實驗名稱：場效應(yīng)管放大器一、實驗?zāi)康?.學習場效應(yīng)管放大電路設(shè)計和調(diào)試方法；2.掌握場效應(yīng)管基本放大電路的設(shè)計及調(diào)整、測試方法。二、實驗儀器1.示波器1臺2.函數(shù)信號發(fā)生器1臺3.直流穩(wěn)壓電源1臺4.數(shù)字萬用表1臺5.多功能電路實驗箱1臺6.交流毫伏表1臺三、實驗原理1.場效應(yīng)管的主要特點： 場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，由于它的輸入阻抗極高（一般可達上百兆、甚至幾千兆），動態(tài)范圍大，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強，制造工藝簡單，便于大規(guī)模集成。因此，場效應(yīng)管的使用越來越廣泛。 場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)可分為MOS型和結(jié)型，按溝道分為N溝道和P溝道器件，按零柵壓源、漏通斷狀態(tài)分為增強型和耗盡型器件，可根據(jù)需要選用。那么，場效應(yīng)管由于結(jié)構(gòu)上的特點源漏極可以互換，為了防止柵極感應(yīng)電壓擊穿要求一切測試儀器，都要有良好接地。2.結(jié)型場效應(yīng)管的特性： ⑴轉(zhuǎn)移特性（控制特性）：反映了管子工作在飽和區(qū)時柵極電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。當滿足|VDS|〉|VGS|－|VP|時，ID對于VGS的關(guān)系曲線即為轉(zhuǎn)移特性曲線。如圖1所示。由圖可知。當VGS=0時的漏極電流即為漏極飽和電流IDSS，也稱為零柵漏電流。使ID=0時所對應(yīng)的柵極電壓，稱為夾斷電壓VGS=VGS(TH)。 ⑵轉(zhuǎn)移特性可用如下近似公式表示：ID=IDSS(1-VGS/VGS(TH))2(當0≥VGS≥VP)這樣，只要IDSS和VGS(TH)確定，就可以把轉(zhuǎn)移特性上的其他點估算出來。轉(zhuǎn)移特性的斜率為：gm=ΔID/ΔVGS|VDS=常數(shù)它反映了VGS對ID的控制能力，是表征場效應(yīng)管放大作用的重要參數(shù)，稱為跨異。一般為0.1~5ms（mA/V）。它可以由式1求得：gm=-2IDSS/VGS(TH)×﹙1-VGS/VGS(TH))⑶輸出特性（漏極特性）反映了漏源電壓VDS對漏極電流IC的控制作用。圖2為N溝道場效應(yīng)管的典型漏極特性曲線。 由圖可見，曲線分為三個區(qū)域，即Ⅰ區(qū)（可變電阻區(qū)），Ⅱ區(qū)（飽和區(qū)），Ⅲ區(qū)（截止區(qū)）。飽和區(qū)的特點是VDS增加時ID不變（恒流），而VGS變化時，ID隨之變化（受控），管子相當于一個受控恒流源。在實際曲線中，對于確定的VGS的增加，ID有很小的增加。ID對VDS的依賴程度，可以用動態(tài)電阻rDS表示為：rDS=ΔVDS/ΔID|VGS=常數(shù)在一般情況下，rDS在幾千歐到幾百歐之間。⑶圖示儀測試場效應(yīng)管特性曲線的方法：①連接方法：將場效應(yīng)管G、D、S分別插入圖示儀測試臺的B、C、E。②輸出特性測試：集電極電源為+10v,功耗限制電阻為1kΩ；X軸置集電極電壓1V/度，Y軸置集電極電流0.5mA∕度；與雙極型晶體管測試不同為階梯信號，由于場效應(yīng)管為電壓控制器件，故階梯信號應(yīng)選擇階梯電壓，即：階梯信號：重復、極性：一、階梯選擇0.2V∕度，則可測出場效應(yīng)管的輸出特性，并從特性曲線求出其參數(shù)。③轉(zhuǎn)移特性測試：在上述測試的基礎(chǔ)上，將X軸置基極電壓0.2V∕度，則可測出場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性，并從特性曲線求出其參數(shù)。⑷場效應(yīng)管主要參數(shù)測試電路設(shè)計：①根據(jù)轉(zhuǎn)移特性可知，當VGS=0時，ID=IDSS，故其測試電路如圖3所示。②根據(jù)轉(zhuǎn)移特性可知，當ID=0時，VGS=VGS(TH),故其測試電路如圖4所示。3.自給偏置場效應(yīng)管放大器： 自給偏置N溝道場效應(yīng)管共源基本放大器如圖5所示，該電路與普通雙極型晶體管放大器的偏置不同，它利用漏極電流ID在源極電阻RS上的壓降IDRs產(chǎn)生柵極偏壓，即：VGSQ=-IDRS由于N溝道場效應(yīng)管工作在負壓，故此稱為自給偏置，同時Rs具有穩(wěn)定工作點的作用。該電路主要參數(shù)為：電壓放大倍數(shù)：AV=Vi=-gmRLˊ式中：RLˊ=RD‖RL‖rDS輸入電阻：Ri≈RG輸出電阻：RO=RD‖rDS4.恒流源負載的場效應(yīng)管放大器： 由于場效應(yīng)管的gm較小。提高其放大倍數(shù)的一種方法代替，如圖6所示。它利用場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)時，靜態(tài)電阻小、動態(tài)電阻較大的特性，在不提高電源電壓的情況下，可獲得較大的放大倍數(shù)。5.設(shè)計舉例：試設(shè)計一個場效應(yīng)管放大器，場效應(yīng)管選用K30A；管腳排列為：要求電源電壓為+12V；負載為RL為10k；Av≥5、Ri≥500k、Ro≤10k、?L≤50Hz；若要求電壓放大倍數(shù)提高為50，電路如何改變？⑴電路模型選擇：自給偏置場效應(yīng)管放大器；⑵場效應(yīng)管特性參數(shù)測試：按上述方法測試（工作點為VDSG=5V、IDG=1mA）；⑶確定RD、RS和RG；RD=(ED-(VDSQ+|VGSQ|))/IDQ=6.5KΩ按E24標稱系列取RD=6.8kΩRS=|VGSQ|/IDQ=0.5(KΩ)按E24標稱系列取RS=510Ω按E24標稱系列取RG=620KΩ，確保Ri＞500kΩ⑷確定C1、C2、CS一般取C1=0.01μF，C2=1μF,CS=47μF⑸設(shè)計參數(shù)驗算:AV=-gmRL=1.8×6.8∥10≈7.3;Ri≈RG=620K;RO≈RL=10K;⑹根據(jù)上述設(shè)計，符合設(shè)計要求。6.場效應(yīng)管放大器參數(shù)測試方法：⑴靜態(tài)工作點調(diào)試：同單極放大器調(diào)試方法；⑵電壓放大倍數(shù)測量：同單極放大器調(diào)試方法；⑶放大器頻率特性測量：同單極放大器調(diào)試方法；⑷輸入阻抗測量：放大器輸入阻抗為從輸入端向放大器看進去的等效阻抗，即：Ri=Vi/Ii該電阻為動態(tài)電阻，不能用萬用表測量。輸入阻抗Ri測量裝置圖如圖7所示。測量途中，R為測量Ri所串聯(lián)在輸入回路的已知電阻（該電阻可根據(jù)理論計算Ri選擇，為減小測量誤差，一般選擇與Ri同數(shù)量級），其目的是避免測量輸入電路中電流，而改由測量電壓進行換算，即：上述測量方法僅適用于放大器輸入阻抗遠遠小于測量儀器輸入阻抗條件下。然而，場效應(yīng)管放大器輸入阻抗非常大，上述設(shè)計放大器要求：Ri〉500kΩ，而毫伏表測量將產(chǎn)生較大的誤差，同時將引入干擾。故不能用毫伏表測量Vi。同時，由于放大器輸出阻抗較小，毫伏表可直接測量。因而采用測量輸出電壓換算求Ri。當電路不串入R時，Vi1=Vs，輸出測量值為：Vo1=Av*Vi1=Av*Vs；當電路傳入R時，Vi2=Ri*Vs/（Ri+R），輸出測量值為：Vo2=Av*Vi2=Av*Ri*Vs/(Ri+R)由于同一放大電路，其放大倍數(shù)相同，令上述兩式相除進行整理可得：Ri=Vo2*R/（Vo1－Vo2）⑸輸出阻抗測量裝置如圖5所示，在輸入回路不串接R情況下：若輸出回路不并接負載RL，則輸出測量值為：Vo∞；若輸出回路并接負載RL，則輸出測量值為：VOL；則可按下式求Ro。RO=(VO∞-VOL)/IO=(VO∞-VOL)/(VOL/R)=(VO∞/VOL-1)/RL在上述輸入阻抗、輸入阻抗測量時，應(yīng)保證輸出波形不失真。四、實驗內(nèi)容1.電路搭接：根據(jù)重新設(shè)計電路，在實驗箱上搭接實驗電路，檢查電路連接無誤后，方可將+12V直流電源接入電路。其中Rs采用實驗箱上的1kΩ電位器。2.靜態(tài)工作點的調(diào)試測量：根據(jù)設(shè)計理論值，通過調(diào)整電位器Rs，使靜態(tài)工作點基本符合設(shè)計參數(shù)并填入表3。表3 靜態(tài)工作點設(shè)計、測量測量計算靜態(tài)工作點VDQ(V)VGQ(V)VSQ(V)IDQ(mA)VDS(V)VGS(V)實際測量值5.820V0.002V0.9481V0.909V4.872V-0.9261V理論設(shè)計值（仿真值）6V1.244mV0.7648V0.882V5.235V-0.7647V3.場效應(yīng)管放大參數(shù)測試:⑴參照單級放大器參數(shù)測試方法，選擇合適的輸入信號，自擬實驗步驟測量放大倍數(shù)。⑵參照輸入阻抗測試方法，選擇合適的串接電阻R，自擬實驗步驟測量輸入阻抗。⑶參照輸出阻抗測試方法，選擇合適的負載RL，自擬實驗步驟測量輸出阻抗。表4 放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻測量R=0R=620KVi=VsVo∞VOLV01Vi=Ri×Vs÷（Ri+R）V02實驗值176.8mV1.961V1.260V1.260V595.8mV仿真值176.8mV2.079V1.455V1.455V739.6mV計算：輸入電阻：Ri=Vo2*R/(Vo1-Vo2)=556kΩ輸出電阻：Ro=(Vo∞/Vol—1)Rl=3.78kΩ放大倍數(shù)：Au=VOL/Vi=7.133.采用恒流源負載的場效應(yīng)管放大器： 在上述電路基礎(chǔ)上，按圖7更改電路，其中Rs改為510Ω電阻，Rw采用實驗箱上1kΩ電位器，通過調(diào)整Rw，使靜態(tài)工作點與上述電路基本相符合，以便進行比較。自擬實驗步驟，測量放大器放大倍數(shù)和輸出阻抗，并與上述電路參數(shù)進比較，說明恒流源