MOS管检波原理与八只MOS管的测试分析

lq19512003

写在前面：
    上星期五、六两天用了大约十几个小时的时间做了一台MOS管栅漏极转移特性测试器并进行测试，得到了8只MOS管的转移特性数据，又用了两天的时间整理数据、构思这篇文章，原想用尽量短的篇幅将MOS管检波原理和对测试数据分析以及得出的结论进行通俗的描述，但是自认为把问题讲清楚时，文章已经很长了，几经推敲修改篇幅未能缩短多少，只好硬着头皮贴出来了，如果哪位兄弟有兴趣就请耐住性子慢慢看吧。


正文：
    前几天收到了张兄寄来的6只MOS管，这6只管子共有3种型号每种有两只。张兄希望能测出哪种检波效果好，这3种MOS管都是贴片管子，具体型号不详，管子上印的字分别是“MC”、“UM”和“3DQ”。正好我手中还有另外几种型号的MOS管，正好凑在块儿测试一次。
    为了测试方便，将管子分别焊接在9针D型插座上，将张兄寄来的3种管子插到矿机试听，发现印字为“MC”的管子不响，另外两种都能检波，用指针万用表电阻档简单测试发现不响的“MC”管是耗尽型的，于是将其剔除不测试了。
    这样,我手中在矿机上试听能响的MOS管子共有6种，分别是：三年前梁兄寄给我两只MOS管中的一只、旧高频头拆出的K103和U65，还有这回张兄寄来的3DQ和UM，再有就是大名鼎鼎的ALD110800。.因为梁兄以前试验发现3DQ检波效果非常好，张兄也来电话说他实验再生矿机也是3DQ比较好，看来3DQ是测试重点了，为此我将另一只3DQ也焊上了插座一同测试。为了能测明耗尽型MOS管检波效果不好的原因，将一只从旧高频头拆出的耗尽型管子K122也装上了插座，这样，参加测试的MOS管共有8只，为了测试方便将除去110800外的7只管子编了号：

编号：  1     2      3        4        5        6        7      
管子：K103    UM     3DQ      3DQ       U65     梁兄管    K122


下面就是这7只管子的照片：




临时做了一台MOS管转移特性测试仪，电路如下：




测试中：




每种管子测到的数据如下：
1号  K103：
Vg（V）： 0.154  0.15  0.18  0.2   0.23   0.26  0.3  0.35   0.4   0.5
Id（μA）： 0    0.1   0.17  0.29  0.62  1.27   3.25  9.55  25.4   118


2号  UM：
Vg（V）： 0.029  0.1    0.2   0.25    0.3   0.35    0.4   0.45   0.5
Id（μA）： 0    0.06    1     3.63   12.1   34.8   81.9  161.6  285


3号  3DQ
Vg（V）： -0.2  -0.1  -0.05  0   0.05   0.1   0.15  0.2
Id（μA）： 0    10     31   79   158   278    449   644


4号  3DQ
Vg（V）：  -0.2  -0.1  -0.05  0   0.05  0.1   0.15  0.2
Id（μA）：  0     6    18    53  116   223   362   534


5号  U65
Vg（V）：  0.026   0.1   0.2   0.25   0.3   0.35  0.4  0.45  0.5
Id（μA）：  0     0.06  0.99   3.48  10.9    31   73   146  262


6号  梁兄管
Vg（V）：   0.1     0.2     0.3    0.35     0.4     0.45    0.5
Id（μA）：   0     0.23     3.98   13.58    37.6     82     153


7号   K122
Vg（V）：  -0.74    -0.5    -0.45   -0.4     -0.35    -0.3   -0.25
Id（μA）：   0      5.5     18      52      122      247    429




下面是根据以上测出的数据绘制出的个管的栅漏极转移特性曲线图：


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    众所周知ALD110800是零栅压MOS管，也是最早被用来做MOS管检波的，刚好我有ALD110800，也就冒险测了110800的转移曲线，所谓冒险是因为110800太容易损坏了，3年前梁兄寄给我了一套MOS管的检波组件这回派上了用途，110800是4只MOS管集成在一起的，梁兄寄来的组件是将4只管子并连的，所以我测到的110800 的转移曲线是4 管并联的曲线。
下面就是ALD110800的测试照片：





下面是测到的ALD110800的数据：
Vg（V）： -0.2  -0.1  0   0.05  0.1   0.2   0.3  0.35   0.4   0.45   0.5
Id（μA）：0   0.57  3.9   8   15.4   42.1  87   116    150   187    230
下面就是ALD110800的栅漏极转移特性曲线图：


    用MOS管检波的原理是用调谐回路接收到的信号控制MOS 管的栅极，从而控制MOS管内部源极与漏极间的导电沟道，使信号的一个半周有电流通过MOS管的源极和漏极对负载形成电流，而另半周没有电流或是只有很小的反向电流，完成检波工作。


（接下页）

[ 本帖最后由 lq19512003 于 2011-1-13 11:14 编辑 ]

L.D.XIONG

将L2变一下，机子性能大大提高。

lq19512003

（承上页）
从测试数据和转移特性曲线反映出的问题：

1.耗尽型MOS管：
    从7号耗尽型管子K122的曲线和数据中可以看出，管子在栅压低于-0.74V时导电沟道才消失，因此在加到栅极的信号电平的峰值高于-0.74V时，管子的导电沟道一直存在，在这种情况下无论信号的正半周都能通过MOS管的源—漏两级在负载上形成电流，也就是没有单向导电特性，按理说在这种情况下是无法完成检波的。但是MOS管转移曲线的起始端开始不久便开始了弯曲，具体到这只K122大约在栅压-0.5V后转移曲线开始弯曲变大，这说明管子的跨导随着栅压的变化而有了较大的变化：信号越正跨导越大，负载得到的正向电流就越大，相反，信号越负跨导越小，负载得到的反向电流就越小，因此虽然在负载两端并联的滤波电容上，正向电流充电引起的电荷积累会被反向电流引起的反向充电抵消掉一部分，由于反向电流小于正向电流，所以电容极板上的电荷不能被完全抵消，这些未被完全抵消掉的残余电荷在滤波电容两段形成的电压便是检波的输出电压，所以如果严格的讲这时MOS管还是有检波作用的，只不过由于上述原因检波输出很小，几乎没有使用价值。
用MOS管检波的矿机电路图：


    耗尽型的MOS管检波还存在一个问题，由于耗尽型的管子在无栅压时已经存在源漏极之间的导电沟道了，因此在用耗尽型管子检波的矿机上，还没收到电台时栅极无栅压，可是源漏极间的导电沟道就把音频负载直接并联到L2上了，这时通过L2与L1的耦合，会给调谐回路造成很重的负担，使得调谐回路的有载Q值大幅下降（参见上面的电路图），这时即使再谐振到电台信号时，调谐回路的输出幅度也会因有载Q值低而减小，这就产生了一个尴尬的局面：MOS管的栅极需要较高幅度的栅压去关闭沟道以很好地去完成检波，而沟道影响了有载Q值使得栅极得不到较大幅度的栅压。
    基于上述两个原因，耗尽型MOS管的关闭栅压越远离0V检波的效果就越不好，除非矿机收到了很强的信号，使栅极得到了足够的关闭电压。
    如果关闭栅压很接近0V的耗尽型管子做检波就变得很好用的，这点在后面还有详细的介绍。
如果使用偏置电源预先关闭导电沟道，关闭栅压值高的耗尽型MOS管就能很好地完成检波了。我三年前曾经实验过技术说明书中关闭栅压是-0.8V的BF998，当栅极上加-1V的偏压时检波效果很好。
总之，耗尽型MOS管在符合下述3个条件之一时才能很好地检波：
    a. 收到强信号使得栅极电压幅度远大于关闭栅压值。
    b. 关闭栅压值很小。
    c．加偏压关闭导电沟道。

2. 典型的增强型管子：
    从测出的转移特性曲线看 K103、UM、U65和6号梁兄给我的管子都是典型的增强型的管子，不同的只是开启电压的高低有些差异、跨导大小有差异而已。
   首先，增强型的管子在栅压为零时没有导电沟道存在，因此也就不会像耗尽型管子那样，在收到信号前使音频负载就并联到调谐回路上，从而严重降低调谐回路的有载Q值。增强型管子是不存在这一严重问题的。
   这几只管子在矿机上都能正常工作，而且效果还都不错，由于我家位置信号很弱，在我的实际收听中强台检波后的直流电流最大也就4uA左右，但是收听效果不错，这几只管子检波的电流还是有差别的，有大有小，这与管子的开启电压、跨导值都有关系。开启电压越低越好，跨导越高越好。由于电台信号的调幅度不会达到100%，因此即便是开启栅压高于0V也未必会造成失真，再退一步说，即使开启电压高到切掉部分音频信号，但是检波的作用还在，只不过有失真而已，不会没有声音，除非开启栅压太高了，加到栅极上的信号电压不能使管子产生漏极电流，这时管子就失去了检波功能。
    值得说明的是我们在这里所说的开启电压并不是从管子的技术资料中查到的那个开启电压值，技术资料中的开启电压值是在资料中规定的测试条件下测到的值，在矿机中如果有几微安的音频电流，耳机的声音就很好了，因此MOS管的栅压只要能造成几个微安的漏极电流就能很好的检波了，所以往往在手册中查到的一些开启电压较高的管子也能检波，其原因就在于此。
    MOS管检波的效果好坏不能单单只看栅极开启电压的高低，栅极开启电压决定了管子是否能检波，对检波灵敏度也有影响，但是检波的效果好坏很大程度上还取决于管子的跨导，跨导高的管子栅压对与漏极电流的控制作用强，有较小的栅压变化量时就能得到较大的漏极电流变化量，因此管子的跨导高低直接影响检波的效果好坏，尤其是零栅压附近的跨导值决定了弱信号的检波灵敏度，这点非常重要。最好的管子当然是零开启电压的高跨到管子了，我们能见到的零偏压的MOS管只有ALD110800和ALD110900，而且不易得到，至于这两种管子的跨导也就没有选择的余地了。对于不是零栅压的管子只要开启栅压不高如果管子开启电压附近有较高的跨导，也能得到较高的检波灵敏度。我们或许能跟据这一原理在普通的增强型MOS管里找出检波效果好的佳品而不要完全受制于技术资料上的开启栅压值。
    MOS管的跨导有一个规律，就是开启栅压附近跨导比较低，随着栅压的提高跨导逐渐变大，最后跨导基本恒定，这点从转移特性曲线中清楚地看出来：从转移曲线上看MOS管在某个工作点上的跨导就是曲线上该点的斜率，曲线平直处跨导低，陡峭处跨导高，弯曲处跨导变化大。观察测到的转移曲线可知MOS管刚开启时跨导低（曲线平直部分），随着栅压升高跨导开始快速变高（曲线弯曲部分），当跨导变高了一定的值以后栅压再继续变高跨导也基本保持不变了（陡峭的直线部分）。因此想要得到较高的检波灵敏度就要尽量使管子工作在陡峭的直线部分或是曲线弯曲的部分，而应该避免管子工作在曲线平直的部分。
    根据上述规律在观察这4种管子的转移特性曲线可知，这4种管子的跨导较大开始于栅压0.3V附近，所以这4种管子的检波灵敏度不会太高。

3. ALD110800和3DQ这两种管子：
    梁兄告诉我在他的实验中发现3DQ管子检波效果很好，张兄来电话告诉我，他用这几种管子实验再生矿机时就数3DQ管子效果好，看来3DQ管子检波效果好是通过实验验证的不争事实，所以在这次我的测试中，其它管子每种只测了一只，唯独3DQ测了两只，这样做的目的是为了尽量排除测试中的偶然性，是测量的结果更真实，看到测出的3DQ转移特性曲线我暗自高兴了，看来目的达到了！
    比较ALD110800和两只3DQ的曲线我们会惊讶地发现它们的确很相似。
    在110800的测试数据中当栅压=0V时漏极电流是3.9uA，前面曾经提到过我测的是4管并联值，如果平均到每个管子上漏极电流还不到1uA，而从110800的技术说明书上查到的零栅压时漏极电流就是1uA！从我测量的这只110800数据里可以知道，当栅压是-0.2V时漏极电流才等于0，这也就是说110800从严格意义上讲应该是耗尽型的管子，因为在零栅压时它的导电沟道是存在的，尽管这是的沟道电阻很大，毕竟零栅压时有导电沟道存在。但是从使用角度看110800又是增强型的管子，这是因为1uA的漏极电流不能满足绝大多是情况下静态工作点的要求，需要加正向偏置建立正常的工作点，这点与一般的增强型的管子一样。
    再看两只3DQ的转移特性曲线与110800何等相似！只不过零栅压时的漏电流一只是79uA，另一只是53uA。显然这两只管子从严格的意义上讲也是耗尽型管子，零栅压时也有导电沟道存在。从测量数据看这两只管子的关闭栅压都是-0.2V，与测到的110800的关闭电压基本上一样。
那么3DQ和110800用于矿机的检波到底是哪个更好呢？这就要具体情况具体分析了。且看下面的分析与比较：
      a．110800的零栅压漏极电流只有1uA，而3DQ的零栅压漏极电流高达几十uA，这也就是说110800的静态沟道电阻远大于3DQ的静态沟道电阻，因此使用110800检波的矿机要比使用3DQ的矿机在未收到信号时音频负载对调谐回路有载Q值的影响要小得多，这样在调到电台信号时使用110800的矿机调谐回路可以输出更高的信号电压到MOS管的栅极，这显然对提高检波灵敏度有利。
      b．再仔细观察110800和3DQ的转移特性曲线可以发现，110800零栅压时位于曲线弯曲部分的起始部分，此时管子的跨到较低，而3DQ在零栅压时却位于曲线弯曲部分的末端与陡峭部分起始端的结合部，显然这是管子跨导很高的部位，所以在跨导方面使用3DQ检波占有优势，而高跨导检波对提高检波灵敏度大有好处。
    正是那句话：“祸兮福所至，福兮祸所依”，有利就有弊。正是由于3DQ管子零栅压时有较大的漏极电流，才使得其获得了对检波有利的零栅压附近较大的跨导，也正是因为110800有很小的零栅压漏极电流才有了对有载Q值影响很小的优点。但也因为同样的原因才是这两种管子分别有了对有载Q值影响大和跨导低的缺点。
   零栅压时存在漏极电流还有一个缺点，这就是检波时存在一定的反向电流，前面曾经讲到过耗尽型管子检波时的反向电流会抵消滤波电容中由正向电流积累的电荷，使音频负载得到的电压下降，所以没有反向电流最好（使用典型的增强型管子就没有反向电流），小反向电流（110800管子）比大反向电流（3DQ）要好，太大的反向电流（普通的耗尽型的管子）使检波效率很低以至于没有使用价值了。


至此我们可以总结如下：
     a．增强型MOS管做检波很容易成功，但是检波灵敏度大都不是很高。如果加入少量的正偏压，使检波工作点处在转移曲线弯曲部分的顶部的，这样就能得到较高的跨导，检波灵敏度会大幅度提高。
     b．耗尽型MOS管如果关闭栅压很低它就是一个“好孩子”，零栅压时的漏极电流几十uA的管子检波效果很好！可与110800有一拼。
     c．耗尽型MOS管如果关闭电压的绝对值较大，它就是一个“大坏蛋”，检波灵敏度很低，只能对很强的信号检波，但是如果加上一定的负偏压预先使漏极电流下降到几十uA，它就变成一个“好孩子”了，效果与低关闭栅压管子相同。
    综上所述3DQ是我测试的这几种管子中能替代110800最好的选择，如果3DQ的高跨导产生的优势效果大于零栅压漏极电流较大所引起有载Q值下降而造成的负面影响，3DQ检波的效果就会好于110800，这恐怕就是对梁兄和张兄以前实验中得出的3DQ检波效果优于110800这一结论的合理解释。

如果有时间下一步打算用矿机测试平台做这几种MOS管检波灵敏度实际测量实验。

声明：


    1.本次测试得到的数据仅对测试样品负责，所的结论也不一定有代表性。
    2.上述测试均在业余条件下进行的，受仪表、环境等因素的影响，所得到的数据未必准确，因此不做测试精度的讨论与争论。


感谢麦老师提供了国外爱好者应用MOS管检波的实例，使我们认识到了MOS管检波的可行性！
感谢梁兄以前做的大量实验为本次试验提供了基础！
感谢张兄不辞辛苦，百折不挠找到了多种可用的MOS管，并提供了试验样品。
如果张兄找到了3DQ管的稳定货源，无疑这将是我们玩儿MOS管检波的福音。

[ 本帖最后由 lq19512003 于 2011-1-13 11:16 编辑 ]

L.D.XIONG

从2007年找这管子，拆了多少高频头，不清楚的标着3DB、3DP，这回李兄解开了这个迷，经友谊电子张兄多方联系，终于找到了这叫3DQ管子。

L.D.XIONG

这就是极低电压、极小电流便有再生的管子，无天地线方框接收比110800电流大。

ZWDA

好文章，学习

lq19512003

感谢梁兄加分！

lq19512003

谢谢！   

lq19512003

谢谢您的关注！您过奖了，实不敢当。
由于货源的问题和大家对MOS管检波了解的较少，其实用MOS管检波是非常好的选择，如果选对了管子可以得到很好的灵敏度，还可以做出再生效果，梁兄在这方面走在了大家的前面，最近友谊电子的张兄也成功的做成了再生式矿机。

蒙古乐忽门

实验中,先学习了

lq19512003

谢谢！

60年代的爱好者

极好的实验和报告，为矿机爱好者开辟了一条新的途径，而且数据详尽，使得我们可以少走很多弯路。
   再次向lq19512003和YYDZ致敬！

zzm530919

望尘莫及，敬仰中

lq19512003

谢60兄的鼓励！

lq19512003

谢谢您的鼓励！