ADALM2000實(shí)驗(yàn):發(fā)射極跟隨器(BJT)
發(fā)布時(shí)間:2021-06-03 來源:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】面包板連接如圖2所示。任意波形發(fā)生器W1的輸出連接至Q1的基極端子。示波器輸入1+(單端)也連接至W1輸出。集電極端子連接至正極(Vp)電源。發(fā)射極端子連接至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。要測量輸入-輸出誤差,可以將2+連接至Q1的基極,2–連接至發(fā)射極,以顯示示波器通道2的差值。
本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究簡單的NPN發(fā)射極跟隨器,有時(shí)也被稱為共集電極配置。
材料
● ADALM2000 主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊面包板
● 跳線
● 一個(gè)2.2 kΩ電阻(RL)
● 一個(gè)小信號NPN晶體管(Q1采用2N3904)
說明
面包板連接如圖2所示。任意波形發(fā)生器W1的輸出連接至Q1的基極端子。示波器輸入1+(單端)也連接至W1輸出。集電極端子連接至正極(Vp)電源。發(fā)射極端子連接至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。要測量輸入-輸出誤差,可以將2+連接至Q1的基極,2–連接至發(fā)射極,以顯示示波器通道2的差值。
圖1.發(fā)射極跟隨器。
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4 V,偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量發(fā)射極的電壓。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(yīng)連接示波器的通道2,以顯示2+和2–之間的差值。
圖2.發(fā)射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.發(fā)射極跟隨器波形。
發(fā)射極跟隨器的增量增益(VOUT/VIN)理想值為1,但總是略小于1。增益一般通過以下公式計(jì)算:
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re。也可以看出,re是IE的函數(shù),IE增大,re會減小。此外,從電路可以看出,IE與RL相關(guān),如果RL增大,IE會減小。在簡單的電阻負(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re或增大RL的方法。如果從另一個(gè)角度來看跟隨器,因?yàn)榫w管VBE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。受簡單的電阻負(fù)載RL影響,發(fā)射集電流IE會隨著輸出上下擺動而升高和降低。因?yàn)閂BE是IE的指數(shù)函數(shù),當(dāng)IE的變化系數(shù)為2時(shí),VBE的變化幅度約為18 mV(室溫下)。以+2 V至–2 V的擺幅為例,最小IE = 2 V/2.2 kΩ或0.91 mA,最大IE = 6 V/2.2 kΩ或2.7 mA。VBE的變化幅度為28 mV。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們能從一個(gè)方面改善發(fā)射極跟隨器。為了讓放大器晶體管發(fā)射極電流固定不變,現(xiàn)在使用 "ADALM2000實(shí)驗(yàn):BJT電流鏡" 中的電流鏡來替代發(fā)射極負(fù)載電阻。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導(dǎo)致VBE相當(dāng)恒定。從另一個(gè)角度來看,電流源中極高的輸出電阻可以有效提高RL,但re保持為電流設(shè)定的低值。
改善的發(fā)射極跟隨器
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NPN晶體管(Q1采用2N3904)
● 兩個(gè)小信號NPN晶體管(Q2和Q3均采用SSM2212),以實(shí)現(xiàn)最佳VBE匹配
說明
面包板連接如圖4和圖5所示。
圖4.已改善的發(fā)射極跟隨器。
硬件設(shè)置
波形發(fā)生器配置為100 Hz三角波,峰峰值幅度為3 V,偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量Q1的發(fā)射極的電壓。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(yīng)連接示波器的通道2,以顯示2+和2–之間的差值。
圖5.改善的發(fā)射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.改善的發(fā)射極跟隨器波形。
圖7.電阻和電流源負(fù)載的輸入-輸出誤差的Excel圖示例。
低偏移跟隨器
我們此前討論的跟隨器電路具有內(nèi)置偏移–VBE。接下來使用的電路利用PNP發(fā)射極跟隨器的VBE向上偏移來抵消NPN發(fā)射極跟隨器的VBE向下偏移。
材料
● 一個(gè)6.8 kΩ電阻
● 一個(gè)10 kΩ電阻
● 一個(gè)0.01 μF電容
● 一個(gè)小信號PNP晶體管(Q1采用2N3906)
● 三個(gè)小信號NPN晶體管(Q2、Q3和Q4采用2N3904或SSM2212)
說明
面包板連接如圖8和圖9所示。函數(shù)發(fā)生器的輸出連接至PNP晶體管Q1的基極端子。Q1的集電極端子連接至二極管NPN Q3,這是電流鏡的輸入。發(fā)射極端子連接至電阻R1和NPN晶體管Q2的基極端子。示波器輸入2+連接至Q2的發(fā)射極和Q4的集電極。Q3和Q4的發(fā)射集連接至負(fù)極(Vn)電源。為了實(shí)現(xiàn)最佳晶體管匹配,Q3和Q4使用SSM2212 NPN匹配對。
圖8.低偏移跟隨器。
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4 V,偏移為0。示波器輸入通道2設(shè)置為500 mV/div。
圖9.低偏移跟隨器面包板電路。
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10所示。
圖10.低偏移跟隨器波形。
在簡單的發(fā)射極跟隨器驅(qū)動容性負(fù)載時(shí),會產(chǎn)生一個(gè)問題。由于發(fā)射極電流僅受β乘以基極電流的限制,該倍數(shù)由驅(qū)動基極的信號源提供,因此輸出的上升時(shí)間相對較快。下降時(shí)間可能慢的多,會受發(fā)射集電阻或電流源限制。
平衡壓擺率跟隨器
材料
● 兩個(gè)2.2 kΩ電阻
● 一個(gè)10 kΩ電阻
● 一個(gè)0.01 μF電容
● 三個(gè)小信號PNP晶體管(Q2、Q3和Q4采用2N3906或SSM2220)
● 三個(gè)小信號NPN晶體管(Q1、Q5和Q6采用2N3904或SSM2212)
說明
圖11所示的電路在負(fù)載電流變化時(shí),使用反饋來調(diào)節(jié)發(fā)射極跟隨器中的電流。拉動負(fù)極輸出的電流可以達(dá)到N(NPN鏡的增益)乘以PNP Q3的電流。為了實(shí)現(xiàn)最佳晶體管匹配,Q3和Q4使用SSM2220 PNP匹配對,Q5和Q6使用SSM2212 NPN匹配對(NPN電流鏡增益為1)。添加第二個(gè)SSM2212,與Q5并聯(lián)(以提高電流鏡的增益)。
圖11.平衡壓擺率跟隨器。
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4 V,偏移為0。示波器輸入通道2設(shè)置為1 V/div。
圖12.平衡壓擺率跟隨器面包板電路。
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13所示。
圖13.平衡壓擺率跟隨器波形。
改善發(fā)射極跟隨器的另一種方法是通過負(fù)反饋來降低有效re??梢酝ㄟ^增加第二個(gè)晶體管,通過增大開環(huán)增益來增大負(fù)反饋因子,以此降低re。單個(gè)晶體管被一個(gè)反饋對取代,后者向第一個(gè)晶體管的發(fā)射集提供100%電壓反饋。這個(gè)反饋對通常被稱為互補(bǔ)反饋對。R2的值決定著能否實(shí)現(xiàn)出色的線性度,這是因?yàn)樗鼪Q定了晶體管Q1的IC,也決定了其集電極的負(fù)載。
互補(bǔ)反饋對發(fā)射極跟隨器
材料
● 一個(gè)2.2 kΩ電阻
● 一個(gè)10 kΩ電阻
● 一個(gè)小信號NPN晶體管(Q1采用2N3904)
● 一個(gè)小信號PNP晶體管(Q2采用2N3906)
說明
面包板連接如圖14和圖15所示。
圖14.互補(bǔ)反饋對發(fā)射極跟隨器。
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。示波器輸入通道2設(shè)置為1 V/div。
圖15.互補(bǔ)反饋對發(fā)射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16所示。
圖16.互補(bǔ)反饋對發(fā)射極跟隨器波形。
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