ADALM2000實(shí)驗：發(fā)射極跟隨器(BJT)

目標

本次實(shí)驗的目的是研究簡(jiǎn)單的NPN發(fā)射極跟隨器，有時(shí)也被稱(chēng)為共集電極配置。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊

■   無(wú)焊面包板

■   跳線(xiàn)

■   一個(gè)2.2 kΩ電阻(RL)

■   一個(gè)小信號NPN晶體管（Q1采用2N3904）

說(shuō)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(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(V_OUT/V_IN)理想值為1，但總是略小于1。增益一般通過(guò)以下公式計算：

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，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(jiǎn)單的電阻負載發(fā)射極跟隨器中，這兩種效應相互抵消。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(lái)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(jiǎn)單的電阻負載RL影響，發(fā)射集電流IE會(huì )隨著(zhù)輸出上下擺動(dòng)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(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。根據這些實(shí)驗結果，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，現在使用“ADALM2000實(shí)驗：BJT電流鏡”中的電流鏡來(lái)替代發(fā)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(huì )導致VBE相當恒定。從另一個(gè)角度來(lái)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(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)現最佳VBE匹配

說(shuō)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(lái)使用的電路利用PNP發(fā)射極跟隨器的VBE向上偏移來(lái)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(shuō)明

面包板連接如圖8和圖9所示。函數發(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)射集連接至負極(Vn)電源。為了實(shí)現最佳晶體管匹配，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(jiǎn)單的發(fā)射極跟隨器驅動(dòng)容性負載時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題。由于發(fā)射極電流僅受β乘以基極電流的限制，該倍數由驅動(dòng)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(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(shuō)明

圖11所示的電路在負載電流變化時(shí)，使用反饋來(lái)調節發(fā)射極跟隨器中的電流。拉動(dòng)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(shí)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(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(guò)負反饋來(lái)降低有效re?？梢酝ㄟ^(guò)增加第二個(gè)晶體管，通過(guò)增大開(kāi)環(huán)增益來(lái)增大負反饋因子，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(chēng)為互補反饋對。R2的值決定著(zhù)能否實(shí)現出色的線(xiàn)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(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(shuō)明

面包板連接如圖14和圖15所示。

圖14 互補反饋對發(fā)射極跟隨器

硬件設置

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)信號的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖16所示。

圖16 互補反饋對發(fā)射極跟隨器波形

問(wèn)題：

您可以給出發(fā)射極跟隨器電路的三個(gè)特性嗎？

圖15 互補反饋對發(fā)射極跟隨器面包板電路

作者簡(jiǎn)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(lái)，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產(chǎn)品，并擁有13項專(zhuān)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(yù)研究員身份擔任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)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(xué)項目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)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。