使用Arduino构建共射极放大器

使用Arduino构建共射极放大器 | AI生成和翻译

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使用 Arduino 构建共发射极（CE）放大器是个有趣的项目，但需要明确各自的作用：Arduino 本身并不充当放大器（它是数字微控制器），但可以作为使用双极结型晶体管（BJT）构建的 CE 放大器电路的信号源或测量工具。CE 放大器是经典的模拟电路，使用 NPN 或 PNP 晶体管放大微小输入信号，提供适中的电压增益和电流增益。

下面我将指导您设计一个基于 NPN 晶体管的 CE 放大器，使用 Arduino 生成输入信号（通过 PWM）并测量输出。这种设置将演示放大效果，同时利用 Arduino 的功能。

共发射极放大器概述

目的： 放大微小的交流信号（例如音频或正弦波）。
主要特点：
- 晶体管工作在放大区。
- 输入信号施加于基极，输出信号取自集电极。
- 电压增益由电阻比和晶体管特性决定。
组件：
- NPN 晶体管（例如 2N3904 或 BC547）
- 电阻（用于偏置和负载）
- 电容器（用于耦合交流信号）
- Arduino（信号源和测量工具）

步骤 1：设计电路

所需组件

NPN 晶体管（例如 2N3904）
电阻：R1 = 47kΩ，R2 = 10kΩ（偏置），RC = 1kΩ（集电极），RE = 220Ω（发射极）
电容器：C1 = 10µF（输入耦合），C2 = 10µF（输出耦合），CE = 100µF（发射极旁路，可选，用于提高增益）
Arduino（例如 Uno）
面包板、跳线
电源（Arduino 的 5V 引脚或外部 9V 电源，根据需要调整）

电路原理图

Vcc (5V) ---- R1 ----+---- RC ---- 集电极 (C)
             47kΩ     |     1kΩ          |
                      |                  |
基极 (B) --- C1 -----+                  |
            10µF     |                  |
Arduino PWM (引脚 9)  R2                 |
                     10kΩ              输出 --- C2 ---- 连接至 Arduino A0
                      |                  |         10µF
                      |                  |
                      +---- RE ---- 发射极 (E) --- CE (可选) --- GND
                           220Ω                   100µF
                      |
                     GND

偏置（R1、R2）： 设置晶体管的工作点。
RC： 集电极电阻，用于输出信号。
RE： 发射极电阻，用于稳定电路。
C1、C2： 阻隔直流，通过交流信号。
CE（可选）： 旁路 RE，提高交流增益。

工作点

目标：将晶体管偏置在放大区（例如，对于 5V 电源，VCE ≈ 2.5V）。
分压器（R1、R2）：\( V_B = V_{CC} \cdot \frac{R2}{R1 + R2} = 5 \cdot \frac{10k}{47k + 10k} \approx 0.88V \)。
\( V_E = V_B - V_{BE} \approx 0.88 - 0.7 = 0.18V \)。
\( I_E = \frac{V_E}{RE} = \frac{0.18}{220} \approx 0.82 \, \text{mA} \)。
\( V_C = V_{CC} - I_C \cdot RC \approx 5 - 0.82 \cdot 1k \approx 4.18V \)。
\( V_{CE} = V_C - V_E \approx 4.18 - 0.18 = 4V \)（适用于 5V 电源）。

步骤 2：使用 Arduino 作为信号源

Arduino 的作用

使用 PWM（脉冲宽度调制）在引脚 9（支持 PWM）上生成微小的交流信号。
使用简单的 RC 低通滤波器（可选）对 PWM 进行滤波，以近似正弦波。

生成信号的代码

const int pwmPin = 9; // PWM 输出引脚

void setup() {
  pinMode(pwmPin, OUTPUT);
  // 设置 PWM 频率（可选，默认约为 490 Hz）
}

void loop() {
  // 使用 PWM 模拟正弦波（范围 0-255）
  for (int i = 0; i < 360; i += 10) {
    float sineValue = sin(radians(i)); // 正弦波范围 -1 到 1
    int pwmValue = 127 + 127 * sineValue; // 缩放到 0-255
    analogWrite(pwmPin, pwmValue);
    delay(10); // 调整频率（例如，此处约为 100 Hz）
  }
}

输出： 约 0–5V 的 PWM 信号，以 2.5V 为中心，峰峰值约为 2.5V。
C1： 去除直流偏置，仅将交流分量（约 1.25V 峰值）传递到基极。

可选滤波器

在引脚 9 和 GND 之间串联一个 1kΩ 电阻和一个 0.1µF 电容器，在 C1 之前提取信号，以将 PWM 平滑为粗略的正弦波。

步骤 3：测量输出

Arduino 测量

将放大器输出（经过 C2 后）连接到 A0。
使用 Arduino 读取放大后的信号，并通过串行监视器显示。

测量和显示的代码

const int inputPin = A0; // 在此处测量输出

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(inputPin); // 0-1023 映射到 0-5V
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);
  Serial.print("输出电压 (V): ");
  Serial.println(voltage);
  delay(100); // 调整采样率
}

预期增益

电压增益 \( A_v = -\frac{RC}{RE} = -\frac{1k}{220} \approx -4.5 \)（负号表示相位反转）。
输入：约 1.25V 峰值（经过耦合后）。
输出：约 4.5 × 1.25 = 5.625V 峰值（但由于电源限制，在 5V 处被削波）。

步骤 4：搭建和测试

组装

按照原理图在面包板上连接电路。
将信号生成代码上传到 Arduino，并将引脚 9 连接到 C1。
通过 Arduino 的 5V 为电路供电（或使用 9V 电源并调整电阻）。
上传测量代码并打开串行监视器（波特率 9600）。

验证

输入信号： 经过 C1 后约为 1–2V 峰峰值（如果可用，请使用万用表或示波器测量）。
输出信号： 应更大（例如 4–5V 峰峰值）且相位反转。
使用万用表检查 VCE（约 2–4V），确保工作在放大区。

提示和故障排除

增益过低： 在 RE 两端添加 CE（100µF）以提高交流增益（消除 RE 的退化效应）。
削波： 如果输出超过 5V，请减小输入幅度（调整 PWM 范围）或增加 Vcc（例如使用 9V 外部电源）。
噪声： PWM 信号类似方波；使用更好的正弦波（通过外部发生器或滤波器）可以改善结果。
晶体管规格： 确保 2N3904 能够处理电流（Ic < 200mA，此处安全）。

这种设置演示了 CE 放大器的核心行为——电压放大——同时集成 Arduino 进行信号生成和分析。想要调整增益、添加扬声器播放音频或优化信号吗？请告诉我！

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