学子专区—ADALM2000实验：源极跟随器(NMOS)

作者: ADI 公司Doug Mercer，顾问研究员；Antoniu Miclaus，系统应用工程师

目标

本次实验的目的是研究简单的NMOS源极跟随器，有时也称为共漏极配置。

材料

►  ADALM2000主动学习模块
►  无焊面包板
►  跳线
►  一个2.2 kΩ电阻(RL)
►  一个小信号NMOS晶体管（M1采用增强模式CD4007或ZVN2110A）

说明

面包板连接如图1和图2所示。波形发生器W1的输出连接至M1的栅极端子。示波器输入1+（单端）也连接至W1输出。漏极端子连接至正极(Vp)电源。源极端子连接至2.2 kΩ负载电阻和示波器输入2+（单端）。负载电阻的另一端连接至负极(Vn)电源。要测量输入-输出误差，可以将2+连接至M1的栅极，2–连接至源极，以显示示波器通道2的差值。

图1.源极跟随器

硬件设置

波形发生器配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为2 V，偏移为0。示波器通道2的单端输入(2+)用于测量源极的电压。示波器配置为连接通道1+以显示AWG发生器输出。在测量输入-输出误差时，应连接示波器的通道2，以显示2+和2–之间的差值。

图2.源极跟随器面包板电路

程序步骤

配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。产生的波形如图3所示。

图3.源极跟随器的输入和输出波形

源极跟随器的增益(VOUT/VIN)理想值为1，但总是略小于1。增益由以下公式1计算得出：
 


从公式可以看出，要获得接近1的增益，我们可以增大RL或减小rs。也可以看出，rs是ID的函数，ID增大，rs会减小。此外，从电路可以看出，ID与RL相关，如果RL增大，ID会减小。在简单的电阻负载发射极跟随器中，这两种效应相互抵消。所以，要优化跟随器的增益，我们需要找到能在不影响另一方的情况下降低rs或增大RL的方法。需要注意的是，在MOS晶体管中，ID = Is (IG = 0)。
 


其中，K = μnCox/2，λ可以认为是与工艺技术相关的常数。

从另一个角度来看，因为晶体管Vth本身的DC偏移，在预期的摆幅内输入和输出之间的差值应是恒定的。受简单的电阻负载RL影响，漏电流ID会随着输出上下摆动而升高和降低。我们知道ID是VGS的函数（平方关系）。以+1 V至-1 V的摆幅为例，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会发生明显变化。根据这些实验结果，我们能从一个方面改善源极跟随器。

现在可以使用先前学子专区实验中的电流镜来代替源负载电阻，以使放大器晶体管的源极电流固定不变。电流镜能在宽电压范围内获取较为恒定的电流。晶体管中这种较为恒定的电流会导致VGS相当恒定。从另一个角度来看，电流镜中极高的输出电阻可以有效提高RL，但rs保持为电流设定的低值。

加强源极跟随器

附加材料

►  一个3.2 kΩ电阻（将1 kΩ和2.2 kΩ电阻串联）
►  一个小信号NMOS晶体管（M1采用ZVN2110A）
►  两个小信号NMOS晶体管（M2和M3采用CD4007）

说明

面包板连接如图4和图5所示。

图4.加强源极跟随器。

硬件设置

波形发生器配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为2 V，偏移为0。示波器通道2的单端输入(2+)用于测量源极的电压。示波器配置为连接通道1+以显示AWG发生器输出。在测量输入-输出误差时，应连接示波器的通道2，以显示2+和2–之间的差值。

图5.加强源极跟随器面包板电路

程序步骤

配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。产生的波形如图6所示。

图6.加强源极跟随器波形

源极跟随器输出阻抗

目标

源极跟随器的一个重要方面是提供功率或电流增益，即从高电阻（阻抗）级驱动低电阻（阻抗）负载。因此，测量源极跟随器的输出阻抗具有指导意义。

材料

►  一个4.7 kΩ电阻
►  一个10 kΩ电阻
►  一个小信号NMOS晶体管（M1采用CD4007或ZVN2110A）

说明

图7和图8中的电路配置增加了一个电阻R2，将来自AWG1的测试信号注入M1的发射极（输出）。输入端（M1的基极）接地。

图7.输出阻抗测试

 
图8.输出阻抗测试面包板电路

硬件设置

波形发生器配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为2 V，偏移为减去M1的VGS（约为–V）。这会将±0.1 mA (1 V/10 kΩ)电流注入M1的源极。示波器输入2+测量源极电压的变化。

程序步骤

绘制在源极处测得的电压幅度。配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。产生的波形如图9所示。

图9.输出阻抗测试波形

问题：

您能简要描述两种提高源极跟随器增益（接近1）的方法吗？

您可以在学子专区博客上找到问题答案。

作者简介

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。联系方式：[email protected] 。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。联系方式：[email protected] 。