ADALM2000實驗:發射極跟隨器(BJT)

作者：ADI公司　　Doug Mercer，顧問研究員；　Antoniu Miclaus，系統應用工程師

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

圖6.改善的發射極跟隨器波形

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。