教学用原理演示型场效应管测量仪构想与实践*

冯伯翰

（广东松山职业技术学院，广东韶关 512126）

场效应管主要有两种类型：结型场效应管（简称JFET）和金属-氧化物半导体场效应管（简称MOS-FET）。场效应管属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高、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。场效应管属于负温度系数器件，随温度上升电流减小，与晶体三极管的正温度系数特性刚好相反。

0 引言

场效应管主要有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类，根据结构和工作原理不同，结型场效应管和绝缘栅型场效应管还有P沟道和N沟道结构的区分，此外绝缘栅型场效应管按工作性质区分为增强型和耗尽型。

（1）结型场效应管

结型场效应管的工作原理是“栅极与沟道间的PN结形成反偏的栅极电压控制漏极-源极间流经沟道的电流ID”。更确切地说，ID流经通路的宽度，即沟道截面积是由PN结反偏电压的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。如图1所示。

（2）绝缘栅型场效应管

绝缘栅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；另一种是当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加上一定的栅极电压之后才有漏极电流的称为增强型。当栅极电压小于开启电压时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态，只有栅极电压大于开启电压时，才有导电沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压便有漏极电流产生。而且栅极电压增大时，导电沟道增大，沟道电阻减小，漏极电流增大，这是绝缘栅型场效应管的栅极电压控制漏极电流的作用[1-2]。

（3）部分场效应管封装和管脚的排列

国产的型号命名方法与晶体三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。例如，3DJ6是结型N沟道场效应三极管，3DO6是绝缘栅型N沟道场效应管。如图2所示。

图2 绝缘栅场效应管结构图

1 场效应管的转移特性曲线

由于场效应管的类型、导电沟道的不同，以及增强型和耗尽型的区别，共有6种转移特性曲线，其电压和电流方向也有所不同[3]。如图3所示。

2 场效应管设计构想[4-5]

方案一：采用CD4053芯片作为电子开关控制。CD4053内部含有3组单刀双掷开关，3组开关具体接通哪一通道，由输入地址码ABC来决定。S2为管型设定：分别有结型N沟道、结型P沟道、绝缘栅N沟道和绝缘栅P沟道4档选择。S1与RP一起构成栅极电压调节。测量结型管时把S1与RP置0档，电流表的读数为漏极饱和电流IDSS，然后调节S1为第10档，通过调节RP（栅极电压）使漏极电流为零，此时电压表的电压为夹断电压VP；调节RP使栅极电压为整数电压值，逐级调节S1得到10级漏极电流，取中间的一段栅极电压的变量ΔUGS所对应的漏极电流的变量ΔID，即可计算出跨导gm。测量绝缘栅型管时把S1置第1档，调节RP使电流表的读数为0.1 mA，此时的栅极电压为阈值电压Vth，逐级调节S1得到10级漏极电流，取中间的一段栅极电压的变量ΔUGS所对应的漏极电流的变量ΔID即可计算出跨导gm。当漏源电流IDS为1 A时，用万用表测量漏源电压，即可计算出导通电阻Ron[4]。如图4所示。

图3 场效应管的转移特性曲线

方案二：采用用手动拨动开关实现切换功能。电路图设计如图5所示。

图4 方案一

方案三：采用555芯片、CD4040芯片及CD4053芯片实现S2为每级电压选择开关，第一档：0.1 V/级，共63级；第二档：0.2 V/级，共63级；第3档：0.5 V/级，共31级。 S3为被测管类型，选择：1）结型N沟道；2）结型P沟道；3）绝缘栅N沟道；4）绝缘栅P沟道。W1～W3为每级电压调整电位器。SP1为操作按钮，每按动一下栅级电压上升一级。SP2为清零按钮，按下清零栅极电压为0 V。U2还可考虑改为加减计数器，如可预置4位二进制可逆计数器CD40193。

电路图设计如图6所示。

3 场效应管测量仪技术性能及使用方法测量

图6 方案三

根据场效应管的特点，设计了场效应管应用参数测量电路，该仪器不仅可用于测量各种场效应管的应用参数，还可采用逐点测法绘制出被测管的转移特性曲线，能很好地应用于教学中。该仪器有针对性引导学生学习相关理论并实验验证和自主探究，目的在于探索一种引导、参与、实践的教学模式

3.1 主要技术性能

（1）可用于测量结型场效应管的饱和漏-源电流IDSS；夹断电压UP和跨导gm。绝缘栅场效应管的开启电压（阈值电压）Vth；导通电阻Rdss（on）和跨导gm。

（2）采用逐点测量法绘制被测场效应管的转移特性曲线。

（3）栅极调节范围：0～10 V连续可调、11级步进式开关调节，每一级电压可设置为0～1 V，每级的误差≤1%。

（4）漏极电源的电压可在5～15 V连续可调，电流≥1 A。

（5）跨导测试电流不小于1 A，连续可调。

3.2 控制部件说明

仪器面板如图7所示，分别设有：（1） 漏极电流检测电流表，电流表可通过量程开关S4切换20 mA档(主要用于测量结型场效应管)和2 000 mA档(主要用于测量绝缘栅场效应管)；（2）电压表的量程为20 V、能显示电压的极性，可通过开关S3切换显示栅-源极电压或漏-源极电压值；（3）被测管插座左边适用于插入TO220等封装的中功率MOS管，中间插座适用于插入TO92封装的JFET管和DIP-4封装的MOS管，右边适用于插入大功率MOS管。

图7 仪器面板

面板的下方为被测管管型切换开关S2，漏极电压可调电位器RP2，以及栅极电压调节电位器RP1和步进式调节开关S1。

（1）被测管管型设定切换开关S2分别有：绝缘栅P沟道MOS-P（VD：－，VG：－）；绝缘栅N沟道MOS-N（VD：＋，VG：＋）；结型P沟道JFET-P（VD：－，VG：＋）；结型N沟道JFET-N（VD：＋，VG：－）共4档选择。在没有插入待测管时，可把S3置VDS/VGS进行确认。

（2）漏极电压调节旋钮RP2，测试前可将开关S3拨至VDS，然后转动该旋钮，在没有插入待测管时，通过电压表进行确认漏极电压调节范围为5～15 V。

漏极电压调节旋钮RP2在测量绝缘栅场效应管的导通电阻Rdss(on)时，可用于调节(控制)被测管的漏极电流。

（3）RP1与S1一起构成栅极电压调节，RP1可使栅极电压从0～10 V连续调节后输出，再经11档旋转开关S1进行步进式调节，得到×0、×0.1、×0.2～×1共11档、每级电压变化的量值相等的栅极电压。如图7所示。

3.3 结型场效应管的测量

结型场效应管的主要应用参数有“漏-源饱和电流”、“夹断电压”和“跨导”测量前需确认被测管的结构是P沟道还是N沟道管，把管型设定切换开关S2设置为JFET-P或JFET-N挡位，把电流表量程开关S4拨至20 mA档，正确地把被测管的引脚插入测量插座中，然后按以下步骤进行测量。

（1）确定“漏-源饱和电流”：把S1开关S1置0档，开关S3置VG位置，读得电压表的读数VG＝0 V表示被测管子的栅极电压VG为0 V，此时电流表显示的被测管的漏极电流ID即为被测管的漏-源饱和电流IDSS；记录下漏-源饱和电流IDSS（mA）。

（2）确定“夹断电压”：旋动开关S1到第10档，然后调节电位器RP1使电流表的读数为0.01 mA，可认为此时被测管的漏极电流刚刚为零，读出电压表的读数则为被测管的夹断电压VP，记录夹断电压VP（V）。

（3）测定栅极电压与漏极电流曲线的相关值：在已知的夹断电压值范围内，均匀地测量出10个栅极电压与漏极电流对应的测量结果并做好记录。

（4）绘制转移特性曲线。

（5）计算出跨导gm。

（6）被测管的应用参数IDSS、夹断电压UP、跨导。

3.4 绝缘栅型管的测量

绝缘栅场效应管的主要应用参数有“阈值电压Vth”或者叫“开启电压VT”、“导通电阻Rdss(on)”和“跨导”测量前需确认被测管的结构是P沟道还是N沟道管，把电流表量程开关S4拨至2 000 mA档，绝缘栅型场效应管多为功率管，漏-源电流比较大，因此设置漏极电流表为2 000 mA量程，漏极电压调节旋钮RP2逆时针旋转到底，开关S3置VD位置读得电压表的读数VD＝5 V。

以测量N沟道绝缘栅管K214为例，把管型设定切换开关S2设置为MOS-N挡位，正确地把被测管的引脚插入测量插座中，然后按以下步骤进行测量。

（1）确定开启电压（VT）：开关S3置VG位置，使电压表显示被测管子的栅极电压VG，把S1开关S1置10档，然后调节电位器RP1旋钮使电流表的读数为1 mA，可认为此时被测管的漏极刚刚出现有电流，读出此时电压表的读数则为被测管的阈值电压Vth或者开启电压VT。

（2）测定栅极电压与漏极电流表示曲线的相关值：继续调节RP1使被测管的栅极电压(VG)变化，读取电流表的漏极电流值，按下表的电流值变化，读取对应电压表对应显示的电压值，并做好记录。如表1所示。

表1 栅极电压与漏极电流相关值

（3） 绘制转移特性曲线：由于栅极电压UG为正值，即横（X）轴方向为向右，漏极电流为纵（Y）轴向上方向，特性曲线绘画于第1象限。

绘画水平直线作横坐标，在右端绘画向右的箭头；并标示VGS表示栅极电压，单位是V。把0～200 mA对应的栅极电压分成10段，每均等段作出刻度，分别标示递增值。

绘画垂直直线为纵坐标，并且分成20 mA等值的若干段刻度，分别标示20 mA的递增值，并标示ID(mA)表示漏极电流，单位是mA。

把表中各个栅极电压VGS对应漏极电流的交点用小点标出，把所有小点用线段连在一起，便构成该被测管的转移特性曲线。

（4）计算出跨导gm：取曲线中间的一段（相对平直）的曲线，对应栅极电压的变量ΔUGS和漏极电流的变量ΔID，即可计算出跨导gm。

（5）确定导通电阻Rdss(on)：调节S1和RP1使栅极电压为10 V，然后把S3拨至VDS档位，此时电压表显示漏-源极之间的电压值，再把漏极电压调节旋钮RP2顺时针慢慢旋转，并注意观察电流表和电压表的读数，记录下当电流表读数为1 A时的电压表（漏-源极电压值）读数，该读数即为被测管的导通电阻，单位为Ω，记录导通电阻。

需要注意测量导通电阻时，被测管的电流较大（1 A）如果被测管的通态电阻较大（≥1 Ω）时，被测管的功耗较大而导致发热，因此测量动作要尽量快，或者在电流表读数为500 mA时，读取电压表（漏-源极电压值）读数，该读数×2（÷0.5）即为被测管的导通电阻，单位仍为Ω，一般情况下测量结果相差不大。

4 结束语

本原理性测量仪做到理论教学与实验相结合，能引导学生针对相关理论进行实验验证和展开自主探究，这是很值得采用的一种模式。样机测试符合教学要求，获得了师生们的好评。