ADALM2000實驗：以NMOS做為電流鏡

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


目標

本實驗的目的是研究增強模式NMOS電晶體作為電流鏡的工作原理。

背景

理論上，N型金屬氧化物半導體(NMOS)電流鏡的工作原理，與我們在2020年8月份學子專區文章中分析的雙極性結型電晶體(BJT)電流鏡相同。兩個具有相同閘源電壓(VGS)的相同電晶體將有相同的漏極電流ID。第二電晶體M2中的電流實際上是第一電晶體M1中電流的鏡像。MOS電晶體的漏極電流與閘源電壓具有如下關係：

Equation 1

其中， K = μnCox/2 ，λ可以認為是與製程技術相關的常數。

根據定義，相同電晶體具有相同的W/L和製程技術常數。在簡單電流鏡中，兩個電晶體具有相同的VGS。因此，兩個電晶體將有相同的ID。由於沒有電流流入，FET的閘極端子IIN = IOUT。

材料

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊麵包板
  • 跳線
  • 兩個1 kΩ電阻（阻值盡可能接近或者測量到三位元數或更高精度）
  • 兩個小訊號NMOS電晶體（ZVN2110A或CD4007 NMOS陣列）
  • 一個雙通道運算放大器，例如 ADTL082
  • 兩個4.7 μF解耦電容

說明

一種測量電流鏡特性的好辦法如圖1所示。輸入電阻R1和輸出電阻R2現在都是1 kΩ。務必精準測量R1和R2的實際值，以確保電流鏡的輸入和輸出電流測量結果是精準的。IIN等於W1處的W2輸出電壓除以R1的值。IOUT等於示波器通道2測量的電壓除以R2的值。二極體連接的M1跨接在M2的閘極和源極端子上。

在電流鏡配置中，運算放大器作為電流鏡輸入節點的虛擬地，將來自W2的電壓階躍轉換為通過1 kΩ電阻的電流階躍。

Figure 1. NMOS current mirror test circuit.
圖1.NMOS電流鏡測試電路。
Figure 2. Simplified test configuration.
圖2.簡化測試配置。

硬體設定

載入適用於訊號產生器的W2通道的 stairstep.csv 檔，將幅度設定為3 V p-p，偏置設定為1.5 V。輸出元件M2的VDS由示波器輸入1+和示波器輸入1-進行差分測量。電流鏡輸出電流由1 kΩ電阻R2兩端的示波器輸入2+和示波器輸入2-測量。漏極電壓使用來自AWG 1（輸出W1）、頻率為40 Hz的三角波形進行掃描。如果您要使用運算放大器設定，請確保該元件已正確連接至電源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。

Figure 3. NMOS current mirror test circuit breadboard connection.
圖3.NMOS電流鏡測試電路麵包板連接。
Figure 4. Simplified test configuration breadboard connection.
圖4.簡化測試配置麵包板連接。

步驟

配置示波器以捕捉多個週期的輸入訊號和輸出訊號。如果您要使用運算放大器配置，確保已開啟電源。

使用Scopy工具提供的示波器或透過LTspice®模擬繪製這兩個波形。示例如圖5和圖6所示。

Figure 5. Current mirror waveforms with W2 at 10 kHz frequency in a Scopy plot.
圖5.Scopy繪圖中的電流鏡波形，W2為10 kHz頻率。

現在，將W1的頻率更改為200 Hz，然後繪製兩個波形。對相同電路使用LTspice模擬的示例如圖6所示。

Figure 6. Current mirror waveforms for W1 at 200 Hz with W2 at 40 Hz in an LTspice plot.
圖6.LTspice繪圖中的電流鏡波形，W1為200 Hz，W2為40 Hz。

在本實驗中，我們透過實驗和模擬分析了採用NMOS電晶體的電流鏡，展示了 ADALM2000 和 Scopy 應用程式在建構真實電路時的使用。

問題

你能說出NMOS電流鏡相對於BJT電流鏡的優勢嗎？

您可以在 學子專區部落格上找到問題答案。