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ADALM2000實驗:發射極跟隨器(BJT)

2021-09-07
作者:Doug Mercer,顧問研究員; Antoniu Miclaus,系統應用工程師
來源:ADI
關鍵詞: ADI

  目標

  本次實驗的目的是研究簡單的NPN發射極跟隨器,有時也被稱為共集電極配置。

  材料

  ·ADALM2000主動學習模塊

  ·無焊面包板

  ·跳線

  ·一個2.2 kΩ電阻(RL)

  ·一個小信號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。發射極端子連接至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Q1的基極,2–連接至發射極,以顯示示波器通道2的差值。

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  圖1.發射極跟隨器

  硬件設置

  波形發生器配置為1 kHz正弦波,峰峰值幅度為4 V,偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量發射極的電壓。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。

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  圖2.發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信號的多個周期。產生的波形如圖3所示。

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  圖3.發射極跟隨器波形

  發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算:

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  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,IE增大,re會減小。此外,從電路可以看出,IE與RL相關,如果RL增大,IE會減小。在簡單的電阻負載發射極跟隨器中,這兩種效應相互抵消。所以,要優化跟隨器的增益,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。如果從另一個角度來看跟隨器,因為晶體管VBE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RL影響,發射集電流IE會隨著輸出上下擺動而升高和降低。因為VBE是IE的指數函數,當IE的變化系數為2時,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。根據這些實驗結果,我們能從一個方面改善發射極跟隨器。為了讓放大器晶體管發射極電流固定不變,現在使用“ADALM2000實驗:BJT電流鏡”中的電流鏡來替代發射極負載電阻。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導致VBE相當恒定。從另一個角度來看,電流源中極高的輸出電阻可以有效提高RL,但re保持為電流設定的低值。

  改善的發射極跟隨器

  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NPN晶體管(Q1采用2N3904)

  兩個小信號NPN晶體管(Q2和Q3均采用SSM2212),以實現最佳VBE匹配

  說明

  面包板連接如圖4和圖5所示。

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  圖4.已改善的發射極跟隨器

  硬件設置

  波形發生器配置為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的發射極的電壓。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。

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  圖5.改善的發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信號的多個周期。產生的波形如圖6所示。

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  圖6.改善的發射極跟隨器波形

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  圖7.電阻和電流源負載的輸入-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置偏移–VBE。接下來使用的電路利用PNP發射極跟隨器的VBE向上偏移來抵消NPN發射極跟隨器的VBE向下偏移。

  材料

  ·一個6.8 kΩ電阻

  ·一個10 kΩ電阻

  ·一個0.01 μF電容

  ·一個小信號PNP晶體管(Q1采用2N3906)

  ·三個小信號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。函數發生器的輸出連接至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的發射極和Q4的集電極。Q3和Q4的發射集連接至負極(Vn)電源。為了實現最佳晶體管匹配,Q3和Q4使用SSM2212 NPN匹配對。

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  圖8.低偏移跟隨器

  硬件設置

  波形發生器配置為1 kHz正弦波,峰峰值幅度為4 V,偏移為0。示波器輸入通道2設置為500 mV/div。

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  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信號的多個周期。產生的波形如圖10所示。

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  圖10.低偏移跟隨器波形

  在簡單的發射極跟隨器驅動容性負載時,會產生一個問題。由于發射極電流僅受β乘以基極電流的限制,該倍數由驅動基極的信號源提供,因此輸出的上升時間相對較快。下降時間可能慢的多,會受發射集電阻或電流源限制。

  平衡壓擺率跟隨器

  材料

  ·兩個2.2 kΩ電阻

  ·一個10 kΩ電阻

  ·一個0.01 μF電容

  ·三個小信號PNP晶體管(Q2、Q3和Q4采用2N3906或SSM2220)

  ·三個小信號NPN晶體管(Q1、Q5和Q6采用2N3904或SSM2212)

  說明

  圖11所示的電路在負載電流變化時,使用反饋來調節發射極跟隨器中的電流。拉動負極輸出的電流可以達到N(NPN鏡的增益)乘以PNP Q3的電流。為了實現最佳晶體管匹配,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SSM2212,與Q5并聯(以提高電流鏡的增益)。

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  圖11.平衡壓擺率跟隨器

  硬件設置

  波形發生器配置為1 kHz正弦波,峰峰值幅度為4 V,偏移為0。示波器輸入通道2設置為1 V/div。

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  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信號的多個周期。產生的波形如圖13所示。

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  圖13.平衡壓擺率跟隨器波形

  改善發射極跟隨器的另一種方法是通過負反饋來降低有效re。可以通過增加第二個晶體管,通過增大開環增益來增大負反饋因子,以此降低re。單個晶體管被一個反饋對取代,后者向第一個晶體管的發射集提供100%電壓反饋。這個反饋對通常被稱為互補反饋對。R2的值決定著能否實現出色的線性度,這是因為它決定了晶體管Q1的IC,也決定了其集電極的負載。

  互補反饋對發射極跟隨器

  材料

  ·一個2.2 kΩ電阻

  ·一個10 kΩ電阻

  ·一個小信號NPN晶體管(Q1采用2N3904)

  ·一個小信號PNP晶體管(Q2采用2N3906)

  說明

  面包板連接如圖14和圖15所示。

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  圖14.互補反饋對發射極跟隨器。

  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。示波器輸入通道2設置為1 V/div。

  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16所示。

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  問題:

  您可以給出發射極跟隨器電路的三個特性嗎?

  您可以在學子專區博客上找到問題答案。

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作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI),獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來,他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品,并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年,他從全職工作轉型,并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問,為“主動學習計劃”撰稿。2016年,他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師,從事ADI教學項目工作,同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生,擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。



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