电子技术实验报告—实验5场效应管放大器

电子技术实验报告实验名称：场效应管放大器系别：班号：实验者：学号：实验日期：实验报告完成日期：目录一、实验目的...................................................................................................................................3二、实验原理...................................................................................................................................31.场效应管的主要特点.........................................................................................................32.结型场效应管的特性.........................................................................................................33.自给偏置场效应管放大器.................................................................................................54.恒流源负载的场效应管放大器.........................................................................................65.场效应管放大器参数测试方法.........................................................................................6三、实验仪器...................................................................................................................................8四、实验容.......................................................................................................................................81.电路搭接...............................................................................................................................82.静态工作点的调试测量......................................................................................................93.场效应管放大参数测试...................................................................................................10五、实验小结.................................................................................................................................11一、实验目的1.学习场效应管放大电路设计和调试方法；2.掌握场效应管基本放大电路的设计及调整、测试方法。二、实验原理1.场效应管的主要特点场效应管是一种电压控制器件，由于它的输入阻抗极高（一般可达上百兆、甚至几千兆），动态围大，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺简单，便于大规模集成。因此，场效应管的使用越来越广泛。场效应管按结构可分为MOS型和结型，按沟道分为N沟道和P沟道器件，按零栅压源、漏通断状态分为增强型和耗尽型器件，可根据需要选用。那么，场效应管由于结构上的特点源漏极可以互换，为了防止栅极感应电压击穿要求一切测试仪器，都要有良好接地。2.结型场效应管的特性(1)转移特性（控制特性）：反映了管子工作在饱和区时栅极电压VGS对漏极电流ID的控制作用。当满足|VDS||VGS|－|VP|时，ID对于VGS的关系曲线即为转移特性曲线。如图1所示。由图可知。当VGS=0时的漏极电流即为漏极饱和电流IDSS，也称为零栅漏电流。使ID=0时所对应的栅极电压，称为夹断电压VGS=VGS(TH)。⑵转移特性可用如下近似公式表示：)0()1(2)(PGSTHGSGSDSSDVVVVII当这样，只要IDSS和VGS(TH)确定，就可以把转移特性上的其他点估算出来。转移特性的斜率为：常数DSVGSDmVIg它反映了VGS对ID的控制能力，是表征场效应管放大作用的重要参数，称为跨异。一般为0.1~5mS（mA/V）。它可以由式1求得：)()(12THGSGSTHGSDSSmVVVIg⑶输出特性（漏极特性）反映了漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用。图2为N沟道场效应管的典型漏极特性曲线。由图可见，曲线分为三个区域，即Ⅰ区（可变电阻区），Ⅱ区（饱和区），Ⅲ区（截止区）。饱和区的特点是VDS增加时ID不变（恒流），而VGS变化时，ID随之变化（受控），管子相当于一个受控恒流源。在实际曲线中，对于确定的VGS的增加，ID有很小的增加。ID对VDS的依赖程度，可以用动态电阻rDS表示为：常数GSDDSDSVIVr在一般情况下，rDS在几千欧到几百欧之间。⑶图示仪测试场效应管特性曲线的方法：①连接方法：将场效应管G、D、S分别插入图示仪测试台的B、C、E。②输出特性测试：集电极电源为+10v,功耗限制电阻为1kΩ；X轴置集电极电压1V/度，Y轴置集电极电流0.5mA∕度；与双极型晶体管测试不同为阶梯信号，由于场效应管为电压控制器件，故阶梯信号应选择阶梯电压，即：阶梯信号：重复、极性：一、阶梯选择0.2V∕度，则可测出场效应管的输出特性，并从特性曲线求出其参数。③转移特性测试：在上述测试的基础上，将X轴置基极电压0.2V∕度，则可测出场效应管的转移特性，并从特性曲线求出其参数。⑷场效应管主要参数测试电路设计：①根据转移特性可知，当VGS=0时，ID=IDSS，故其测试电路如图3所示。②根据转移特性可知，当ID=0时，VGS=VGS(TH)，故其测试电路如图4所示。3.自给偏置场效应管放大器自给偏置N沟道场效应管共源基本放大器如图5所示，该电路与普通双极型晶体管放大器的偏置不同，它利用漏极电流ID在源极电阻RS上的压降IDRs产生栅极偏压，即：VGSQ=-IDRS由于N沟道场效应管工作在负压，故此称为自给偏置，同时Rs具有稳定工作点的作用。该电路主要参数为：电压放大倍数：AV=V0/Vi=-gmRL式中：LR=RD‖RL‖rDS输入电阻：Ri≈RG输出电阻：RO=RD‖rDS4.恒流源负载的场效应管放大器由于场效应管的gm较小，提高其放大倍数的一种方法代替，如图6所示。它利用场效应管工作在饱和区时，静态电阻小、动态电阻较大的特性，在不提高电源电压的情况下，可获得较大的放大倍数。5.场效应管放大器参数测试方法⑴静态工作点调试：同单极放大器调试方法；⑵电压放大倍数测量：同单极放大器调试方法；⑶放大器频率特性测量：同单极放大器调试方法；⑷输入阻抗测量：放大器输入阻抗为从输入端向放大器看进去的等效阻抗，即：Ri=Vi/Ii该电阻为动态电阻，不能用万用表测量。输入阻抗Ri测量装置图如图7所示。测量图中，R为测量Ri所串联在输入回路的已知电阻（该电阻可根据理论计算Ri选择，为减小测量误差，一般选择与Ri同数量级），其目的是避免测量输入电路中电流，而改由测量电压进行换算，即：RVVVIVRRVVRVIiSiiiiiSRi，则：上述测量方法仅适用于放大器输入阻抗远远小于测量仪器输入阻抗条件下。然而，场效应管放大器输入阻抗非常大，上述设计放大器要求：Ri500kΩ，而毫伏表Ri约1MΩ，故测量将产生较大的误差，同时将引入干扰。故不能用毫伏表测量Vi。同时，由于放大器输出阻抗较小，毫伏表可直接测量。因而采用测量输出电压换算求Ri。当电路不串入R时，Vi1=Vs，输出测量值为：Vo1=Av*Vi1=Av*Vs；当电路传入R时，SiiiVRRRV2，输出测量值为：SiiiOVRRRAvVAvV**22由于同一放大电路，其放大倍数相同，令上述两式相除进行整理可得：RVVVROOOi212⑸输出阻抗测量装置如图5所示，在输入回路不串接R情况下：若输出回路不并接负载RL，则输出测量值为：Vo∞；若输出回路并接负载RL，则输出测量值为：VOL；则可按下式求Ro。LOLOOLOLOOOLOORVVRVVVIVVR1/在上述输入阻抗、输入阻抗测量时，应保证输出波形不失真。三、实验仪器1.示波器1台2.函数信号发生器1台3.直流稳压电源1台4.数字万用表1台5.多功能电路实验箱1台6.交流毫伏表1台四、实验容1.电路搭接根据重新设计电路，在实验箱上搭接实验电路，检查电路连接无误后，方可将+12V直流电源接入电路。其中Rs采用实验箱上的1kΩ电位器。搭接注意事项：①要充分利用面包板的结构，使用尽量少的导线。特别注意，面包板中间两排横排的，是25个孔相连，不是5个！做实验时，这个地方弄错了，导致电阻短路，测出的电压为0。②插入电阻电容器时，要注意不要使它们的脚碰到一起，造成短路，尽量分开来，不要交叉。三极管的三只脚中的E、C，可以先弯曲成竖直再插进小孔。③在搭接前，注意检查电器件与滑动变阻器的好坏。④注意辨认电阻的色环，不要弄错。⑤注意检查电容器的极性是否接反。2.静态工作点的调试测量根据设计理论值，通过调整电位器Rs，使静态工作点基本符合设计参数并填入表3。表3静态工作点设计、测量测量计算静态工作点VDQVGQVSQIDQVDSVGS实际测量值6.002V0.20mV0.5050V0.9197mA5.497V-0.5048V理论设计值（仿真值）6V1.244mV768.705mV0.881mA5.231V-0.7675V实际值计算过程：VGS=VGQ−VSQ=(0.0002−0.5050)V=−0.5048VRS=0.5489kΩ(实验中由万用表测得)IDQ=−VGSRS≈0.9197mA误差分析：（1）场效应管元器件制造工艺的定位误差和加工误差，导致原件实验中的元器件实际性能与期望性能存在误差；（2）搭接的实验电路用到的导线和电容电阻等元器件存在误差，且测量时电压值一直不稳定，造成较大的测量误差；（3）所测电压过小，实验用的“四位半”数字表的数据存在测量误差。3.场效应管放大参数测试⑴参照单级放大器参数测试方法，选择合适的输入信号，自拟实验步骤测量放大倍数。⑵参照输入阻抗测试方法，选择合适的串接电阻R，自拟实验步骤测量输入阻抗。⑶参照输出阻抗测试方法，选择合适的负载RL，自拟实验步骤测量输出阻抗。R=0R=620KVi=VSVo∞VOLV01Vi=RiRi+RVSV02实验值107.28mV1.058V661mV661mV336mV仿真值212.123mV2.557V1.542V1.542V772.436mV输入信号：频率f=2kHz的正弦信号，VP-P=300mV仿真测试电路：仿真计算过程：Ri=V02V01−