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

●     無焊麵包板

●     跳線

●     一個2.2 kΩ電阻 (R_L)

●     一個小信號NMOS晶體管（M1采用增強模式CD4007或ZVN2110A）

 

說明

 

麵包板連接如圖1和圖2所示。波形發生器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+)用於測量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發生器輸出。在測量輸入-輸出誤差時，應連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值。

 

圖2.源極跟隨器麵包板電路。

 

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，但總是略小於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R_L或減小r_s。也可以看出，r_s是I_D的函數，I_D增大，r_s會減小。此外
，從電路可以看出，I_D與R_L相關，如果R_L增大
，I_D會(hui)減(jian)小(xiao)。在(zai)簡(jian)單(dan)的(de)電(dian)阻(zu)負(fu)載(zai)發(fa)射(she)極(ji)跟(gen)隨(sui)器(qi)中(zhong)，這(zhe)兩(liang)種(zhong)效(xiao)應(ying)相(xiang)互(hu)抵(di)消(xiao)。所(suo)以(yi)，要(yao)優(you)化(hua)跟(gen)隨(sui)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)
，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)找(zhao)到(dao)能(neng)在(zai)不(bu)影(ying)響(xiang)另(ling)一(yi)方(fang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)降(jiang)低(di)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可以認為是與工藝技術相關的常數。

 

從另一個角度來看，因為晶體管V_th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。受簡單的電阻負載R_L影響
，漏電流I_D會隨著輸出上下擺動而升高和降低。我們知道I_D是V_GS的函數（平方關係）。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會發生明顯變化。根據這些實驗結果，我們能從一個方麵改善源極跟隨器。

 

現在可以使用先前學子專區 實(shi)驗(yan)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)鏡(jing)來(lai)代(dai)替(ti)源(yuan)負(fu)載(zai)電(dian)阻(zu)，以(yi)使(shi)放(fang)大(da)器(qi)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)源(yuan)極(ji)電(dian)流(liu)固(gu)定(ding)不(bu)變(bian)。電(dian)流(liu)鏡(jing)能(neng)在(zai)寬(kuan)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)內(nei)獲(huo)取(qu)較(jiao)為(wei)恒(heng)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)。晶(jing)體(ti)管(guan)中(zhong)這(zhe)種(zhong)較(jiao)為(wei)恒(heng)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)會(hui)導(dao)致(zhi)V_GS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R_L
，但r_s保持為電流設定的低值。

 

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）

●     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

 

麵包板連接如圖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+)用於測量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發生器輸出。在測量輸入-輸出誤差時，應連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值。

 

圖5.加強源極跟隨器麵包板電路。

 

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

 

源極跟隨器的一個重要方麵是提供功率或電流增益

，即從高電阻（阻抗）級驅動低電阻（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4.7 kΩ電阻

●     一個10 kΩ電阻

●     一個小信號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電阻R2
，將來自AWG1的測試信號注入M1的發射極（輸出）。輸入端（M1的基極）接地。

 

圖7.輸出阻抗測試。

 

硬件設置

 

波形發生器配置為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.輸出阻抗測試麵包板電路。 

 

程序步驟

 

繪製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信號的多個周期。產生的波形如圖9所示。

 

圖9.輸出阻抗測試波形。

 

 

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