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

●  無焊麵包板

●  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所示配置展現了用作共源極放大器的NMOS晶體管。選擇適當的輸出負載電阻RL，用於產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。通過可調電阻R_POT來設置晶體管(V_GS) 的標稱偏置工作點，進而設置所需的IC。選擇適當的分壓器R1/R2，以便通過波形發生器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。考慮到在晶體管V_GS的柵極上會出現非常小的信號，這樣做更容易查看波形發生器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，以免幹擾直流偏置條件。

 

圖1.共源極放大器測試配置。

 

硬件設置

 

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

 

圖2.NMOS二極管麵包板電路。

 

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和所謂的柵極過驅動電壓V_GS-V_th的函數
，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。現在，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(gong)源(yuan)極(ji)放(fang)大(da)器(qi)為(wei)放(fang)大(da)器(qi)提(ti)供(gong)反(fan)相(xiang)輸(shu)出(chu)，具(ju)有(you)極(ji)高(gao)增(zeng)益(yi)，而(er)且(qie)各(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)異(yi)很(hen)大(da)。增(zeng)益(yi)與(yu)溫(wen)度(du)和(he)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)，所(suo)以(yi)實(shi)際(ji)增(zeng)益(yi)有(you)時(shi)無(wu)法(fa)預(yu)測(ce)。由(you)於(yu)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)意(yi)外(wai)的(de)正(zheng)反(fan)饋(kui)，因(yin)此(ci)穩(wen)定(ding)性(xing)是(shi)與(yu)此(ci)類(lei)高(gao)增(zeng)益(yi)電(dian)路(lu)相(xiang)關(guan)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)。此(ci)外(wai)小(xiao)信(xin)號(hao)限(xian)值(zhi)帶(dai)來(lai)的(de)低(di)輸(shu)入(ru)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)
；ruguochaoguocixianzhi，jiuhuichuxianyanzhongshizhen，jingtiguanyebuhuixiangqixiaoxinhaomoxingnayanggongzuo。ruguotianjiafufankui，jiuhuijianshaocileiwenti，congertigaoxingneng。zaizhezhongjiandandefangdaqijizhongtianjiafankuiyouduozhongfangfa，zuijiandanyezuikekaodefangshishizaiyuandianlu(R_S)中添加一個小值電阻。這也稱為串聯反饋。反饋量取決於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，並插入R_S, a 5 kΩ（5 kΩ電位計）
，如圖4所示。調整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 電位計的值來調整。

 

圖4.添加源極負反饋。

 

硬件設置

 

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

 

圖5.添加了源極負反饋的麵包板連接。

 

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定性，但降低了放大器增益。可通過在負反饋電阻R_S上並聯電容C2，在一定程度上恢複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。

 

硬件設置

 

波形發生器W1配置為1 kHz正弦波

，峰峰值幅度為3 V
，偏移為0 V。並將其連接示波器通道1+上，以顯示發生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用於交替測量M1柵極和漏極的波形。

 

圖8.添加了C2的麵包板連接。

 

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於穩定直流工作點

？

●  對於源極負反饋電路設置，增加R_S對電壓增益A有何影響？

 

 

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