学子专区—ADALM2000实验：源极跟随器(NMOS)

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 (R_L)
• 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。

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。

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。

源极跟随器的增益(V_OUT/V_IN)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R_L或减小r_s。也可以看出，r_s是I_D的函数，I_D增大，r_s会减小。此外，从电路可以看出，I_D与R_L相关，如果R_L增大，I_D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r_s或增大R_L的方法。需要注意的是，在MOS晶体管中，I_D = I_s (I_G = 0)。

其中， K = μ_nC_ox/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V_th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R_L影响，漏电流I_D会随着输出上下摆动而升高和降低。我们知道I_D是V_GS的函数（平方关系）。以+1 V至-1 V的摆幅为例，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V_GS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R_L，但r_s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。

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。

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。

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。

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V_GS（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。

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？