实验五：场效应管放大器
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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
3. 4. 5. 6. 7. 8.
示波器 函数信号发生器 直流稳压电源 数字万用表 多功能电路实验箱 交流毫伏表
1台 1台 1台 1台 1台 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：
ID=IDSS(1-VGS/VGS(TH))2(当0≥VGS≥VP)
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：
gm=ΔID/ΔVGS|VDS=常数
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：
gm=-2IDSS/VGS(TH) ×﹙1-VGS/VGS(TH))
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：
rDS=ΔVDS/ΔID|VGS=常数
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=Vi=-gmRLˊ 式中：RLˊ=RD‖RL‖rDS 输入电阻：Ri≈RG 输出电阻：RO=RD‖rDS
4. 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. 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RL为10k；Av≥5、Ri≥500k、Ro≤10k、ƒL≤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VDSG=5V、IDG=1mA）； ⑶确定RD、RS和RG；
RD=(ED-(VDSQ+|VGSQ|))/IDQ=6.5KΩ 按E24标称系列取RD=6.8kΩ
RS=|VGSQ|/IDQ=0.5(KΩ)按E24标称系列取RS=510Ω 按E24标称系列取RG=620KΩ，确保Ri＞500kΩ ⑷确定C1、C2、CS
一般取C1=0.01μF，C2=1μF,CS=47μF ⑸设计参数验算:
AV=-gmRL=1.8×6.8∥10≈7.3;Ri≈RG=620K;RO≈RL=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，Vi1=Vs，输出测量值为： Vo1=Av*Vi1=Av*Vs；
当电路传入R时，Vi2=Ri*Vs/（Ri+R），输出测量值为： Vo2=Av*Vi2=Av*Ri*Vs/(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=Vo2*R/（Vo1－Vo2）
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。 RO=(VO∞-VOL)/IO=(VO∞-VOL)/(VOL/R)=(VO∞/VOL-1)/RL
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。
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。
计算：
● 放大倍数：Au=VOL/Vi=24.80
● 输入电阻：Ri=Vo2*R/(Vo1-Vo2)=579.05kΩ ● 输出电阻：Ro=(Vo∞/Vol—1)Rl=6.24kΩ
五、 实验故障及解决办法
在静态工作点测量与调试时，换动态工作点测量，却改变电阻阻值，所以一开始测出结果不对，之后重新测量静态工作点，然后不懂电路元件参数，继续测量动态工作点才得到正确结果。
在动态电路测量之中，示数不准确，经检查发现电容链接错误，电容正负极接反，导致交流短路，检查后，重新连接电容，正负极连接正确后得到测量读数。
在动态电路测量之中，发现测得的Vo∞示数偏大，经检查发现没有去除电路中的RL，导致测得的是Vol的值，检查后，去除电路中的RL，重新测量得到正确测量读数。
六、 实验总结与心得体会
这次实验让我更好的了解了场效应管在电路中的使用方法，场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。判断G极可以将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘的。而且了解电容有正负极，如何正确连接电容。
七、 思考题：
1.如何进行结型场效应管的管脚识别? 场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。 2.场效应管的作用有什么? 场效应管可应用于放大；场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换，常用于多级放大器的输入级作阻抗变换；场效应管可以用作可变电阻；场效应管可以方便地用作恒流源；场效应管可以用作电子开关。