场效应管的特性

电工电子实训中心实验一场效应管放大电路的研究一、实验目的二、实验原理与方法三、实验要求五、预习要求与实验报告四、实验仪器六、思考题1．掌握场效应管的特性和参数的测试方法。2．掌握场效应管放大器性能的调测方法。一实验目的二、实验原理与设计方法1.场效应管的分类2.场效应管的特性5.场效应管的基本应用4.场效应管的正确使用3.场效应管的判别与实验测试1.场效应管的分类场效应管（FET）是一种电压控制电流器件。其特点是输入电阻高，噪声系数低，受温度和辐射影响小。因而特别使用于高灵敏度、低噪声电路中。场效应管的种类很多，按结构可分为两大类：结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）.结型场效应管又分为N沟道和P沟道两种。绝缘栅场效应管主要指金属--氧化物--半导体场效应管（MOS管）。MOS管又分为“耗尽型”和“增强型”两种，而每一种又分为N沟道和P沟道。结型场效应管是利用导电沟道之间耗尽区的宽窄来控制电流的，输入电阻（105～1015）之间；绝缘栅型是利用感应电荷的多少来控制导电沟道的宽窄从而控制电流的大小，其输入阻抗很高(栅极与其它电极互相绝缘)。它在硅片上的集成度高，因此在大规模集成电路中占有极其重要的地位。下面以N沟道.结型场效应管为例说明场效应管的特性.图1.1为场效应管的漏极特性曲线。输出特性曲线分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。可变电阻区恒流区（饱和区）击穿区VGSDSVID图1.1结场效管漏极输出曲线2.场效应管的特性（1）可变电阻区：图中VDS很小，曲线靠近左边。它表示管子预夹断前电压.电流关系是：当VDS较小时，由于VDS的变化对沟道大小影响不大，沟道电阻基本为一常数，ID基本随VGS作线性变化。当VGS恒定时，沟道导通电阻近似为一常数，从此意义上说，该区域为恒定电阻区，当VGS变化时，沟道导通电阻的值将随VGS变化而变化，因此该区域又可称为可变电阻区。利用这一特点，可用场效应管作为可变电阻器。可变电阻区恒流区（饱和区）击穿区VGSDSVID（2）恒流区:图中VDS较大,曲线近似水平的部分是恒流区,它表示管子预夹断后电压.电流的关系,即图1.1两条虚线之间即为恒流区(或称为饱和区)该区的特点是ID的大小受VGS可控,当VDS改变时ID几乎不变，场效应管作为放大器使用时，一般工作在此区域内。可变电阻区恒流区（饱和区）击穿区VGSDSVID（3）击穿区：当VDS增加到某一临界值时，ID开始迅速增大,曲线上翘,场效应管不能正常工作,甚至烧毁，场效应管工作时要避免进入此区间.可变电阻区恒流区（饱和区）击穿区VGSDSVID场效应管的特性曲线可以用晶体管图示仪测试，也可以用逐点测量法测试。图1.2是用逐点测量法测试场效应管特性曲线的原理图。场效应管的转移特性曲线是当漏源间电压VDS保持不变，栅源间电压VGS与漏极电流ID的关系曲线，如图1.3所示：-1-2-3-4123ID(mA)VGS(V)0图1.2图1.3VmAVVDDDSG2K10K6VID++10V（4）场效应管特性曲线的测试在上图中，先调节VDD使VDS固定在某个数值上，当栅源电压VGS取不同的电压值时（调节RW），ID也将随之改变，利用测得的数据，便可在VGS～ID直角坐标系上画出如图3.2.3的转移特性曲线。当VDS取不同的数值，便可得到另一条特性曲线。ID=0时的VGS值为场效应管的夹断电压VP,VGS=0时的ID值为场效应管的饱和漏极电流IDSS。VmAVVDDDSG2K10K6VID++10VRW漏极特性曲线是当栅源间电压VGS保持不变时，漏极电流ID与漏源间电压VDS的关系曲线，当VDS取不同的数值时便可测出与之对应的ID值，对于不同的VGS可以测得多条漏极特性曲线。晶体管是电流控制器件，作放大器件用时，发射结必须正偏。场效应管是电压控制器件，N沟道结型场效应管工作时G、S间必须加反向偏置电压。VmAVVDDDSG2K10K6VID++10V结型场效应管有三个电极，即源极S、栅极G和漏极D，可以用数字万用表测量二极管导通电压的方法，先把栅极找出，根据栅极相对于源极和漏极都为PN结，用类似测量二极管的办法，把栅极找出。根据导通时万用表表笔极性和栅、源、漏极连接关系判断沟道类型，若导通时红表笔接公共端栅极，则场效应管为N沟道型。而结型场效应管的源极和漏极一般可对调使用，所以不必区分。测的依据是，源极和漏极之间为一个半导体材料电阻，用万用表置于电阻挡，分别测量源极对漏极、漏极对源极的电阻值，它们应该相等。3.场效应管的判别与实验测试场效应管的种类和系列品种比较多，但它们的电路测试原理和测量方法基本相同。在运输和存放绝缘栅型场效应管时，由于其输入电阻非常高，抗静电能力差，管内不存在保护性元件，一般将它的三只管脚短路保存，以免静电感应而击穿其绝缘层，待测试电路与其可靠连接后，再把短路线拆除，然后进行测量。测试操作过程应十分细心周密，稍有不慎，造成栅极悬空，很可能造成损坏。4.场效应管的使用注意事项1)静态工作点的测试上图为场效应管共源极放大器实验电路图。该电路采用的自给偏压的方式为放大器建立静态工作点，栅极通过R1接地，因R1中无电流流过，所以栅极与地等电位。即VG=0，可用万用表测出静态工作点IDQ和VDSQ值。ViR2M1K100+5K1KDSGVR10KV(12V)DD0RDLsR10.022u10u47u5.场效应管的基本应用:共源极放大器图3-7（1）输入阻抗的测量上图是伏安法测试放大电路的连接图。其在输入回路中串接一取样电阻R，输入信号调整在放大电路用晶体管毫对地的交流电压VS与Vi，这样求得两端的电压为VR=VS－Vi，流过电阻R的电流实际就是放大电路的输入电流Ii。根据输入电阻的定义得放大器RR被测信号发生器示波器晶体管毫伏表LiISRiIRVViiiisisiVVRRVVVVR２）输入输出阻抗的测试2）输出阻抗的测量放大器输出阻抗的大小，说明该放大器带负载的能力。用伏安法测试放大电路的输出阻抗的测试电路如下图所示。放大器输出阻抗的大小，说明该放大器带负载的能力。用伏安法测试放大电路的输出阻抗的测试电路如下图所示。RR晶体管毫伏表信号发生器被测放大器示波器KLV0输入信号的频率仍选择在放大电路的中频段，输入信号的大小仍调整到确保输出信号不失真为条件，因此仍须用示波器监视输出信号的波形。第一步在不接负载RL的情况下，用毫伏表测得输出电压V01。第二步在接上负载RL的情况下，用毫伏表测得输出电压V02。则LOOOLLOOORVVRRRRVV)1(2112前面讲了一般放大器输入阻抗的测量方法，下面以场效应管源极跟随器为例，介绍高输入放大器的输入阻抗的测试方法。类似于源极跟随器这样的高输入阻抗放大器的输入阻抗．往往可以等效成一个输入电阻Zｉ和一个输入电容Ｃｉ的并联形式，因此，必须分辨测出Ｒｉ和Ｃｉ的值才能确定输入阻抗Ｚｉ的值。测量Ｒｉ，由于被测电路的输入阻抗很高，可以和毫伏表的输入阻抗相比拟，若将毫伏表直接接到被测放大电路的输入端，会引起严重的测试误差．为了减少小毫伏表并联接入引起的测量误差，要求毫伏表的输入电阻远大于被测电路的输入电阻，一般要求大于２０倍以上．对于一般的毫伏表来说，是无法满足这样的要求的．但是被测电路是一的源极跟随器．具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，因而，可以不直接测试放大电路的输入电压，而是测其输出电压。3）高输入阻抗Ｚｉ的测试.如图３.３.４所示，电路中串入一个阻值较大的取样电阻R，测试时先将电阻Ｒ短路，测出放大器的输出电压，Ｕ０１＝Ａｕ．Ｕi．再拆除Ｒ的短路线，测出输出电压Ｕ０２，则由于两次测试中Ａｕ和Ｕi都不变，从而可以从上面两方程中求得放大电路的输入电阻为020102URiRUU021RiUAuURiR（1）结型场效应管的特性曲线测试a.转移特性曲线测试按上图接线,调节VDD使VDS=5V，然后调节RW（10KΩ）电位器，分别使VGS为0V,－0.1V,－0.2V，－0.3v,－0.4V,－0.5V,－0.6V,－1V,－2V,相应测出对应的各个漏极电流ID并记录之，在坐标纸上画出一条VDS=5V的转换特性曲线。VmAVVDDDSG2K10K6VID++10V1.基本要求RWb.结型场效应管漏极特性曲线测试调节Rw电位器，固定VGS=0V,调节VDD分别使场效应管漏源电压VDS为0V，1V，2V，4V，6V，8V,10V，测出各对应的ID值，然后在坐标纸上将各点连成一条光滑的曲线。即可得VGS=0V时的一条漏极特性曲线。c.调节RW，分别固定VGS为－0.3V，－0.5V，重复上述步骤，即可得出VGS=－0.3V，VGS=－0.5V时的另外两条特性曲线。d.跨导gm的测试根据转移特性曲线数值，求出VGS在-0.1v和-0.2v之间时的跨导：2121GSGSDDGSDmVVIIVIg（2）按照本课件图3-7连接一个结型场效应管共源放大电路。调节Rs使VGSQ=-0.2V，测量并记录VDSQ、IDQ。已知输入正弦波信号有效值Vi=150mvf=1000HZVDD=12VRL=20kΩ，选2SK163（N沟道耗尽型场效应管）。（3）测量电路的放大倍数Av、输入阻抗Ri、输出阻抗Ro并记录。四、实验仪器1．直流稳压电源1台2．函数信号发生器1台3．双踪示波器1台4．晶体管毫伏表1台5．万用表1只五、预习要求实验报告1．复习场效应管的内部结构、组成及特点。2．复习场效应管放大电路的工作原理。3．比较场效应管放大器与晶体管放大器的特点。4．通过实验测得的放大倍数Av、输入电阻Ri、输出电阻R0与理论值进行比较。5．分析RS和RD对放大器的性能有何影响。六、实验与思考题1.测量场效应管的输入电阻Ri时，应考虑哪些因素?为什么?2.为什么实验电路中场效应管输入端的耦合(隔直)电容C1只要0.02μF左右(它比晶体管的耦合电容要小得多)。3.为什么场效应管电压放大器的放大倍数一般没有晶体管的电压放大倍数大?