场效应管放大电路设计通信电子电信技术通信电子电子设计.pdf

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1、场效应管放大电路设计 0/13 *课程设计报告 题 目：场效应管放大电路设计 学生姓名：*学生学号：*系 别：电气信息工程院 专 业：通信工程 届 别：2014届 指导教师：*电气信息工程学院制 2013 年 3 月 场效应管放大电路设计 场效应管放大电路设计 1/13 学生：*指导教师：*电气信息工程学院通信工程专业 1、课程设计任务和要求：1.1 场效应管电路模型、工作点、参数调整、行为特征观察方法 1.2 研究场效应放大电路的放大特性与元件参数的计算 1.3 进一步熟悉放大器性能指标的测量方法 2、课程设计的研究基础：2.1 场效应管的特点 场效应管与双极型晶体管比较有如下特点：(1)场

2、效应管为电压控制型元件；(2)输入阻抗高(尤其是MOS 场效应管)；(3)噪声系数小；(4)温度稳定性好，抗辐射能力强；(5)结型管的源极(S)和漏极(D)可以互换使用，但切勿将栅(G)源(S)极电压的极性接反，以免PN 结因正偏过流而烧坏。对于耗尽型MOS 管，其栅源偏压可正可负，使用较灵活。场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。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工

3、程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应

4、管主场效应管放大电路设计 2/13 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)以与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。由多数载流子参与导电，也称为单机型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（108 109）、噪声小、功耗低、动

5、态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。和双极型晶体管相比场效应管的不足之处是共源跨导gm。值较低(只有ms级)，MOS 管的绝缘层很薄，极容易被感应电荷所击穿。因此，在用仪器测量其参数或用烙铁进行焊接时，都必须使仪器、烙铁或电路本身具有良好的接地。焊接时，一般先焊S极，再焊其他极。不用时应将所有电极短接。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R1kQ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

6、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，一般将它的三只管工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体

7、管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 3/13 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。2.2 偏置电路

8、和静态工作点的确定 与双极型晶体管放大器一样，为使场效应管放大器正常工作，也需选择恰当的直流偏置电路以建立合适的静态工作点。场效应管放大器的偏置电路形式主要有自偏压电路和分压器式自偏压电路(增强型 MOS管不能采用自偏压电路)两种。3、效应管放大系统方案设计 3.1 场效应管共源放大器的调试 (1)连接电路。按图2.4.1 在模拟电路实验板上插接好电路，场效应管选用N沟道结型管3DJ6D，静态工作点的设置方式为自偏压式。直流稳压电源调至18V并接好(注意:共地)(2)测量静态工作点 调节电阻R使 VD为2.43V左右，并测量此时的 Vg、Vs，填入表2.4.1，并计算。表2.4.1 静态工作点

9、 VD VG VS ID 2.43V-35.258nV 1.283V 1.283mA (3)测量电压放大倍数 将函数发生器的输出端接到电路的输入端。使函数发生器输出正弦波并调工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温

10、度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 4/13=2mV，f=lkHz。用示波器观察输出波形，(若有失真，应重调静态工作点，使波形不失真)，并用示波器测量输出电压 Vo，计算Av (4)测量输入与输出阻抗 用换算法测量放大器的输入电阻，在输入回路串接已知阻值的电阻R，但必须注意，由于场效应管放大器的输入阻抗很高，若仍用直接测量电阻R两端对地电Vs 和Vi进行换算的方法，将会产生两个问题：(1)由于场效应管放大器 Ri 高，测量时会引人

11、干扰；(2)测量所用的电压表的内阻必须远大于放大器的输入电阻 Ri，否则将会产生较大的测量误差。为了消除上述干扰和误差，可以利用被测放大器的隔离作用，通过测量放大器输出电压来进行换算得到 Ri。图为测量高输入阻抗的原理图。方法是：先闭合开关 S(R=0)，输入信号电压 Vs，测出相应的输出电压sviVAVAVv1o，然 后 断 开S，测 出 相 应 的 输 出 电 压RRRiiisvvo2VAVAV，因为两次测量中和是基本不变的，所以Rvvvooo212Ri 输出电阻测量:在放大器输入端加入一个固定信号电压 Vs，2 分别测量当已知负载 RL断开和接上的输出电压 V0和 V0L。则LoLooR

12、1-VVR 工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两

13、种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 5/13 4、场效应管放大系统仿真与调试：4.1 负载 RL=2k时的电路分析。工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影小因而特别使用于高灵敏度低噪声电路中场效应管

14、的种类很多按结构可分为两大类结型场效应管和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 6/13 4.2 示波器显示：用双踪示波器得到的波形图，由图可以看出信号被放大。且未出现失真。工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极

15、电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 7/13 负载 RL=5k时的电路分析 工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小

16、温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 8/13 4.3 数据分析 工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场

17、效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 9/13 RL vi vo1 vo2 AV Ri Ro 15k 10mV 481.15mV 389.328mV 38.9328mV 12.7k 2.1k 10k 10mV 454.427mV 366.753

18、mV 36.6753mV 12.5k 2.1k 5k 10mV 389.521mV 312.385mV 31.2385mV 12.1k 2.1k 2k 10mV 272.684mV 216.168mV 21.6168mV 11.5k 2.1k 10mV 443.918mV 443.918mV 44.3918mV 5、总结：5.1 关于器件的选型：由于场效应晶体管具有功耗小，发热量小的特点，在选型的时候比三极管要方便。在仿真的时候选择BSP149，普通型号的场效应晶体管。能够满足交流小信号的放大，直流偏置选择用5V的直流电压源供电能够让静态工作点在放大信号时基本不出现截止或者饱和失真。符合实验的

19、要求。5.2 在实验中我们可以感受场效应晶体管在放大电路中的工作特点。在放大电路中，FET 仍然有着很多优势，但在今后的学习过程中要特别注意FET 的工作特点。尤其是在恒流源的设计中，三极管具有负载范围较大。但是电流不易工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因

20、正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 10/13 控制，因此我们要特别注意其工作特点，以避免在以后的设计中出现错误。6、参考文献 1 王港元 方安安 张文泉等.电子技能基础.四川大学出版社200148239 2 郑丝卫.印刷电路板排版设计.北京科学技术文献出版社1983 3 张义和.PROTEL PCB99设计与应用技巧.北京科学出版社2000 4 周南生.模拟电路设计与制作.科学出版社

21、2005163177 5 张少芳 林震 电子元器件应用 2004 第 4 期 6 王彩琳 孙丞 电力电子技术 2008 第 12 期 工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影小因而特别使用于高灵敏度低噪声

22、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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 11/13 指导教师评语 成绩 评定 指导教师签字：年 月 日 答辩小组评语 成绩 评定 答辩小组签字：年 月 日 工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的

23、源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主场效应管放大电路设计 12/13 工程届别届指导教师电气信息工程学院制年月场效应管放大电路设计场效应管放大电路设计学生指导教师电气信息工程学院通信工程专业课程设计任务和要求场效应管电路模型工作点参数调整行为特征观察方法研究场效应放大电路管与双极型晶体管比较有如下特点场效应管为电压控制型元件输入阻抗高尤其是场效应管噪声系数小温度稳定性好抗辐射能力强结型管的源极和漏极可以互换使用但切勿将栅源极电压的极性接反以免结因正偏过流而烧坏对于耗尽型入电阻高噪声系数低受温度和辐射影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和绝缘栅型场效应管场效应管放大电路设计结型场效应管又分为沟道和沟道两种绝缘栅场效应管主