目標

　　本次實驗的目的是研究簡單的NPN發(fā)射極跟隨器，有時也被稱為共集電極配置,。

　　材料

　　·ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

　　·無焊面包板

　　·跳線

　　·一個2.2 kΩ電阻（RL）

　　·一個小信號NPN晶體管（Q1采用2N3904）

　　說明

　　面包板連接如圖2所示。任意波形發(fā)生器W1的輸出連接至Q1的基極端子,。示波器輸入1+（單端）也連接至W1輸出,。集電極端子連接至正極（Vp）電源。發(fā)射極端子連接至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Q1的基極,，2–連接至發(fā)射極,，以顯示示波器通道2的差值。

　　圖1.發(fā)射極跟隨器

　　硬件設(shè)置

　　波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波,，峰峰值幅度為4 V,，偏移為0。示波器通道2的單端輸入（2+）用于測量發(fā)射極的電壓,。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發(fā)生器輸出,。在測量輸入-輸出誤差時,，應(yīng)連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值,。

　　圖2.發(fā)射極跟隨器面包板電路

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測量的兩個信號的多個周期,。產(chǎn)生的波形如圖3所示。

　　圖3.發(fā)射極跟隨器波形

　　發(fā)射極跟隨器的增量增益（VOUT/VIN）理想值為1,，但總是略小于1,。增益一般通過以下公式計算：

　　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re,。也可以看出，re是IE的函數(shù),，IE增大,，re會減小。此外,，從電路可以看出,，IE與RL相關(guān)，如果RL增大,，IE會減小,。在簡單的電阻負載發(fā)射極跟隨器中，這兩種效應(yīng)相互抵消,。所以,，要優(yōu)化跟隨器的增益，我們需要找到能在不影響另一方的情況下降低re或增大RL的方法,。如果從另一個角度來看跟隨器,，因為晶體管VBE本身的DC偏移，在預(yù)期的擺幅內(nèi)輸入和輸出之間的差值應(yīng)是恒定的,。受簡單的電阻負載RL影響,，發(fā)射集電流IE會隨著輸出上下擺動而升高和降低。因為VBE是IE的指數(shù)函數(shù),，當IE的變化系數(shù)為2時,，VBE的變化幅度約為18 mV（室溫下）。以+2 V至–2 V的擺幅為例,，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的變化幅度為28 mV,。根據(jù)這些實驗結(jié)果,，我們能從一個方面改善發(fā)射極跟隨器。為了讓放大器晶體管發(fā)射極電流固定不變,，現(xiàn)在使用“ADALM2000實驗：BJT電流鏡”中的電流鏡來替代發(fā)射極負載電阻,。電流鏡能在寬電壓范圍內(nèi)獲取較為恒定的電流,。晶體管中這種較為恒定的電流會導(dǎo)致VBE相當恒定。從另一個角度來看,，電流源中極高的輸出電阻可以有效提高RL,，但re保持為電流設(shè)定的低值。

　　改善的發(fā)射極跟隨器

　　附加材料

　　一個3.2 kΩ電阻（將1 kΩ和2.2 kΩ電阻串聯(lián)）

　　一個小信號NPN晶體管（Q1采用2N3904）

　　兩個小信號NPN晶體管（Q2和Q3均采用SSM2212）,，以實現(xiàn)最佳VBE匹配

　　說明

　　面包板連接如圖4和圖5所示,。

　　圖4.已改善的發(fā)射極跟隨器

　　硬件設(shè)置

　　波形發(fā)生器配置為100 Hz三角波，峰峰值幅度為3 V,，偏移為0,。示波器通道2的單端輸入（2+）用于測量Q1的發(fā)射極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發(fā)生器輸出,。在測量輸入-輸出誤差時,，應(yīng)連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值,。

　　圖5.改善的發(fā)射極跟隨器面包板電路

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測量的兩個信號的多個周期,。產(chǎn)生的波形如圖6所示。

　　圖6.改善的發(fā)射極跟隨器波形

　　圖7.電阻和電流源負載的輸入-輸出誤差的Excel圖示例

　　低偏移跟隨器

　　我們此前討論的跟隨器電路具有內(nèi)置偏移–VBE,。接下來使用的電路利用PNP發(fā)射極跟隨器的VBE向上偏移來抵消NPN發(fā)射極跟隨器的VBE向下偏移。

　　材料

　　·一個6.8 kΩ電阻

　　·一個10 kΩ電阻

　　·一個0.01 μF電容

　　·一個小信號PNP晶體管（Q1采用2N3906）

　　·三個小信號NPN晶體管（Q2,、Q3和Q4采用2N3904或SSM2212）

　　說明

　　面包板連接如圖8和圖9所示,。函數(shù)發(fā)生器的輸出連接至PNP晶體管Q1的基極端子。Q1的集電極端子連接至二極管NPN Q3,，這是電流鏡的輸入,。發(fā)射極端子連接至電阻R1和NPN晶體管Q2的基極端子。示波器輸入2+連接至Q2的發(fā)射極和Q4的集電極,。Q3和Q4的發(fā)射集連接至負極（Vn）電源,。為了實現(xiàn)最佳晶體管匹配，Q3和Q4使用SSM2212 NPN匹配對,。

　　圖8.低偏移跟隨器

　　硬件設(shè)置

　　波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波,，峰峰值幅度為4 V，偏移為0,。示波器輸入通道2設(shè)置為500 mV/div,。

　　圖9.低偏移跟隨器面包板電路

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測量的兩個信號的多個周期。產(chǎn)生的波形如圖10所示,。

　　圖10.低偏移跟隨器波形

　　在簡單的發(fā)射極跟隨器驅(qū)動容性負載時,，會產(chǎn)生一個問題。由于發(fā)射極電流僅受β乘以基極電流的限制,，該倍數(shù)由驅(qū)動基極的信號源提供,，因此輸出的上升時間相對較快,。下降時間可能慢的多，會受發(fā)射集電阻或電流源限制,。

　　平衡壓擺率跟隨器

　　材料

　　·兩個2.2 kΩ電阻

　　·一個10 kΩ電阻

　　·一個0.01 μF電容

　　·三個小信號PNP晶體管（Q2,、Q3和Q4采用2N3906或SSM2220）

　　·三個小信號NPN晶體管（Q1、Q5和Q6采用2N3904或SSM2212）

　　說明

　　圖11所示的電路在負載電流變化時,，使用反饋來調(diào)節(jié)發(fā)射極跟隨器中的電流,。拉動負極輸出的電流可以達到N（NPN鏡的增益）乘以PNP Q3的電流。為了實現(xiàn)最佳晶體管匹配,，Q3和Q4使用SSM2220 PNP匹配對,，Q5和Q6使用SSM2212 NPN匹配對（NPN電流鏡增益為1）。添加第二個SSM2212,，與Q5并聯(lián)（以提高電流鏡的增益）,。

　　圖11.平衡壓擺率跟隨器

　　硬件設(shè)置

　　波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為4 V,，偏移為0,。示波器輸入通道2設(shè)置為1 V/div。

　　圖12.平衡壓擺率跟隨器面包板電路

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測量的兩個信號的多個周期,。產(chǎn)生的波形如圖13所示,。

　　圖13.平衡壓擺率跟隨器波形

　　改善發(fā)射極跟隨器的另一種方法是通過負反饋來降低有效re?？梢酝ㄟ^增加第二個晶體管,，通過增大開環(huán)增益來增大負反饋因子，以此降低re,。單個晶體管被一個反饋對取代,，后者向第一個晶體管的發(fā)射集提供100%電壓反饋。這個反饋對通常被稱為互補反饋對,。R2的值決定著能否實現(xiàn)出色的線性度,，這是因為它決定了晶體管Q1的IC，也決定了其集電極的負載,。

　　互補反饋對發(fā)射極跟隨器

　　材料

　　·一個2.2 kΩ電阻

　　·一個10 kΩ電阻

　　·一個小信號NPN晶體管（Q1采用2N3904）

　　·一個小信號PNP晶體管（Q2采用2N3906）

　　說明

　　面包板連接如圖14和圖15所示,。

　　圖14.互補反饋對發(fā)射極跟隨器。

　　硬件設(shè)置

　　波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波,，峰峰值幅度為2 V,，偏移為0。示波器輸入通道2設(shè)置為1 V/div,。

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測量的兩個信號的多個周期,。產(chǎn)生的波形如圖16所示。

　　問題：

　　您可以給出發(fā)射極跟隨器電路的三個特性嗎,？

　　您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案,。

作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI),，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來,，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品,，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員,。2009年,，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問,，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿,。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師,。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師,，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab?,、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件,。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生,，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位,。