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      ADALM2000实验:发射极跟随器(BJT)

      2021年09月01日 14:53 ? 次阅读

      作者:ADI公司  Doug Mercer,顾问研究员; Antoniu Miclaus,系统应用工程师

      目标

      本次实验的目的是研究简单的NPN发射极跟随器,有时也被称为共集电极配置。

      材料

      • ADALM2000主动学习???/li>
      • 无焊面包板
      • 跳线
      • 一个2.2 kΩ电阻(RL)
      • 一个小信号NPN晶体管(Q1采用2N3904)

      说明

      面包板连接如图2所示。任意波形发生器W1的输出连接至Q1的基极端子。示波器输入1+(单端)也连接至W1输出。集电极端子连接至正极(Vp)电源。发射极端子连接至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Q1的基极,2–连接至发射极,以显示示波器通道2的差值。

      poYBAGEvJDWAS1bGAAAuYTD4utw142.png

      图1.发射极跟随器

      硬件设置

      波形发生器配置为1 kHz正弦波,峰峰值幅度为4 V,偏移为0。示波器通道2的单端输入(2+)用于测量发射极的电压。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。

      pYYBAGEvJFyADtFnAAM03U4CtHU760.png

      图2.发射极跟随器面包板电路

      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。

      pYYBAGEvJHuAJyD4AAGDLalIZ9U592.png

      图3.发射极跟随器波形

      发射极跟随器的增量增益(VOUT/VIN)理想值为1,但总是略小于1。增益一般通过以下公式计算:

      pYYBAGEvJIOAO0CrAAAOQ8ObtKM046.png

      从公式可以看出,要获得接近1的增益,我们可以增大RL或减小re。也可以看出,re是IE的函数,IE增大,re会减小。此外,从电路可以看出,IE与RL相关,如果RL增大,IE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re或增大RL的方法。如果从另一个角度来看跟随器,因为晶体管VBE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RL影响,发射集电流IE会随着输出上下摆动而升高和降低。因为VBE是IE的指数函数,当IE的变化系数为2时,VBE的变化幅度约为18 mV(室温下)。以+2 V至–2 V的摆幅为例,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的变化幅度为28 mV。根据这些实验结果,我们能从一个方面改善发射极跟随器。为了让放大器晶体管发射极电流固定不变,现在使用“ADALM2000实验:BJT电流镜”中的电流镜来替代发射极负载电阻。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VBE相当恒定。从另一个角度来看,电流源中极高的输出电阻可以有效提高RL,但re保持为电流设定的低值。

      改善的发射极跟随器

      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NPN晶体管(Q1采用2N3904)
      • 两个小信号NPN晶体管(Q2和Q3均采用SSM2212),以实现最佳VBE匹配

      说明

      面包板连接如图4和图5所示。

      poYBAGEvJKaAOyKEAABEm-SMHh8480.png

      图4.已改善的发射极跟随器

      硬件设置

      波形发生器配置为100 Hz三角波,峰峰值幅度为3 V,偏移为0。示波器通道2的单端输入(2+)用于测量Q1的发射极的电压。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。

      poYBAGEvJK2ALfK5AANH2DNGecw317.png

      图5.改善的发射极跟随器面包板电路

      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。

      poYBAGEvJMmAbF7hAAFVa0wWw4I791.png

      图6.改善的发射极跟随器波形

      poYBAGEvJNGAXU-bAADCGg8r3zQ376.png

      图7.电阻和电流源负载的输入-输出误差的Excel图示例

      低偏移跟随器

      我们此前讨论的跟随器电路具有内置偏移–VBE。接下来使用的电路利用PNP发射极跟随器的VBE向上偏移来抵消NPN发射极跟随器的VBE向下偏移。

      材料

      • 一个6.8 kΩ电阻
      • 一个10 kΩ电阻
      • 一个0.01 μF电容
      • 一个小信号PNP晶体管(Q1采用2N3906)
      • 三个小信号NPN晶体管(Q2、Q3和Q4采用2N3904或SSM2212)

      说明

      面包板连接如图8和图9所示。函数发生器的输出连接至PNP晶体管Q1的基极端子。Q1的集电极端子连接至二极管NPN Q3,这是电流镜的输入。发射极端子连接至电阻R1和NPN晶体管Q2的基极端子。示波器输入2+连接至Q2的发射极和Q4的集电极。Q3和Q4的发射集连接至负极(Vn)电源。为了实现最佳晶体管匹配,Q3和Q4使用SSM2212 NPN匹配对。

      poYBAGEvJOqAXu9SAABims35gxA121.png

      图8.低偏移跟随器

      硬件设置

      波形发生器配置为1 kHz正弦波,峰峰值幅度为4 V,偏移为0。示波器输入通道2设置为500 mV/div。

      pYYBAGEvJP-AZpuWAAPqeZi28Bg590.png

      图9.低偏移跟随器面包板电路

      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10所示。

      pYYBAGEvJRqAGTYBAAE3v-pm9PY532.png

      图10.低偏移跟随器波形

      在简单的发射极跟随器驱动容性负载时,会产生一个问题。由于发射极电流仅受β乘以基极电流的限制,该倍数由驱动基极的信号源提供,因此输出的上升时间相对较快。下降时间可能慢的多,会受发射集电阻或电流源限制。

      平衡压摆率跟随器

      材料

      • 两个2.2 kΩ电阻
      • 一个10 kΩ电阻
      • 一个0.01 μF电容
      • 三个小信号PNP晶体管(Q2、Q3和Q4采用2N3906或SSM2220)
      • 三个小信号NPN晶体管(Q1、Q5和Q6采用2N3904或SSM2212)

      说明

      图11所示的电路在负载电流变化时,使用反馈来调节发射极跟随器中的电流。拉动负极输出的电流可以达到N(NPN镜的增益)乘以PNP Q3的电流。为了实现最佳晶体管匹配,Q3和Q4使用SSM2220 PNP匹配对,Q5和Q6使用SSM2212 NPN匹配对(NPN电流镜增益为1)。添加第二个SSM2212,与Q5并联(以提高电流镜的增益)。

      poYBAGEvJTSAId9xAACAU5bcT7k683.png

      图11.平衡压摆率跟随器

      硬件设置

      波形发生器配置为1 kHz正弦波,峰峰值幅度为4 V,偏移为0。示波器输入通道2设置为1 V/div。

      pYYBAGEvJUqAHEF3AAQqsSAFGT4194.png

      图12.平衡压摆率跟随器面包板电路

      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13所示。

      poYBAGEvJVmATIKuAAGL-FZj9SQ516.png

      图13.平衡压摆率跟随器波形

      改善发射极跟随器的另一种方法是通过负反馈来降低有效re??梢酝ü黾拥诙鼍骞?,通过增大开环增益来增大负反馈因子,以此降低re。单个晶体管被一个反馈对取代,后者向第一个晶体管的发射集提供100%电压反馈。这个反馈对通常被称为互补反馈对。R2的值决定着能否实现出色的线性度,这是因为它决定了晶体管Q1的IC,也决定了其集电极的负载。

      互补反馈对发射极跟随器

      材料

      • 一个2.2 kΩ电阻
      • 一个10 kΩ电阻
      • 一个小信号NPN晶体管(Q1采用2N3904)
      • 一个小信号PNP晶体管(Q2采用2N3906)

      说明

      面包板连接如图14和图15所示。

      pYYBAGEvJXGAI8_-AAA_-cpCX5c511.png

      图14.互补反馈对发射极跟随器。

      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。示波器输入通道2设置为1 V/div。

      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16所示。

      pYYBAGEvJZWAJzK0AAE4R2M7sNQ861.png

      图16.互补反馈对发射极跟随器波形

      问题:

      您可以给出发射极跟随器电路的三个特性吗?

      您可以在学子专区博客上找到问题答案。

      pYYBAGEvJZ6AP2e1AAN2OxB01y4396.png

      图15.互补反馈对发射极跟随器面包板电路

      作者简介

      Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI),获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来,他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品,并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年,他从全职工作转型,并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问,为“主动学习计划”撰稿。2016年,他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。联系方式:doug.mercer@analog.com。

      Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师,从事ADI教学项目工作,同时为Circuits from the Lab?、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

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      AD9833有3根串行接口线,与SPI、QSPI、MI-CROWIRE和DSP接口标准兼容,在串口时....
      发表于 2020-07-27 15:12? 1698次阅读
      低功耗可编程波形发生器AD9833的特点、功能与...

      NI 400和200 Mb/s数字波形发生器/分...

      自动化测试工程师现在可以使用NI全新的400和200 Mb/s数字波形发生器/分析仪来同PXI平台上....
      发表于 2020-07-21 11:53? 315次阅读
      NI 400和200 Mb/s数字波形发生器/分...

      MOSFET小信号模型直观理解

      【3】二是电路的静态工作点将直接影响前一级和后一级的直流特性,因为CS电路实现的放大是针对小信号的放....
      发表于 2020-07-15 10:38? 8344次阅读
      MOSFET小信号模型直观理解

      NI PXIe-4081 DMM为传统精密仪器测...

      NI DMM具有自校准功能,这一功能过去只有最高分辨率的DMM才能提供。 自校准使用一个高度稳定和精....
      发表于 2020-05-15 10:38? 981次阅读
      NI PXIe-4081 DMM为传统精密仪器测...

      NI 655x数字波形发生器/分析仪的数字ATE...

      测试工程师能够从具备多种应用特性的不同数字I/O仪器中选择合适的设备进行通信与测试。数字测试设备的核....
      发表于 2020-05-15 10:33? 342次阅读
      NI 655x数字波形发生器/分析仪的数字ATE...

      多种波形发生器电路图_低频多种波形发生器电路图

      电路中,第一级为标准的积分器;第二级为增益是1的倒相器;第三级为具有滞后的比较器。
      发表于 2020-04-30 17:31? 4218次阅读
      多种波形发生器电路图_低频多种波形发生器电路图

      电子工程师的测量

      说到波形发生器,电子工程师们想必是再熟悉不过的了,它与频谱仪、示波器一样都是电子及信息通信领域产品研....
      发表于 2020-04-22 10:58? 443次阅读
      电子工程师的测量

      DG5000系列 函数/任意波形发生器

      DG5000集任意波形发生器、脉冲发生器、IQ基带源/中频源、跳频源、码型发生器、函数发生器6大功能....
      发表于 2020-04-22 10:03? 310次阅读
      DG5000系列 函数/任意波形发生器

      ?函数/任意波形发生器,仿真实验的最佳仪器

      任意波形发生器,仿真实验的最佳仪器 任意波形发生器是信号源的一种,它具有信号源所有的特点。我们传统都....
      发表于 2020-04-12 10:30? 352次阅读
      ?函数/任意波形发生器,仿真实验的最佳仪器

      ?DG4000系列是集函数发生器,任意波形发生器...

      DG4000系列是集函数发生器,任意波形发生器,脉冲发生器,谐波发生器,模拟/数字调制器,频率计等功....
      发表于 2020-04-12 10:10? 317次阅读
      ?DG4000系列是集函数发生器,任意波形发生器...

      如何理解运放的轨至轨特性

      前级采样电阻上的采样电压 VI_AMP_IN 经 U6 的跟随作用 VI_AMP_OUT 送至 AD....
      发表于 2020-04-06 10:53? 5248次阅读
      如何理解运放的轨至轨特性

      基于单芯片数字波形发生器的频率调节

      通过传感器的激励频率根据其电感(L)或电容(C)的瞬态值变化将表现出一种幅度、频率或相移变化。
      发表于 2020-03-29 11:15? 686次阅读
      基于单芯片数字波形发生器的频率调节

      BEM200型3.7kW变频器上电报E.OH

      温度检测电路如上图所示,包含温度传感器才8个元件。中间仅用了一级电压跟随器电路,输入为串联分压电路,....
      发表于 2020-02-29 10:07? 698次阅读
      BEM200型3.7kW变频器上电报E.OH
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