【導(dǎo)讀】理論上，N型N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)電流鏡的工作原理與我們在2020年8月份學(xué)生專區(qū)文章中分析的雙極性結(jié)型晶體管(BJT)電流鏡相同。兩個(gè)具有相同柵源電壓(VGS)的相同晶體管將有相同的漏極電流ID。第二晶體管M2中的電流實(shí)際上是第一晶體管M1中電流的鏡像。
本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是研究增強(qiáng)模式NMOS晶體管用作電流鏡的工作原理。
背景
理論上，N型N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)電流鏡的工作原理與我們在2020年8月份學(xué)生專區(qū)文章中分析的雙極性結(jié)型晶體管(BJT)電流鏡相同。兩個(gè)具有相同柵源電壓(VGS)的相同晶體管將有相同的漏極電流ID。第二晶體管M2中的電流實(shí)際上是第一晶體管M1中電流的鏡像。記住MOS晶體管的漏極電流與柵源電壓具有如下關(guān)系：
其中，K = μnCox/2，λ可以認(rèn)為是與工藝技術(shù)相關(guān)的常數(shù)。
根據(jù)定義，相同晶體管具有相同的W/L和工藝技術(shù)常數(shù)。在簡單電流鏡中，兩個(gè)晶體管具有相同的VGS。因此，兩個(gè)晶體管將有相同的ID。由于沒有電流流入，F(xiàn)ET的柵極端子IIN = IOUT。
材料
● ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
● 無焊面包板
● 跳線
● 兩個(gè)1 kΩ電阻（阻值盡可能接近或者測量到三位數(shù)字或更高精度）
● 兩個(gè)小信號NMOS晶體管（ZVN2110A或CD4007 NMOS陣列）
● 一個(gè)雙通道運(yùn)算放大器，例如 ADTL082
● 兩個(gè)4.7 μF解耦電容
說明
一種測量電流鏡特性的好辦法如圖1所示。輸入電阻R1和輸出電阻R2現(xiàn)在都是1 kΩ。務(wù)必精確測量R1和R2的實(shí)際值，以確保電流鏡的輸入和輸出電流測量結(jié)果是精確的。IIN等于W1處的W2輸出電壓除以R1的值。IOUT等于示波器通道2測量的電壓除以R2的值。二極管連接的M1跨接在M2的柵極和源極端子上。
在電流鏡配置中，運(yùn)算放大器作為電流鏡輸入節(jié)點(diǎn)的虛擬地，將來自W2的電壓階躍轉(zhuǎn)換為通過1 kΩ電阻的電流階躍。
圖1.NMOS電流鏡測試電路。
圖2.簡化測試配置。
硬件設(shè)置
加載適用于信號發(fā)生器的W2通道的 stairstep.csv 文件，將幅度設(shè)置為3 V p-p，偏置設(shè)置為1.5 V。輸出器件M2的VDS由示波器輸入1+和示波器輸入1-進(jìn)行差分測量。電流鏡輸出電流由1 kΩ電阻R2兩端的示波器輸入2+和示波器輸入2-測量。漏極電壓使用來自AWG 1（輸出W1）、頻率為40 Hz的三角波形進(jìn)行掃描。如果您要使用運(yùn)算放大器設(shè)置，請確保該器件已正確連接至電源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。
圖3.NMOS電流鏡測試電路面包板連接。
圖4.簡化測試配置面包板連接。
步驟
配置示波器以捕獲多個(gè)周期的輸入信號和輸出信號。如果您要使用運(yùn)算放大器配置，確保已開啟電源。
使用Scopy工具提供的示波器或通過LTspice®仿真繪制這兩個(gè)波形。示例如圖5和圖6所示。
圖5.Scopy繪圖中的電流鏡波形，W2為10 kHz頻率。
現(xiàn)在，將W1的頻率更改為200 Hz，然后繪制兩個(gè)波形。對相同電路使用LTspice仿真的示例如圖6所示。
圖6.LTspice繪圖中的電流鏡波形，W1為200 Hz，W2為40 Hz。
在本實(shí)驗(yàn)中，我們通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析了采用NMOS晶體管的電流鏡，展示了 ADALM2000 和Scopy應(yīng)用程序在構(gòu)建真實(shí)電路時(shí)的使用。
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