CU系列称重传感器放大电路设计一．课程设计摘要
CU系列称重传感器应用了电桥电路、放大电路、平移电路和A/D转换器，具有较高的灵敏度和应用性。本文对这种传感器的部分电路进行研究演示出仿真图。称重传感器是压力测量传感器，它常用于静态测量和动态测量，压缩形式，具有较好的精度。它的机械部分是由一整块的金属部分组成，所以这个基本的测量元件和它的外壳部分没有焊接过程，从而使尺寸更小，并且加强了保护等级，这种点部测量的结构，具有8个压力测量，减少因负载的不完善的应用带来的误差。正文中首先简单描述称重传感器工作原理，且附以系统硬件设计框图，并介绍了各部分的功能及工作过程, 并具体描述了软件调试。其次阐述了程序的流程和实现过程。
关键词：电桥三运放放大器平移电路
二．设计题目及技术指标：
CU系列称重传感器如右图所示，常用于压缩形式应用中静态测量和动态测量。现该传感器需要外配放大器，将其输出的电压信号转换成AD转换器所需要的电压，AD转换器的满围输入电压为0.5~3V。
CU系列称重传感器的技术指标如下：
标准输出电阻425欧姆；
标准电源电压 6V。
1、平移电路设计
平移电路的公式为：
运算放大器的传递函数是一条直线方程： y=±mx ±b
其电路结构取决于m 和b 的符号，不同的m 和b 的符号，可以形成4个方程，因此可以由4种不同结构的运放电路实现。 V OUT =mV IN +b V OUT =mV IN －b V OUT =－mV IN +b V OUT =－mV IN －b
对于每个方程，若要解出m 和b ，需要两个数据点,就是两组V IN 和V OUT, 就可以联立求解上述方程。 所选可能:V OUT =mV IN +b
这种情况的电路如图2所示。电路中的两个0.01μF 的电容是去耦电容，因为参考电压来自电源，通常参考电压是要放大的。 由图，使用叠加原理和如下方程：
对比方程 V OUT =mV IN +b ，可以得到下图： 再根据m n 的值，确定电路中的电阻和V REF 的值，其中：
)
)((212
G G F R R R R R R m ++=))((211
G
G F REF R R R R R R V b ++=
2.仪表放大器基本工作原理运算放大器工作原理图：
运算放大器可以实现前一级电桥输出的微小信号使得信号可以被电表测的。右图为三运放放大器电路图，提供的更进一步的改进，并且已经成为仪表放大器设计最流行的结构。U1和U2放大器缓冲输入电压。由于每个放大器的求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG 两端。因为输入电压经过放大以后的差分电压在R5、R6和RG 这三个电阻上，所以差分增益可以改变RG 进行调整。这种连接有另一有点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻设定后，在改变增益是不再对电阻匹配有要求。如果R5=R6，R1=R3，R2=R4，则有：
若已知电桥的输出电压 V IN2－V IN1，和所期望的被放大电压V OUT ，则带入以上公式可设置相应的个电阻值。 其输出电压公式为：
3.电桥
电桥经常用于压力、温度等测量传感器电路中。器原理是利用电桥中电阻的阻值随物理量的变化，使得电桥产生不平衡电压输出。例如，应变电阻在电阻变形时会改变阻值，热电阻在温度发生变化时会产生阻值变化。
在定电压驱动电桥时，根据各个桥臂电阻是否发生变化，其线性度和输出电压灵敏度是不同的。
)
)(21)((1
2
512R R RG R V V V IN IN OUT
+-=
（图4）
对于定向电流驱动时，电桥线性度和灵敏的差别如下图：
电桥电路输出电压公式为：
三．电路参数计算
1.电桥电路计算
电桥选第三种情况，即一侧双桥臂变化。课程设计题目要求各桥臂电阻阻值为350Ω，电桥电压V B =10V 电阻变化值ΔR 为2%R,即
计算过程为：
2.放大电路部分的选择及计算
放大电路选的为三运放电路，由公式：
))(21)((1
2
512R R RG R V V V IN IN OUT +
-=
计算过程为：
3.平移电路计算及选取如图所示：
计算过程为：
，
四．电路仿真
将以上各部分电路连接起来，并进行仿真。当上桥臂加ΔR下桥臂减ΔR时，如图附图1所示；当上桥臂减ΔR下桥臂加ΔR时，如图附图2；当ΔR为零时，如图附图3所示。
第3章场效应管及其基本放大电路 3.1 教学内容与要求 本章介绍了场效应管的结构、类型、主要参数、工作原理及其基本放大电路。教学内容与教学要求如表1.1所示。 表3.1 第3章教学内容与要求 3.2 内容提要 3.1.1场效应晶体管 1．场效应管的结构及分类 场效应管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，是电压控制型器件。工作过程中起主要导电作用的只有一种载流子（多数载流子），故又称单极型晶体管。场效应管有两个PN结，向外引出三个电极：漏极D、栅极G和源极S。 场效应管的分类如下： 2．场效应管的工作原理 (1)栅源控制电压的极性 对JFET，为保证栅极电流小，输入电阻大的特点，栅源电压应使PN结反偏。N沟道JFET：U GS<0；P 沟道JFET：U GS>0。 对增强性MOS管，N沟道增强型MOS管，参加导电的是电子，栅源电压应吸引电子形成反型层构成导
电沟道，所以U GS >0；同理，P 沟道增强型MOS 管，U GS <0。 对耗尽型MOS 管，因二氧化硅绝缘层里已经掺入大量的正离子（或负离子：N 沟道掺入正离子；P 沟道掺入负离子），吸引衬底的电子（或空穴）形成反型层，即U GS =0时，已经存在导电沟道，所以，栅源电压U GS 可正可负。 (2) 夹断电压U GS(off)和开启电压U GS(th) 对JFET 和耗尽型MOS 管，当｜U G S ｜增大到一定值时，导电沟道就消失（称为夹断），此时的栅源电压称为夹断电压U GS(off)。N 沟道场效应管U GS(off ) <0；P 沟道场效应管U GS(off ) >0。 对增强型MOS 管，当?U GS ?增加到一定值时，才会形成导电沟道，把开始形成反型层的栅源电压称为开启电压U GS(th)。N 沟道增强型MOS 管U GS(th ) >0；P 沟道增强型MOS 管U GS(th ) <0。 (3) 栅源电压u GS 对漏极电流i D 的控制作用 场效应管的导电沟道是一个可变电阻，栅源电压u GS 可以改变导电沟道的尺寸和电阻的大小。当u DS =0时，u GS 变化，导电沟道也变化但处处等宽，此时漏极电流i D =0；当u DS ≠0时，产生漏极电流，i D ≠0，沿沟道产生了电位梯度使导电沟道变得不等宽。 当u GS 一定，?u DS ?增大到一定大小时，在漏极一侧导电沟道被夹断，称为预夹断。 导电沟道预夹断前，?u DS ?增大，?i D ?增大，漏源间呈现电阻特性，但u GS 不同，对应的电阻不同。此时，场效应管可看成受u GS 控制的可变电阻。 导电沟道预夹断后，?u DS ?增大，i D 几乎不变。但是，随u GS 变化，i D 也变化，对应不同的u GS ，i D 的值不同。即i D 几乎仅仅决定于u GS ，而与u DS 无关。栅源电压u GS 的变化，将有效地控制漏极电流i D 的变化，即体现了栅源电压u GS 对漏极电流i D 的控制作用。 3．效应管的伏安特性 效应管的伏安特性有输出特性和转移特性。 (1) 输出特性：指当栅源电压u GS 为常量时，漏极电流i D 与漏源电压u DS 之间的关系，即 常数==GS )(DS D u u f i （3-1） 场效应管有四个工作区域： 可变电阻区：导电沟道预夹断前，此时场效应管是一个受u GS 控制的可变电阻。 恒流区：导电沟道预夹断后，此时漏极电流i D 仅决定于u GS ，场效应管相当于一个栅源电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，都工作在该区域。 截止区：导电沟道被全部夹断，i D ≈0。 击穿区：?u DS ?太大，靠近漏区的PN 结被击穿，i D 急剧增加，很快会烧毁管子。不允许场效应管工作在击穿区。 (2) 转移特性：指当漏源电压u DS 为常量时，漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系，即 常数 ==DS )(GS D u u f i （3-2） 转移特性表示栅源电压u GS 对漏极电流i D 的控制作用。 4．场效应管的主要参数 (1) 直流参数：夹断电压U GS （off ）；开启电压U GS(th)；饱和漏极电流I DSS ；直流输入电阻R GS(DC)。 (2) 交流参数：低频跨导g m ；极间电容。 (3) 极限参数：最大漏极电流I DM ；最大漏源电压U (BR)DS ； 最大栅源电压U (BR)GS ；最大耗散功率P DM 。 3.1.2场效应管放大电路 1. 场效应管的低频小信号模型 场效应管的低频小信号模型，如图3-1(a)所示，简化的低频小信号模型，如图3-1(b)所示。
用分立元件设计制作互补对称式功率放大器 2008-08-18 13:49:31 作者：未知来源：中国电子网 关键字：功率放大器运放达林顿管恒流源工作电流稳压管差动放大器电压放大集电极元件 一、功率放大器基本电路特点 互补对称式OTL功率放大器基本电路如图①所示。其中：C1为信号输入偶合元件，须注意极性应于实际电路中的电位状况保持一致。R1和R2组成BG1的偏置电路，给BG1提供静态工作点，同时也在整个电路中起到直流负反馈作用。要求通过R1的电流大于BG1的基极电流至少5倍，按照β为100、Ic1为2mA计算，R1应不大于6k，故给定为5.1k；C1因此也相应给定为22μ，它对20Hz信号的阻抗为362Ω；R2需根据电源采用的具体电压确定，约为R1（E/2-0.6）/0.6，按照32V电压值应取为约120K，确切值通过实际调试使BG1集电极电压为15.4V来得到。 C2与R3构成自举电路，要求R3C2＞1/10、（R3＋R4）Ic1＝E/2－1.2，因R4 是BG1的交流负载电阻，应尽可能取大一点，R3一般取在1k之内。按照32V电源电压值和Ic1为2mA进行计算，R3与R4之和为7.2k，实际将R3给为820Ω、R4给为6.8k，Ic1则为1.94mA；C2因此可取给为220μ。 R5和D是BG2、BG3互补管的偏置电路元件，给BG2、BG3共同提供一个适当静态工作点，在能够消除交越失真情况下尽量取小值，根据实验结果一般取在3mA～4mA；改变R5阻值可使BG2与BG3的基极间电压降改变而实现对其静态工作的调整，与R5串联的D是为了补偿BG2、BG3发射结门坎电压随温度发生的变化，最好采用两只二极管串联起来补偿互补管发射结门坎电压随温度发生的变化，使互补管静态工作点稳定。简化电路中省略使用一只二极管。并联在BG2、BG3基极间的C4，可使动态工作时的ΔUAB减小，一般取为47μ；C3是防止BG1产生高频自激的交流负反馈电容，一般取为47P～200P。 BG1起电压放大作用，在该电路中被称为激励级，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic1/400＝5μA、β＝100～200，所以应选用小功率低噪声三极管。BG2和BG3是互补电流放大极，分别与BG4、BG5构成复合管对输出电流进行放大，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic2/100＝30μA、β＝100～200。在BG4、BG5使用普通大功率三级管而不是内部已经做成复合式大功率三级管的情况下，BG2与BG3需要提供给后级大功率三级管超过100mA的峰值驱动电流，因此应使用中功率三级管。BG4和BG5是负责放大输出电流的大功率管，静态工作电流可取在10mA～30mA，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic4/100＝0.1mA、β＝50～100。BG4和BG5的最大极限电流Imax应该比输出电流最大幅值大1倍，方能保证输出电流最大幅值时β＞10。 R6和R7分别是BG4和BG5静态工作点调整分流电阻，动态工作时的分流作用可以忽略不计。在Ube4和Ube5都等于0.6V标准参数时，由互补电流放大级的静态工作电流
实验六场效应管放大器 一、实验目的 1、了解结型场效应管的性能和特点 2、进一步熟悉放大器动态参数的测试方法 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、信号发生器 三、实验原理 实验电路如下图所示：
图6-1 场效应管是一种电压控制型器件。按结构可分为结型和绝缘栅型两种类型。由于场效应管栅源之间处于绝缘或反向偏置，所以输入电阻很高（一般可达上百兆欧）又由于场效应管是一种多数载流子控制器件，因此热稳定性好，抗辐射能力强，噪声系数小。加之制造工艺较简单，便于大规模集成，因此得到越来越广泛的应用。 1、结型场效应管的特性和参数 场效应管的特性主要有输出特性和转移特性。图6－2所示为N 沟道结 图6－2 3DJ6F 的输出特性和转移特性曲线 型场效应管3DJ6F 的输出特性和转移特性曲线。 其直流参数主要有饱和漏极电流I DSS ，夹断电压U P 等；交流参数主要有低频跨导 常数U △U △I g DS GS D m == 表6－1列出了3DJ6F 的典型参数值及测试条件。
表6－1 2、场效应管放大器性能分析 图6－1为结型场效应管组成的共源级放大电路。其静态工作点 2 P GS DSS D )U U (1I I - = 中频电压放大倍数 A V ＝－g m R L ＇＝－g m R D // R L 输入电阻 R i ＝R G ＋R g1 // R g2 输出电阻 R O ≈R D 式中跨导g m 可由特性曲线用作图法求得，或用公式 )U U (1U 2I g P GS P DSS m -- = 计算。但要注意，计算时U GS 要用静态工作点处之数值。 3、输入电阻的测量方法 场效应管放大器的静态工作点、电压放大倍数和输出电阻的测量方法，与实验二中晶体管放大器的测量方法相同。其输入电阻的测量， S D DD g2 g1g1 S G GS R I U R R R U U U -+= -=
原理图设计过程 原理图的设计是整个电路设计的基础，如果原理图的设计不正确，后面的工作都将不会正确。因此正确完整的设计原理图是非常重要的，必须确保每个元件，每个电气连接都不能出错。采用Protel99SE绘制电路原理图的过程如下： 1.创建电路原理图文件。 2.设置原理图图纸等各项参数。 3.添加库文件，放置元件到原理图中。 4.调整原理图元件的位置。 5.完成电路的电气连接。 6.检查电路的电气连接，元件属性等各项参数的设置。 7.产生各种输出表格，文件保存并打印。 图1 创建原理图文件 首先创建扩展名为ddb的用户设计文件，在用户的文件夹内新建子文件，选择原理图文件，然后点击“OK”，创建新的在用户文件夹中创建原理图文件。 原理图编辑器工作区 原理图的编辑区为绘制原理图的编辑区域，使用Protel99SE的绘制原理图的过程中，必须要设置原理图的幅面属性。可以通过菜单命令“Design/Options”得到原理图文档属性设置窗口如图2所示，或在原理图编辑区内单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Document
Options”。 1）“Document Options”窗口中包含“Sheet Options”幅面属性设置窗口及“Organization”原理图标题栏内容设置窗口，图6－31所示为原理图文档属性设置窗口。各项功能的设置如下： “Standard Style”：用于选择标准图纸底大小。通过下拉菜单选择，如图6－32所示。公制有A0（最大）、A1、A2、A3、A4（最小），英制有A（最小）、B、C、D、E（最大），Orcad标准有Orcad A 、Orcad B、Orcad C、Orcad D、Orcad E，其它格式有Letter、Legal、Tabloid。 “Custom Style”：用户自定义图纸尺寸设置，当选择该项时在“Use Custom”前的复选框内打钩，则可以按用户要求设置图纸底大小等属性。如图6－33所示。“Custom Width”自定义图纸的宽度，“Custom Height”自定义图纸的高度，“X Ref Reqion”水平参考边框等分为X段，“Y Ref Reqion”垂直参考边框等分为Y段，“Margin Width”图纸边框宽度。 用户可以选择标准图纸也可以根据需要自己设置图纸大小，但在打印图纸时必须考虑打印机所能够打印的图纸的大小，打印时可以适当的缩小放大原理图，如果图纸的面积太大则可以采用层次电路的设计方法将一张原理图分割为多张原理图的设计方法。“Orientation”设置图纸放置的方向，“Landsape”为水平放置，“Portrait”为垂直放置。“Title Block”标题栏设置，有两种方式，“standard”为标准标题栏，“ANSI”为美国国家标准协会制定的标题栏。如果需要显示标题栏则在“Title Block”前面的复选框内打钩。 “Show Reference Zone”设置是否显示边框中的参考坐标。 “Show Border”设置是否显示图纸的边框线。 “Show Template Graphics”设置是否显示画在模板内的图形、文字及专用字符串等。 “Border”设置边框的颜色，如果需要修改边框眼色则用鼠标左键点击右侧的事例颜色区域，弹出如图6－35所示的窗口，修改边框颜色，用户还可以根据需要点击“Define Custom Colors”，自定义用户颜色。 “Sheet”修改原理图底图颜色设置，鼠标左键点击右侧的事例颜色得到同样的颜色修改窗口，修改过程与修改边框颜色类似。 “Grids”用于设置图纸的锁定栅格及可视栅格的大小。“Snap”锁定栅格设置，设置光标移动的步长，使光标只能定位在固定的栅格点上。用户可以根据绘图精度，修改锁定的栅格大小，通常选中该选项，默认为10。“Visible”可视的栅格设置，设置可以看到的栅格的大小，此项的设置大小不映象光标的移动步长，只影像视觉效果，通常选中该选项，默认为10。 “Electrical Grid”电气栅格设置，选中该选项后，在绘制导线时，系统会以当前光标为中心，以设置的长度为半径，搜索可连接的电气节电，搜索到后自动将光标移动到该电气节电上，如果不选中该选项则无自动寻找电气节电功能。 “Change System Font”修改系统字体设置，点击该按钮则弹出“字体”窗口设置系统字体。 “Organization”文件信息设置，鼠标单击“Organization”得到文件信息设置窗口。窗口各项设置功能如下： “Organization”设置设计单位名称，“Address”设置设计单位地址，“Sheet”原理图的编号。“Document”绘制文件的信息，电路图的标题、编号等信息。 完成原理图的文档选项设置后，按键盘上的“Page Up”、“Page Down”键放大或缩小视图。
第3章场效应管放大电路 3-1判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R GS 大的特点。（?） （2）若耗尽型N沟道MOS管的U GS大于零，则其输入电阻会明显变小。（?） 3-2选择正确答案填入空内。 （1）U GS＝0V时，不能够工作在恒流区的场效应管有B 。 A. 结型管 B. 增强型MOS管 C. 耗尽型MOS管 （2）当场效应管的漏极直流电流I D从2mA变为4mA时，它的低频跨导g m将 A 。 A.增大 B.不变 C.减小 3-3改正图P3-3所示各电路中的错误，使它们有可能放大正弦波电压。要求保留电路的共源接法。 图P3-3 解：（a）源极加电阻R S。 （b）漏极加电阻R D。 （c）输入端加耦合电容。 （d）在R g支路加－V G G，＋V D D改为－V D D 改正电路如解图P3-3所示。
解图P3-3 3-4已知图P3-4(a)所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图（b）(c)所示。 （1）利用图解法求解Q点；（2）利用等效电路法求解u A 、R i和R o。 图P3-4
解：（1）在转移特性中作直线u G S ＝－i D R S ，与转移特性的交点即为Q 点；读出坐标值，得出I D Q ＝1mA ，U G S Q ＝－2V 。如解图P3-4（a ）所示。 解图P 3-4 在输出特性中作直流负载线u D S ＝V D D －i D （R D ＋R S ），与U G S Q ＝－2V 的那条输出特性曲线的交点为Q 点，U D S Q ≈3V 。如解图P3-4（b ）所示。 （2）首先画出交流等效电路（图略），然后进行动态分析。 mA/V 12DQ DSS GS(off) GS D m DS =-= ??= I I U u i g U Ω ==Ω==-=-=k 5 M 1 5D o i D m R R R R R g A g u & 3-5 已知图P3-5（a ）所示电路中场效应管的转移特性如图（b ）所示。求解 电路的Q 点和u A &。 图P3-5 解：（1）求Q 点： 根据电路图可知， U G S Q ＝V G G ＝3V 。 从转移特性查得，当U G S Q ＝3V 时的漏极电流 I D Q ＝1mA
利用场效应管实现放大电路 一、设计题目 设计一个场效应管放大器，要求电压增益大于40，输出阻抗小与500欧姆，电源电压15V，输出信号峰峰值不小于8 V，非线性失真度小于10%。 二、技术参数要求 1, 要求电压增益大于40 2,输出阻抗小与500欧姆 3,电源电压15V 4,输出信号峰峰值不小于8 V 5,非线性失真度小于10% 三、所用设备、仪器及清单 示波器一个、信号发生器一个、直流稳压电源一个、数字万用表一个、3DJ6F场效应管三个、47μF电容五个、面包板一个、电阻若干。 四、电路图 五、原理介绍
(1)转移特性栅极电压对漏极电流的控制作用称为转移特性，若用曲线表示，该曲线就称为转移特性曲线。它的定义是：漏极电压UDS恒定时，漏极电流ID同栅极电压UGS的关系，即结型场效应管的转移特性曲线如图所示。图中的Up为夹断电压，此时源极与漏极间的电阻趋于无穷大，管子截止。在UP电压之后，若继续增大UGS就可能会出现反向击穿现象而损坏管子。 (2)输出特性UDS与ID的关系称为输出特性，若用曲线表示，该曲线就称为输出特性曲线。它的定义是：当栅极电压UGS恒定时，ID随UDS的变化关系，即结型场效应管的输出特性曲线如图所示。结型场效应管的输出特性曲线分为三个区，即可变电阻区、饱和区及击穿区。当UDS较小时，是曲线的上升部分，它基本上是通过原点的一条直线，这时可以把管子看成是一个可变电阻。当UDS增加到一定程度后，就会产生预夹断，因此尽管UDS再增加，但IS基本不变。因此预夹断点的轨迹就是两种工作状态的分界线。把曲线上UDS=UGS-UP的点连接起来，便可得到预夹断时的轨迹。轨迹左边对应不同UGS值的各条直线，通称为可变电阻区；
用分立元件设计放大器教程 一、功率放大器基本电路特点 互补对称式OTL功率放大器基本电路如图①所示。 其中： C1为信号输入偶合元件，须注意极性应于实际电路中的电位状况保持一致。R1和R2组成BG1的偏置电路，给BG1提供静态工作点，同时也在整个电路中起到直流负反馈作用。要求通过R1的电流大于BG1的基极电流至少5倍，按照β为100、Ic1为2mA计算，R1应不大于6k，故给定为5.1k；C1因此也相应给定为22μ，它对20Hz信号的阻抗为362Ω；R2需根据电源采用的具体电压确定，约为R1（E/2-0.6）/0.6，按照32V电压值应取为约120K，确切值通过实际调试使BG1集电极电压为15.4V来得到。 C2与R3构成自举电路，要求R3×C2＞1/10、（R3＋R4）×Ic1＝E/2－1.2，因R4是BG1的交流负载电阻，应尽可能取大一点，R3一般取在1k之内。按照32V电源电压值和Ic1为2mA 进行计算，R3与R4之和为7.2k，实际将R3给为820Ω、R4给为6.8k，Ic1则为1.94mA；C2因此可取给为220μ。 R5和D是BG2、BG3互补管的偏置电路元件，给BG2、BG3共同提供一个适当静态工作点，在能够消除交越失真情况下尽量取小值，根据实验结果一般取在3mA～4mA；改变R5阻值可使BG2与BG3的基极间电压降改变而实现对其静态工作的调整，与R5串联的D是为了补偿BG2、BG3发射结门坎电压随温度发生的变化，最好采用两只二极管串联起来补偿互补管发射结门坎电压随温度发生的变化，使互补管静态工作点稳定。简化电路中省略使用一只二极管。并联在BG2、BG3基极间的C4，可使动态工作时的ΔUAB减小，一般取为47μ；C3是防止BG1产生高频自激的交流负反馈电容，一般取为47P～200P。
第3章 场效应管及其放大电路例题解析 例3．1 试将场效应管栅极和漏极电压对电流的控制机理，与双极型晶体管基极和集电极电压对电流的控制机理作一比较。 场效应管栅极电压是通过改变场效应管导电沟道的几何尺寸来控制电流。漏极电压则改变导电沟道几何尺寸和加速载流子运动。双极型三极管基极电压是通过改变发射结势垒高度来控制电流，集电极电压(在放大区)是通过改变基区宽度，从而改变基区少子密度梯度来控制电流。 例3．2 N 沟道JFET 的转移特性如图3．1所示。试确定其饱和漏电流I DSS 和夹断电压V P 。 解 由图3．1可至知，此JFET 的饱和漏电流I DSS ≈4mA ，夹断电压V P ≈-4V 。 例3．3 N 沟道JFET 的输出特性如图3．2所示。漏源电压的V DS ＝15V ，试确定其饱和漏电流I DSS 和夹断电压V P 。并计算V GS ＝-2V 时的跨导g m 。 解 由图3．2可得：饱和漏电流I DSS ≈4mA ，夹断电压V P ≈-4V ，V GS ＝-2V 时，用作图法求得跨导近似为：ms g m 2.1) 2(14.16.2=----≈ 例３．4 在图3．3所示的放大电路中，已知V DD ＝20V ，R D ＝10k Ω，R S ＝10k Ω，R １＝200k Ω，R 2＝51k Ω，R G ＝1M Ω，并将其输出端接一负载电阻R L ＝10 k Ω。所用的场效应管为N 沟道耗尽型，其参数I DSS ＝0．9mA ，V P ＝—4V ，g m ＝1．5mA ／V 。试求：(1)静态值； (2)电压放大倍数。 解 (1) 画出其微变等效电路，如图3．4所示。其中考虑到ｒＧＳ很大，可认为ｒＧＳ开路，由电路图可知， V V V R R R V DD G 42010 )51200(105133 212=??+?=+= 并可列出 D D S G G S I I R V V 310104?-=-= 图3．1 图3． 2
南昌大学实验报告 学生姓名：学号：专业班级：生医091 实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：20110615 实验成绩：实验十三基于Multisim的场效应管放大器电路设计 一、实验目的： 1、场效应管电路模型、工作点、参数调整、行为特征观察方法 2、研究场效应放大电路的放大特性及元件参数的计算 3、进一步熟悉放大器性能指标的测量方法 二、实验原理： 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。 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。 2．偏置电路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。 三、实验内容及步骤 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V D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 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=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)测量输入及输出阻抗 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V01，然后断开S，测出相应的输出电压V02，因为两次测量中和是基本不变的，所以 R i=V O2/(V O1-V O2)R 输出电阻测量:在放大器输入端加入一个固定信号电压Vs ，分别测量当已知负载R L断开和接上的输出电压V0和V0L。则 R0=（V0 / V0L -1）R L
* 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 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及元件参数的计算 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)以及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
第四章 场效应管（FET ）及基本放大电路 §4.1 知识点归纳 一、场效应管（FET ）原理 ·FET 分别为JFET 和MOSFET 两大类。每类都有两种沟道类型，而MOSFET 又分为增强型和耗尽型（JFET 属耗尽型），故共有6种类型FET （图4-1）。 ·JFET 和MOSFET 内部结构有较大差别，但内部的沟道电流都是多子漂移电流。一般情况下，该电流与GS v 、DS v 都有关。 ·沟道未夹断时，FET 的D-S 口等效为一个压控电阻（GS v 控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流D i 为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时D i 主要受控于GS v ，而DS v 影响较小。这就是FET 放大偏置状态；部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。 ·在预夹断点，GS v 与DS v 满足预夹断方程： 耗尽型FET 的预夹断方程：P GS DS V v v -=（P V ——夹断电压） 增强型FET 的预夹断方程：T GS DS V v v -=（T V ——开启电压） ·各种类型的FET ，偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表4-4总结。 表4-4 FET 放大偏置时GS v 与DS v 应满足的关系 ·偏置在放大区的FET ，GS v ~D i 满足平方律关系： 耗尽型： 2 ) 1(P GS DSS D V v I i - =（DSS I ——零偏饱和漏电流） 增强型：2 )(T GS D V v k i -=*
· FET 输出特性曲线反映关系 参变量 G S V DS D v f i )(=，该曲线将伏安平面分为可变电阻区 （沟道未夹断），放大区（沟道部分夹断）和截止区（沟道全夹断）；FET 转移特性曲线反映在放大区的关系)(GS D v f i =（此时参变量DS V 影响很小），图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的6种FET 的转移特性曲线，这组曲线对表4-4是一个很好映证。 二、FET 放大偏置电路 ·源极自给偏压电路（图4-18）。该电路仅适用于耗尽型FET 。有一定稳Q 的能力，求解该电路工作点的方法是解方程组： 22() [FET ()]GS D DSS d GS T P GS S D v i I v i k v V V v R i ? =-=-?? ?=-?对于增强型,用关系式 ·混合偏压电路（图4-20）。该电路能用于任何FET ，在兼顾较大的工作电流时，稳Q 的效果更好。求解该电路工作点的方法是解方程组： ??? ??-+=D s CC GS i R R R R V v 212平方律关系式 以上两个偏置电路都不可能使FET 全夹断，故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。 三、FET 小信号参数及模型 ·迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型（图4-22低频模 型，图4-23高频模型）。 ·小信号模型中的跨导 Q GS D m v i g ??= m g 反映信号gs v 对信号电流d i 的控制。m g 等于FET 转移特性曲线上Q 点的斜率。 m g 的估算：耗尽管 D DSS P m I I V g ||2 = 增强管D m kI g 2= ·小信号模型中的漏极内阻 Ds ds D Q v r i ?= ? ds r 是FET “沟道长度调效应”的反映，ds r 等于FET 输出特性曲线Q 点处的斜率的倒 数。 四、基本组态FET 小信号放大器指标 1．基本知识 ·FET 有共源（CS ）共漏（CD ）和共栅（CG ）三组放大组态。 ·CS 和CD 组态从栅极输入信号，其输入电阻i R 由外电路偏置电阻决定，i R 可以很大。 ·CS 放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE 放大器相同时，因其m g 较小，|| V A
习题九 9-1 集成运放电路与分立元件放大电路相比有哪些突出优点？ 答：集成运放与分立元件放大电路相比有很多优点，其突出优点是： （1）在集成电路中，制造有源器件（晶体三极管、场效应管等）比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不会增加麻烦，因此，集成电路中大量使用有源器件组成的有源负载，以获得大电阻，提高放大电路的放大倍数；将其组成电流源，以获得稳定的偏置电流。所以一般集成运放的放大倍数与分立元件的放大倍数相比大得多。 （2）由于集成电路中所有元件同处于一块硅片上，相互距离非常近，且在同一工艺条件下制造，因此，尽管各元件参数的绝对精度差，但它们的相对精度好，故对称性能好，特别适宜制作对称性要求高的电路，如差动电路、镜像电流源等。 （3）集成运算放大电路中，采用复合管的接法以改进单管性能。 9-2 什么是零点漂移？产生零点漂移的主要原因是什么？差动放大电路为什么能抑制零点漂移？ 答：由于集成运放的级间采用直接耦合方式，各级的静态工作点相互影响，前一级的静态工作点的变化将会影响到后面各级的静态工作点，由于各级的放大作用，第一级的微弱信号变化，经多级放大后在输出端也会产生很大变化。当输入电压为零时，输出电压偏离零值的变化称为“零点漂移”。产生“零点漂移”的原因主要是因为晶体三极管的参数受温度的影响。差动电路是采用两个参数完全对称的电路，两个管子的温度特性也完全对称，所以当输入电压为零时，两个管子集电极电位是相等的，差动电路能够抑制“零点漂移”。 9-3 在A 、B 两个直接耦合放大电路中，A 放大电路的电压放大倍数为100，当温度由20℃变到30℃时，输出电压漂移了2V ；B 放大电路的电压放大倍数为1000，当温度从20℃变到30℃时，输出电压漂移10V 。试问哪一个放大电路的零漂小？为什么？ 答：要判断哪个电路零漂大，一般是将它折合到输入端，由于两个电路温度都是由20℃变到30℃，所以A 电路2V/100=20mV ，B 电路为10V/1000=10mV ，所以B 电路零漂小。 9-4 集成运算放大电路是一种什么电路？由哪几部分构成？各部分电路有什么特点？ 答：集成运放的输入与输出呈线性关系，所以集成运放是线性集成电路。集成运放共由四部分组成：输入级—作用是提供与输出同相和反相关系的两个输入端，要求是温度漂移尽可能小；中间级—主要完成电压放大任务；输出级—向负载提供一定的功率，属于功率放大；偏置电路—向各级提供稳定的静态工作电流。 9-5 何谓差模信号？何谓共模信号？若在差动放大电路的一个输入端上加上信号U i 1=4mV ，而在另一个输入端加入信号U i 2，当U i 2分别为 （1）U i 2=4mV ； （2）U i 2=-4mV ； （3）U i 2=-6mV ； （4）U i 2=6mV ； 时，分别求出上述四种情况的差模信号U id 和共模信号U ic 的数值。 答：所谓差模信号是指在差动放大电路两个输入端分别加入幅度相等而极性相反的信号。共模信号则是在差动放大电路的输入端接入幅度相等、极性相同的信号。 U id =U i 1-U i 2 2 21i i ic U U U += （1）U id =4-4=0 U ic =(4+4)/2=4mV （2）U id =4-(-4)=8mV U ic =(4+(-4)/2=0 （3）U id =4-(-6)=10mV U ic =(4+(-6)/2=-1mV
第四章场效应管放大电路 本章内容简介 场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。 4.1 结型场效应管 4.1.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 在一块N型半导体材料的两边各扩散 一个高杂质浓度的P+ 区,就形成两个不对 称的PN结，即耗尽层。把两个P+区并联在 一起，引出一个电极g，称为栅极，在N 型半导体的两端各引出一个电极，分别称 为源极s和漏极d。 场效应管的与三极管的三个电极的对应关系： 栅极g—基极b；源极s—发射极e；漏极d—集电极c夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。 如果在一块P型半导体的两边各扩散一 个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟 道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的
结构示意图和它在电路中的代表符号
如图所示。 2. 工作原理 v GS对i D的控制作用 为便于讨论，先假设漏－源极间所加的电压v DS=0。 (a) 当v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小。 (b) 当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于N 区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏－源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D也将为零。这时的栅－源电压v GS称为夹断电压，用V P表示。在预夹断处：V GD=V GS－V DS =V P 上述分析表明: (a)改变栅源电压v GS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。 (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压v DS，则漏极电流i D将受v GS的控制，|v GS|增大时，沟道电阻增大，i D减小。 (c)上述效应也可以看作是栅－源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流i D的大小。 v DS对i D的影响 设v GS值固定，且V P UM10155 Discrete Class D High Power Audio Amplifier UM10155：分立元件D类大功率音频功放 Keywords ：Class D Audio Amplifier, Universal Class D, UcD, PWM Audio Amplifier, High Power Audio. 关键词：D类音频放大器，全D类（UcD）, PWM功放，大功率功放 Abstract ：This user manual describes the operating instructions and the most important background information of the Philips Semiconductor Discrete Class D High Power Audio Amplifier Demonstrator Board. With proper heatsinking of the Power MOSFETs and a well dimensioned power supply, the PWM amplifier is capable of supplying 200 W of high quality audio power into a 4 ? loudspeaker. 内容摘要：本用户手册描述了飞利浦半导体分立D类高功率音频放大器演示板的操作方法和最 重要的背景资料。在适当的功率管散热器的和很好的供电情况下，这台PWM放大器能提供200 W 高质量音频输出给一个4 ?的扬声器。 1. Introduction简介 The Universal Class D (UcD) version 1.00 demonstrator board implements a 200 W true RMS (into a 4 ? load) high quality audio power amplifier on a very compact printed-circuit board. The amplifier is built-up of discrete components only, and makes use of Philips patent WO 03/090343. 这个1.0版本的全D类功放(UcD)示范板是一个在非常紧凑的PCB板上输出200 W真有效功率(4 ?负载)的高质量音频功放。 Fig 1. General view001aaf148 2. Circuit diagram电路原理图The demonstrator board is intended to illustrate the capability of Philips Power MOSFETs in discrete high-end PWM audio amplifier applications. The board is self-contained and only requires a simple (non-stabilized) dual power supply, an audio source (e.g. function generator, CD player) and a loudspeaker to demonstrate its capabilities. For evaluation at high output power a provision is made to attach an appropriate heatsink to the MOSFETs on the board. 本演示板意欲图解说明飞利浦功率MOSFET在分立高档PWM音频放大器上的应用能力。 本板自我包含了齐全的功能，只需要简单的正负电源（非稳压），加上音源和扬声器即可示范其性能。为评价在大功率下的性能，需要附上一个适当的散热片到MOSFET上。 实验6 分立元件放大电路综合实验 一、实验目的 1. 掌握调整晶体管放大器静态工作点的方法，分析静态工作点改变对输出波形影响。 2. 掌握测量放大器在未加负反馈和带有正反馈时的放大倍数、输入电阻和输出电阻。 3. 理解负反馈对放大器性能的影响，进一步熟悉仪器仪表的使用。 二、实验原理 1.静态工作点的测试。 单管放大器的原理图如下图所示，将直流电源E C 调好，分别测量晶体管各级对 地电压U BQ 、U CQ 、U EQ， 通过以下公式可以计算得：, ,. 2.电压放大倍数的测量 测量电压放大倍数时，必须在输出波形不失真的条件下进行测量，因此要用示波器监视输出波形。分别测量输入电压和输出电压的峰峰值或有效值，两者之 比就是电压放大倍数。 3.输入电阻和输出电阻的测量 将放大器看成一个整体元件，则测量电路如图： 则有：输入电阻,输出电阻. 4.放大器幅频特性的测定 放大器的频率特性反映了放大器对不同频率输入信号的放大能力。使用示波器也可以测量放大电路的频率特性。 三、实验仪器 1. 直流稳压电源； 2. 示波器； 3. 函数发生器； 4. 数字万用表； 5. 放大电路板 四、实验内容 1)用万用表判别晶体三极管的e,b,c极，用数字万用表测量晶体三极管的β值。 2)调整与测量静态工作点 Ec为12V，调整Rw，使I EQ =2.5mA,即调U EQ =2.5V，记录测试结果。 3)测量电压放大倍数Au 1. 断开R F 和C F ，在输出波形不失真的情况下，测量输出电压的有效值U O ，计算电 压放大倍数A U 。 2. 接通R F 和C F ，测量U O ，计算A U 。 4)测量输入电阻和输出电阻分立元件数字功放设计
实验6 分立元件放大电路综合实验
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