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增强模式NMOS晶体管用作电流镜

发布时间:2020-11-23 来源:Antoniu Miclaus 和 Doug Mercer 责任编辑:wenwei

【导读】理论上,N型N型金属氧化物半导体(NMOS)电流镜的工作原理与我们在2020年8月份学生专区文章中分析的双极性结型晶体管(BJT)电流镜相同。两个具有相同栅源电压(VGS)的相同晶体管将有相同的漏极电流ID。第二晶体管M2中的电流实际上是第一晶体管M1中电流的镜像。
 
本实验的目标是研究增强模式NMOS晶体管用作电流镜的工作原理。
 
背景
 
理论上,N型N型金属氧化物半导体(NMOS)电流镜的工作原理与我们在2020年8月份学生专区文章中分析的双极性结型晶体管(BJT)电流镜相同。两个具有相同栅源电压(VGS)的相同晶体管将有相同的漏极电流ID。第二晶体管M2中的电流实际上是第一晶体管M1中电流的镜像。记住MOS晶体管的漏极电流与栅源电压具有如下关系:
 
 
增强模式NMOS晶体管用作电流镜
 
其中,K = μnCox/2,λ可以认为是与工艺技术相关的常数。
 
根据定义,相同晶体管具有相同的W/L和工艺技术常数。在简单电流镜中,两个晶体管具有相同的VGS。因此,两个晶体管将有相同的ID。由于没有电流流入,FET的栅极端子IIN = IOUT
 
材料
 
●    ADALM2000 主动学习模块
●    无焊面包板
●    跳线
●    两个1 kΩ电阻(阻值尽可能接近或者测量到三位数字或更高精度)
●    两个小信号NMOS晶体管(ZVN2110A或CD4007 NMOS阵列)
●    一个双通道运算放大器,例如 ADTL082
●    两个4.7 μF解耦电容
 
说明
 
一种测量电流镜特性的好办法如图1所示。输入电阻R1和输出电阻R2现在都是1 kΩ。务必精确测量R1和R2的实际值,以确保电流镜的输入和输出电流测量结果是精确的。IIN等于W1处的W2输出电压除以R1的值。IOUT等于示波器通道2测量的电压除以R2的值。二极管连接的M1跨接在M2的栅极和源极端子上。
 
在电流镜配置中,运算放大器作为电流镜输入节点的虚拟地,将来自W2的电压阶跃转换为通过1 kΩ电阻的电流阶跃。
 
增强模式NMOS晶体管用作电流镜
图1.NMOS电流镜测试电路。
 
增强模式NMOS晶体管用作电流镜
图2.简化测试配置。
 
硬件设置
 
加载适用于信号发生器的W2通道的 stairstep.csv 文件,将幅度设置为3 V p-p,偏置设置为1.5 V。输出器件M2的VDS由示波器输入1+和示波器输入1-进行差分测量。电流镜输出电流由1 kΩ电阻R2两端的示波器输入2+和示波器输入2-测量。漏极电压使用来自AWG 1(输出W1)、频率为40 Hz的三角波形进行扫描。如果您要使用运算放大器设置,请确保该器件已正确连接至电源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。
 
增强模式NMOS晶体管用作电流镜
图3.NMOS电流镜测试电路面包板连接。
 
增强模式NMOS晶体管用作电流镜
图4.简化测试配置面包板连接。
 
步骤
 
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。如果您要使用运算放大器配置,确保已开启电源。
 
使用Scopy工具提供的示波器或通过LTspice®仿真绘制这两个波形。示例如图5和图6所示。
 
增强模式NMOS晶体管用作电流镜
图5.Scopy绘图中的电流镜波形,W2为10 kHz频率。
 
现在,将W1的频率更改为200 Hz,然后绘制两个波形。对相同电路使用LTspice仿真的示例如图6所示。
 
增强模式NMOS晶体管用作电流镜
图6.LTspice绘图中的电流镜波形,W1为200 Hz,W2为40 Hz。
 
在本实验中,我们通过实验和仿真分析了采用NMOS晶体管的电流镜,展示了 ADALM2000 和Scopy应用程序在构建真实电路时的使用。
 
 
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