自制MOSFET特性与参数测试装置毕业设计论文.docVIP

毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 自制自制 MOSFETMOSFET 特性与参数特性与参数 测试装置测试装置 指导老师姓名： 专 业 名 称：应 用 电 子 技 术 _ 班 级 学 号： 10171134 论文提交日期： 2012 年 12 月 09 日 论文答辩日期： 2012 年 12 月 10 日 2012 年 12 月 09 日 【摘要摘要】：MOS 管的应用，目前与我们的日常生活息息相关，如现代电子计算 机、超大规模集成电路、数码相机、开关电源、 LED 照明领域、逆变电源，控 制电路、液晶电视、数码音响、热释电传感器等就是以场效应管为基本器件构成 和发展起来的。 然而由于场效应管栅极河沟道之间的绝缘层易被电压击穿，特别 是栅源之间的耐压只有几十伏，电流也仅为微安级，所以在拆、装、存、测过程 中，都必须将栅源极短路。因此，本项目就是为了解决这一问题而进行实验，设 计出一个好的测试电路，以保护场效应管在实验测量中的损坏。 【关键词关键词】：MOS 管、仿真、实验、测试、 保护 AbstractAbstract ：The application of MOS pipe, is connected with our daily life, such as modern electronic computer, very large scale integrated circuit, switching power supply, digital camera, LED lighting field, inverter, control circuit, LCD TV, digital audio, pyroelectric sensor is based on field effect tube as the basic components and developed. However as a result of FET gate brook road between the insulating layer is easy to breakdown voltage, especially between gate and source of pressure of only a few tens of volts, current only microampere stage, so in the demolition, assembly, storage, test process, must be the gate source short-circuit. Therefore, this project is to solve this problem and to experiment, to design a good test circuit, in order to protect the field effect tube in the experimental measurement of damage. keywordkeyword: MOS tube, experiment, testing, simulation circuit 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 第二章第二章 场效应管的特性与工作原理场效应管的特性与工作原理 2 2 2.1 MOSFET 管的相关知识简介 2 2.1.1 场效应管的命名方法 2 2.1.2 场效应管的外观 2 2.1.3 场效应管的主要作用 2 2.1.4 场效应管基本特点3 2.1.5 场效应管的主要参数3 2.1.6 场效应管与晶体管在电器特性方面的主要区别与选用4 2.2 场效应管的分类.4 2.2.1 结型场效应管（JFET）4 2.2.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）5 2.3 2N7000 的介绍 5 2.3.1 2N7000 的外观与内部结构 .6 2.3.2 2N7000 特性曲线 .6 2.4 场效应管的工作原理.6 2.4.1 结型场效应管的工作原理(以 N 沟道结型场效应管为例)6 2.4.2 绝缘栅型场效应管的工作原理(以 N 沟道增强型 MOS 场效应管为例)6 2.4.3 场效应管的特性与曲线表征7 第三章第三章 万用表简单测试场效应管万用表简单测试场效应管 9 9 3.1 使用万用表简单测试 JFET 管9 3.1.1 判定栅极9 3.1.2 用感应信号法测 JFET 管放大能力.9 3.1.3 测反向电阻值的变化判断跨导的大小9 3.2 内部带二极管保护 MOS 场效应管的测量10 3.2.1 绝缘栅型场效应管实用检测方法与技巧 .10 3.2.2 PMOS 管与 NMOS 的判别测量 .11 第四章第四章 MOSMOS 场效应管特性测试电路的设计与场效应管特性测试电路的设计与 PCBPCB 板制作板制作1212 4.1 MOS 管实验电路设计 12 4.1.1 实验电路设计原理分析.12 4.1.2 MOS 管实验电路测试 .13 4.1.3 MOS 管实验电路的仿真实验 .15 4.1.4 MOS 管实验电路设计电路二（二极管保护） .17 4.1.5 MOS 管实验电路设计电路三（开关加二极管） .18 4.2 PCB 板的设计与制作 19 4.2.1 PCB 板的制作过程 .19 4.2.2 PCB 布线图 .19 4.2.3 PCB 板布线的注意事项 .20 4.2.4 电路板的装配注意事项.20 结结 论论 2222 致致 谢谢 2323 参考文献参考文献 2424 附录附录 A A 2525 附录附录 B B 2626 毕业设计论文 第一章第一章 绪论绪论 场效应管是一种电压控制 半导体器件，应用非常广泛 。目前与我们的日常 生活高度相关，如现代电子计算机、超大规模成电路、数码相机、开关电源、控 制电路、液晶电视、数码音响、热释电传感器等就是以场效应管为基本器件构成 和发展起来的。 MOS 场效应管由于特殊的 结构和工艺，其栅极与导电沟道没有电接触，即绝 缘的，故它的输入电阻很高， 可达 109 以上，工作时几乎 栅极不取电流， 又 栅-源极间电容非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就 可在极间电容上形成相当高的电压（ U=Q/C），将管子损坏 。通俗地说， MOS 场 效应管比较“娇气”。因此 MOS 场效应管出厂时各管脚都绞合在一起，或装在 金属箔内，使 G 极与 S 极呈等电位，防止积累静电荷。管子不用时，全部引线也 应短接。在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。 “模拟电子技术与实践 ”是一门重要的 专业技术基础课， 场效应管是其中 重要的章节，也是学习者较为难以理解的章节， 其中放大原理和主要参数 辅以 实验来化解和提高学习效率是行之有效的方法。但由于目前MOS 场效应管的实 验装置普遍存在弊端，即实验装置没有充分考虑到场效应管易损的因素，即实 验者误操作、带电连接电路 、焊接电路， 造成实验中 场效应管大量损坏， 导致 实验不能顺利完成，乃至正常开展。 经调查，目前高校开展 MOS 场效应管测试 实验的较少，无法深入甚至放弃。 针对上述问题本文设计出 3 种解决方案，即带 开关保护装置的 MOS 场效应 管测试电路、带二极管保护装置的 MOS 场效应管测试电路、带 开关和二极管双 重保护的 MOS 场效应管测试电路。通过仿真测试、真实测试效果显著，制作的 测试电路简单可靠，达到了预计的设计效果。克服了MOS 场效应管实验装置存 在的弊端。 场效应管的特性与工作原理 毕业设计论文 2 第二章第二章 场效应管的特性与工作原理场效应管的特性与工作原理 场效应晶体管（Field Effect Transistor 缩写(FET)）简称场效应管。由多数 载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入 电阻高（108109） 、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿 现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 2.12.1 MOSFETMOSFET 管的相关知识简介管的相关知识简介 2.1.12.1.1 场效应管的命名方法场效应管的命名方法 （1）第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母 J 代表结型场效应管， O 代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D 是 P 型硅，反型层是 N 沟道；C 是 N 型硅 P 沟道。例如,3DJ6D 是结型 P 沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型 N 沟道 场效应三极管。 （2）第二种命名方法是 CS#，CS 代表场效应管，以数字代表型号的序 号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如 CS14A、CS45G 等。 2.1.22.1.2 场效应管的外观场效应管的外观 毕业设计论文 3 2.1.32.1.3 场效应管的主要作用场效应管的主要作用 （1）场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合 电容可以容量较小，不必使用电解电容器。 （2）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。 （3）场效应管可以用作可变电阻。 （4）场效应管可以方便地用作恒流源。 （5）场效应管可以用作电子开关。 2.1.42.1.4 场效应管基本特场效应管基本特点点 场效应管属于电压控制元件，这一特点类似于电子管，但它的构造与工作原理 和电子管是截然不同的，与双极型晶体管相比，场效应管具有如下特点。 （1）场效应管是电压控制器件，它通过 UGS来控制 ID； （2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。 （3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好； （4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大 系数； （5）场效应管的抗辐射能力强； （6）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。 2.1.52.1.5 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 （1）开启电压 uT和夹断电压 uP 它指 uDS一定时，使漏极电流 iD等于某一微小电流时栅、源之间所加的电压 uGS，对于增强型 MOS 管称为开启电压 uT，对于耗尽型 MOS 管称为夹断电压 uP。 （2）饱和漏极电流 IDSS IDSS是耗尽型管子的参数，指工作在恒流区的耗尽型场效应管在 uGS0 时的饱 和漏极电流。 （3）直流输入电阻 RGS RGS 指漏、源极间短路时，栅、源之间所加直流电压与栅极直流电流之比。一 般 JFET 的 RGS，而 MOS 管的 RGS。 107109 （4）低频跨导(互导)gm 当 uDS为某定值时，漏极电流 iD的变化量和引起它变化的 uGS变化量之比，即 ，gm 反映了 uGS对 iD的控制能力，是表征场效应管放大常数 DS uGSDm uig 场效应管的特性与工作原理 毕业设计论文 4 能力的重要参数，单位为西门子（S） ，一般为几毫西门子（mS） 。gm 的值与管子的 工作点有关。 （5）极限参数 最大漏极电流 IDM：指管子在工作时允许的最大漏极电流。 最大耗散功率 PDM： PDMuDSiD，其值受管子的最高工作温度的限制。 漏源击穿电压 U（BR）DS：是漏、源极间所能承受的最大电压，即 uDS增大到 使 iD开始急剧上升(管子击穿)时的 uDS值。 栅源击穿电压 U（BR）GS：指栅、源极间所能承受的最大电压。uGS值超过此 值时，栅源间可能发生击穿。 2.1.62.1.6 场效应管与晶体管在电器特性方面的主要区别与选用场效应管与晶体管在电器特性方面的主要区别与选用 （1）场效应管是电压控制器件，管子的导电情况取决于栅极电压的高低。晶体 管是电流控制器件，管子的导电情况取决于基极电流的大小。 （2）场效应管漏源静态伏安特性以栅极电压 UGS为参变量，晶体管输出特性曲 线以基极电流 Ib 为参变量。 （3）场效应管电流 IDS与栅极 UGS之间的关系由跨导 gm 决定，晶体管电流 Ic 与 Ib 之间的关系由放大系数 决定。也就是说，场效应管的放大能力用 gm 衡量， 晶体管的放大能力用 衡量。 （4）场效应管的输入阻抗很大，输入电流极小；晶体管输入阻抗很小，在导电 时输入电流较大。 （5）一般场效应管功率较小，晶体管功率较大。 （6）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 2.22.2 场效应管的分类场效应管的分类 场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS 管）两大类。按 沟道材料型和绝缘栅型各分 N 沟道和 P 沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型， 结型场效应管均为耗尽型， 结型场效应管也具有三个电极，它们是：栅极；漏极； 源极。电路符号中栅极的箭头。绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和 MOS 场效应晶体管，而 MOS 场效应晶体 管又分为 N 沟耗尽型和增强型；P 沟耗尽型和增强型四大类。它是由金属、氧化物 和半导体所组成，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，简称 MOS 场效应管。 耗尽型 NMOS 管的结构示意图 毕业设计论文 5 2.2.12.2.1 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET） 结型场效应管有两种结构形式， 它们是 N 沟道结型场效应管和 P 沟道 结型场效应管。结型场效应管也具有 三个电极，在一块 N 型硅棒两端各引 出一个电极，一端称为源极 s，另一 端称为漏极 d；在 N 型硅棒两侧分别扩散一个高浓度杂质的 P 型区，形成两个 PN 结， 把两个 P 型区相连后引出一个电极，称为栅极 g,就构成结型场效应管。工作时，内 部两个 PN 结加的是反偏电压。由图可见，漏极 d 和源极 s 之间只有由 N 型半导体构 成的导电沟道是电流流通的路径。这种由 N 型半导体构成导电沟道的管子叫做 N 沟 道结型场效应管。 2.2.22.2.2 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSFETMOSFET） 绝缘栅型场效应管简称 MOS 管，是一种栅极与源极、漏极之间有绝缘层的场效 应管，与结型场效应管相比，它输入电阻高、噪声更小，绝缘栅型晶体管分增强型、 耗尽型两类，每类又有 P 沟道和 N 沟道两种。 增强型 NMOS 管的结构示意图 （a）N 沟道 （b）P 沟道 增强型 NMOS 管和 PMOS 管的符号 耗尽型 NMOS 管的结构示意图 （a）N 沟道 （b）P 沟道 耗尽型 NMOS 管和 PMOS 管的符号 场效应管的特性与工作原理 毕业设计论文 6 2.32.3 2N70002N7000 的介绍的介绍 2.3.12.3.1 2N70002N7000 的外观与内部结构的外观与内部结构 图 2.3.1 2.3.22.3.2 2N70002N7000 特性曲线特性曲线 图 2.3.2 2.42.4 场效应管的工作原理场效应管的工作原理 2.4.12.4.1 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理( (以以 N N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) ) 由于 PN 结中的载流子已经耗尽，故 PN 基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区， 当漏极电源电压 ED 一定时，如果栅极电压越负，PN 结交界面所形成的耗尽区就越 厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流 ID 就愈小；反之，如果栅极电压没 有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅源电压 UGS可以控制漏极电流 ID的变化， 毕业设计论文 7 就是说，场效应管是电压控制元件。 2.4.22.4.2 绝缘栅型场效应管的工作原理绝缘栅型场效应管的工作原理( (以以 N N 沟道增强型沟道增强型 MOSMOS 场效应管为例场效应管为例) ) 利用 UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道 的状况，然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现 大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质 的 N 区接通，形成了导电沟道，即使在 UGS=0 时也有较大的漏极电流 ID。当栅极电 压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极 电流 ID随着栅极电压的变化而变化。 场效应管的工作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗尽型；当 栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。 2.4.32.4.3 场效应管的场效应管的特性与曲线表征特性与曲线表征 (1)转移特性：转移特性是指当漏源电压 uDS为某一定值时，漏极电流与栅源 D i 电压的关系。该曲线反映了对的控制作用。若 uGS在 0uP之间，则恒流区 GS u GS u D i 的转移特性可用下式近似表示:。栅极电压对漏极电流的控制作 2 1 PGSDSSD uuIi 用称为转移特性。 (2)输出特性：是指当栅源电压 uGS为某一定值时，漏极电流 iD与漏源电压 uDS 之间的关系。即 为了在二维平面上绘出它们的关系曲线。 ),( GSDSD uufi N JFET 的特性曲线 N 沟道增强型 MOS 管的特性曲线 场效应管的特性与工作原理 毕业设计论文 8 (3) 输出特性曲线上可分为四个区域。 a.可变电阻区 当 uGS不变时，uDS由零逐渐增加且较小时，iD随 uDS增加而线性上升，漏源之 间可视为一个线性电阻，工作在这一区域的场效应管可看成一个受栅源电压 GS u 控制 的可变电阻，所以该区称为可变电阻区。 b.恒流区或饱和区 在此区域中，iD不随 uDS增加而增加，而是随着 uGS的增大而增大，即 iD受 uGS 的控制。当 JFET 用在放大电路中时，就工作在这一区域，因此该区又被称为线性 放大区。 c.击穿区 随着 uDS的继续增大，PN 结将因反向电压而击穿，管子处于击穿状态，iD急剧 增大，所以这个区域称为击穿区。由于击穿时管子不能正常工作且容易烧毁，因此 FET 不允许工作在这个区域。 d.夹断区 当uGSuP时，沟道被全部夹断， 0 D i 。图中靠近横轴的部分，就是夹断 区，它相当于三极管的截止区。 毕业设计论文 9 第三章第三章 万用表简单测试场效应管万用表简单测试场效应管 3.13.1 使用万用表简单测试使用万用表简单测试 JFETJFET 管管 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 R1k 档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电 阻。档某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为 K 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 4 个管脚的结型场效应管，另 外一极是屏蔽极（使用中接地） 。 3.1.1 判定栅极判定栅极 用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次 测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于 N 沟道场效应管，黑表笔接的也 是栅极。制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影 响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。 3.1.23.1.2 用感应信号法测用感应信号法测 JFETJFET 管放大能力管放大能力 用万用表电阻的 R100 档，红表笔接源极 S，黑表笔接漏极 D，给场效应管加 上 1.5V 的电源电压，此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效 应管的栅极 G，将人体的感应电压信号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，漏 源电压 UDS 和漏极电流 Ib 都要发生变化，也就是漏源极间电阻发生了变化，由此可 以观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力 较差；表针摆动较大，表明管的放大能力大；若表针不动，说明管是坏的。 3.1.33.1.3 测反向电阻值的变化判断跨导的大小测反向电阻值的变化判断跨导的大小 测反向电阻值的变化判断跨导的大小，对 VMOSN 沟道增强型场效应管测量跨导 性能时，可用红笔接源极 S、黑笔接漏极 D，这就相当于在源、漏极之间加了一个反 向电压。此时栅极是开路，管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表的欧姆档选在 R10k 的高阻档，此时表内电压较高。当用手接触栅极 G 时，会发现管的反向电 阻值有明显地变化，其变化越大，说明管的跨导值越高；如果被测管的跨导很小， 用此测法时，反向阻值变化不大。 万用表简单测试场效应管 毕业设计论文 10 3.23.2 内部带二极管保护内部带二极管保护 MOSMOS 场效应管的测量场效应管的测量 N 沟道的有国产的 3D01，4D01，日产的 3SK 系列。G 极（栅极）的确定：利用 万用表的二极管档。若某脚与其他两脚间的正反压降均大于 2V，即显示“1” ，此脚 即为栅极 G。再交换表笔测量其余两脚，压降小的那次中，黑表笔接的是 D 极（漏 极） ，红表笔接的是 S 极（源极） 。 3.2.13.2.1 绝缘栅型场效应管实用检测方法与技巧绝缘栅型场效应管实用检测方法与技巧 由于输入阻抗极高，MOSFET 管栅极微量感应电荷产生的电势足以击穿绝缘层而 损坏器件。过去许多介绍绝缘栅型场效应管的资料中，一般都需要用捆扎(短接)器 件的三只管脚，待 MOS 管焊接到电路板之后再剪去捆扎线如图 1 所示，使用非常烦 琐。 目前大多数 MOS 管，尤其是功率型 MOS 管，内部集成有完善的保护环节，使用 起来与双极型三极管一样方便。不过，保护单元的存在却又使得 MOS 管内部结构变 得更加复杂，测试方法也与传统双极型三极管大相径庭。 MOS 管内部的保护环节有多种类型，这就决定了测量过程存在着多样性，常见 的 NMOS 管内部结构如图 3、图 4 所示。图 3、图 4 所示 NMOS 管的 D-S 间均并联有一 只寄生二极管(InternalDiode)。与图 3 稍有不同，图 4 所示 NMOS 管的 G-S 之间还 设计了一只类似于双向稳压管的元件“保护二极管“，由于保护二极管的开启电压较 高，用万用表一般无法测量出该二极管的单向导电性。因此，这两种管子的测量方 法基本类似，具体测试步骤如下： 毕业设计论文 11 aMOS 管栅极与漏、源两极之间绝缘阻值很高，因此在测试过程中 G-D、G-S 之间均表现出很高的电阻值。而寄生二极管的存在将使 D、S 两只管脚间表现出正反 向阻值差异很大的现象。选择指针万用表的 R1k 挡，轮流测试任意两只管脚之 间的电阻值。当指针出现较大幅度偏转时，与黑笔相接的管脚即为 NMOS 管的 S 极， 与红笔相接的管脚为漏极 D，剩余第 3 脚则为栅极 G，如图 5 所示。 b短接 G、D、S 三只电极，泄放掉 G-S 极间等效结电容在前面测试过程中临时 存储电荷所建立起的电压 UGS。图 4 所示 MOS 管的 G-S 极间接有双向保护二极管， 可跳过这一步。 c万用表电阻挡切换到的 R10k 挡(内置 9V 电池)后调零。将黑笔接漏极 D、红笔接源极 S，经过上一步的短接放电后，UGS降为 0V，MOS 管尚未导通，其 D-S 间电阻 RDS为，故指针不会发生偏转，如图 6 所示。 d有以下两种方法能够对 MOS 管的质量与性能作出准确的判断： 1）用手指碰触 G-D 极，此时指针向右发生偏转，如图 7 所示。手指松开后， 指针略微有一些摆动。 2）用手指捏住 G-S 极，形成放电通道，此时指针缓慢回转至电阻的位置，如 图 8 所示。 3.2.23.2.2 PMOSPMOS 管与管与 NMOSNMOS 的判别测量的判别测量 PMOS 管的测量原则和方法与 NMOS 管类似，在测量过程中应注意将表笔的顺序 颠倒。对于型号不明的 MOS 管，通过检测单向导电性往往只能判断出其中哪一只管 脚为栅极，而不能直接识别管子的极性和 D、S 极。对此，合理的测试方法如下： （1）万用表取 R1k 挡，在观察到单向导电性之后，交换两只表笔的位置； 万用表简单测试场效应管 毕业设计论文 12 （2）将万用表切换至 R10k 挡，保持黑笔不动，将红笔移到栅极 G 停留几秒 后再回到原位，若指针出现满偏，则该元件为 PMOS 管，且黑笔所接管脚为源极 S、 红笔所接为漏极 D； （3）若第 2 步指针没有发生大幅度偏转，则保持红笔位置不变，将黑笔移到栅 极 G 停留几秒后回到原位，若指针满偏则管子类型为 NMOS，黑笔所接管脚为漏极 D、红笔所接为源极 S。 MOS 管的种类较多，测试方法也不尽相同，实际工作中需要在充分掌握上述测 试原则的基础上灵活地选择合适的测试方法。 MOS 场效应管特性测试电路的设计与 PCB 板制作 毕业设计论文 13 第四章第四章 MOS 场效应管特性测试电路的设计与场效应管特性测试电路的设计与 PCB 板制作板制作 4.14.1 MOSMOS 管实验电路设计管实验电路设计 4.1.14.1.1 MOSMOS 管实验电路设计电路一管实验电路设计电路一 4.1.24.1.2 实验电路设计原理分析实验电路设计原理分析 该电路突出的地方是在共源电路的基础上增加了一个保护开关，一个四刀双掷 开关，这个开关起到保护 MOS 管的作用，在通常不做实验的时候，保护开关闭合， MOS 管的三个引脚 D、G、S 连到地起，防止因静电损坏 MOS 管。MOS 管因输入阻抗很 高，如果 MOS 管上带有静电，很容易损坏 MOS 管，此时，MOS 管的漏极 D、栅极 G 和 源级 S 通过保护开关同时接地，管子上所带电静电可以泄放掉，可以很好地保护 MOS 管。焊接 MOS 管时，应选用防静电烙铁。如果用普通电烙铁，待电烙铁加热后， 拔下电烙铁再进行焊接。开始做实验的时候，保护开关断开，MOS 管的三个引脚 D、G、S 断开接地，该电路即可做实验，电路设计简单实用。如图 1、2 所示。 MOS 场效应管特性测试电路的设计与 PCB 板制作 毕业设计论文 14 图 1 MOS 共源实验电路图 图 2 MOS 管分压式共源实验原理图 4.1.4.1.3MOS3MOS 管实验电路测试管实验电路测试 （1）静态工作点测量 根据电路图 2，调节 W，500K 电位器，可以改变电路的静态工作点。适当调 节电位器 W，测量静态工作点，测量数据见表 1。由于 MOS 管输入阻抗很高，IG 几 乎为零，一般用数字万用表是测量不出来的。 表 1 静态工作点测量数据 UD（V ） UG（V） US（V ） UGS（V ） ID（mA ） 6.12.94.26-1.731.8 （2） 输入转移特性测试 根据电路图 1，进行了输入转移特性的测试。UGS 的变化引起 ID 的变化关系。 测量的数据见表 2。 表 2 UGS与 ID数据的测量 UGS（V ） 00.11.31.51.61.82.02.12.32.5 ID（mA ） 00.00010.00650.1390.5304.20013.7015.1915.3915.43 毕业设计论文 15 根据表 2 测量的数据，绘制出输入转移特性曲线，绘制曲线用 Oringin8 软件， 绘制的输入转移特性曲线由图 3 所示。 图 3 输入转移特征曲线图 图 4 输出特性曲线图 （3）输出特性测试： 根据电路图 1，调节可变电源 E1，使 UGS分别为 0V、1.2V、1.4V、1.6V、1.8V 时，再调节可变电源 E2，使 UDS 分别为 0V、0.1V、0.2V、0.3V、0.5V、1.0V、5.0V、15.0V 时，测量 ID 的数值。测量的数 据见表 3。 表 3 输出特性的数据测量 根据表格 3 测量的数据，绘制出特性曲线，绘制曲线用 Oringin8 软件，绘制的 输出特性曲线上取 UGS1.6V 和 UGS1.8V 两条簇线，绘制的输出特性曲线由图 4 所示。 （4） MOS 管放大电路放大倍数测量 根据电路图 2，适当调节 500K 电位器 W，调整好静态工作点，在放大器的输 入端加上输入信号，正弦波，频率 f=1000Hz，幅度 Ui20mV（毫伏表测量） ，测量 输出幅度 Uo=260mV(毫伏表测量)。MOS 管电路放大倍数： 13 20 260 Ui Uo A UDS（V） 00.10.20.30.51.05.010.015.0 UG=0V ID（mA ） 000000000 UGS=1.2V ID（mA ） 0.00010.00130.00130.00130.00140.00150.00150.00160.0018 UGS=1.4V ID（mA ） 0.00050.01430.01620.01640.01660.01690.01820.01990.0212 UGS=1.6V ID（mA ） 0.00090.08870.11870.17160.36400.43000.47500.52600.5860 UGS=1.8V ID（mA ） 0.00102.7603.4803.7303.9104.1404.8005.3405.830 0246810121416 0 1 2 3 4 5 6 UDS(V) ID(mA) O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n 0.00.51.01.52.02.53.03.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 B UGS(v) ID(mA) O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n UGS=1.8V UGS=1.6V MOS 场效应管特性测试电路的设计与 PCB 板制作 毕业设计论文 16 由此可见，分压式共源形式的场效应管的电压放大倍数是不高的，不像共集电 极的晶体三极管的电压放大倍数高。场效应管的电压放大倍数虽然不高，但它的噪 声系数小，热稳定性好，输入阻抗很高。 MOS 管放大电路输入和输出波形测量（用数字示波器测量） ，测量的输入和输出 电压波形见图 5。输入信号与输出信号波形相差 180（反相） ，输入信号的峰峰值 为 6.32mV，输出信号的峰峰值为 74.4mV。 图 5 数字示波器测量的信号输入和输出波形 4.1.44.1.4 MOSMOS 管实验电路的仿真实验管实验电路的仿真实验 计算机辅助设计是对电路设计的一种补充，电路仿真实验可以进一步提高我们 实验的可靠性和实用性。为进一步证明 MOS 管实验电路的可行性，用 Multism2001 仿真软件作了仿真实验，说明 MOS 管实验电路完全可行。 以下是我们利用 Multism2001 仿真软件设计的 MOS 管实验电路，经过仿真电路 的试验，电路完全可行，然后根据仿真电路安装实际的 MOS 管实际的实验电路，经 过实际电路的调试和完善，最后完成实际的 MOS 管实验电路。 （1）MOS 管共源仿真实验电路 毕业设计论文 17 图 6 MOS 管共源仿真实验电路 （2）MOS 管分压式仿真实验电路 图 7 MOS 管分压式仿真实验电路 （3）输入转移特性测试： 根据仿真电路图 6，测量输入电路的测量数据。测量数据见表格 4。 表 4 UGS与 ID数据的测量 （4）绘制输入转移特性曲线 根据仿真电路图测量的数据，见表 4，绘制输入转移特性曲线，绘制曲线用 Oringin8 软件，绘制的输入转移特性曲线由图 8 所示。 （5）输出转移特性曲线测试 UGS（V ） 1.02. 0 2.12.22.32.42.52.62.72.83.05.5 ID（mA ） 000.5022.01 4 4.53 1 8.05512.58 5 14.64 5 14.72 7 14.77 1 14.82214.93 2 MOS 场效应管特性测试电路的设计与 PCB 板制作 毕业设计论文 18 根据仿真电路图 7，测量输出特性的相关数据。测量数据见表 5。 表 5 输出特性测量的数据 （6）绘制输出转移特性曲线 根据仿真电路图测量的数据，见表 5，绘制输入转移特性曲线，绘制曲线用 Oringin8 软件，绘制的输入转移特性曲线由图 9 所示。 图 8 输入转移特性曲线图 图 9 输出特性曲线图 （7）用仿真软件测量放大电路电压波形 Multism2001 仿真软件是一种非常实用的软件，利用 Multism2001 仿真软件设 计的电路，均可用软件对电路进行仿真，以检验电路设计的正确性。我用 Multism2001 仿真软件对设计的电路进行了输入和输出波形的测量，测量的电压波 形见图 10。通过电路仿真非常方便实用。通过图 10 显示的仿真波形，可以看出输 入和输出波形的相位关系，相差 180。另外，从下面的显示的数值，可以算出放 大器的电压放大倍数。 UDS（V） 00.10.20.30.5151015 UGS=0 ID（mA ） 000000000 UGS=2.2 V ID（mA ） 01.4992.0142.0142.0142.0142.0142.0142.014 UGS=2.4 V ID（mA ） 03.4005.9007.4608.0568.0568.0568.0568.056 UGS=2.6 V ID（mA ） 05.2209.60013.10017.39018.11918.11918.11918.119 UGS=2.8 V ID（mA ） 06.96013.13018.49026.67032.19832.19832.19832.198 0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 UGS(V) ID(mA) O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n 012345678910111213141516 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 ID(mA) UDS(V) UDG=2.8V UDG=2.6V UDG=2.4V UDG=2.2V O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n 毕业设计论文 19 57.15 0 . 10 7 . 155 1 1 mV mV VA VB A 图 10 仿真示波器显示的输入和输出电压波形图 4.1.54.1.5 MOSMOS 管实验电路设计电路二（二极管保护）管实验电路设计电路二（二极管保护） （1）原理图: （2）保护原理： 我们都知道 MOS 场效应管的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受 外界电磁场或静电的感应而带电，因而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电 压（U=Q/C） ，将管子损坏。因此在电路中加入稳压管，利用稳压管的特性，使其电 压能够稳定在某一安全范围之内，这样就能防止 MOS 场效应管的损坏。 MOS 场效应管特性测试电路的设计与 PCB 板制作 毕业设计论文 20 4.1.64.1.6 MOSMOS 管实验电路设计电路三（开关加二极管）管实验电路设计电路三（开关加二极管） （1）双重保护原理图： （2）保护原理： 利用稳压管和开关对 MOS 场效应管进行双重保护，其优点之一就是在未进行测 试时，开关就是属于闭合状态，从外部最先给 MOS 场效应管短路保护。当测量时， 短路保护解除，再进行测试，由于设置了二极管保护电路，可以有效以防止在测试 时由于人为操作失误或电路焊接时损坏 MOS 管。 4.24.2 PCBPCB 板的设计与制作板的设计与制作 电路板的制作采用 Prote2004 软件先绘制原理图，自己特有的元器件要自己绘制 原理图库、封装库。确认无误后，再根据原理图将各元器件导入电路板，元件要放 置合理，采用软件自动布线，将不合理的线改掉，手动布线前将地线、电源线规格 加粗，最后覆铜，DRC 检查无错误报告后完成制作。 4.2.14.2.1 PCBPCB 板的制作过程板的制作过程 PCB 主要设计流程如图 4.2.1 所示 毕业设计论文 21 图 4.2.1 4.2.24.2.2 PCBPCB 布线图布线图 (1)二极管保护的场效应管 PCB 布线图 （2）双重保护的场效应管 PCB 布线图 4.2.34.2.3 PCBPCB 板布线的注意事项板布线的注意事项 （1）尽量避免信号线近距离平衡走线。 绘 制 电 路 原 理 图 规 划 电 路 板 设