ADALM2000实验：发射极跟随器_BJT

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主动学习模块
·无焊面包板
·跳线
·一个2.2kΩ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2.2kΩ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。

文章插图
图1.发射极跟随器
硬件设置
波形发生器配置为1kHz正弦波，峰峰值幅度为4V，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。

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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。

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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：

文章插图
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18mV（室温下）。以+2V至–2V的摆幅为例，最小IE=2V/2.2kΩ或0.91mA，最大IE=6V/2.2kΩ或2.7mA 。VBE的变化幅度为28mV 。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3.2kΩ电阻（将1kΩ和2.2kΩ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。

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图4.已改善的发射极跟随器
硬件设置
波形发生器配置为100Hz三角波，峰峰值幅度为3V，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。

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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。

文章插图
图6.改善的发射极跟随器波形

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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6.8kΩ电阻
·一个10kΩ电阻
·一个0.01μF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NPNQ3，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SSM2212NPN匹配对。

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图8.低偏移跟随器
硬件设置
波形发生器配置为1kHz正弦波，峰峰值幅度为4V，偏移为0 。示波器输入通道2设置为500mV/div 。

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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。

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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2.2kΩ电阻
·一个10kΩ电阻
·一个0.01μF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PNPQ3的电流。为了实现最佳晶体管匹配，Q3和Q4使用SSM2220PNP匹配对，Q5和Q6使用SSM2212NPN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）。

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图11.平衡压摆率跟随器
硬件设置
波形发生器配置为1kHz正弦波，峰峰值幅度为4V，偏移为0 。示波器输入通道2设置为1V/div 。

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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。

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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 。可以通过增加第二个晶体管，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2.2kΩ电阻
·一个10kΩ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。

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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1kHz正弦波，峰峰值幅度为2V，偏移为0 。示波器输入通道2设置为1V/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。

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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。

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作者简介
DougMercer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RPIECSE系的驻校工程师。
AntoniuMiclaus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CircuitsfromtheLab?、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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【ADALM2000实验：发射极跟随器_BJT】

ADALM2000实验：发射极跟随器_BJT

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