ADALM2000實驗:源極跟隨器(NMOS)

作者：ADI 公司??? Doug Mercer，顧問研究員；Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

目標

本次實驗的目的是研究簡單的NMOS源極跟隨器，有時也稱為共漏極配置。

材料

?ADALM2000主動學習模塊

?無焊面包板

?跳線

?一個2.2 kΩ電阻(RL)

?一個小信號NMOS晶體管（M1采用增強模式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，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信號的多個周期。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(VOUT/VIN)理想值為1，但總是略小于1。增益由以下公式1計算得出：

從公式可以看出，要獲得接近1的增益，我們可以增大RL或減小rs。也可以看出，rs是ID的函數(shù)，ID增大，rs會減小。此外，從電路可以看出，ID與RL相關(guān)，如果RL增大，ID會減小。在簡單的電阻負載發(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rs或增大RL的方法。需要注意的是，在MOS晶體管中，ID = Is (IG = 0)。

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

從另一個角度來看，因為晶體管Vth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。受簡單的電阻負載RL影響，漏電流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(shù)（平方關(guān)系）。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(fā)生明顯變化。根據(jù)這些實驗結(jié)果，我們能從一個方面改善源極跟隨器。

現(xiàn)在可以使用先前學子專區(qū)實驗中的電流鏡來代替源負載電阻，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導(dǎo)致VGS相當恒定。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(shè)定的低值。

加強源極跟隨器

附加材料

?一個3.2 kΩ電阻（將1 kΩ和2.2 kΩ電阻串聯(lián)）

?一個小信號NMOS晶體管（M1采用ZVN2110A）

?兩個小信號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。