ADALM2000實驗:射極隨耦器(BJT)

作者:ADI 顧問研究員Doug Mercer 和系統應用工程師Antoniu Miclaus


目標

本次實驗的目的是研究簡單的NPN射極隨耦器,有時也被稱為共集電極配置。

材料

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊麵包板
  • 跳接線
  • 一個2.2 kΩ電阻(RL)
  • 一個小訊號NPN電晶體(Q1採用2N3904)

說明

麵包板連接如圖2所示。任意波形產生器W1的輸出連接至Q1的基極端子。示波器輸入1+(單端)也連接至W1輸出。集電極端子連接至正極(Vp)電源。發射極端子連接至2.2 kΩ負載電阻和示波器輸入2+(單端)。負載電阻的另一端連接至負極(Vn)電源。要測量輸入-輸出誤差,可以將2+連接至Q1的基極,2–連接至發射極,以顯示示波器通道2的差值。

Figure 1. Emitter follower.
圖1. 射極隨耦器。

硬體設定

波形產生器配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為4 V,偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用於測量發射極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG產生器輸出。在測量輸入-輸出誤差時,應連接示波器的通道2,以顯示2+和2–之間的差值。

Figure 2. Emitter follower breadboard circuit.
圖2. 射極隨耦器麵包板電路。

程式步驟

配置示波器以捕捉所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖3所示。

Figure 3. Emitter follower waveforms.
圖3.射極隨耦器波形。

射極隨耦器的增量增益(VOUT/VIN)理想值為1,但總是略小於1。增益一般是透過以下公式計算:

Equation 1

從公式可以看出,要獲得接近1的增益,我們可以增大RL或減小re。也可以看出,re是IE的函數,IE增大,re會減小。此外,從電路可以看出,IE與RL相關,如果RL增大,IE會減小。在簡單的電阻負載射極隨耦器中,這兩種效應相互抵消。所以,要優化隨耦器的增益,我們需要找到能在不影響另一方的情況下降低re或增大RL的方法。如果從另一個角度來看隨耦器,因為電晶體VBE本身的DC偏移,在預期的擺幅內輸入和輸出之間的差值應是恆定的。受簡單的電阻負載RL影響,發射集電流IE會隨著輸出上下擺動而升高和降低。因為VBE是IE的指數函數,當IE的變化係數為2時,VBE的變化幅度約為18 mV(室溫下)。以+2 V至–2 V的擺幅為例,最小IE = 2 V/2.2 kΩ或0.91 mA,最大IE = 6 V/2.2 kΩ或2.7 mA。VBE的變化幅度為28 mV。根據這些實驗結果,我們能從一個方面改善射極隨耦器。為了讓放大器電晶體發射極電流固定不變,現在使用 「ADALM2000實驗:BJT電流鏡」 中的電流鏡來替代發射極負載電阻。電流鏡能在寬廣電壓範圍內獲取較為恆定的電流。電晶體中這種較為恆定的電流會導致VBE相當恆定。從另一個角度來看,電流源中極高的輸出電阻可以有效提高RL,但re保持為電流設定的低值。

改善的射極隨耦器

附加材料

  • 一個3.2 kΩ電阻(將1 kΩ和2.2 kΩ電阻串聯)
  • 一個小訊號NPN電晶體(Q1採用2N3904)
  • 兩個小訊號NPN電晶體(Q2和Q3均採用SSM2212),以實現最佳VBE匹配

說明

麵包板連接如圖4和圖5所示。

Figure 4. Improved emitter follower.
圖4.已改善的射極隨耦器。

硬體設定

波形產生器配置為100 Hz三角波,峰對峰值幅度為3 V,偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用於測量Q1的發射極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發生器輸出。在測量輸入-輸出誤差時,應連接示波器的通道2,以顯示2+和2–之間的差值。

Figure 5. Improved emitter follower breadboard circuit.
圖5.改善的射極隨耦器麵包板電路。

程式步驟

配置示波器以捕捉所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖6所示。

Figure 6. Improved emitter follower waveforms.
圖6.改善的射極隨耦器波形。
Figure 7. An Excel plot example of input vs. output error for resistor and current source load.
圖7.電阻和電流源負載的輸入-輸出誤差的Excel圖示例。

低偏移隨耦器

我們先前討論的隨耦器電路具有內建偏移–VBE。接下來使用的電路利用PNP射極隨耦器的VBE向上偏移來抵消NPN射極隨耦器的VBE向下偏移。

材料

  • 一個6.8 kΩ電阻
  • 一個10 kΩ電阻
  • 一個0.01 μF電容
  • 一個小訊號PNP電晶體(Q1採用2N3906)
  • 三個小訊號NPN電晶體(Q2、Q3和Q4採用2N3904或SSM2212)

說明

麵包板連接如圖8和圖9所示。函數產生器的輸出連接至PNP電晶體Q1的基極端子。Q1的集電極端子連接至二極體NPN Q3,這是電流鏡的輸入。發射極端子連接至電阻R1和NPN電晶體Q2的基極端子。示波器輸入2+連接至Q2的發射極和Q4的集電極。Q3和Q4的發射集連接至負極(Vn)電源。為了實現優質電晶體匹配,Q3和Q4使用SSM2212 NPN匹配對。

Figure 8. Low offset follower.
圖8.低偏移隨耦器。

硬體設定

波形產生器配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為4 V,偏移為0。示波器輸入通道2設定為500 mV/div。

Figure 9. Low offset follower breadboard circuit.
圖9.低偏移隨耦器麵包板電路。

程式步驟

配置示波器以捕捉所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖10所示。

 

Figure 10. Low offset follower waveforms.
圖10.低偏移隨耦器波形。

 

在簡單的射極隨耦器驅動容性負載時,會產生一個問題。由於發射極電流僅受β乘以基極電流的限制,該倍數由驅動基極的訊號源提供,因此輸出的上升時間相對較快。下降時間可能慢的多,會受發射集電阻或電流源限制。

平衡壓擺率隨耦器

材料

  • 兩個2.2 kΩ電阻
  • 一個10 kΩ電阻
  • 一個0.01 μF電容
  • 三個小訊號PNP電晶體(Q2、Q3和Q4採用2N3906或SSM2220)
  • 三個小訊號NPN電晶體(Q1、Q5和Q6採用2N3904或SSM2212)

說明

圖11所示的電路在負載電流變化時,使用回饋來調節射極隨耦器中的電流。拉動負極輸出的電流可以達到N(NPN鏡的增益)乘以PNP Q3的電流。為了實現優質電晶體匹配,Q3和Q4使用SSM2220 PNP匹配對,Q5和Q6使用SSM2212 NPN匹配對(NPN電流鏡增益為1)。增加第二個SSM2212,與Q5並聯(以提高電流鏡的增益)。

Figure 11. Balanced slew rate follower.
圖11.平衡壓擺率隨耦器。

 

硬體設定

波形產生器配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為4 V,偏移為0。示波器輸入通道2設定為1 V/div。

Figure 12. Balanced slew rate follower breadboard circuit.
圖12.平衡壓擺率跟隨器麵包板電路。

 

程式步驟

配置示波器以捕捉所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖13所示。

 

Figure 13. Balanced slew rate follower waveforms.
圖13.平衡壓擺率隨耦器波形。

 

改善射極隨耦器的另一種方法是透過負反饋來降低有效re。可以透過增加第二個電晶體,透過增大開迴路增益來增大負反饋因數,以此降低re。單一電晶體被一個回饋對取代,後者向第一個電晶體的發射集提供100%電壓回饋。這個回饋對通常被稱為互補回饋對。R2的值決定著能否實現卓越的線性度,這是因為它決定了電晶體Q1的IC,也決定了其集電極的負載。

互補回饋對射極隨耦器

材料

  • 一個2.2 kΩ電阻
  • 一個10 kΩ電阻
  • 一個小訊號NPN電晶體(Q1採用2N3904)
  • 一個小訊號PNP電晶體(Q2採用2N3906)

說明

麵包板連接如圖14和圖15所示。

Figure 14. Complementary feedback pair emitter follower.
圖14.互補回饋對射極隨耦器。

 

硬體設定

波形產生器配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為2 V,偏移為0。示波器輸入通道2設定為1 V/div。

 

Figure 15. Complementary feedback pair emitter follower breadboard circuit.
圖15.互補回饋對射極隨耦器麵包板電路。

 

程式步驟

配置示波器以捕捉所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖16所示。

 

Figure 16. Complementary feedback pair emitter follower waveforms.
圖16.互補回饋對射極隨耦器波形。

 

問題:

您可以說出射極隨耦器電路的三個特性嗎?相關解答,您可以在 學子專區部落格 上找到。