实验名称：场效应管放大器

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

三、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），动态范围大，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：

         ⑴转移特性（控制特性）：反映了管子工作在饱和区时栅极电压V_GS对漏极电流I_D的控制作用。当满足|V_DS|〉|V_GS|－|V_P|时，I_D对于V_GS的关系曲线即为转移特性曲线。如图1所示。由图可知。当V_GS=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I_D=0时所对应的栅极电压，称为夹断电压V_GS=V_GS(TH)。

         ⑵转移特性可用如下近似公式表示：

I_D=I_DSS(1-V_GS/V_GS(TH))²(当0≥V_GS≥V_P)

这样，只要I_DSS和V_GS(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：

g_m=ΔI_D/ΔV_GS|_VDS=常数

它反映了V_GS对I_D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：

g_m=-2I_DSS/V_GS(TH) ×﹙1-V_GS/V_GS(TH))

⑶输出特性（漏极特性）反映了漏源电压VDS对漏极电流IC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V_DS增加时I_D不变（恒流），而V_GS变化时，I_D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V_GS的增加，I_D有很小的增加。I_D对V_DS的依赖程度，可以用动态电阻r_DS表示为：

r_DS=ΔV_DS/ΔI_D|V_GS=常数

在一般情况下，r_DS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V_GS=0时，I_D=I_DSS，故其测试电路如图3所示。

②根据转移特性可知，当I_D=0时，V_GS=V_GS(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I_D在源极电阻R_S上的压降I_DRs产生栅极偏压，即：

V_GSQ=-I_DR_S

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：A_V=Vi=-g_mR_Lˊ

式中：R_Lˊ=R_D‖R_L‖r_DS

输入电阻：Ri≈R_G

输出电阻：R_O=R_D‖r_DS

4.恒流源负载的场效应管放大器：

         由于场效应管的g_m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.设计举例：

试设计一个场效应管放大器，场效应管选用K30A；管脚排列为：要求电源电压为+12V；负载为R_L为10k；Av≥5、Ri≥500k、Ro≤10k、?_L≤50Hz；若要求电压放大倍数提高为50 ，电路如何改变？

⑴电路模型选择：自给偏置场效应管放大器；

⑵场效应管特性参数测试：按上述方法测试（工作点为V_DSG=5V、I_DG=1mA）；

⑶确定R_D、R_S和R_G；

R_D=(E_D-(V_DSQ+|V_GSQ|))/I_DQ=6.5KΩ

按E24标称系列取R_D=6.8kΩ

R_S=|V_GSQ|/I_DQ=0.5(KΩ)按E24标称系列取RS=510Ω

按E24标称系列取R_G=620KΩ，确保Ri＞500kΩ

⑷确定C₁、C₂、C_S

一般取C₁=0.01μF，C₂₌1μF,C_S=47μF

⑸设计参数验算:

A_V=-g_mR_L=1.8×6.8∥10≈7.3;Ri≈R_G=620K;R_O≈R_L=10K;

⑹根据上述设计，符合设计要求。

6.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。

测量途中，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：

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：Ri〉500kΩ，而毫伏表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，V_i1=V_s，输出测量值为：

V_o1=Av*V_i1=Av*V_s；

当电路传入R时，V_i2=Ri*Vs/（Ri+R），输出测量值为：

V_o2=Av*V_i2=Av*Ri*V_s/(Ri+R)

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：

Ri=V_o2*R/（V_o1－V_o2）

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R_L，则输出测量值为：V_o∞；

若输出回路并接负载R_L，则输出测量值为：V_OL；则可按下式求R_o。

R_O=(V_O∞-V_OL)/I_O=(V_O∞-V_OL)/(V_OL/R)=(V_O∞/V_OL-1)/R_L

在上述输入阻抗、输入阻抗测量时，应保证输出波形不失真。

四、实验内容

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。

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

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。

表4           放大倍数、输入电阻、输出电阻测量

计算：输入电阻：Ri=Vo2*R/(Vo1-Vo2)=556kΩ

输出电阻：Ro=(Vo∞/Vol—1)Rl=3.78kΩ

放大倍数：Au=V_OL/Vi=7.13

3.采用恒流源负载的场效应管放大器：

         在上述电路基础上，按图7更改电路，其中Rs改为510Ω电阻，Rw采用实验箱上1kΩ电位器，通过调整Rw，使静态工作点与上述电路基本相符合，以便进行比较。自拟实验步骤，测量放大器放大倍数和输出阻抗，并与上述电路参数进比较，说明恒流源负载的作用。

五、故障分析及解决

做实验一时，因为看到课本用的电容没有极性之分，连接电路时没有注意实验用的电容是有极性的，导致极性电容放电使结果测量值偏小，不过在经过一步步排查后最终能解决这个问题。

六、心得体会

实验因为有比较认真的看了课本，所以做的相对还是比较顺利的，当然实验过程有遇到一些问题，不过也慢慢学会自己解决问题了，另外，在做实验时一定要注意细节问题，不要想当然。

第二篇：厦门大学电子技术实验——实验四

电 子 技 术 实 验

实 验 报 告

一、实验目的

1、学会在面包板上搭接电路的方法；

2、学习放大电路的调试方法；

3、掌握放大电路的静态工作点、电压放大倍数、输出电阻和通频带测量方法；

4、研究负反馈对放大器性能的影响；了解射级输出器的基本性能；

5、了解静态工作点对输出波形的影响和负载对放大电路倍数的影响。

二、实验原理

（一）单级低频放大器的模型和性能

1、单级低频放大器的模型：

单级低频放大器能将频率从几十Hz～几百kHz的低频信号进行不失真地放大，是放大器中最基本的放大器，单级低频放大器根据性能不同可分为基本放大器和负反馈放大器。

从放大器的输出端取出信号电压（或电流）经过反馈网络得到反馈信号电压（或电流），送回放大器的输入端称为反馈。若反馈信号的极性与原输入信号的极性相反，则为负反馈。

根据输出端的取样信号（电压或电流）与送回输入端的连接方式（串联或并联）的不同，一般可分为四种反馈类型——电压串联反馈、电流串联反馈、电压并联反馈和电流并联反馈。负反馈是改变放大器及其他电子系统特性的一种重要手段。负反馈使放大器的净输入信号减小，因此放大器的增益下降；同时改善了放大器的其他性能：提高了增益稳定性，展宽了通频带，减小了非线性失真，以及改变了放大器的输入阻抗和输出阻抗。负反馈对输入阻抗和输出阻抗的影响跟反馈类型有关。由于串联负反馈是在基本放大器的输入回路中串接了一个反馈电压，因而提高了输入阻抗，而并联负反馈是在输入回路上并联了一个反馈电流，从而降低了输入阻抗。凡是电压负反馈都有保持输出电压稳定的趋势，与此恒压相关的是输出阻抗减小；凡是电流负反馈都有保持输出电流稳定的趋势，与此恒流相关的是输出阻抗增大。

2、单级电流串联负反馈放大器与基本放大器的性能比较： 

电路图2是分压式偏置的共射基本放大电路，它未引入交流负反馈。

电路图3是在图2的基础上，去掉射极旁路电容Ce，这样就引入了电流串联负反馈。

3、射极输出器的性能： 

射极输出器是单级电压串联负反馈电路，由于它的交流输出电压V_Q全部反馈回输入端，故其电压增益：

输入电阻：R_if =R_b//[r_be+（1+β）R_L’]，式中R_L’=Rc//R_L

输出电阻：R_of =Re//[(R_b//Rs)+r_be]/(1+β)

射极输出器由于电压放大倍数A_vf ≈1，故它具有电压跟随特性，且输入电阻高，输出电阻低的特点，在多级放大电路中常作为隔离器，起阻抗变换作用。

（二）放大器参数及其测量方法

1、静态工作点的选择：

放大器要不失真地放大信号，必须设置合适的静态工作点Q。为获得最大不失真输出电压，静态工作点应选在输出特性曲线上交流负载线中点，若选得太高就容易饱和失真，太低容易截止失真。

若放大器对小信号放大，由于输出交流幅度很小，非线性失真不是主要问题，故Q点不一定要选在交流负载线中点，一般前置放大器的工作点都选的低一点，降低功耗和噪声，并提高输入阻抗。

采用简单偏置的放大电路，其静态工作点将随温度变化而变化，若采用电流负反馈分压式偏置电路，具有自动稳定工作点的能力，获得广泛应用。

2、静态工作点测量与调试：

根据定义，静态工作点是指放大器不输入信号且输入端短路（接电路COM）时，三极管的电压和电流参数。静态工作点只测量三极管三级对电路COM的直流电压（V_BQ、V_EQ、V_CQ），通过换算得出静态工作点的参数。

V_BEQ=V_BQ-V_EQ ；V_CEQ=V_CQ-V_EQ ；I_CQ=V_EQ / R_E

3、单极放大电路的电压放大倍数Av

低频放大器的电压放大倍数是指在输出不失真的条件下，输出交流电压与输入交流电压的比值：

式中：R_L’=Rc//R_L ，；

4、放大倍数的测量

放大倍数按定义式进行测量，即输出交流电压与输入交流电压的比值。通常采用示波器比较测量法（适用于非正弦电压）和交流电压表测量（适用于正弦电压）。

5、输入阻抗的测量

放大器输入阻抗为从输入端向放大器看进去的等效电阻，即：Ri=Vi / Ii；该电阻为动态电阻，不能用万用表测量。为避免测量输入电路中电流，改为测电压进行换算。

6、输出阻抗测量

放大器输出阻抗为从输出端向放大器看进去的等效电阻，即：Ro=Vo/Io；该电阻为动态电阻，不能用万用表测量。

若输出回路不并接负载R_L，则输出测量值为：V_o∞；若输出回路并接负载R_L，则输出测量值为：V_oL，则：

7、放大器幅频特性

放大器幅频特性是指放大器的电压放大倍数与频率的关系曲线。在中频段，电压放大倍数为最大值Av=Avm。在低频段和高频段，由于上述各种因素的影响不可忽略，使电压放大倍数下降。通常将电压放大倍数下降到中频段Avm的0.707倍时所对应的频率，称为放大器的上限频率f_H和下限频率f_L，f_H与f_L之差称为放大器的通频带，即Δf_0.7=f_H-f_L。

在保证输入Vi不变的情况下，改变输入信号频率（升高、下降），使输出Vo下降为中频时的0.707倍，则对应的频率即为f_H、f_L。

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、多功能电路试验箱  1台

6、交流毫伏表        1台

四、实验内容

1、搭接实验电路：

按电路图10在实验箱搭接实验电路（或参照连接图11）。检查电路连接无误后，方可将+12V直流电源接入电路。

2、静态工作点的测量和调试：

按静态工作点测试方法进行测量与调试，要求I_CQ≈1.3mA，测量值填入表2。

表2  静态工作点测量

3、基本放大器的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测量

外加输入信号从放大器Vs端输入信号：频率f=2kHz的正弦信号，R=1k，使Vip-p=30mV。在空载情况下，用示波器同时观察输入和输出波形（Vi和Vo），若输出波形失真，应适当减小输入信号。

表3  电压放大倍数、输入电阻、输出电阻测量

4、放大器上限、下限频率的测量

保持输入信号Vp-p=30mV不变，当f=2kHz时，用示波器观察并测量输出电压V_OL。当频率从2kHz向高端增大时，使输出电压下降到0.707V_OL时，记下此时信号发生器的频率，即为上限频率f_H；同理，当频率向低端减小时，使输出电压下降到0.707V_OL时，记下此时信号发生器的频率，即为下限频率f_L；测量过程应保持Vi不变和波形不失真。

表4  放大器上、下限频率的测量

5、电流串联负反馈放大器参数测量

将Ce去掉，R改为10k，使Vip-p=300mV，重复实验3步骤。

表5  负反馈放大器参数测量

六、实验小结