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StudentZone — ADALM2000 Activity: The Source Follower (NMOS) 作者：ADI 公司 Doug Mercer，顧問(wèn)研究員；Antoniu Miclaus，系統應用工程師 目標 本次實(shí)驗的目的是研究簡(jiǎn)單的NMOS源極跟隨器，有時(shí)也稱(chēng)為共漏極配置。 材料 ► ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊 ► 無(wú)焊面包板 ► 跳線(xiàn) ► 一個(gè)2.2 kΩ電阻(RL) ► 一個(gè)小信號NMOS晶體管（M1采用增強模式CD4007或ZVN2110A） 說(shuō)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，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)單的電阻負載發(fā)射極跟隨器中，這兩種效應相互抵消。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。 從另一個(gè)角度來(lái)看，因為晶體管Vth本身的DC偏移，在預期的擺幅內輸入和輸出之間的差值應是恒定的。受簡(jiǎn)單的電阻負載RL影響，漏電流ID會(huì )隨著(zhù)輸出上下擺動(dòng)而升高和降低。我們知道ID是VGS的函數（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。根據這些實(shí)驗結果，我們能從一個(gè)方面改善源極跟隨器。 現在可以使用先前學(xué)子專(zhuān)區實(shí)驗中的電流鏡來(lái)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 )導致VGS相當恒定。從另一個(gè)角度來(lái)看，電流鏡中極高的輸出電阻可以有效提高RL，但rs保持為電流設定的低值。 加強源極跟隨器 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NMOS晶體管（M1采用ZVN2110A） ► 兩個(gè)小信號NMOS晶體管（M2和M3采用CD4007） 說(shuō)明 面包板連接如圖4和圖5所示。
圖4.加強源極跟隨器。 硬件設置 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)，應連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值。
圖5.加強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)信號的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖6所示。
圖6.加強源極跟隨器波形 源極跟隨器輸出阻抗 目標 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）級驅動(dòng)低電阻（阻抗）負載。因此，測量源極跟隨器的輸出阻抗具有指導意義。 材料 ► 一個(gè)4.7 kΩ電阻 ► 一個(gè)10 kΩ電阻 ► 一個(gè)小信號NMOS晶體管（M1采用CD4007或ZVN2110A） 說(shuō)明 圖7和圖8中的電路配置增加了一個(gè)電阻R2，將來(lái)自AWG1的測試信號注入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
圖8.輸出阻抗測試面包板電路 硬件設置 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+測量源極電壓的變化。 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 問(wèn)題： 您能簡(jiǎn)要描述兩種提高源極跟隨器增益（接近1）的方法嗎？ 您可以在學(xué)子專(zhuān)區博客上找到問(wèn)題答案。 作者簡(jiǎn)介 Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產(chǎn)品，并擁有13項專(zhuān)利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽(yù)研究員身份擔任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。 Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab®、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。 |
