos( mω t ) c ∑ c nπ mπ m =1 ( ( ) ) 2 2
试验三：CMOS斩波稳定放大器
本试验旨在介绍（1）互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管的特性；（2）斩波稳定放 大器的操作。CMOS在电子应用中非常重要，如在起博器，电子表和手持计算器中，因为功耗 对这些仪器来说非常重要。CMOS器件由一对n沟道和p沟道晶体管组成，这两个晶体管在导通 与截止状态下都没有功率消耗。只有在状态转换时，才会有功率消耗。电源通常是电池或直流 供电器。因此，在低频条件下，互补金属氧化物半导体器件比其他技术器件的功率消耗更少。 斩波稳定放大器主要用在消除电路的低频漂移（如由于温度变化而带来的电压漂移），以 及低频噪声（如50赫兹的工频电压源带来的影响）。斩波稳定放大器普遍应用于光电子学，光 被机械式地斩波放大，最后被解调，从而检测出系统的特性。 增强型金属氧化物半导体场效应晶体管
a) 在同一张图上画出VDD值为3，5，7和14伏特时的输出电压与输入电压的对应图。 b) 在同一张图上画出VDD值为3，5，7和14伏特时的漏电流对输入电压图。 c) （i）绘出系统的直流转移特性。讨论并解释特性的显著特征。 （ii）恒直流输入时的放大器输出是所预期的吗？ （iii）绘出系统的频率响应。讨论并解释该响应的显著特征。 d) 参考图10，对电路板插孔12和22之间的电路画出一般的等效电路。将100千欧电阻左 边底部的电压标为VI，将插孔12的电压标为VO，计算VI/VO并用计算结果解释10兆欧电 阻的功能。最后用这个结果计算的微小低频信号放大器增益，评价该结果与前两个实验 相符的情况。 d) 从理论上阐述，接头20上信号的振荡周期长短与470千欧的电阻无关，与电阻R和电 容C的乘积成正比。指出比例系数并计算振荡周期。 e) 从试验结果来看，斩波放大器系统的−3dB点低于2赫兹，即使输出滤波器的−3dB点 为 1/ 2π RC = [1/ 2π (20k Ω)(1µ F ) = 8 Hz 。请解释。
态。在这种输入条件下，相对于p沟道MOS的源极，p沟道栅极是负电压，因此p沟道处于导通 状态。所以，输入为零时，输出为+VDD。在互补工作条件下，输入为+VDD时, 相对于源极， n沟道栅极是正电压。同理，相对于p沟道MOS管源极，p沟道栅极为零伏时，则输出与地相连， 输出值为零。
双向开关 +VDD
图13 3． 斩波放大器
斩波放大器电路
在这一部分的试验中，CD4007和CD4066是斩波放大器的元件。如图13所示重
新连接电路，参考图10决定电路的各种功能。图10底部左边的两个反相器可用作振荡器，可产 生200赫兹的方波。方波驱动四个开关：开关A和D，开关B和C。图10顶部的反相器可用作交流 放大器。经输入开关调制、交流放大器放大、再经输出开关解调，这时的直流电信号就会变成 方波。在20千欧10uF的工作条件下,低通滤器可平滑输出端的高频谐波。 首先，只用直流偏置，观察插孔20和21的两个方波信号，它们应该互补。然后检查端点22处的 直流偏置，它与地电位的差应该在1V以内。当输入接地时，观察输出是否为零。记下端点18， 20和21的波形。 a) 直流传输特性。输入端加大约−2到+2的直流电压，测量输入电压与系统的输出电压， 计算出直流的转移特性。我们可以用函数发生器产生的频率很小的信号输出，或者使用直流电 源通过电位器分压得到的电压，在动态范围内采集足够的数据来计算传递函数的线性范围。 b) 直流放大响应。拆开插孔8和12的跳线。记录放大器中插孔12的输出，其中直流输入 为−2到+2。 c) 频率响应。重新连接插孔8和12的跳线。输入均方根值约0.1伏的微小正弦信号，测量 整个系统在0.1至300赫兹范围内的增益。采集足够的数据，对整个系统进行幅值与频率的关系 曲线。要特别注意0.1至5赫兹的范围和斩波频率附近区域。 记录试验数据
斩波放大器 在本试验中，CMOS 反相器和开关都是用来组建斩波放大器的，斩波放大器可以放大直流 和低频信号。输入信号首先被双向开关调制，这里的双向开关由一对 CMOS 反相器组成的震荡 器控制。接着调制信号被反相器放大，放大信号再由震荡器解调。最后，解调的信号低通滤波， 从而输入信号被放大。
调制 为了更好地理解调制过程，我们可以假设有一个低频信号v(t)，其频率成分（傅里叶变换） 为 。如图7所示，我们可以假设信号中的最高频率成分为 。
图 2 - n 沟道 MOS 的输出特性
P 沟道
图 3 - p 沟道增强型 MOS 场效应晶体管电路符号剖面图 p 沟道晶体管与 n 沟道晶体管是互补的。如图 3 所示，负的栅源电压吸引 n 沟道里的少子 空穴到栅极下面的表层，从而导致栅极导通，电流经过漏极到源极。如果这个负电压值增大， 栅极导通更多，更多的电流将产生于漏源之间。通过连接衬底和源极可以保持这种隔离状态。 CMOS 反相器
试验步骤 本试验将使用两个通用 CMOS 集成电路：CD4007 和 CD4066。CD4007 由一对互补部分和 反相器组成，详见图 10 中的反相器符号。CD4006 有四个传输门和相应的驱动部分，详见图 10 中的 SW 的开关 A, B, C 和 D。此外，本试验需要使用不同结构的电路板。
图10 – CMOS印刷电路板图解。注意：|VDD| + |VSS| < 18 V。
2． 漏极电流测量（漏极电流对输入电压） 。按照图12重新连接电路。依据第1部分的步骤，计 算VDD值，在VDD值为+3.5, +7或10伏特时依次记录输入电压以及反相器输出电流的波形。 （注
意：如果使用100欧姆的电阻导致电流太小不能测量，可以换一个阻值大一点的电阻！ ） （注：此 项内容可以不做） 。
（4）
这个被解调信号如图 9 所示：
图 9 – 被解调信号 Vd (t ) 的傅里叶变换 为了得到原始信号， 将被解调信号通过低通滤波器， 其截止频率略高于 ω m 、 低于 2ω c − ω m 。 试验部分 试验器材 z z z z 装有 CD4007 的印刷电路板，和 CD4066 四通道双向开关。 印刷电路板 无焊线路装置 100 欧姆电阻
图1 - n-channel增强型MOS场效应晶体管电路符号剖面图 图1所示为n沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管电路符号剖面图解。N+区域扩散或 嵌入P型衬底，从而形成源极和漏极，同时热氧化物上有一块金属片以形成栅极。栅极电压为零 时，源极和漏极被一层空间电荷隔开，因此晶体管内无电流通过。为了保持这种隔离状态，衬 底必须要与源极连接上。栅源的电压为正时，少子被吸附在栅极氧化层下面的半导体表层上。 这个表层就叫做n沟道，它可以在漏源之间提供一个电流通道。如果栅源电压增高，那么会有更 多的少子吸附在n沟道，同时漏极电流增加，因此晶体管的输出特性就如图2所示。
图 11
传输特性测量电路
1． 传输特性（输出电压 V.S. 输入电压） 。如图11所示，连接电路图。由函数发生器产生频率 为100赫兹的三角波。 把函数发生器的峰-峰值输出调节为+VDD， 再把函数发生器输出的直流偏 置电压设置为+VDD/2。 在反相器的VDD值依次为+3.5, +7或10伏特时， 依照上述步骤记录输入、 输出波形。
图 4 - CMOS 反相器剖面图
图 5 - CMOS 反相器电路符号 如图4所示，通过把p-well扩散或把离子注入到n型衬底上，CMOS反相器的n沟道与p沟道连在同 一个衬底上。 接着使用镀金属法把栅极连在一起作为输入，把漏极连在一起作为输出，这样就 得到如图5所示的电路符号。输入为零时, n沟道MOS中栅源之间的电压为零，因此处于截止状
Vm (t ) = 2v (t )∑
n =1
sin(
nπ ) 2 cos( nω t ) c nπ ( ) 2
（2）
注意到 v(t)的频率成分与 S(t)的频率成分有相乘的关系，
2 cos(ω t ) cos(ω c t ) = cos[( nω c + ω )t ] + cos[( nω c − ω )t ]
图 6 – CMOS 双向开关电路图 图六所示为CMOS双向开关的操作。控制反向器接的输入为+VDD时， 输出反向器接的输 入为-VSS，这种连接方式设置开关设备p沟道MOS的栅极为-VSS，。同时，控制输入端的+VDD 也与n沟道MOS栅极联接，-VDD将使其导通。因此+VDD可同时开启两个开关器件。在另一方 面，当控制输入为-VSS时,输出反向器接+VDD，+VDD作用于开关中p沟道的栅极，那么开关截 止。如果控制输入端的-VSS应用于开关中n沟道晶体管的栅极，那么开关截止。因此，控制输 入-VSS可以关闭双向开关。在本试验中，这个双向开关被用作调制解调器。