ADALM2000實(shí)驗(yàn):源極跟隨器(NMOS)
發(fā)布時(shí)間:2021-06-09 來源:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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(cè)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。
目標(biāo)
本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究簡(jiǎn)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(wú)焊面包板
● 跳線
● 一個(gè)2.2 kΩ電阻 (RL)
● 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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(VOUT/VIN)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RL或減小rs。也可以看出,rs是ID的函數(shù),ID增大,rs會(huì)減小。此外,從電路可以看出,ID與RL相關(guān),如果RL增大,ID會(huì)減小。在簡(jiǎn)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(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(jiǎn)單的電阻負(fù)載RL影響,漏電流ID會(huì)隨著輸出上下擺動(dòng)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(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VGS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RL,但rs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(cè)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(cè)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(cè)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(jí)驅(qū)動(dòng)低電阻(阻抗)負(fù)載。因此,測(cè)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(cè)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(cè)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VGS(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(cè)量源極電壓的變化。
圖8.輸出阻抗測(cè)試面包板電路。
程序步驟
繪制在源極處測(cè)得的電壓幅度。配置示波器以捕獲所測(cè)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(cè)試波形。
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