學子專區—ADALM2000實驗：源極隨耦器(NMOS)
前言：
作者：ADI顧問研究員Doug Mercer 及系統應用工程師Antoniu Miclaus
目標
本次實驗的目的是研究簡單的NMOS源極隨耦器，有時也稱為共汲極配置。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊麵包板
• 跳接線
• 一個2.2 kΩ電阻 (RL)
• 一個小訊號NMOS電晶體（M1採用增強模式CD4007或ZVN2110A）
說明
麵包板連接如圖1和圖2所示。波形產生器W1的輸出連接至M1的閘極端子。示波器輸入1+（單端）也連接至W1輸出。汲極端子連接至正極(Vp)電源。源極端子連接至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M1的閘極，2–連接至源極，以顯示示波器通道2的差值。
圖1.源極隨耦器。
硬體設定
波形產生器配置為1 kHz正弦波，峰對峰值幅度為2 V，偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用於測量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG產生器輸出。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.源極隨耦器麵包板電路。
程式步驟
配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖3所示。
圖3.源極隨耦器的輸入和輸出波形。
源極隨耦器的增益(VOUT/VIN)理想值為1，但總是略小於1。增益由以下公式1計算得出：
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rs。也可以看出，rs是ID的函數，ID增大，rs會減小。此外，從電路可以看出，ID與RL相關，如果RL增大，ID會減小。在簡單的電阻負載發射極隨耦器中，這兩種效應相互抵消。所以，要優化隨耦器的增益，我們需要找到能在不影響另一方的情況下降低rs或增大RL的方法。需要注意的是，在MOS電晶體中，ID = Is (IG = 0)。
其中， K = μnCox/2 ，λ可以認為是與製程技術相關的常數。
從另一個角度來看，因為電晶體Vth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恆定的。受簡單的電阻負載RL影響，汲電流ID會隨著輸出上下擺動而升高和降低。我們知道ID是VGS的函數（平方關係）。以+1 V至-1 V的擺幅為例，最小ID = 1 V/2.2 kΩ或0.45 mA，最大ID = 6 V/2.2 kΩ或2.7 mA。因此VGS會發生明顯變化。根據這些實驗結果，我們能從一個方面改善源極隨耦器。
現在可以使用先前學子專區 實驗中的電流鏡來代替源負載電阻，以使放大器電晶體的源極電流固定不變。電流鏡能在寬電壓範圍內獲取較為恆定的電流。電晶體中這種較為恆定的電流會導致VGS相當恆定。從另一個角度來看，電流鏡中極高的輸出電阻可以有效提高RL，但rs保持為電流設定的低值。
加強源極隨耦器
附加材料
• 一個3.2 kΩ電阻（將1 kΩ和2.2 kΩ電阻串聯）
• 一個小訊號NMOS電晶體（M1採用ZVN2110A）
• 兩個小訊號NMOS電晶體（M2和M3採用CD4007）
說明
麵包板連接如圖4和圖5所示。
圖4.加強源極隨耦器。
硬體設定
波形產生器配置為1 kHz正弦波，峰對峰值幅度為2 V，偏移為0。示波器通道2的單端輸入(2+)用於測量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG產生器輸出。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.加強源極隨耦器麵包板電路。
程式步驟
配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖6所示。
圖6.加強源極隨耦器波形。
源極隨耦器輸出阻抗
目標
源極隨耦器的一個重要方面是提供功率或電流增益，即從高電阻（阻抗）級驅動低電阻（阻抗）負載。因此，測量源極隨耦器的輸出阻抗具有指導意義。
材料
• 一個4.7 kΩ電阻
• 一個10 kΩ電阻
• 一個小訊號NMOS電晶體（M1採用CD4007或ZVN2110A）
說明
圖7和圖8中的電路配置增加了一個電阻R2，將來自AWG1的測試訊號注入M1的發射極（輸出）。輸入端（M1的基極）接地。
圖7.輸出阻抗測試。
硬體設定
波形產生器配置為1 kHz正弦波，峰對峰值幅度為2 V，偏移為減去M1的VGS（約為–V）。這會將±0.1 mA (1 V/10 kΩ)電流注入M1的源極。示波器輸入2+測量源極電壓的變化。
圖8.輸出阻抗測試麵包板電路。
程式步驟
繪製在源極處測得的電壓幅度。配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。產生的波形如圖9所示。
圖9.輸出阻抗測試波形。
問題：
您能簡要描述兩種提高源極隨耦器增益（接近1）的方法嗎？
您可以在 學子專區部落格上找到問題答案。
