ADALM2000實(shí)驗(yàn)：發(fā)射極跟隨器(BJT)

目標(biāo)

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(dòng)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(hào)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(hào)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(V_OUT/V_IN)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(huì)減小。此外，從電路可以看出，IE與RL相關(guān)，如果RL增大，IE會(huì)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(huì)隨著輸出上下擺動(dòng)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(huì)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(hào)NPN晶體管（Q1采用2N3904）

■   兩個(gè)小信號(hào)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(hào)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(hào)PNP晶體管（Q1采用2N3906）

■   三個(gè)小信號(hào)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(duì)。

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(hào)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(dòng)容性負(fù)載時(shí)，會(huì)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(dòng)基極的信號(hào)源提供，因此輸出的上升時(shí)間相對(duì)較快。下降時(shí)間可能慢的多，會(huì)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(hào)PNP晶體管（Q2、Q3和Q4采用2N3906或SSM2220）

■   三個(gè)小信號(hào)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(dòng)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(duì)，Q5和Q6使用SSM2212 NPN匹配對(duì)（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(hào)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(duì)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(duì)通常被稱為互補(bǔ)反饋對(duì)。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(duì)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(hào)NPN晶體管（Q1采用2N3904）

■   一個(gè)小信號(hào)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(duì)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。

程序步驟

配置示波器以捕獲所測量的兩個(gè)信號(hào)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(duì)發(fā)射極跟隨器波形

問題：

您可以給出發(fā)射極跟隨器電路的三個(gè)特性嗎？

圖15 互補(bǔ)反饋對(duì)發(fā)射極跟隨器面包板電路

作者簡介

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，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(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(xiàng)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。