学子专区 — ADALM2000实验:NMOS用作电流镜

目标

本实验的目标是研究增强模式NMOS晶体管用作电流镜的工作原理。

背景

理论上,N型N型金属氧化物半导体(NMOS)电流镜的工作原理与我们在2020年8月份学生专区文章中分析的双极性结型晶体管(BJT)电流镜相同。两个具有相同栅源电压(VGS)的相同晶体管将有相同的漏极电流ID。第二晶体管M2中的电流实际上是第一晶体管M1中电流的镜像。记住MOS晶体管的漏极电流与栅源电压具有如下关系:

Equation 1

其中,K = μnCox/2,λ可以认为是与工艺技术相关的常数。

根据定义,相同晶体管具有相同的W/L和工艺技术常数。在简单电流镜中,两个晶体管具有相同的VGS。因此,两个晶体管将有相同的ID。由于没有电流流入,FET的栅极端子IIN = IOUT

材料

  • ADALM2000 主动学习模块
  • 无焊面包板
  • 跳线
  • 两个1 kΩ电阻(阻值尽可能接近或者测量到三位数字或更高精度)
  • 两个小信号NMOS晶体管(ZVN2110A或CD4007 NMOS阵列)
  • 一个双通道运算放大器,例如 ADTL082
  • 两个4.7 μF解耦电容

说明

一种测量电流镜特性的好办法如图1所示。输入电阻R1和输出电阻R2现在都是1 kΩ。务必精确测量R1和R2的实际值,以确保电流镜的输入和输出电流测量结果是精确的。IIN等于W1处的W2输出电压除以R1的值。IOUT等于示波器通道2测量的电压除以R2的值。二极管连接的M1跨接在M2的栅极和源极端子上。

在电流镜配置中,运算放大器作为电流镜输入节点的虚拟地,将来自W2的电压阶跃转换为通过1 kΩ电阻的电流阶跃。

图1.NMOS电流镜测试电路。
图2.简化测试配置。

硬件设置

加载适用于信号发生器的W2通道的 stairstep.csv 文件,将幅度设置为3 V p-p,偏置设置为1.5 V。输出器件M2的VDS由示波器输入1+和示波器输入1-进行差分测量。电流镜输出电流由1 kΩ电阻R2两端的示波器输入2+和示波器输入2-测量。漏极电压使用来自AWG 1(输出W1)、频率为40 Hz的三角波形进行扫描。如果您要使用运算放大器设置,请确保该器件已正确连接至电源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。

图3.NMOS电流镜测试电路面包板连接。
图4.简化测试配置面包板连接。

步骤

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。如果您要使用运算放大器配置,确保已开启电源。

使用Scopy工具提供的示波器或通过LTspice®仿真绘制这两个波形。示例如图5和图6所示。

图5.Scopy绘图中的电流镜波形,W2为10 kHz频率。

现在,将W1的频率更改为200 Hz,然后绘制两个波形。对相同电路使用LTspice仿真的示例如图6所示。

图6.LTspice绘图中的电流镜波形,W1为200 Hz,W2为40 Hz。

在本实验中,我们通过实验和仿真分析了采用NMOS晶体管的电流镜,展示了 ADALM2000Scopy应用程序在构建真实电路时的使用。

问题

►你能说出NMOS电流镜相对于BJT电流镜的优势吗?

您可以在学子专区博客上找到问题答案。

作者

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。

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。