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项目七场效应管放大电路项目三 场效应管放大电路【技能实训】技能实训1 共源极MOS管放大电路的搭建【任务分析】场效应管和晶体三极管一样，能够实现对信号的放大作用。如图3-1所示，是由场效应管2N70000组成的共源极放大电路，该电路由分立元件搭建而成，共有15个元器件。2N7000为N沟道增强型MOS管，本例中采用TO-92封装，将管子平面对着自己，其管脚排列从左往右依次为S、G、D，使用时注意管脚顺序要正确。该实训要求在洞洞板上搭建该电路，并通电测试其功能，搭建时要求整体布局合理，元器件安装满足工艺要求，焊接质量好。图3-1 2N70000共源极放大电路原理图【技能要求】1掌握常用元器件的识别与检测方法。2能按照电路原理图的要求，在洞洞板上按所提供的元器件搭建电路，元器件的布局、安装、焊接应符合装配工艺要求。3能对搭建好的电路板进行通电调试，使电路工作在最佳状态。【任务实施】第一步：清点元器件根据电路原理图清点元器件数量，同时对元器件进行识别和检测，将结果填写在表3-1对应的空格中。表3-1 2N70000放大电路元器件识别和检测表序号名称图中标号数量型号或标称值识别和检测结果质量判定1场效应管Q11在右图所示的外形示意图中1脚是 极，2脚是 极，3脚是 极，管型是 2电阻R11标称值是： 测量值是： 3电阻R2 1标称值是： 测量值是： 4电阻R3、R4、R5、R6、R755电位器RP11标称值是： 测量值是： 6电解电容C11容量是 ，耐压值是 ，长脚是 极7电解电容C2、C328发光二极管LED115(红色)长脚是 极，短脚是 极9防反插座P112pin 2.54间距10单排针 J1-J7711绝缘导线1单芯0.5400mm【技巧提示】1在清点元器件时，可以做一个元器件清点分类图，具体做法：在一张白纸上贴上双面胶，然后把每一个元器件分类粘贴在双面胶上，并在每一个元器件后注明该元器件的图号及标称值。这样做有两个方面的好处：一是在识别和检测元器件时可迅速找到相应元器件，不易出错；二是在电路搭建时可迅速找到对应元器件，方便装配。2在清点元器件时，对电阻要进行初略检测，以防识别出错；对不常见的三极管、特殊二极管等元件要用仪表检测确认，不能简单凭经验判定其极性或质量好坏。第二步：原理图转画装接图所谓原理图转画装接图，就是先将洞洞板的元件面复制到在空白的草稿纸上，然后按电路原理图在复制图上画出电路的装接示意图。这样做的目的是在最后电路搭建时，能方便的按照所画的装接示意图去搭建。共源极放大电路装接示意图如图3-2所示。图3-2 共源极放大电路装接图【注意事项】1在原理图转画装接图时，要综合考虑元器件的布局，要避免元器件扎堆拥挤、分布不均和杂乱无序等形式。2在画装接图时，电阻必须采用卧式安装，在洞洞板上占4个孔或5个孔；电解电容采用立式，占2个孔；发光二极管采用立式，占2个孔最好；场效应管直插，占3个孔。3在画装接图时，跳线要按横平竖直的原则画，做到不斜跨、不交叉、不多脚共孔。4画防反座时要注意标明1、2脚，明确电源极性，避免接错。5在装接图转画完成后，一定要比对原理图认真检查转画的正确性，这一点很重要，因为在后面的电路搭建中需要按装接图进行搭建，装接图如果有错误，会直接导致电路搭建错误。第三步：电路搭建一、搭建注意事项1元器件应排列整齐，布局合理，并符合装配工艺要求。不错装、漏装元器件，不损坏元器件。2需按工艺要求对元器件的引脚进行成形加工。插装极性元器件时需要注意引脚的正确性，特别要注意防反电源插座1、2脚的位置。3搭建跳线时，要按工艺要求对跳线整形，超过5个孔的跳线需要保留绝缘层。4搭建元器件时，电阻、普通二极管等元件要卧式安装，发光二极管、电解电容等元件要贴板安装，瓷片电容、三极管等元件的下端应与电路板保持35mm的间隙。5焊点大小要适中，焊点表面应光滑整洁，无虚焊、错焊、连焊和漏焊等现象。6搭建完成后，应对比装接图或电路原理图再仔细检查，防止装接错误。二、技能小贴士在对电阻的引脚整形时，可以借助万用表表笔前端金属杆的弧度来弯折。三、搭建实物图共源极放大电路搭建实物如图3-3所示。图3-3 2N70000共源极放大电路装配图第三步：电路分析与测试一、电路原理分析场效应管是电压控制器件，通过改变栅-源极电压来控制漏极电流。原理图中，2N7000采用分压式偏置，通过电位器RP1、电阻R2分压后，提供一个合适的栅极偏压，保证管子工作在恒流区；R1的引入是为了避免RP1、R2减小输入电阻，或者说R1的引入是为了增大输入电阻；R4、R5均具有直流负反馈作用，可以稳定静态工作点；R3可将漏极电流id的变化转换成电压uds的变化，使电路具有电压放大作用。电容C1、C2是耦合电容；C3是栅极旁路电容，减小交流信号在R5上的衰减。静态时，没有输入信号，则栅-源极电压VGS不会发生变化，漏极电流ID也不会变化，此时没有输出信号。动态时，输入信号引起栅-源极电压VGS发生变化，从而使漏极电流ID也产生变化，在负载电阻上就会产生一个对应的输出电压变化，输出电压值与对应的输入电压值之比即为该放大器的电压放大倍数。二、电路通电测试1装接完毕，认真检查无误后，用万用表测量电路的电源两端，若无短路，方可接入+5V电源。通电后，若看到发光二极管亮，说明电源正常供电。2共源极放大电路的测试：（1）静态测试：接通5V电源，调节电位器RP1，使J6点的电位为1.7V，用万用表测得J5点的电位_V，J7点的电位_V，计算出VGS_V，VDS_V。（2）动态测试：在输入端加上频率1KHZ、峰峰值100mV的正弦波信号，完成表3-2。表3-2 电路动态测试输入：ipp =100mVf =1KHZ开关S1开关S2输出oppA闭合断开闭合闭合断开断开从表数据可得出结论：接上旁路电容C3，输出信号幅度变_； 接上负载电阻R6，输出信号幅度变_。三、相关理论问答：1共源极放大电路的主要作用是什么？2图3-1中，为什么要引入电阻R5？3图3-1中，如果增大电容器C1、C2的容量，输出信号的幅度会变大还是变小？4图3-1中，电容器C3的作用是什么？5共源极放大电路带负载时对电压放大倍数有何影响？【技能实训】技能实训2 无极调光模块测试【任务分析】普通的白炽灯台灯亮度会随着电压升降而变化，电压低时光亮不足，电压高时又觉得灯光太亮。那么可以做一个无极调光电路装在台灯上就可以解决这样的问题。同时将电路中的调光电位器采用带开关的旋纽电位器，并将起始调光点设为低照度可以避免灯泡通电时受到强电流冲击从而延长灯泡寿命。【技能要求】1理解无极调光电路的工作原理；2了解晶闸管调光电路实际应用；【模块及仪器配置】 模块：MK33电子综合实训平台（电源模块、无极调光电路）仪器：万用表图3-4和图3-5分别为无极调光电路的实物图和电路原理图。图3-4 无极调光应用电路实物图图3-5无极调光应用电路原理图【任务实施】第一步：模块搭接1将白炽灯接到无极调光电路的输出端。2将无极调光电路电源输入端接到交流220V电压上，顺时针扭动可调电位器白炽灯越亮，逆时针则相反。3无极调光电路的实物接线如图3-6所示。图3-6 接线实物图第二步：电路分析与测试1电路分析无极调光电路由调光电位器RP、电容C1、电阻R2与R3、单结晶体管Q2构成触发电路，接通220V交流电源，D1-D4全桥整流得到脉动直流电压，调节RP的阻值，就能改变C1的充、放电时间常数，即改变Q1晶闸管控制触发角，从而改变Q1的导通程度，是白炽灯获得0-220V电压，RP的阻值越大，白炽灯越暗，反之越亮，达到调光的目的。2电路调试（1）由于电路直接与市电相连，调试时应注意安全，保持人体各部分远离印制电路板，防止触电。调试前认真、仔细核查各元器件安装是否正确可靠，最后插上灯泡，进行调试。（2）若灯泡不亮，不可调光，先检查线路连接是否正确，再检测BT33是否损坏，C1是否漏电或损坏等。由BT33组成的单结晶体管振荡器停振，可造成灯泡不亮，不可调光。如果能在C1上测出锯齿状电压，在R3上测出脉冲电压，则该部分电路工作正常，那么就要考虑晶闸管Q1的性能好坏。（3）若在调节电位器R5时，灯泡突然熄灭或发亮，可检测R4的阻值，如果R4的实际阻值太小或短路，则应更换R4。3测试结果根据测试结果，完成表3-3。表3-3输出状态各级元器件的电压R5的阻值（断开电源测量）Q1Q2VAVKVGVb1Vb2Ve灯泡微亮灯泡最亮电路故障及排除方法【知识链接】知识链接1 结型场效应管场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件，是一种电压控制型器件，而普通晶体三极管是一种电流控制型器件。场效应管不仅具有体积小、耗电省、寿命长等特点，还有输入阻抗高、噪声小、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而应用范围广泛，特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了更加广泛地应用。根据结构的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOSFET），而每种又有N沟道和P沟道之分。所谓沟道，就是电流通道。一、结型场效应管的结构和工作原理（一）结构结型场效应管有N沟道和P沟道两种。图3-7（a）是N沟道结型场效应管的结构示意图。从图中可见，N沟道结型场效应管是在一块N型半导体基片的两边扩散出高浓度的反型层（P型区），形成两个PN结。两边的P型区各引出一个电极并接在一起称为栅极g，在N型半导体本身的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。两个PN结之间的N型区域称为导电沟道，这种管子称这N沟道结型场效应管。场效应管的栅极g、源极s和漏极d，分别相当于三极管的基极b、发射极e和集电极c。图3-7（b）是N沟道结型场效应管在电路中的图形符号。 （a） （b）图3-7 N沟道结型场效应管的结构与符号（a）结构 （b）符号按照同样的方法，可制成P沟道结型场效应管，其结构与符号如图3-8所示。 （a） （b）图3-8 P沟道结型场效应管的结构与符号（a）结构 （b）符号（二）工作原理两种沟道的结型场效应管的工作原理是一样的，区别在于管子工作电压的极性是相反的。下面以N沟道结型场效应管为例进行分析，如图3-9所示。1栅-源极电压VGS结型场效应管工作时，其内部两个PN结要加反偏电压。对于N沟道结型场效应管而言，其栅极是P型区、源极是N型区，PN结反偏时P区电位要低于N区电位，所以N沟道结型场效应管的VGS小于0。2漏极电流ID场效应管内，多数载流子要从源极向漏极运动（可把源极理解为多数载流子的出发源头，而漏极是多数载流子的流出点）。对于N沟道结型场效应管，因其多数载流子是自由电子，所以其源极应接电源负极，而漏极应接电源正极，此电压即为漏-源极电压VDS，可见N沟道结型场效应管的VDS大于0。在此VDS电压下，N型沟道内的自由电子从s极向d极运动，但管子工作电流是从d极进入、s极流出，此电流称为漏极电流ID。3栅-源极电压VGS控制漏极电流ID在VDS保持不变的条件下，PN结的宽度随所加反向电压VGS而变化，VGS越高，PN结就越宽。由图3-9可知，PN结变宽时，N沟道就变窄，沟道的电阻就变大，所以漏极电流ID就变小。因此，改变VGS即可控制ID，可见，结型场效应管是一种电压控制型器件。场效应管通常用g极和s极作为输入端使用，而两极之间的PN结是反偏的，所以输入电阻很大。图3-9 N沟道结型场效应管的工作原理从以上分析可见，场效应管在工作时，载流子的通道只能是N型区或P型区，所以场效应管是单极型器件；而普通三极管工作时，载波子必须流过N型区和P型区，所以普通三极管是双极型器件。二、结型场效应管的特性曲线和跨导结型场效应管的特性曲线有两种，即转移特性曲线和输出特性曲线。1转移特性曲线转移特性曲线显示在一定的VDS下，ID与VGS之间的关系，反映了VGS对ID的控制作用。如图3-10所示，是N沟道结型场效应管的转移特性曲线。图中，IDSS称为漏极饱和电流，VP称为夹断电压。图3-10 N沟道结型场效应管的 转移特性曲线 图3-11 N沟道结型场效应管的输出特性曲线 2输出特性曲线结型场效应管的输出特性曲线显示在一定的VGS下，ID与VDS之间的关系，类似于普通三极管的输出特性曲线，也分为三个区域。如图3-11所示，为某N沟道结型场效应管的输出特性曲线。（1）可调电阻区（图中区）此区域内，在某一固定VGS下，ID随着VDS作线性变化，类似于线性电阻；对于不同VGS，曲线斜率不同，相当于电阻阻值在变化。（2）饱和区（图中区）也称为恒流区。此区域内曲线是平直的，横向看ID不随着VDS变化，纵向看ID随着VGS变化，反映VGS对ID的控制作用，相当于晶体三极管的放大区。（3）击穿区（图中区）此区域内，VGS过大，ID迅速增大，若不加以限制则会损坏管子。3跨导在输出特性曲线的饱和区，漏极电流的变化量（ID）与栅-源极电压变化量（VGS）之比，叫场效应管的跨导，表示为gm，单位是A/V。跨导的大小反映了VGS对ID的控制能力。定义式如下定义式:标注VDS等于常数三、综合结论1结型场效应管栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，栅极电流IG 0，输入电阻极高。2场效应管是单极型电压控制电流器件，VGS控制ID；普通晶体三极管是双极型电流控制电流器件，IB控制IC。3场效应管放大时工作在饱和区，呈现恒流特性。【知识链接】知识链接2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管又称为MOS场效应管，它的结构、工作原理与结型场效应管均不相同，具体如下：1从结构上看，结型场效应管的漏、源极直接从半导体基片本身引出，栅极从扩散成的反型区引出；而MOS管的半导体基片是衬底，漏、源极从扩散成的反型区引出，栅极从生长在基片上的绝缘层引出，故称为绝缘栅。2结型场效应管是利用PN结的反向偏置进行工作的，而MOS管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，是表面场效应器件。 绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每种又有N沟道与P沟道之分。 （a） （b）图3-12 增强型绝缘栅场效应管的结构与符号 （a）N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构 （b）增强型绝缘栅场效应管的符号一、N沟道增强型绝缘栅场效应管1结构与符号图3-12（a）是N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构图。从结构上看，N沟道增强型绝缘栅场效应管是在一块P型半导体基片中扩散出两个高浓度的N+区，再在P型基片的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，然后分别在SiO2绝缘层及两个N+区安置三个铝电极栅极g、源极s和漏极d。由于栅极安置SiO2绝缘层上，所以称为绝缘栅场效应管。在它的组成材料包含了金属（M）、氧化物（O）及半导体（S），所以又称为MOS管。增强型MOS管的电路符号如图3-12（b）所示。2工作原理前面讲过，结型场效应管是利用栅-源极反偏电压控制PN结的宽度，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。而绝缘栅场效应管是利用栅-源极电压在半导体表面感生电荷的多少，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。其工作原理如图3-13所示。 （a） （b）图3-13 N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理 （a）示意图 （b）电路图 对于N沟道增强型绝缘栅场效应管，加上正向电压VGS（栅极接正、源极接负），在VGS的作用下，半导体表面两个N+型区之间就感生出自由电子，形成N型沟道；如果在漏极、源之间加上正向电压（漏正源负），就会产生一个漏极电流ID。改变VGS的大小就可以改变感生电荷的多少，从而改变导电沟道的宽窄，控制ID的大小。 当然，VGS = 0时是没有导电沟道的，只有当VGS增大到一定的数值（该数值叫开启电压VT）时，才会有漏极电流ID的产生。这种必须依靠栅-源极电压的作用，才能形成导电沟道的场效应管称为增强型场效应管。二、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管1结构与符号图3-14（a）是N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构。从图中可看出，耗尽型绝缘栅场效应管与增强型绝缘栅场效应管的结构基本相同，但耗尽型绝缘栅场效应管制造时就已经在两个N+区之间形成了导电沟道，因此，它在VGS =0时仍然能够导通。图3-14（b）是耗尽型MOS管的电路符号。2工作原理N沟道耗尽型绝缘栅场效应管在制造时，已经在两个N+区之间形成了导电沟道，当栅-源极电压VGS0时，管子就会导通，产生漏极电流ID，且正向VGS越大ID就越大；当栅-源极电压VGS0时，N型沟道会变窄，且反向的VGS越大，沟道就越窄，ID就越小，当反向VGS增大到某一数值时（该数值叫夹断电压VP），沟道会被夹断，ID=0。所以耗尽型绝缘栅场效应管在正或负的栅-源极电压下都可以工作。 图3-14 耗尽型绝缘栅场效应管的结构与符号 （a）N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构 （b）耗尽型绝缘栅场效应管的符号三、绝缘栅场效应管的特性曲线1转移特性曲线增强型绝缘栅场效应管工作时需要一定的开启电压VT，且N沟道的VT 0，P沟道的VT 0；耗尽型绝缘栅场效应管工作时VGS可正可负，但存在夹断电压VP，N沟道的VP0，P道的VP0。2输出特性曲线绝缘栅场效应管的输出特性曲线也分为三个区，即可调电阻区（区）、饱和区（区）和击穿区（区），三个区的含义同前面的结型场效应管。增强型管子的输出特性曲线上，N沟道的VGS0，P沟道的VGS0；耗尽管子的输出特性曲线上，VGS可正可负，N沟道的上正下负，P沟道的上负下正。各种场效应管的符号及特性曲线比较，如表3-3。表3-3 场效应管分类、符号及特性曲线管型分类符号 输入特性曲线 输出特性曲线结 型N沟道P沟道绝 缘 栅 型增强型N沟道P沟道耗尽型N沟道P沟道【知识链接】知识链接3 场效应管放大电路场效应管与双极型晶体三极管一样能实现对信号的控制。场效应管的三个电极(G、D、S)分别和晶体三极管的三个电极(B、C、E)对应，从工作原理上看，晶体三极管是通过基极来控制集电极电流，而场效应管则通过栅-源极电压来控制漏极电流，它们之间存在对应关系。与晶体管的共射、共基和共集三种组态相对应，场效应管也有共源、共栅和共漏三种组态。 场效应管放大电路的分析方法与晶体三极管放大电路的分析方法基本相同，可以用图解法、估算法和等效电路法进行分析。一、场效应管的基本放大电路图3-15所示是场效应管放大电路的三种组态示意图，其中共栅极很少使用。 （a） （b） （c）图3-15 场效应管的三种组态示意图（a）共源极 （b）共漏极 （c）共栅极 1共源极栅-源极输入，漏-源极输出。具有一定的电压放大能力，且输出电压和输入电压反相。2共漏极栅-漏极输入，源-漏极输出。具有一定的电流放大能力，输出电压与输入电压同相且近似相等，有良好的电压跟随作用，也叫源极输出器或源极跟随器。3共栅极栅-源极输入，栅-漏极输出。具有一定的电压放大能力，输出电压与输入电压同相；输出电流近似等于输入电流，无电流放大能力。二、场效应管放大器静态工作点的设置分析场管放大电路同样需要进行静态分析和动态分析。为保证场效应管在电路中工作在恒流区起放大作用，必有合适的静态工作点Q。（一）基本共源极放大电路的组成图3-16所示为N沟道场效应管的共源极放大电路，各部分作用如下：1场效应管T：起电流放大作用。2电源VGG：提供一个合适的栅-源极偏压VGS。3电源+VDD：用以提供合适的漏-源极偏压，同时提供放大的能量。4电阻Rg：用以增大输入电阻。5电阻Rd：可将输出电流id的变化转化成输出电压uds的变化。6电容C1、C2：耦合电容，传递交流信号，隔断静态直流量。图3-16 共源极放大电路为了方便，电路通常采用单电源供电，主要有自给偏压电路和分压式偏置电路。（二）自给偏压电路如图3-17所示，自给偏压电路是利用管子导通时RS产生的电压来提供VGS的，只适合用于耗尽型场效应管，不适合用于增强型场效应管。图3-17 自给偏压电路（三）分压式偏置电路如图3-18所示，分压式偏置电路是通过偏置电阻分压后提供合适的VGS的，适用于任何类型的场效应管放大电路。图中，Rg3的引入是为了增大输入电阻。图3-18 分压式偏置电路三、场效应管开关电路同晶体三极管一样，场效应管具有开关特性，所以除了应用于放大电路之外，也能够适用于开关电路。图3-19所示为场效应管组成的循环彩灯电路，图中的2N70000工作于开关状态。该电路安装时，可把三个LED组成三角形，循环效果更明显。图3-19 场效应管组成的循环彩灯电路【思考与练习】一、判断题：1.场效应管也称为单极型晶体三极管。（ ）2.N沟道MOS管与NPN型晶体三极管的工作原理相同。（ ）3.结型场效应管的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线两种。（ ）4.场效应管的跨导反映了VGS对ID的控制能力。（ ）5.开启电压VT是耗尽型场效应管的重要参数。（ ）6.MOS型场效应管有N沟道、P沟道及增强型、耗尽型之分。（ ）7.场效应管的输出特性曲线有可调电阻区、放大区和饱和区三个区。（ ）8.场效应管共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相差180O。（ ）9.场效应管放大电路中，放大的能量由场效应管提供。（ ）10.自给偏压电路适用于任何场效应管放大电路。（ ）二、选择题：1.场效应管的线性放大区是（ ）。A、可调电阻区 B、截止区C、饱和区 D、击穿区2.题图3-1所示符号为（ ）的符号。题图3-1A、增强型NMOS管 B、增强型PMOS管 C、耗尽型NMOS管 D、耗尽型PMOS管3.结型场效应管的输入电阻为（ ）。A、几十欧姆 B、可达1015 C、107108 D、无穷大4.场效应管是通过改变（ ）来改变漏极电流的。A、栅极电流 B、栅-源极电压C、漏-源极电压 D、电源电压5.场效应管是（ ）控制器件，晶