实验四场效应管放大电路

1实验四场效应管放大电路1．实验目的（1）研究场效应晶体管放大电路的特点。（2）比较场效应管放大电路与双极型晶体管放大电路的不同。（3）掌握场效应管放大电路性能指标的测试方法。2．实验涉及的理论知识和实验知识本实验涉及了场效应管的原理与应用。3．实验仪器直流稳压电源、万用表、信号发生器和示波器4．实验电路如图4.1.1所示为实验参考电路，它由一级场效应管和一级三极管放大电路组成。5．实验原理场效应管是一种电压控制型的半导体器件。按其结构和工作原理不同，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管。它不仅像双极型晶体管一样具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点。而且与双极型晶体管相比，它的输入阻抗很高，可达109～1012Ω，热稳定性好，抗辐射能力强。它的最大优点是占用硅片面积小，制作工艺简单，成本低，很容易在硅片上大规模集成。因此在大规模集成电路中占有极其重要的地位。与三极管放大电路一样，为了使电路正常放大，必须设置合适的静态工作点，以保证在信号整个周期内，场效应管均工作在恒流区。（1）结型场效应管的特性和参数图4.1.2为N沟道结型场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线。在转移特性曲线中，当UGS=0时的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS。当UGS变化到使ID≈0时，相应的UGS称为夹断电压UP。转移特性曲线的斜率称为跨导gm，显然gm的值与场效应管的工作点有关。输出特性曲线分为四个区。它们分别是可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。ui+－+－Rg1C1RWT2RgCsRdRg2RsRLC2C4RcRbRe1Re2Ce++C3T10.1μF200kΩ5.1kΩ1MΩ47kΩ10μF3kΩ10μF10μF100μF10μF100Ω500Ω470KΩ100kΩ2kΩ+15V+15V图4.1.1场效应管放大电路UDDG'uo90132SK2462ID/mAUDS/V恒流区（放大区）击穿区UGS=0图4.1.2N沟道结型场效应管的输出特性和转移特性曲线可变电阻区予夹断点轨迹UGS=-1VUGS=-2VUGS=-3VUGS=-4V夹断区0IDSSUGS/VUP1）可变电阻区图4.1.2中的予夹断轨迹是各条曲线上，使UDS=UGS-UP，即UGD=UP的点连接而成的。UGS越大，予夹断时的UDS值也越大。予夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，该区域中的曲线近似为不同斜率的直线。当UGS确定时，直线的斜率也唯一地被确定，该斜率的倒数即为漏源间的等效电阻。因此，在该区域中，通过改变UGS的大小，可以改变漏源间的电阻阻值。所以把这个区域称为可变电阻区。2）恒流区图4.1.2中的予夹断轨迹的右边区域为恒流区。当UDSUGS-UP，即UGDUP时，各曲线近似为一组横轴的平行线。漏极电流ID基本不随UDS而变，故称此区域为恒流区。在恒流区内，虽然ID不随UDS而变化，但是，对应于不同的UGS，漏极电流的恒值不同。也就是说，UGS对漏极电流有控制作用，所以又称为“放大区”。场效应管作为放大器使用时，一般工作在此区域内。3）夹断区当UGSUP时，导电沟道被夹断，ID≈0，即图4.1.2中靠近横轴的部分，称为夹断区。4）击穿区当UDS增加到某一临界值时，漏极电流ID开始迅速增大而出现击穿现象。这是由于UDS过高而使漏区与衬底之间的PN结产生雪崩击穿而致。（2）场效应管放大电路实验电路采用由N沟道结型场效应管2SK246以及若干电阻、电容组成的共源放大电路，如图4.1.1所示。下面以此电路为例进行研究。2SK246是N沟道结型场效应管，其管脚排列和符号如图4.1.3所示。N沟道结型场效应管2SK246是电路的核心，为使它工作在恒流区，通过Rg1和Rg2对电源UDD分压来设置偏压UG，所以称此电路为分压式偏置电路。UG应大于UP；在输出回路加漏极电源UDD，一方面使漏源电压大于予夹断电压，以保证管子工作在恒流区，另一方面作为电路的能源。Rd的作用是将漏极电流ID的变化转换成电压UDS的变化，从而实现电压放大。1）静态分析由于栅极电流为0，所以电阻Rg上的电流为0，栅极电位3g2GQDDg1g2RUURR源极电位USQ=IDQRS因此g2GSQGQSQDDDQsg1g2RUUUUIRRRUDSQ=UDD-IDQ（Rd+Rs）2）动态分析共源极放大电路微变等效电路如图4.1.4所示。场效应管放大电路的动态分析同双极性三极管，也是求电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro。Rg1gmugsRdRLRg2RgGDuiugsuoSId图4.1.4共源极放大电路微变等效电路+－+－①①电压放大倍数根据电压放大倍数的定义ouiuAu由等效电路可得'omgsLuguR再找出uo和ui的关系，即ugs和ui的关系，从等效电路可得ui=ugs所以'u1mLAgR②输入电阻Ri=Rg+Rg1∥Rg24③输出电阻Ro=RD（3）场效应管放大电路的测试对于场效应管放大电路静态工作点、电压放大倍数和输出电阻的测量方法与单级放大电路的相应测量方法一样。不同的是由于场效应管的输入电阻Ri比三极管的输入电阻高很多，与示波器的输入电阻同属于一个数量级，因此不能在输入端直接测量，否则会带来较大的测量误差。对于这种输入阻抗很高的放大电路，通常采用输出换算法来测量场效应管放大电路的输入阻抗。测量电路如图4.1.5所示。uS+－图4.1.5输出换算法测量高Ri原理图RsRiRuo+－放大电路S1Ro+-uO在放大器输入端和信号发生器之间，串接一个与Ri数值相当电阻R。这时，由于R的接入会引起放大电路输出电压uo的变化，在开关S闭合、断开情况下，用示波器测得输出电压分别是uo1和uo2。将测量值带入下面公式可计算Ri。o2io1o2uRRuu（4）场效应管与三极管的性能比较1）场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2）场效应管是电压控制电流器件，由uGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差。三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。3）场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4）场效应管只有多子参与导电，三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。5）场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，β值将减小很多。6）场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。57）场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。6．实验内容场效应管放大电路的参考实验电路如图4.1.1所示。1）测量并调试放大器的静态工作点调整静态工作点，使其处在特性曲线放大区的中间位置，用示波器测量UG'、UD和US，并计算ID、UGS和UDS。2）测量放大器的性能指标①测量放大电路的电压放大倍数、输出电阻在放大电路的输入端接入一个频率为f=1kHz的正弦波，用示波器监测放大电路输出电压的波形，在波形没有出现失真的情况下，分别在RL=15kΩ和输出开路情况下，测量放大器输入电压ui、输出电压uo和uL，计算放大器增益Au和Ro。②测量放大电路输入电阻用输出换算法来改接实验电路输入端，加入幅度合适、频率为1kHz的正弦信号，在保证波形不失真的情况下，将开关S依次闭合、断开，用示波器测得输出电压分别是uo1和uo2。将测量值带入下面公式可计算Ri。o2io1o2uRRuu③测量电路的最大不失真输出电压Uomax。4）场效应管与晶体管组合放大电路①调整三极管放大电路静态工作点。②两级放大电路级联，场效应管放大电路为第一级，三极管放大电路为第二级，测量第一级电压放大倍数Au1、第二级电压放大倍数Au2和总电压放大倍数Au。③两级放大电路级联，三极管放大电路为第一级，场效应管放大电路为第二级，测量第一级电压放大倍数Au1、第二级电压放大倍数Au2和总电压放大倍数Au。7．实验报告要求（1）整理测试数据，并对数据进行相应处理；（2）通过对数据的总结，对场效应管工作在不同情况下的特点进行分析，进一步掌握场效应管的相应特点。（3）总结场效应管与晶体管组合放大电路的特点。[思考题]1．场效应管放大电路和双极型管放大电路性能有何差别？2．场效应管放大电路输入回路的电容C1为什么可以选用0.1μF，而三极管放大电路中的输入耦合电容为什么不能选如此小的电容？63．测量场效应管静态工作电压UGS时，能否直接用电压表跨接栅、源极进行测量，为什么？4．在两级放大电路实验中，电路参数未变，前后级对调后总的电压放大倍数是否一样，为什么？5．测量场效应管放大电路输入电阻时，应该用输入换算法、还是输出换算法，为什么？