实验五、U_GSQ对共源放大电路电压放大倍数的影响

一、题目

$U_{GS}$ 对共源放大电路 ${\dot{A}}_u$ 的影响。

二、仿真电路

共源放大电路如图($c$)所示，其中MOS场效应管型号为2N7000。

三、仿真内容

图1(a)为2N7000相关的参数，图1(b)为其转移特性，以作为参考（需注意与仿真电路中的MOS管并不完全相同）。
$$(a)\text{2N7000}的参数$$$$(b)\text{2N7000}的转移特性曲线$$$$图1\text{2N7000}的数据手册中的相关参数$$
（1）通过直流参数分析方法（DC Sweep）测量2N7000的转移特性，测量电路及结果如图2所示；左边为电路，其中直流电源V1为被扫描电压，节点2为输出，由于源极电阻为1Ω，因而其电压可表示源极（即漏极）电流；右边为几组测试数据；中间是测试所得转移特性曲线。测量结果表明，2N7000的开启电压$U_{GS(th)}\approx 2.1\text{V}$，$I_{DO}\approx 247\text{mA}$。$$图2场效应管转移特性的测试$$注意：这里的$I_{DO}$与图1(b)中的转移特性曲线中所得到到的$I_{DO}$有较大差距，从数据手册上的转移特性曲线读出$I_{DO}>300\text{mA}$，除了有读取的误差，还有测试条件的问题，数据手册中的测试条件是在$V_{DS}=10\text{V}$的条件下测量的，而这里$V_{DS}$计算得到大约在$12\text{V}$左右。
（2）图3(a)、(b)所示为 $R_{g2}$ 分别等于6MΩ和6.1MΩ情况下 $U_{GSQ}$、$U_{DSQ}$ 和 $U_o$ 的测试结果。左边电压表指示的是 $U_{GSQ}$，右边电压表指示的是 $U_{DSQ}$，从示波器中读出 $U_o$ 的峰值。

$$(a)R_{g2}为6\text{MΩ}时$$$$(b)R_{g2}为6.1\text{M}\Omega 时$$$$图3共源放大电路的测试$$

四、仿真结果

整理图3(a)和(b)中电压表和示波器上的数据，可得下表。

输入电压峰值 $U_{ipp}$/mV	$R_{g2}$/MΩ	$U_{GSQ}$/V	$U_{DSQ}$/V	漏极电流 $I_{DQ}$/mA	输出电压 $U_o$/mV	电压放大倍数 ${\dot{A}}_u$
14.132	6.0	2.137	5.543	0.9457	997.933	-71
14.040	6.1	2.107	9.229	0.5771	778.462	-55

五、结论

（1）用直流扫描分析可测试场效应管的转移特性，从中可读出 $U_{GS(th)}$ 和 $I_{DO}$ 的数值。从图1中2N7000的转移特性可得其 $U_{GS(th)}\approx 2.1\text{V}$，$I_{DO}\approx 247\text{mA}$。但是，由于 $u_{GS}$ 变化时 $i_D$ 变化较快，因而用常用电子仪器测量时，应特别注意不能超过长效应管的最大功耗，以免其烧坏。
（2）当电阻 $R_{g2}$ 增大时，$U_{GSQ}$ 减小，$I_{DQ}$ 减小，$U_{DSQ}$ 增大，$|{\dot{A}}_u|$ 减小。由此说明，在 $R_d$ 和 $R_L$ 不变的情况下，调整电路参数增大 $I_{DQ}$（即增大 $U_{GSQ}$）是增高电路电压放大倍数的有效方法。需要注意的是，在调解 $R_{g2}$ 时，要始终保证场效应管工作在恒流区（即满足 $U_{DS}>U_{GS}-U_{GS(th)}$），即保证电路不失真。
（3）由 $U_{GS(th)}\approx 2.1\text{V}$、$I_{DO}\approx 247\text{mA}$ 和公式 $g_m=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}\cdot I_{DQ}}$，分别计算出 $R_{g2}$ 等于6.0MΩ和6.1MΩ时的 $g_m$ 分别为14.6mS和11.3mS，因此电压放大倍数为$${\dot{A}}_u=-g_m(R_d//R_L)\approx -14.6\times 5\approx -73$$$${\dot{A}}_u=-g_m(R_d//R_L)\approx -11.3\times 5=-57$$与仿真结果近似。说明共识近似程度很好，也说明仿真对电路的实际调试具有指导意义。