目標

 

本活動的目的是研究MOS晶體管的共源極配置。

 

背景知識

 

共源極放大器是三種基本單級放大器拓撲之一。MOS共源極放大器一般用作反相電壓放大器。晶體管的柵極端為輸入，漏極端為輸出，而源極為輸入和輸出共用（可連接至參考地端或電源軌），所謂共用即由此而來。

 

材料

 

●  ADALM2000主動學習模塊

●  無焊面包板

●  五個電阻

●  一個50 kΩ可變電阻、電位計

●  一個小信號NMOS晶體管(ZVN2110A)

 

指導

 

圖1所示配置展現(xiàn)了用作共源極放大器的NMOS晶體管。選擇適當?shù)妮敵鲐撦d電阻RL，用于產(chǎn)生合適的標稱漏極電流I_D，V_DS的電壓約為正電源電壓(+5 V)和負電源電壓V_N(–5 V)的中間值。通過可調(diào)電阻R_POT來設(shè)置晶體管(V_GS) 的標稱偏置工作點，進而設(shè)置所需的IC。選擇適當?shù)姆謮浩鱎1/R2，以便通過波形發(fā)生器W1提供足夠大的輸入激勵衰減，使W1的幅度與 V_DS上的信號幅度大致相同?？紤]到在晶體管V_GS的柵極上會出現(xiàn)非常小的信號，這樣做更容易查看波形發(fā)生器W1信號。衰減的W1信號通過4.7 uF C1交流耦合到晶體管柵極，以免干擾直流偏置條件。

 

圖1.共源極放大器測試配置。

 

硬件設(shè)置

 

波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為3 V，偏移為0 V。并將其連接在示波器通道1+上，以顯示發(fā)生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量M1柵極和漏極的波形。

 

圖2.NMOS二極管面包板電路。

 

程序步驟

 

打開連接到MOS晶體管漏極(V_P = +5 V)和源極(V_N = –5 V)的電源。

 

配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號（橙色跡線）和輸出信號（紫色跡線）

 

產(chǎn)生的波形如圖3所示。

 

圖3.共源極放大器測試電路的波形圖。

 

共源極放大器的電壓增益A可以表示為負載電阻R_L與小信號源極電阻r_s的比值。晶體管的跨導g_m是漏極電流I_D和所謂的柵極過驅(qū)動電壓V_GS-V_th的函數(shù)，其中V_th是閾值電壓。

 

 

小信號源極電阻為1/g_m且可視為與源極串聯(lián)?，F(xiàn)在，在柵極上施加電壓信號，相同的電流會流入r_s和漏極負載R_L。因此，R_L × g_m可得到增益A。

 

 

添加源極負反饋

 

共源極放大器為放大器提供反相輸出，具有極高增益，而且各晶體管之間的差異很大。增益與溫度和偏置電流密切相關(guān)，所以實際增益有時無法預測。由于可能存在意外的正反饋，因此穩(wěn)定性是與此類高增益電路相關(guān)的另一個問題。此外小信號限值帶來的低輸入動態(tài)范圍也是一個問題；如果超過此限值，就會出現(xiàn)嚴重失真，晶體管也不會像其小信號模型那樣工作。如果添加負反饋，就會減少此類問題，從而提高性能。在這種簡單的放大器級中添加反饋有多種方法，最簡單也最可靠的方式是在源電路(R_S)中添加一個小值電阻。這也稱為串聯(lián)反饋。反饋量取決于通過該電阻兩端的相對信號壓降。

 

源極負反饋增益方程：

 

 

附加材料

 

一個5 kΩ可變電阻、電位計

 

指導

 

斷開M1源極接地連接，并插入R_S, a 5 kΩ（5 kΩ電位計），如圖4所示。調(diào)整R_S，同時注意觀察晶體管漏極上的輸出信號。電路增益可通過修改R_S 電位計的值來調(diào)整。

 

圖4.添加源極負反饋。

 

硬件設(shè)置

 

波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為3 V，偏移為0 V。并將其連接在示波器通道1+上，以顯示發(fā)生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量M1柵極和漏極的波形。

 

圖5.添加了源極負反饋的面包板連接。

 

程序步驟

 

打開連接到漏極的電源(V_P = 5 V)。

 

配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號（橙色跡線）和輸出信號（紫色跡線）。

 

產(chǎn)生的波形如圖6所示。

 

圖6.添加了源極負反饋的波形圖。

 

提高源極負反饋放大器的交流增益

 

添加源極負反饋電阻提高了直流工作點的穩(wěn)定性，但降低了放大器增益?？赏ㄟ^在負反饋電阻R_S上并聯(lián)電容C2，在一定程度上恢復交流信號的較高增益，如圖7所示。

 

圖7.添加C2以增加交流增益。

 

硬件設(shè)置

 

波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為3 V，偏移為0 V。并將其連接示波器通道1+上，以顯示發(fā)生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量M1柵極和漏極的波形。

 

圖8.添加了C2的面包板連接。

 

程序步驟

 

打開連接到漏極的電源(V_P = 5 V)。

 

配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號（橙色跡線）和輸出信號（紫色跡線）。

 

產(chǎn)生的波形如圖9所示。

 

圖9.添加了C2的波形圖。

 

問題

 

●  添加負反饋如何有助于穩(wěn)定直流工作點？

●  對于源極負反饋電路設(shè)置，增加R_S對電壓增益A有何影響？

 

 

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