電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程實(shí)驗(yàn)五

實(shí)驗(yàn)五：場(chǎng)效應(yīng)管放大器系別：姓名:學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路設(shè)計(jì)和調(diào)試方法；掌握?qǐng)鲂?yīng)管基本放大電路的設(shè)計(jì)及調(diào)整、測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)儀器示波器 1臺(tái)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 1臺(tái)直流穩(wěn)壓電源 1臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用表 1臺(tái)多功能電路實(shí)驗(yàn)箱 1臺(tái)交流毫伏表 1臺(tái)實(shí)驗(yàn)原理場(chǎng)效應(yīng)管的主要特點(diǎn)： 場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，由于它的輸入阻抗極高（一般可達(dá)上百兆、甚至幾千兆），動(dòng)態(tài)范圍大，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成。因此，場(chǎng)效應(yīng)管的使用越來(lái)越廣泛。 場(chǎng)效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)可分為MOS型和結(jié)型，按溝道分為N溝道和P溝道器件，按零柵壓源、漏通斷狀態(tài)分為增強(qiáng)型和耗盡型器件，可根據(jù)需要選用。那么，場(chǎng)效應(yīng)管由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)源漏極可以互換，為了防止柵極感應(yīng)電壓擊穿要求一切測(cè)試儀器，都要有良好接地。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性： ⑴轉(zhuǎn)移特性（控制特性）：反映了管子工作在飽和區(qū)時(shí)柵極電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。當(dāng)滿足|VDS|〉|VGS|－|VP|時(shí)，ID對(duì)于VGS的關(guān)系曲線即為轉(zhuǎn)移特性曲線。如圖1所示。由圖可知。當(dāng)VGS=0時(shí)的漏極電流即為漏極飽和電流IDSS，也稱(chēng)為零柵漏電流。使ID=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵極電壓，稱(chēng)為夾斷電壓VGS=VGS(TH)。 ⑵轉(zhuǎn)移特性可用如下近似公式表示：ID=IDSS(1-VGS/VGS(TH))2(當(dāng)0≥VGS≥VP)這樣，只要IDSS和VGS(TH)確定，就可以把轉(zhuǎn)移特性上的其他點(diǎn)估算出來(lái)。轉(zhuǎn)移特性的斜率為：gm=ΔID/ΔVGS|VDS=常數(shù)它反映了VGS對(duì)ID的控制能力，是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大作用的重要參數(shù)，稱(chēng)為跨異。一般為0.1~5ms（mA/V）。它可以由式1求得：gm=-2IDSS/VGS(TH)×﹙1-VGS/VGS(TH))輸出特性（漏極特性）反映了漏源電壓VDS對(duì)漏極電流IC的控制作用。圖2為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的典型漏極特性曲線。 由圖可見(jiàn)，曲線分為三個(gè)區(qū)域，即Ⅰ區(qū)（可變電阻區(qū)），Ⅱ區(qū)（飽和區(qū)），Ⅲ區(qū)（截止區(qū)）。飽和區(qū)的特點(diǎn)是VDS增加時(shí)ID不變（恒流），而VGS變化時(shí)，ID隨之變化（受控），管子相當(dāng)于一個(gè)受控恒流源。在實(shí)際曲線中，對(duì)于確定的VGS的增加，ID有很小的增加。ID對(duì)VDS的依賴(lài)程度，可以用動(dòng)態(tài)電阻rDS表示為：rDS=ΔVDS/ΔID|VGS=常數(shù)在一般情況下，rDS在幾千歐到幾百歐之間。⑶圖示儀測(cè)試場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線的方法：①連接方法：將場(chǎng)效應(yīng)管G、D、S分別插入圖示儀測(cè)試臺(tái)的B、C、E。②輸出特性測(cè)試：集電極電源為+10v,功耗限制電阻為1kΩ；X軸置集電極電壓1V/度，Y軸置集電極電流0.5mA∕度；與雙極型晶體管測(cè)試不同為階梯信號(hào)，由于場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制器件，故階梯信號(hào)應(yīng)選擇階梯電壓，即：階梯信號(hào)：重復(fù)、極性：一、階梯選擇0.2V∕度，則可測(cè)出場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性，并從特性曲線求出其參數(shù)。③轉(zhuǎn)移特性測(cè)試：在上述測(cè)試的基礎(chǔ)上，將X軸置基極電壓0.2V∕度，則可測(cè)出場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性，并從特性曲線求出其參數(shù)。⑷場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù)測(cè)試電路設(shè)計(jì)：①根據(jù)轉(zhuǎn)移特性可知，當(dāng)VGS=0時(shí)，ID=IDSS，故其測(cè)試電路如圖3所示。②根據(jù)轉(zhuǎn)移特性可知，當(dāng)ID=0時(shí)，VGS=VGS(TH),故其測(cè)試電路如圖4所示。自給偏置場(chǎng)效應(yīng)管放大器： 自給偏置N溝道場(chǎng)效應(yīng)管共源基本放大器如圖5所示，該電路與普通雙極型晶體管放大器的偏置不同，它利用漏極電流ID在源極電阻RS上的壓降IDRs產(chǎn)生柵極偏壓，即：VGSQ=-IDRS由于N溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作在負(fù)壓，故此稱(chēng)為自給偏置，同時(shí)Rs具有穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用。該電路主要參數(shù)為：電壓放大倍數(shù)：AV=Vi=-gmRLˊ式中：RLˊ=RD‖RL‖rDS輸入電阻：Ri≈RG輸出電阻：RO=RD‖rDS恒流源負(fù)載的場(chǎng)效應(yīng)管放大器：由于場(chǎng)效應(yīng)管的gm較小。提高其放大倍數(shù)的一種方法代替，如圖6所示。它利用場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和區(qū)時(shí)，靜態(tài)電阻小、動(dòng)態(tài)電阻較大的特性，在不提高電源電壓的情況下，可獲得較大的放大倍數(shù)。設(shè)計(jì)舉例：試設(shè)計(jì)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管放大器，場(chǎng)效應(yīng)管選用K30A；管腳排列為：要求電源電壓為+12V；負(fù)載為RL為10k；Av≥5、Ri≥500k、Ro≤10k、?L≤50Hz；若要求電壓放大倍數(shù)提高為50，電路如何改變？⑴電路模型選擇：自給偏置場(chǎng)效應(yīng)管放大器；⑵場(chǎng)效應(yīng)管特性參數(shù)測(cè)試：按上述方法測(cè)試（工作點(diǎn)為VDSG=5V、IDG=1mA）；⑶確定RD、RS和RG；RD=(ED-(VDSQ+|VGSQ|))/IDQ=6.5KΩ按E24標(biāo)稱(chēng)系列取RD=6.8kΩRS=|VGSQ|/IDQ=0.5(KΩ)按E24標(biāo)稱(chēng)系列取RS=510Ω按E24標(biāo)稱(chēng)系列取RG=620KΩ，確保Ri＞500kΩ⑷確定C1、C2、CS一般取C1=0.01μF，C2=1μF,CS=47μF⑸設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)算:AV=-gmRL=1.8×6.8∥10≈7.3;Ri≈RG=620K;RO≈RL=10K;⑹根據(jù)上述設(shè)計(jì)，符合設(shè)計(jì)要求。6.場(chǎng)效應(yīng)管放大器參數(shù)測(cè)試方法：⑴靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試：同單極放大器調(diào)試方法；⑵電壓放大倍數(shù)測(cè)量：同單極放大器調(diào)試方法；⑶放大器頻率特性測(cè)量：同單極放大器調(diào)試方法；⑷輸入阻抗測(cè)量：放大器輸入阻抗為從輸入端向放大器看進(jìn)去的等效阻抗，即：Ri=Vi/Ii該電阻為動(dòng)態(tài)電阻，不能用萬(wàn)用表測(cè)量。輸入阻抗Ri測(cè)量裝置圖如圖7所示。測(cè)量途中，R為測(cè)量Ri所串聯(lián)在輸入回路的已知電阻（該電阻可根據(jù)理論計(jì)算Ri選擇，為減小測(cè)量誤差，一般選擇與Ri同數(shù)量級(jí)），其目的是避免測(cè)量輸入電路中電流，而改由測(cè)量電壓進(jìn)行換算，即：上述測(cè)量方法僅適用于放大器輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)量?jī)x器輸入阻抗條件下。然而，場(chǎng)效應(yīng)管放大器輸入阻抗非常大，上述設(shè)計(jì)放大器要求：Ri〉500kΩ，而毫伏表測(cè)量將產(chǎn)生較大的誤差，同時(shí)將引入干擾。故不能用毫伏表測(cè)量Vi。同時(shí)，由于放大器輸出阻抗較小，毫伏表可直接測(cè)量。因而采用測(cè)量輸出電壓換算求Ri。當(dāng)電路不串入R時(shí)，Vi1=Vs，輸出測(cè)量值為：Vo1=Av*Vi1=Av*Vs；當(dāng)電路傳入R時(shí)，Vi2=Ri*Vs/（Ri+R），輸出測(cè)量值為：Vo2=Av*Vi2=Av*Ri*Vs/(Ri+R)由于同一放大電路，其放大倍數(shù)相同，令上述兩式相除進(jìn)行整理可得：Ri=Vo2*R/（Vo1－Vo2）⑸輸出阻抗測(cè)量裝置如圖5所示，在輸入回路不串接R情況下：若輸出回路不并接負(fù)載RL，則輸出測(cè)量值為：Vo∞；若輸出回路并接負(fù)載RL，則輸出測(cè)量值為：VOL；則可按下式求Ro。RO=(VO∞-VOL)/IO=(VO∞-VOL)/(VOL/R)=(VO∞/VOL-1)/RL在上述輸入阻抗、輸入阻抗測(cè)量時(shí)，應(yīng)保證輸出波形不失真。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.電路搭接：根據(jù)重新設(shè)計(jì)電路，在實(shí)驗(yàn)箱上搭接實(shí)驗(yàn)電路，檢查電路連接無(wú)誤后，方可將+12V直流電源接入電路。其中Rs采用實(shí)驗(yàn)箱上的1kΩ電位器。2.靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試測(cè)量：根據(jù)設(shè)計(jì)理論值，通過(guò)調(diào)整電位器Rs，使靜態(tài)工作點(diǎn)基本符合設(shè)計(jì)參數(shù)并填入表3。表3靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)、測(cè)量測(cè)量計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)VDQ(V)VGQ(V)VSQ(V)IDQ(mA)VDS(V)VGS(V)實(shí)際測(cè)量值6.0010.00020.53540.885.4656-0.5352理論設(shè)計(jì)值6.00000.50.885.5-0.53.場(chǎng)效應(yīng)管放大參數(shù)測(cè)試:⑴參照單級(jí)放大器參數(shù)測(cè)試方法，選擇合適的輸入信號(hào)，自擬實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量放大倍數(shù)。⑵參照輸入阻抗測(cè)試方法，選擇合適的串接電阻R，自擬實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量輸入阻抗。⑶參照輸出阻抗測(cè)試方法，選擇合適的負(fù)載RL，自擬實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量輸出阻抗。表4放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻測(cè)量R=0R=620KVi=VsVo∞VOLV01Vi=Ri×Vs÷（Ri+R）V02實(shí)驗(yàn)值0.03551.42990.88060.88130.4256計(jì)算：放大倍數(shù)：Au=VOL/Vi=24.80輸入電阻：Ri=Vo2*R/(Vo1-Vo2)=579.05kΩ輸出電阻：Ro=(Vo∞/Vol—1)Rl=6.24kΩ實(shí)驗(yàn)故障及解決辦法在靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)試時(shí)，換動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量，卻改變電阻阻值，所以一開(kāi)始測(cè)出結(jié)果不對(duì)，之后重新測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，然后不懂電路元件參數(shù)，繼續(xù)測(cè)量動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)才得到正確結(jié)果。在動(dòng)態(tài)電路測(cè)量之中，示數(shù)不準(zhǔn)確，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電容鏈接錯(cuò)誤，電容正負(fù)極接反，導(dǎo)致交流短路，檢查后，重新連接電容，正負(fù)極連接正確后得到測(cè)量讀數(shù)。在動(dòng)態(tài)電路測(cè)量之中，發(fā)現(xiàn)測(cè)得的Vo∞示數(shù)偏大，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)沒(méi)有去除電路中的RL，導(dǎo)致測(cè)得的是Vol的值，檢查后，去除電路中的RL，重新測(cè)量得到正確測(cè)量讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得體會(huì)這次實(shí)驗(yàn)讓我更好的了解了場(chǎng)效應(yīng)管在電路中的使用方法，場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。判斷G極可以將萬(wàn)用表?yè)苤罵×1k檔分別測(cè)量三個(gè)管腳之間的電阻。若發(fā)現(xiàn)某腳與其字兩腳的電阻均呈無(wú)窮大，并且交換表筆后仍為無(wú)窮大，則證明此腳為G極，因?yàn)樗土硗鈨蓚€(gè)管腳是絕緣的。而且了解電容有正負(fù)極，如何正確連接電容。思考題：1.如何進(jìn)行結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的管腳識(shí)別?場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體管的基極，源極和漏極分別對(duì)應(yīng)于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬(wàn)用表置于R×1k檔，用兩表筆分別測(cè)量