学子专区—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2.2 kΩ电阻(R_L)
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。

Figure 1. Emitter follower. — 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。

Figure 2. Emitter follower breadboard circuit. — 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。

Figure 3. Emitter follower waveforms. — 图3.发射极跟随器波形。

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

从公式可以看出，要获得接近1的增益，我们可以增大R_L或减小r_e。也可以看出，r_e是I_E的函数，I_E增大，r_e会减小。此外，从电路可以看出，I_E与R_L相关，如果R_L增大，I_E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r_e或增大R_L的方法。如果从另一个角度来看跟随器，因为晶体管V_BE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R_L影响，发射集电流I_E会随着输出上下摆动而升高和降低。因为V_BE是I_E的指数函数，当I_E的变化系数为2时，V_BE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I_E = 2 V/2.2 kΩ或0.91 mA，最大I_E = 6 V/2.2 kΩ或2.7 mA。V_BE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V_BE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R_L，但r_e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V_BE匹配

说明

面包板连接如图4和图5所示。

Figure 4. Improved emitter follower. — 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。

Figure 5. Improved emitter follower breadboard circuit. — 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。

Figure 6. Improved emitter follower waveforms. — 图6.改善的发射极跟随器波形。

Figure 7. An Excel plot example of input vs. output error for resistor and current source load. — 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–V_BE。接下来使用的电路利用PNP发射极跟随器的V_BE向上偏移来抵消NPN发射极跟随器的V_BE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。为了实现优质晶体管匹配，Q3和Q4使用SSM2212 NPN匹配对。

Figure 8. Low offset follower. — 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。

Figure 9. Low offset follower breadboard circuit. — 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。

Figure 10. Low offset follower waveforms. — 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。为了实现优质晶体管匹配，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）。

Figure 11. Balanced slew rate follower. — 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。

Figure 12. Balanced slew rate follower breadboard circuit. — 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。

Figure 13. Balanced slew rate follower waveforms. — 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r_e。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r_e。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I_C，也决定了其集电极的负载。