ADALM2000實驗:源極隨耦器(NMOS)

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


目標

本次實驗的目的是研究簡單的NMOS源極隨耦器,有時也稱為共汲極配置。

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NMOS電晶體(M1採用增強模式CD4007或ZVN2110A)

說明

麵包板連接如圖1和圖2所示。波形產生器W1的輸出連接至M1的閘極端子。示波器輸入1+(單端)也連接至W1輸出。汲極端子連接至正極(Vp)電源。源極端子連接至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M1的閘極,2–連接至源極,以顯示示波器通道2的差值。

Figure 1. Source follower.
圖1.源極隨耦器。

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。示波器通道2的單端輸入(2+)用於測量源極的電壓。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. Source follower breadboard circuit.
圖2.源極隨耦器麵包板電路。

程式步驟

配置示波器以擷取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. Source follower with both input and output waveforms.
圖3.源極隨耦器的輸入和輸出波形。

源極隨耦器的增益(VOUT/VIN)理想值為1,但總是略小於1。增益由以下公式1計算得出:

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rs。也可以看出,rs是ID的函數,ID增大,rs會減小。此外,從電路可以看出,ID與RL相關,如果RL增大,ID會減小。在簡單的電阻負載發射極隨耦器中,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rs或增大RL的方法。需要注意的是,在MOS電晶體中,ID = Is (IG = 0)。

 

Equation 2

 

其中, K = μnCox/2 ,λ可以認為是與製程技術相關的常數。

從另一個角度來看,因為電晶體Vth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,汲電流ID會隨著輸出上下擺動而升高和降低。我們知道ID是VGS的函數(平方關係)。以+1 V至-1 V的擺幅為例,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會發生明顯變化。根據這些實驗結果,我們能從一個方面改善源極隨耦器。

現在可以使用先前 學子專區 實驗中的電流鏡來代替源負載電阻,以使放大器電晶體的源極電流固定不變。電流鏡能在寬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VGS相當恆定。從另一個角度來看,電流鏡中極高的輸出電阻可以有效提高RL,但rs保持為電流設定的低值。

加強源極隨耦器

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NMOS電晶體(M1採用ZVN2110A)
  • 兩個小訊號NMOS電晶體(M2和M3採用CD4007)

說明

麵包板連接如圖4和圖5所示。

Figure 4. Improved source follower.
圖4.加強源極隨耦器。 

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。示波器通道2的單端輸入(2+)用於測量源極的電壓。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 5. Improved source follower breadboard circuit.
圖5.加強源極隨耦器麵包板電路。

程式步驟

配置示波器以擷取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 source follower waveform.
圖6.加強源極隨耦器波形。

源極隨耦器輸出阻抗

目標

源極隨耦器的一個重要方面是提供功率或電流增益,即從高電阻(阻抗)級驅動低電阻(阻抗)負載。因此,測量源極隨耦器的輸出阻抗具有指導意義。

材料

  • 一個4.7 kΩ電阻
  • 一個10 kΩ電阻
  • 一個小訊號NMOS電晶體(M1採用CD4007或ZVN2110A)

說明

圖7和圖8中的電路配置增加了一個電阻R2,將來自AWG1的測試訊號注入M1的發射極(輸出)。輸入端(M1的基極)接地。

Figure 7. Output impedance test.
圖7.輸出阻抗測試。

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,偏移為減去M1的VGS(約為–V)。這會將±0.1 mA (1 V/10 kΩ)電流注入M1的源極。示波器輸入2+測量源極電壓的變化。

Figure 8. Output impedance test breadboard circuit.
圖8.輸出阻抗測試麵包板電路。 

程式步驟

繪製在源極處測得的電壓幅度。配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖9所示。

Figure 9. Output impedance test waveform.
圖9.輸出阻抗測試波形。

問題:

您能簡要描述兩種提高源極隨耦器增益(接近1)的方法嗎?

您可以在 學子專區部落格上找到問題答案。