简易场效应管低频跨导gm检测电路.doc

第一章 方案提出依据课程设计的需要,特设计思路如下图框所示:显 示电 路场效应管类型电路低频跨导gm档位测量电路低频跨导gm测量电路电源电路三极管类型判别电路的功能是利用N沟道型和P沟道型电流流向相反的特性来判别。场效应管跨导测量电路的功能是利用场效应管的电压分配特性，将对gm的测量转化为对场效应管的测量，同时实现对档位的手动调节。场效应管gm测量电路的功能是利用比较器的原理实现8个档位的测量，显示电路的功能是利用发光二极管将测量结果显示出来。第二章 电路基本组成及工作原理第一节 场效应管类型判断电路 场效应管判别类型如图1所示。由于P沟道和N沟道场效应管的电流流向相反,当两种场效应管按图中电路结构链接时,则与N沟道场效应管连接的发光二极管亮，与P沟道连接的发光二极管不亮，所以根据发光二极管的亮和灭，即可以判定场效应管是N沟道还是P沟道。并且将P沟道场效应管翻转连接，电路即可正常工作。（a） （b）图1第二节 场效应管低频跨导测量电路当电路接入N沟道场效应管时，如图1（a）所示，电路中的电流电压表达式为：(IDSS VP都是已知参数)VGS =VG-VS由上式可以看出，除了R0可变电阻外，其余都是固定电阻，电压Vo随gm的变化而变化，同时可通过调节R0大小可以调节Vgs的大小，调节最终的gm档位值。当电路接入P沟道场效应管时，为此可采用如图1的（b）所示，电路中的电流电压的表达式为：(IDSS VP都是已知参数)VGS =VG-VS由上式可得，电压Vo将随gm的变化而变化，同时也可以通过调节R0调节gm档的位值。第三节 低频跨导档位测量电路和显示电路图2档位测量电路：如图2所示，gm档位测量电路的核心部分是由运算放大器构成的8个比较电路，其中虚线代表省略的5个运算放大器，所有放大器的反相端接gm测量电路的输出端Vo或Ve，而8个相同的电阻把电源电压分成八等分，分别为18、15.75、13.5、11.25、9、6.75、4.5、2.25。这样通过测量值和标准电压的比较就可以把gm的8个值分入8个档位。根据比较的结果，如果测量值大于标准电压，就输出低电平，反之输出高电平。显示电路：如图表3虚线左侧电路所示，显示电路是通过八个发光二极管来实现的。通过运算放大器输出的高低电平，发光二极管产生亮和灭，这样就知道gm属于哪一个档位，达到显示的作用。注意运放的输出电流要与发光二极管的驱动电流匹配。若在显示电路的前端接入译码电路，可以减少发光二极管的数目。第四节 电源电路电源电路可以采用两种方式来实现：第一种是采用电池供电，第二种方法如图2所示，直接从电网供电，通过变压器电路，整流装置，滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电压转化为+18V直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C1，C2，C3，C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成芯片来实现。 电源电路图图3第三章 元件的介绍第一节 场效应管的基本类型场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类按沟道材料:结型和绝缘栅型各分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,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沟耗型和增强型;P沟耗尽型和增强型分四大类.第二节 场效应管的原理下面以N沟道结型场效应管介绍工作原理，对P沟道结型场效应管可以用对偶方法得出。场效应管的漏极电流ID与沟道的宽窄有关，沟道宽时，沟道内电阻小，ID大；沟道窄时，沟道内电阻大，ID小。要改变沟道的宽窄可在栅源极间加反向电压-VGS和在漏源极间加正向电压VDS。图3.1.2沟道受VGS控制当漏源电压VDS由零开始增大时，沟道内各点的电位由漏极d 端至源极s端逐减小，因而PN结上各点的反压由d端至s端也逐渐降低，沟道内耗尽层上宽下窄，沟道为楔形分布，如图3.1.3(a)所示，这时沟道的截面积变化不大，沟道内呈现的电阻可近似看成不变，ID随VDS线性增加，如图3.1.4中VGS=0时的OA段。当漏源电压增大时，耗尽层增宽，沟道截面积减小，沟道内电阻增大，ID随VDS增加减慢，场效应管的结构及功能介绍1、结型场效应管的结构 场效应管的结构如图6.18所示，它是在一块N型半导体的两边利用杂质扩散出高浓度的P型区域，用P+表示，形成两个P+N结。N型半导体的两端引出两个电极，分别称为漏极D和源极S。 把两边的P区引出电极并连在一起称为栅极G。如果在漏、源极间加上正向电压，N区中的多子（也就是电子）可以导电。它们从源极S出发， 流向漏极D。电流方向由D指向S，称为漏极电流ID.。由于导电沟道是N型的，故称为N沟道结型场效应管。2、作用：场效应管的作用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。 场效应管作用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。场效应管的作用3、场效应管可以用作可变电阻。 场效应管作用4、场效应管可以便地用作恒流源。场效应管的作用5、场效应管可以用作电子开关。 3、场效应管的应用 场效应管在恒流区内工作时，当GS电压变化VGS时， D极电流相应变化iD。若将iD通过较大的RL， 从RL上取出的V0=iDRL，可能比VGS大许多倍，即VGS得到了放大。所以场效应管和晶体管一样在电路中可起放大的作用。第三节 运放LM324的介绍LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。第四节 LED灯的介绍 LED原理。LED是Light Emitting Diode即发光二极管的缩写，最早于1962年由GE（General Electric Company）研究人员Nick Holonyak Jr.发明。其I-V特性与普通二极管比较类似，所不同的是其内部PN结具有发光特性。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，即PN结。当PN结导通时，两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向PN结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的方式释放出能量，即辐射发光。任何二极管都会有此发光的特性（通常非可见光且发光效率非常低），不同的是发光二极管通过使用特殊的材料、特殊的工艺，使得PN结发光的效率提高，发光的频率一致，从而得到可使用的特定频率的光。通常所说的LED是指能发出可见光的发光二极管。 第五节 元件清单符号类别数目R0可变电阻1R1-R810 K8R9-R16500 8Rg1-Rg32M 47K 10M1D0-D8LED9C1470F1C2 C40.1F2C347F1TTRANS11DBRIDGE11U1-U8LM3248U9MC78L12CP1第四章 参数计算由低频跨导的档位测量电路得知关于Vgs有8个档位分别是18、15.75、13.5、11.25、9、6.75、4.5、2.25。当把某一类型场效应管放入检测电路中时，测得的Vgs应为上述某两个档位之间。这两个档位较小的所连接的二极管和较小档位以前的二极管是亮的，而以后的都是灭的。 已知场效应管的Idss,Vp，由Vgs可得gm的八个档位值。第五章 总结作为一名电气系系，电子信息工程专业大二的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。已度过的大学时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。为了让自己的设计更加完善，一次次翻阅设计手册是十分必要的,一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，无法升级为设计。另外；小组共同设计给我们提供了团体协作的途径，让我们更能有利于进行思考和设计，一个人的力量是有限的，但是团体的力量是无穷的，在设计过程中要进行换位思考，综合大家的力量进行初步的理论设计，然后要独立的完成自己的设计思路。在学习理论知识的同时也要参加实践活动，同时，分组设计也有利于我们同学之间的团体协作。在这次课程设计作业的过程中由于在设计方面我们没有经验，理论基础知识掌握得不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。对于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！本次的课程设计，培养了我综合应用数电和模电课程及其他课程的理论知识和理论联系实际，应用生产实际知识解决工程实际问题的能力；在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。附 录附录一 电源电路总图附录二 几种常用的场效应管参数 一 夹断电压VP当VDS=10V，ID=50mA时的VGS值。二 饱和漏极电流IDSS当VDS=10V，VGS=0V时的ID值。对结型场效应管，IDSS是能输出的 最大漏极电流。三 最大漏源电压V(BR)DS与VGS有关，VGS愈负，其值愈小。四 最大栅源电压V(BR)GS为PN结的反向击穿电压五 直流输入电阻RGS正常运用时PN结反偏，其值可达107以上。六 低频互导(跨导)gm定义为 它表明了输入栅源电压vGS对输出漏极电流iD的控制能力，相当 于转移特性上Q点的斜率，如图3.1.7所示图3.1.7gm是表征场效应管放大能力的重要参数，单位为mA/V=ms，其值一般为十分之几几mS(比三极管小一个数量级)。对式