目標(biāo)

 

本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究簡單的NMOS源極跟隨器，有時(shí)也稱為共漏極配置。

 

材料

 

●     ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

●     無焊面包板

●     跳線

●     一個(gè)2.2 kΩ電阻 (R_L)

●     一個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M1采用增強(qiáng)模式CD4007或ZVN2110A）

 

說明

 

面包板連接如圖1和圖2所示。波形發(fā)生器W1的輸出連接至M1的柵極端子。示波器輸入1+（單端）也連接至W1輸出。漏極端子連接至正極(Vp)電源。源極端子連接至2.2 kΩ負(fù)載電阻和示波器輸入2+（單端）。負(fù)載電阻的另一端連接至負(fù)極(Vn)電源。要測量輸入-輸出誤差，可以將2+連接至M1的柵極，2–連接至源極，以顯示示波器通道2的差值。

 

圖1.源極跟隨器。

 

硬件設(shè)置

 

波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為2 V，偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發(fā)生器輸出。在測量輸入-輸出誤差時(shí)，應(yīng)連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值。

 

圖2.源極跟隨器面包板電路。

 

程序步驟

 

配置示波器以捕獲所測量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖3所示。

 

圖3.源極跟隨器的輸入和輸出波形。

 

源極跟隨器的增益(V_OUT/V_IN)理想值為1，但總是略小于1。增益由以下公式1計(jì)算得出：

 

 

從公式可以看出，要獲得接近1的增益，我們可以增大R_L或減小r_s。也可以看出，r_s是I_D的函數(shù)，I_D增大，r_s會(huì)減小。此外，從電路可以看出，I_D與R_L相關(guān)，如果R_L增大，I_D會(huì)減小。在簡單的電阻負(fù)載發(fā)射極跟隨器中，這兩種效應(yīng)相互抵消。所以，要優(yōu)化跟隨器的增益，我們需要找到能在不影響另一方的情況下降低r_s或增大R_L的方法。需要注意的是，在MOS晶體管中，I_D = I_s (I_G = 0)。

 

 

其中， K = μ_nC_ox/2 ，λ可以認(rèn)為是與工藝技術(shù)相關(guān)的常數(shù)。

 

從另一個(gè)角度來看，因?yàn)榫w管V_th本身的DC偏移，在預(yù)期的擺幅內(nèi)輸入和輸出之間的差值應(yīng)是恒定的。受簡單的電阻負(fù)載R_L影響，漏電流I_D會(huì)隨著輸出上下擺動(dòng)而升高和降低。我們知道I_D是V_GS的函數(shù)（平方關(guān)系）。以+1 V至-1 V的擺幅為例，最小I_D = 1 V/2.2 kΩ或0.45 mA，最大I_D = 6 V/2.2 kΩ或2.7 mA。因此V_GS會(huì)發(fā)生明顯變化。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們能從一個(gè)方面改善源極跟隨器。

 

現(xiàn)在可以使用先前學(xué)子專區(qū) 實(shí)驗(yàn)中的電流鏡來代替源負(fù)載電阻，以使放大器晶體管的源極電流固定不變。電流鏡能在寬電壓范圍內(nèi)獲取較為恒定的電流。晶體管中這種較為恒定的電流會(huì)導(dǎo)致V_GS相當(dāng)恒定。從另一個(gè)角度來看，電流鏡中極高的輸出電阻可以有效提高R_L，但r_s保持為電流設(shè)定的低值。

 

加強(qiáng)源極跟隨器

 

附加材料

 

●     一個(gè)3.2 kΩ電阻（將1 kΩ和2.2 kΩ電阻串聯(lián)）

●     一個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M1采用ZVN2110A）

●     兩個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M2和M3采用CD4007）

 

說明

 

面包板連接如圖4和圖5所示。

 

圖4.加強(qiáng)源極跟隨器。 

 

硬件設(shè)置

 

波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為2 V，偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發(fā)生器輸出。在測量輸入-輸出誤差時(shí)，應(yīng)連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值。

 

圖5.加強(qiáng)源極跟隨器面包板電路。

 

程序步驟

 

配置示波器以捕獲所測量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖6所示。

 

圖6.加強(qiáng)源極跟隨器波形。

 

源極跟隨器輸出阻抗

 

目標(biāo)

 

源極跟隨器的一個(gè)重要方面是提供功率或電流增益，即從高電阻（阻抗）級驅(qū)動(dòng)低電阻（阻抗）負(fù)載。因此，測量源極跟隨器的輸出阻抗具有指導(dǎo)意義。

 

材料

 

●     一個(gè)4.7 kΩ電阻

●     一個(gè)10 kΩ電阻

●     一個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M1采用CD4007或ZVN2110A）

 

說明

 

圖7和圖8中的電路配置增加了一個(gè)電阻R2，將來自AWG1的測試信號(hào)注入M1的發(fā)射極（輸出）。輸入端（M1的基極）接地。

 

圖7.輸出阻抗測試。

 

硬件設(shè)置

 

波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為2 V，偏移為減去M1的V_GS（約為–V）。這會(huì)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。

 

圖8.輸出阻抗測試面包板電路。 

 

程序步驟

 

繪制在源極處測得的電壓幅度。配置示波器以捕獲所測量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖9所示。

 

圖9.輸出阻抗測試波形。

 

 

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