實(shí)驗(yàn)2 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路設(shè)計(jì)

3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路設(shè)計(jì)3.2.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握?qǐng)鲂?yīng)管的特性和參數(shù)的測(cè)試方法。2．掌握?qǐng)鲂?yīng)管放大器性能的調(diào)測(cè)方法。3.2.2、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)方法1.場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是一種電壓控制電流器件。其特點(diǎn)是輸入電阻高，噪聲系數(shù)低，受溫度和輻射影響小。因而特別使用于高靈敏度、低噪聲電路中。場(chǎng)效應(yīng)管的種類(lèi)很多，按結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管又分為N溝道和P溝道兩種。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管主要指金屬一氧化物—半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管。MOS管又分為“耗盡型”和“增強(qiáng)型”兩種，而每一種又分為N溝道和P溝道。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是利用導(dǎo)電溝道之間耗盡區(qū)的寬窄來(lái)控制電流的，輸入電阻（105---1015）之間；絕緣柵型是利感應(yīng)電荷的多少來(lái)控制導(dǎo)點(diǎn)溝道的寬窄從而控制電流的大小其輸入阻抗很高(其柵極與其他電極互相絕緣)，以及它在硅片上的集成度高，因此在大規(guī)模集成電路中占有極其重要的地位。2.場(chǎng)效應(yīng)管的特性下面以N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管為例進(jìn)行說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)管的特性.圖3.2.1為N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線。輸出特性曲線分為三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。(1)可變電阻區(qū)當(dāng)UGs>Ut時(shí)，溝道形成；在UDS=0時(shí)，溝道內(nèi)橫向電場(chǎng)等于零，所以ID=0；當(dāng)UDSd大于~0時(shí)，溝道內(nèi)的電子在橫向電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生漏極電流ID。但當(dāng)UDS較小時(shí)，由于UDS的變化對(duì)溝道大小影響不大，溝道電阻基本為一常數(shù)，ID基本隨UGS作線性變化。當(dāng)UGs恒定時(shí)，溝道導(dǎo)通電阻近似為一常數(shù)，從此意義上說(shuō)，該區(qū)域?yàn)楹愣娮鑵^(qū)，當(dāng)Ucs變化時(shí)，溝道導(dǎo)通電阻的值將隨UGS變化而變化，因此該區(qū)域又可稱為可變電阻區(qū)。利用這一特點(diǎn)，可用場(chǎng)效應(yīng)管作為可變電阻器。(2)恒流區(qū)當(dāng)UGs恒定，在未飽和時(shí)，增加UDs，使漏極電流ID增加，當(dāng)加大到使靠近漏極端的柵漏電壓等于開(kāi)啟電壓，，漏極電流達(dá)到最大值，漏極端的導(dǎo)電溝道將開(kāi)始消失(稱為預(yù)夾斷)，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管剛好飽和；若繼續(xù)增加UDS，即UDs>UT，會(huì)使漏極端導(dǎo)電溝道被夾斷而出現(xiàn)耗盡層，并隨著UDS的增加，夾斷點(diǎn)向源極移動(dòng)。由于耗盡層的電阻率遠(yuǎn)大于溝道的電阻率，因此當(dāng)漏極端出現(xiàn)耗盡層后，所增加的UDS幾乎全部降在耗盡層兩端，而加在溝道兩端的電壓幾乎不變，從而使漏極電流ID基本不隨UDs而變。在輸出特性曲線上，將不同值時(shí)的預(yù)夾斷點(diǎn)連起來(lái)，即是圖3.2.1中左側(cè)的虛線。虛線右面即為恒流區(qū)(或稱為飽和區(qū))。場(chǎng)效應(yīng)管作為放大器使用時(shí)，一般工作在此區(qū)域內(nèi)。(3)擊穿區(qū)當(dāng)UDs增加到某一臨界值時(shí)，ID開(kāi)始迅速增大,曲線上翹,場(chǎng)效應(yīng)管不工作,甚至燒毀，場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)要避免進(jìn)入此區(qū)間.3.場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)衡量場(chǎng)效應(yīng)管控制能力的重要參數(shù)指標(biāo)是跨導(dǎo)。即其大小表征在工作點(diǎn)Q處柵源交流電壓UGS對(duì)漏極交流電流的控制作用，其典型直為lms一10ms。表征場(chǎng)效應(yīng)管器件輸出電流減小到接近于零時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓，它是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù)；表征場(chǎng)效應(yīng)管器件開(kāi)始有輸出電流時(shí)的柵源壓¨，它是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù)。4．場(chǎng)效應(yīng)管的判別與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)電極，即源極、柵極和漏極，可以用萬(wàn)用表測(cè)量電阻的方法，把柵極找出，而源極和漏極一般可對(duì)調(diào)使用，所以不必區(qū)分。測(cè)的依據(jù)是，源極和漏極之間為一個(gè)半導(dǎo)體材料電阻，用萬(wàn)用表測(cè)量電阻的R×1kQ量程擋，分別測(cè)量源極對(duì)漏極、漏極對(duì)源極的電阻值，它們應(yīng)該相等。也可以根據(jù)柵極相對(duì)于源極和漏極都應(yīng)為PN結(jié)，用測(cè)量二極管的辦法，把柵極找出。一般PN結(jié)的正向電阻為5kQ～10kn，反向電阻近似為無(wú)窮大。若黑表筆接?xùn)艠O、紅表筆分別接源極和漏極，測(cè)得PN結(jié)正向電阻較小時(shí)，則場(chǎng)效應(yīng)管為N溝道型。場(chǎng)效應(yīng)管的種類(lèi)和系列品種比較多，但它們的電路測(cè)試原理和測(cè)量方法基本相同。在測(cè)量和存放絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，由于其輸入電阻非常高，管內(nèi)不存在保護(hù)性元件，一般將它的三只管腳短路，以免靜電感應(yīng)而擊穿其絕緣層，待測(cè)試電路與其可靠連接后，再把短路線拆除，然后進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試操作過(guò)程應(yīng)十分細(xì)心周密，稍有不慎，造成柵極懸空，很可能損壞晶體管。5．場(chǎng)效應(yīng)管的正確使用場(chǎng)效應(yīng)管主要用于前置電壓放大、阻抗變換電路、振蕩電路、高速開(kāi)關(guān)電路等方面。不同類(lèi)型的場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電壓極性要求是不一樣的，表3.2.1列出了各類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管的偏置極性要求。圖3.2.1場(chǎng)效應(yīng)管的偏置極性要求類(lèi)型DS極性GS極性N溝道耗盡型N溝道增強(qiáng)型P溝道耗盡型P溝道增強(qiáng)型結(jié)型++--+-++--結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的源、漏極可互換使用。在焊接管子時(shí)，一般使用25W以下的內(nèi)熱式電烙鐵，并有良好的接地措施，或在焊接時(shí)切斷電烙鐵電源。6．場(chǎng)效應(yīng)管的基本應(yīng)用共源極放大器圖3.2.3為場(chǎng)效應(yīng)管共源極放大器實(shí)驗(yàn)電路圖。該電路采用的自給偏壓的方式為放大器建立靜態(tài)工作點(diǎn)，柵極通過(guò)R1接地，因R1中無(wú)電流流過(guò)，所以柵極與地等電位。即VG=0，所以：VGS=VG-VS=-IS·RS=-ID·RS場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的放大倍數(shù)為式中，gm為場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)（即類(lèi)同于三極管的β），它的單位為毫西（mS），因場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)比較小，要提高Av，只有增大RD和RL，但RD和RL的增大，相應(yīng)地漏極電源電壓必須提高。．場(chǎng)效應(yīng)管放大電路電壓放大倍數(shù)AV的測(cè)試（1）輸入端輸入正弦信號(hào)（f=1KHZ，V1=25mV），用示波器觀察輸入電壓波形，如果輸出波形出現(xiàn)雙向切頂失真，可以減小輸入電壓幅值；如輸出波形單峰切頂失真，可增大或減小RS使輸出波形不失真。則（2）去掉輸入信號(hào)，串入電流表（可用萬(wàn)用表）測(cè)出靜態(tài)工作點(diǎn)IDQ和VDSQ值。（3）將源極自偏壓電阻RS改換成另一阻值（如680Ω或200Ω），得測(cè)IDQ、VDSQ，Vi，V0，并將兩次結(jié)果進(jìn)行比較。5．場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的輸出電阻R0和輸入電阻Ri的測(cè)試（半電壓測(cè)試法）3.2.3實(shí)驗(yàn)要求1．基本要求1]測(cè)量結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻在可變電阻區(qū)內(nèi)，ID與VDs的關(guān)系近似于線性關(guān)系，，ID增加的比率受UGS控制。因此，可以把場(chǎng)效應(yīng)管的D、s之間看成一個(gè)受UGS控制的電阻。測(cè)量rDs電路如圖7—4—3所示。圖中，ID=V1/RDrDs=V2/ID=V2/V1RD．(1)按圖7—4—3接線。其中，Vi為10mV一100mV,f=1000Hz的正弦波信號(hào)。(2)令VGS=0，調(diào)節(jié)Vi使v2在0mV一100mV范圍內(nèi)變化，讀出V1和v2的值，計(jì)算rDs值并填入表.(3)分別將ugs調(diào)至VP-5,2VP-5，3VP-5.4VP-5，重復(fù)以上幾步(4)以測(cè)得的UDs為X軸，ID為Y軸，畫(huà)出MOSFET柵極一漏極連接的電阻特性曲線。2）．設(shè)計(jì)一個(gè)AV=10的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路。已知輸入信號(hào)有效值Vi=150mv，Rl=20kQ，選3D01D型場(chǎng)效應(yīng)管，其參數(shù)為2擴(kuò)展要求場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器電路設(shè)計(jì).AV=1Ri=2m。R0flfh3.2.4、實(shí)驗(yàn)儀器1．直流穩(wěn)壓電源l臺(tái)2．函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)3．雙蹤示波器VP—M5220A—1型1臺(tái)4．晶體管毫伏表1臺(tái)5．萬(wàn)用表500型1只3.2.5、預(yù)習(xí)要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告1．復(fù)習(xí)場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成及特點(diǎn)。2．復(fù)習(xí)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的工作原理。4．比較場(chǎng)效應(yīng)管放大器與晶體管放大器的特點(diǎn)。5．通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的放大倍數(shù)Av、輸入電阻