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(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2.2 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。

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。

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。

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18 mV（室温下）。以+2 V至–2 V的摆幅为例，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3.2 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VBE匹配

说明

面包板连接如图4和图5所示。

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。

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。

图6 改善的发射极跟随器波形

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6.8 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。为了实现最佳晶体管匹配，Q3和Q4使用SSM2212 NPN匹配对。

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。

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。

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。为了实现最佳晶体管匹配，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）。

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。

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。

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2.2 kΩ电阻

■   一个10 kΩ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。

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

图16 互补反馈对发射极跟随器波形

问题：

您可以给出发射极跟随器电路的三个特性吗？

图15 互补反馈对发射极跟随器面包板电路

作者简介

Doug Mercer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RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus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Circuits from the Lab®、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。