学子专区—ADALM2000实验:源极跟随器(NMOS)

目标

本次实验的目的是研究简单的NMOS源极跟随器,有时也称为共漏极配置。

材料

  • ADALM2000主动学习模块
  • 无焊面包板
  • 跳线
  • 一个2.2 kΩ电阻 (RL)
  • 一个小信号NMOS晶体管(M1采用增强模式CD4007或ZVN2110A)

说明

面包板连接如图1和图2所示。波形发生器W1的输出连接至M1的栅极端子。示波器输入1+(单端)也连接至W1输出。漏极端子连接至正极(Vp)电源。源极端子连接至2.2 kΩ负载电阻和示波器输入2+(单端)。负载电阻的另一端连接至负极(Vn)电源。要测量输入-输出误差,可以将2+连接至M1的栅极,2–连接至源极,以显示示波器通道2的差值。

图1.源极跟随器。

硬件设置

波形发生器配置为1 kHz正弦波,峰峰值幅度为2 V,偏移为0。示波器通道2的单端输入(2+)用于测量源极的电压。示波器配置为连接通道1+以显示AWG发生器输出。在测量输入-输出误差时,应连接示波器的通道2,以显示2+和2–之间的差值。

图2.源极跟随器面包板电路。

程序步骤

配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。产生的波形如图3所示。

图3.源极跟随器的输入和输出波形。

源极跟随器的增益(VOUT/VIN)理想值为1,但总是略小于1。增益由以下公式1计算得出:

Equation 1

从公式可以看出,要获得接近1的增益,我们可以增大RL或减小rs。也可以看出,rs是ID的函数,ID增大,rs会减小。此外,从电路可以看出,ID与RL相关,如果RL增大,ID会减小。在简单的电阻负载发射极跟随器中,这两种效应相互抵消。所以,要优化跟随器的增益,我们需要找到能在不影响另一方的情况下降低rs或增大RL的方法。需要注意的是,在MOS晶体管中,ID = Is (IG = 0)。

Equation 2

其中, K = μnCox/2 ,λ可以认为是与工艺技术相关的常数。

从另一个角度来看,因为晶体管Vth本身的DC偏移,在预期的摆幅内输入和输出之间的差值应是恒定的。受简单的电阻负载RL影响,漏电流ID会随着输出上下摆动而升高和降低。我们知道ID是VGS的函数(平方关系)。以+1 V至-1 V的摆幅为例,最小ID = 1 V/2.2 kΩ或0.45 mA,最大ID = 6 V/2.2 kΩ或2.7 mA。因此VGS会发生明显变化。根据这些实验结果,我们能从一个方面改善源极跟随器。

现在可以使用先前学子专区 实验中的电流镜来代替源负载电阻,以使放大器晶体管的源极电流固定不变。电流镜能在宽电压范围内获取较为恒定的电流。晶体管中这种较为恒定的电流会导致VGS相当恒定。从另一个角度来看,电流镜中极高的输出电阻可以有效提高RL,但rs保持为电流设定的低值。

加强源极跟随器

附加材料

  • 一个3.2 kΩ电阻(将1 kΩ和2.2 kΩ电阻串联)
  • 一个小信号NMOS晶体管(M1采用ZVN2110A)
  • 两个小信号NMOS晶体管(M2和M3采用CD4007)

说明

面包板连接如图4和图5所示。

图4.加强源极跟随器。 

硬件设置

波形发生器配置为1 kHz正弦波,峰峰值幅度为2 V,偏移为0。示波器通道2的单端输入(2+)用于测量源极的电压。示波器配置为连接通道1+以显示AWG发生器输出。在测量输入-输出误差时,应连接示波器的通道2,以显示2+和2–之间的差值。

图5.加强源极跟随器面包板电路。

程序步骤

配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。产生的波形如图6所示。

图6.加强源极跟随器波形。

源极跟随器输出阻抗

目标

源极跟随器的一个重要方面是提供功率或电流增益,即从高电阻(阻抗)级驱动低电阻(阻抗)负载。因此,测量源极跟随器的输出阻抗具有指导意义。

材料

  • 一个4.7 kΩ电阻
  • 一个10 kΩ电阻
  • 一个小信号NMOS晶体管(M1采用CD4007或ZVN2110A)

说明

图7和图8中的电路配置增加了一个电阻R2,将来自AWG1的测试信号注入M1的发射极(输出)。输入端(M1的基极)接地。

图7.输出阻抗测试。

硬件设置

波形发生器配置为1 kHz正弦波,峰峰值幅度为2 V,偏移为减去M1的VGS(约为–V)。这会将±0.1 mA (1 V/10 kΩ)电流注入M1的源极。示波器输入2+测量源极电压的变化。

图8.输出阻抗测试面包板电路。 

程序步骤

绘制在源极处测得的电压幅度。配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。产生的波形如图9所示。

图9.输出阻抗测试波形。

问题:

您能简要描述两种提高源极跟随器增益(接近1)的方法吗?

您可以在 学子专区博客上找到问题答案。

作者

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师,从事ADI教学项目工作,同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。