3.2 场效应管放大电路设计

3.2.1、实验目的

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。

3.2.2、实验原理与设计方法

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一氧化物—半导体（MOS）场效应管。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；绝缘栅型是利感应电荷的多少来控制导点沟道的宽窄从而控制电流的大小

其输入阻抗很高(其栅极与其他电极互相绝缘)，以及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。

2.场效应管的特性

    下面以N沟道增强型MOS场效应管为例进行说明场效应管的特性. 图3.2.1为N沟道增强型MOS场效应管的输出特性曲线。输出特性曲线分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。

  (1)可变电阻区

  当UGs>Ut时，沟道形成；在UDS= 0时，沟道内横向电场等于零，所以I_D=0；当U_DSd大于~0时，沟道内的

              

电子在横向电场作用下，产生漏极电流ID。但当UDS较小时，由于UDS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UGS作线性变化。 当UGs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Ucs变化时，沟道导通电阻的值将随UGS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。

    (2)恒流区

当UGs恒定，在未饱和时，增加UDs，使漏极电流ID增加，当加大到使靠近漏极端的栅漏电压等于开启电压，，漏极电流达到最大值，漏极端的导电沟道将开始消失(称为预夹断)，此时场效应管刚好饱和；若继续增加UDS，即UDs>UT，会使漏极端导电沟道被夹断而出现耗尽层，并随着UDS的增加，夹断点向源极移动。由于耗尽层的电阻率远大于沟道的电阻率，因此当漏极端出现耗尽层后，所增加的UDS几乎全部降在耗尽层两端，而加在沟道两端的电压几乎不变，从而使漏极电流ID基本不随UDs而变。在输出特性曲线上，将不同值时的预夹断点连起来，即是图3.2.1中左侧的虚线。虚线右面即为恒流区(或称为饱和区)。场效应管作为放大器使用时，一般工作在此区域内。

(3)击穿区当

UDs增加到某一临界值时，I_D开始迅速增大, 曲线上翘, 场效应管不工作,甚至烧毁，场效应管工作时要避免进入此区间.

3.场效应管的参数

衡量场效应管控制能力的重要参数指标是跨导。即

   其大小表征在工作点Q处栅源交流电压UGS对漏极交流电流的控制作用，其典型直为lms一10ms。 表征场效应管器件输出电流减小到接近于零时的栅源电压称为夹断电压，它是耗尽型场效应管的重要参数；表征场效应管器件开始有输出电流时的栅源压¨，它是增强型场效应管的重要参数。                                          

4．场效应管的判别与实验测试

  结型场效应管有三个电极，即源极、栅极和漏极，可以用万用表测量电阻的方法，把栅极找出，而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，用万用表测量电阻的R×1kQ量程挡，分别测量源极对漏极、漏极对源极的电阻值，它们应该相等。也可以根据栅极相对于源极和漏极都应为PN结，用测量二极管的办法，把栅极找出。一般PN结的正向电阻为5kQ～10kn，反向电阻近似为无穷大。若黑表笔接栅极、红表笔分别接源极和漏极，测得PN结正向电阻较小时，则场效应管为N沟道型。

    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。在测量和存放绝缘栅型场效应管时，由于其输入电阻非常高，管内不存在保护性元件，一般将它的三只管脚短路，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，很可能损坏晶体管。

5．场效应管的正确使用

  场效应管主要用于前置电压放大、阻抗变换电路、振荡电路、高速开关电路等方面。不同类型的场效应管的偏置电压极性要求是不一样的，表3.2.1列出了各类场效应管的偏置极性要求。

                              

                        

图3.2.1 场效应管的偏置极性要求

 结型场效应管的源、漏极可互换使用。 在焊接管子时，一般使用25W以下的内热式电烙铁，并有良好的接地措施，或在焊接时切断电烙铁电源。

6．场效应管的基本应用

共源极放大器

图3.2.3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V_G=0，所以：

V_GS=V_G-V_S=-I_S·R_S=-I_D·R_S

   

场效应管放大电路的放大倍数为

式中    ，     

g_m为场效应管的跨导（即类同于三极管的β），它的单位为毫西（mS），因场效应管的跨导比较小，要提高Av，只有增大R_D和R_L，但R_D和R_L的增大，相应地漏极电源电压必须提高。

．场效应管放大电路电压放大倍数A_V的测试

（1）输入端输入正弦信号（f=1KHZ，V₁=25mV），用示波器观察输入电压波形，如果输出波形出现双向切顶失真，可以减小输入电压幅值；如输出波形单峰切顶失真，可增大或减小R_S使输出波形不失真。则

（2）去掉输入信号，串入电流表（可用万用表）测出静态工作点I_DQ和V_DSQ值。

（3）将源极自偏压电阻R_S改换成另一阻值（如680Ω或200Ω），得测I_DQ、V_DSQ，V_i，V₀，并将两次结果进行比较。

5．场效应管放大电路的输出电阻R₀和输入电阻R_i的测试（半电压测试法）

3.2.3实验要求

1．基本要求 

1] 测量结型场效应管的可变电阻

在可变电阻区内，ID与VDs的关系近似于线性关系，，ID增加的比率受UGS控制。因此，可以把场效应管的D、s之间看成一个受UGS控制的电阻。测量rDs电路如图7—4—3所示。图中，

    ID=V1/RD   rDs=V2/ID=V2/V1RD 

．  (1)按图7—4—3接线。其中，Vi为10mV一100mV,f =1000Hz的正弦波信号。

  (2)令VGS=0，调节Vi使v2在0mV一100mV范围内变化，读出V1和v2的值，计算 rDs值并填入表.  

 (3)分别将ugs调至VP-5,2VP-5，3VP-5.4VP-5，重复以上几步

 (4)以测得的UDs为X轴，ID为Y轴，画出MOSFET栅极一漏极连接的电阻特性曲

线。

2）． 设计一个AV=10的绝缘栅型场效应管共源放大电路。已知输入信号有效值Vi=150mv

，Rl=20kQ，选3D01D型场效应管，其参数为

2扩展要求  场效应管源极跟随器电路设计

.AV=1 Ri=2m 。R₀  fl     fh

   

3.2.4、实验仪器

1．直流稳压电源                         l台

2．函数信号发生器                       1台

3．双踪示波器  VP—M5220A—1型         1台

4．晶体管毫伏表                         1台

5．万用表  500型                        1只

3.2.5、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。

4．比较场效应管放大器与晶体管放大器的特点。

5．通过实验测得的放大倍数A_v、输入电阻R_i、输出电阻R₀与理论值进行比较。

4．分析R_S和R_D对放大器的性能有何影响。

 3.2.6实验与思考题

’1测量场效应管的输入电阳R时，应考虑哪些因素?为什么?

2 为什么场效应管输入端的耦合(隔直)电容c。一般只要0．021uF左右(它比晶体管的耦合电容要小得多17

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?

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第二篇：场效应管放大电路设计过程