Коэффициент усиления полевого транзистора – Полевые транзисторы. For dummies / Habr

Параметры полевых транзисторов

При работе транзистора с сигналами низкой частоты в качестве параметров используются. Входное дифференциальное

сопротивление

Величина rвхдиф в полевых транзисторах с управляющим p-nпереходом очень велика и составляет 108 — 1010 0м. Крутизна стокозатворной характеристики

Крутизна S для полевых транзисторов лежит в пределах от нескольких десятых долей до 10 мА/В. Выходное дифференциальное сопротивление

.

Сопротивление rc велико и составляет 105 — 107 0м.

Статический коэффициент усиления

.

Параметры полевых транзисторов могут быть определены по статическим характеристикам (рис. 2, 3):

Предельно допустимыми параметрами полевого транзистора являются:

— допустимое напряжение между стоком и истоком Uсидоп;

допустимый ток стока Iсдоп;

— допустимая мощность рассеяния на транзисторе Рсдоп.

Эквивалентная схема полевого транзистора при работе на низких частотах относительно приращений сигналов имеет вид, показанный на рис. 4.

Рис. 4.

РАБОТА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С НАГРУЗКОЙ

При работе полевого транзистора в качестве усилителя электрических сигналов последовательно с ним в цепь стока включается сопротивление Rc(рис. 5,а), с которого снимается усиленное напряжение. Выходное напряжение между стоком и истоком Uси всегда меньше напряжения питания Еп на величину падения напряжения на Rc:

Это выражение устанавливает взаимосвязь выходного напряжения Uси с током транзистора

Ic, оно так же, как и подобное уравнение для биполярных транзисторов, представляет собой уравнение нагрузочной прямой (рис. 6). В свою очередь величина тока стока Ic зависит от входного напряжения Uзи и определяется по стокозатворной характеристике.

Рис. 5.

Рис. 6

При положительных приращениях входного напряжения ток стока получит положительное приращение

а напряжение Uси уменьшится, рабочая точка переместится по нагрузочной прямой вверх, при отрицательных — наоборот. Если выходное напряжение возрастет от UзиЗ до Uзи2 и получит положительное приращение , то рабочая точка на нагрузочной прямой переместится из положения 3 в положение 2, ток стока возрастет на величину выходное напряжение

Uси уменьшится от значения UсиЗ до Uси2, получив при этом отрицательное приращение Коэффициент усиления по напряжению полевого транзистора с нагрузкой будет определяться отношением соответствующих приращений выходного и входного напряжений:

.

Величина сопротивления в выходной цепи транзистора и питающее напряжение оказывают такое же влияние на режим усиления, как и в случае биполярного транзистора.

Пользуясь схемой замещения полевого транзистора с нагрузкой для приращений токов и напряжений (рис. 5,б) можно получить аналитическое выражение для коэффициента усиления:

при . Сопротивления rc и Rc в этих соотношениях должны быть выражены в килоомах (кОм), поскольку выражается в милиамперах/вольтах (мА/В).

3. Объекты и средства исследования

1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.

2. Установка для исследования полупроводниковых приборов.

Установка для исследования полупроводниковых приборов имеет два регулируемых источника напряжения U1 и U2 . Величина напряжений изменяется от +20 до — 20 В, нулевое напряжение соответствует среднему положению ручек управления. При повороте их по часовой стрелке на выходе источников — положительное напряжение, при повороте против часовой стрелки — отрицательное. Кроме того, полярность напряжения U2 дополнительно определяется положением переключателя. Установка позволяет с помощью соединительных проводников собирать необходимые схемы для исследования статических характеристик полупроводниковых приборов. На установке имеются четыре измерительных прибора Р1-Р4 с изменяемым диапазоном измерения. Р1 и РЗ предназначены для измерения токов; Р2 и Р4 — для измерения напряжений.

studfiles.net

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

56

·Что можно сказать по выходным характеристикам о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер?

·Зависит ли дифференциальное входное сопротивление биполярного транзистора от тока эмиттера?

·Чем определяется положение рабочей точки биполярного транзистора?

·При каком условии биполярный транзистор будет находиться в -ре жиме отсечки?

·Чем определяется падение напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения?

·Какова разность фаз между входным и выходным гармоническими сигналами в усилительном каскаде с общим эмиттером?

·Чем определяется коэффициент усиления по напряжению в транзисторном каскаде с общим эмиттером?

·Объясните, как работает ВП при выполнении заданий лабораторной работы.

·Насколько точно определены в работе параметры биполярного транзистора? От чего может зависеть качество полученных результатов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является:

· получение передаточной характеристики полевого транзистора в схеме с общим истоком;

·получение зависимости сопротивления канала полевого транзистора от напряжения затвор-исток;

·получение семейства выходных характеристик полевого транзистора в схеме с общим истоком;

·исследование работы транзисторного каскада с общим истоком.

2.СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед началом выполнения работы полезно ознакомиться со -сле дующими вопросами:

·устройство и принципом работы полевых транзисторов [1, с. 52-54],

·основные характеристики полевых транзисторов [1, с 54-61],

·схемы включения полевых транзисторов и режимы его работы[1, с. 182-190].

Униполярными, или полевыми, транзисторами называются полупро-

водниковые приборы, в которых регулирование тока производится изме-

57

нением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба названия этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управление током канала осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (С) и истоком (И), а управляющий электрод называется затвором (З). Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от, выполнения затвора униполярные транзисторы делятся на две группы: с управляющим р-n-переходом и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором

(ПТИЗ) приведено на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Устройство полевого транзистора

сизолированным затвором

Вполевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика

из двуокиси кремния SiO2. Поэтому полевой транзистор с такой структурой называют МОП-транзистором(металл-окисел-полупроводник). Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежимо мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называетсявстроенным. Электрическое поле затвора в этом, случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется n-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называютсяp-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех -ти пов: с каналом n- или р-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал.

Условные изображения этих типов транзисторов приведены на рис. 5.2.

58

Рис.5.2. Условное графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором

Графическое обозначение транзисторов содержит информацию о его устройстве. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, сплошная – встроенный. Подложка (П) изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Если корпус транзистора выполнен из металла, то подложка имеет с ним электрический контакт. На электрических схемах подложка обычно соединяется с общим проводом. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Устройство полевого транзистора с управляющимp-n-переходом

(ПТУП) приведено на рис. 5.3а. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного p-n-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. На рис. 5.3а показан полевой транзистор с каналом р-типа и затвором, выполненным из областей n-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводимости канала, поэтому полевые транзисторы с управляющим-n-р переходом работают только на обеднение канала носителями зарядов. Условное изображение полевых транзисторов с управляющимp-n- переходом приведено на рис. 5.3б.

Рис. 5.3. Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом

Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображении сплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. Направление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

59

Входное сопротивление полевых транзисторов составляет десятки– сотни МОм. При этом входной ток очень мал и практически не зависит от напряжения UЗИ между затвором и истоком, поэтому для полевых транзисторов входная характеристика, т.е. зависимость IЗ от UЗИ при фиксированном значении UСИ , практического значения не имеет и при расчетах используют только передаточные и выходные вольтамперные характеристики (ВАХ).

Типовые передаточные характеристики n-канальных полевых транзисторов приведены на рис.5.4. Как видно, ток стока для n-канальных транзисторов имеет положительный знак, что соответствует положительному напряжению на стоке.

Рис. 5.4. Типовые передаточные характеристики n-канальных полевых транзисторов

ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным IНАЧ. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки UОТС становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом таковы, что при нулевом напряжении на затворе ток стока транзистора нулевой. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значенияUПОР. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение токаIС.НАЧ. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Для полевых транзисторов с р-каналом передаточные характеристики имеют такой же вид, только располагаются в нижней половине графика и имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке.

Типовые выходные характеристики полевых транзисторов с управ-

60

ляющим p-n-переходом и каналом n-типа приведены на рис. 5.5. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный .видНа этих ВАХ можно выделить две области: линейную и насыщения. В линейной области вольтамперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют -со бой прямые линии, наклон которых зависят от напряжения на затворе. В области насыщения ВАХ идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока IС от напряжения на стоке UСИ. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов.

Рис.5.5. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением:

= 2k [( U ПОР — U ЗИ )UСИ

U

2

],

(5.1.)

СИ

 

2

 

 

 

 

 

 

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, UПОР — пороговое напряжение (или напряжение отсечки), UЗИ – напряжение между затвором и истоком, UСИ – напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области, учитывая малую величину напряжения на стоке (UСИ » 0) можно воспользоваться упрощенным выражением:

iС » 2k( U ПОР — U ЗИ )UСИ .

(5.2)

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной области:

RK

=

UСИ

=

1

.

(5.3)

 

2k( U ПОР -U ЗИ )

 

 

 

 

61

Из выражения (5.3) следует, что при UЗИ = 0 сопротивление канала будет минимальным RK.min=1/(2kUПОР). Если напряжение на затворе стремится к пороговому значениюUЗИ®UПОР, то сопротивление канала возрастает до бесконечности: RK®∞. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе приведен на рис. 5.6.

Рис.5.6. Зависимость сопротивления канала полевого транзистора от напряжения на затворе

Основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении -на пряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых транзисторов с изолированным затвором достигает долей Ома(0,5…2,0 Ом), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым собственным сопротивлением канала. С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению(или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается, что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводимостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе.

Область насыщения. В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением:

iC = k( U ПОР — U ЗИ )2 ,

(5.4)

из которого следует его независимость от напряжения на стоке. Практически такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (5.4) можно найти начальный ток стока при условии, что

UЗИ=0:

IC .НАЧ = kU ПОР

2 .

(5.5)

Из выражения (5.5) следует, что значение коэффициентаk можно определить экспериментально, измерив начальный ток стокаIНАЧ и пороговое напряжение UПОР (или напряжение отсечки UОТС).

Полевые транзисторы, в области насыщения используются в основ-

62

ном как усилительные приборы и их усилительные свойства определяются крутизной вольтамперной характеристики:

S =

diС

 

= 2k( U ПОР -U ЗИ ).

(5.6)

duЗИ

 

 

 

Из уравнения (5.6) следует, что максимальное значение

крутизна

имеет при иЗИ=0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при UЗИ-UП становится равной нулю.

Используя максимальное значение крутизны Smax=2kUПОР, уравнение (5.6) можно записать в виде:

S = Smax

(1-

U ЗИ

).

(5.7)

 

 

 

U ПОР

 

Усилительный каскад на полевом транзисторе. При построении усилителе на полевых транзисторах наибольшее распространение получила схема каскада с общим истоком. При этом в ней, как правиле применяются либо полевые транзисторы с управляющим-n-переходом, либо МДП-транзисторы со встроенным каналом.

На рис. 5.7 приведена типовая схема каскада на полевом транзисторе

суправляющим p-n-переходом и каналом n-типа.

Вэтой схеме с помощью источника смещенияЕСМ устанавливается требуемый режим работы каскада. Наиболее часто эта схема используется при построении входных каскадов усилителей. Объясняется это следующими преимуществами полевого транзистора перед биполярным:

·большее входное сопротивление полевого транзистора упрощает его согласование с высокоомным источником сигнала;

·как правило, полевой транзистор имеет весьма малый коэффициент шума, что делает его более предпочтительным при усилении слабых сигналов;

·полевой транзистор имеет большую собственную температурную

стабильность режима покоя.

Вместе с тем каскады на полевых транзисторах обычно обеспечивают меньший коэффициент усиления по напряжению, по сравнению с каскадами на биполярных транзисторах.

Как уже было отмечено, полевой транзистор с управляющим переходом может работать только с обеднением канала в режиме обеднения канала, т.е. полярности напряжений, приложенные к его стоку и затвору, должны быть противоположными. Поэтому для задания режима по постоянному току на практике широко используется введение в каскад последовательной отрицательной обратной связи(ООС) по току нагрузки. Схема такого каскада приведена на рис.5.8.

63

Рис.5.7. Типовая схема усили-

Рис.5.8. Задание режима покоя в усили-

тельного каскада на полевом

тельном каскаде на полевом транзисто-

транзисторе

ре с управляющим p-n-переходом

Ее особенность заключается в том, что параллельно входным выводам усилительного каскада подключен резисторRСМ. Этот резистор обеспечивает гальваническую связь затвора с общей шиной, что необходимо для замыкания цепи смещения, а также стабилизирует входное сопротивление каскада. Сопротивление резистора RСМ выбирается меньше собственного входного сопротивления транзистора(обычно RСМ<1МОм). Так как собственный входной ток полевого транзистора стремится к нулю, то падение напряжения на RСМ от протекания тока смещения также стремится

к нулю и напряжение смещения практически равно падению напряжения на включенном в цепь истока резисторе RИ.

В рассматриваемой схеме резистор RИ выполняет двойную роль. Вопервых, он обеспечивает начальное смещение рабочей точки каскада и, вовторых, вводит в него последовательную отрицательную обратную связь по току нагрузки, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада и стабилизирует его рабочую точку.

3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Всостав лабораторного стенда входят:

·базовый лабораторный стенд.

·лабораторный модуль Lab5А для исследования характеристик полевого транзистора типа КП303В.

4.РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

Подготовьте шаблон отчета в редакторе MS Word.

Установите лабораторный модуль Lab5А на макетную плату лабораторной станции NI ELVIS. Внешний вид модуля показан на рис. 5.9.

При исследовании характеристик полевого транзистора используется схема, изображенная на рис.5.10.

64

Рис. 5.9. Внешний вид модуля Lab5А

Рис. 5.10. Принципиальная электри-

для исследования характеристик

ческая схема для исследования ха-

полевого транзистора

рактеристик полевого транзистора

Загрузите и запустите программу Lab-5.vi.

После ознакомления с целью работы нажмите кнопку«Начать работу». На экране появится изображение ВП, необходимого для выполнения задания 1 (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1

Задание 1. Получение передаточной характеристики полевого транзистора в схеме с общим истоком

4.1.1. С помощью цифрового элемента управления, находящегося на передней панели ВП, установите значение напряжения питания стокаЕС,

65

равным 5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом

индикаторе ВП появится график зависимости выходного токаI транзи-

С

стора от входного напряжения UЗИ.

Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе, на страницу отчета.

4.1.2.Изменяя напряжение источника ЭДС затвораЕЗ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение тока стока IС примерно равным 0,01 мА. Запишите в отчет значение напряжения отсечки затвор-исток Uзи.отс .

4.1.3.Изменяя напряжение источника ЭДС затвораЕЗ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение напряжения затвор-исток UЗИ равным 0 В. Запишите в отчет начальное значение тока стока IС.нач.

4.1.4.Вычислите значение коэффициентаk, учитывающего конструктивные и технологические параметры транзистора, по формуле

k=IС.нач/(Uзи.отс)2.

4.1.5.Изменяя напряжение источника ЭДС затвораЕЗ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение напряжения затвор-исток UЗИ сначала равным UЗИ.1 = –0,1 В, а затем равным UЗИ.2 = +0,1 В. Запишите в отчет значения тока стока IС.1 и IС.2 для этих точек передаточной характеристики.

4.1.6.Вычислите и запишите в отчет значение крутизны передаточной характеристики полевого транзистора в окрестности точкиUЗИ=0 по

формуле S=(IС.2 — IС.1)/( UЗИ.2 — UЗИ.1).

Рис. 5.12. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2

66

4.1.7. Нажмите на передней панели ВП кнопку«Перейти к заданию 2», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 2 (рис.5.12).

Задание 2. Получение зависимости сопротивления канала полевого транзистора от напряжения затвор-исток

4.2.1.С помощью цифрового элемента управления, находящегося на передней панели ВП, установите значение напряжения питания стокаЕС, равным 5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости сопротивления каналаRК полевого транзистора от напряжения затвор-исток UЗИ.

Скопируйте изображение зависимости сопротивления канала полевого транзистора от напряжения затвор-исток в отчет.

4.2.2.Изменяя напряжение источника ЭДС затвораЕЗ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение тока стока IС примерно равным 0,01 мА. Запишите в отчет значение сопротивления RК.макс , соответствующее напряжению UЗИ.отс (закрытое состояние транзистора).

4.2.3.Изменяя напряжение источника ЭДС затвораЕЗ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение напряжения затвор-исток равным0 В. Запишите в отчет значение сопротивления RК.мин, соответствующее напряжению UЗИ=0 (открытое состояние транзистора).

4.2.4.Нажмите на передней панели ВП кнопку«Перейти к заданию 3», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 3 (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3

67

Задание 3. Получение семейства выходных характеристик полевого транзистора в схеме с общим истоком

4.3.1. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появятся графики зависимостей тока стокаIС от напряжения сток-исток UСИ, полученные при плавном изменении напряжения на стоке транзистора от 0 до 10 В и фиксированных значениях напряжения источника ЭДС затвора UЗИ = –1,5 В; –1,0 В; –0,5 В; 0 В; +0,5 В. Установившиеся при этом значения напряжения UЗИ отображаются на поле графика.

4.3.2.Скопируйте изображение выходных характеристик транзистора в отчет. Средствами MS Word для каждой кривой отметьте соответствующие значения напряжения затвор-исток.

4.3.3.При фиксированном напряжении сток-исток, равном UСИ =5 В, определите ток стока IС, соответствующий значениям напряжения на затворе, при которых снимались выходные характеристики.

Для этого с помощью расположенного на панели ВП ползункового регулятора «X» установите вертикальную визирную линию напротив деления «5 В» горизонтальной оси графика выходных характеристик. Затем с помощью горизонтальной визирной линии, перемещаемой ползунковым регулятором «Y», получите значения тока стока в точках пересечения выходных характеристик с вертикальным визиром. Полученные результаты запишите в отчет.

4.3.4.Определите крутизну передаточной характеристики транзистора S при изменении напряжения затвор-исток в диапазоне от–1,0 В

до 0 В по формуле S =D IC /D UЗИ. Полученное значение запишите в отчет.

4.3.5. Выберите сопротивление в цепи стока равнымRС=300 Ом, а величину напряжения источника ЭДС стокаЕС=5 В, и средствами MS Word постройте в отчете на графике выходных характеристик транзистора линию нагрузки по двум точкам: точка ЕС = 5 В на оси абсцисс и точка IС = ЕС/RС на оси ординат.

4.3.6. Оцените границы активного режима транзисторного каскада,

которые определяются координатами(IС.макс,UСИ.мин и IС.мин,UСИ.макс) точек пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками, полученными, соответственно, при значениях напряжения затвор-исток–1,0 В

и+0,5 В. Полученные значения запишите в отчет.

4.3.7.Вычислите ток стока IС*= IС.макс- IС.мин для средней точки активного режима, и определите по передаточной характеристике соответст-

вующее значение напряжения затвор-исток UЗИ*.

4.3.8. Нажмите на передней панели ВП кнопку«Перейти к заданию 4», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 4 (рис. 5.14).

68

Рис. 5.14. Лицевая панель ВП при выполнении задания 4

Задание 4. Исследование работы транзисторного каскада с общим истоком

4.4.1.Установите с помощью органов управления ВП амплитуду напряжения источника входного гармонического напряженияuВХ.m =0, и величину напряжения источника ЭДС стокаЕС = 5 В. Нажмите кнопку «Из-

мерение».

На графике выходных характеристик транзистора появится изображение линии нагрузки. Сравните его с изображением, полученным при выполнении п.4.3.5.

4.4.2.Установите напряжение источника ЭДС затвораЕЗ, равное значению UЗИ*, полученному в п.4.3.7. Измерьте и запишите в табл. 5.1 параметры статического режима транзисторного усилителя с общим истоком.

 

 

Таблица 5.1

UЗИ, В

IС , мА

UСИ, В

 

 

 

4.4.3.Плавно увеличивая амплитуду входного сигнала uВХ.m, получите на графическом индикаторе ВП максимальный неискаженный выходной сигнал. Скопируйте изображение выходного сигнала в отчет. Сопоставьте осциллограммы и сделайте вывод о соотношении фаз входного и выходного сигналов транзисторного каскада с общим истоком.

4.4.4.С помощью ВП измерьте значения амплитуд входногоUВХ и выходного UВЫХ сигналов. Для этого, используя визирные линии графиче-

69

ских индикаторов, определите по осциллограммам входного и выходного сигналов максимальные и минимальные мгновенные значения указанных напряжений. При отсчете значений напряжения используйте цифровые индикаторы, совмещенные с ползунковыми регуляторами ВП. Для определения амплитуды сигналов используйте формулуUm=(umax-umin)/2. Полученные результаты запишите в отчет.

4.4.5.Используя полученные значения амплитуды входного и -вы ходного сигналов, определите коэффициент усиления транзисторного каскада по формуле КУ=Uвых.m/Uвх.m. Результат запишите в отчет.

4.4.6.Вычислите коэффициент усиления транзисторного каскада по формуле КУ=S*RC., где S – значение крутизны, полученное в п.4.3.4. Результат запишите в отчет. Сравните измеренное (п.4.4.5) и рассчитанное значения коэффициента усиления. Объясните полученный результат.

4.4.7.Исследуйте, как влияет положение рабочей точки на работу транзисторного каскада с общим истоком. Для этого, регулируя напряже-

ние источника ЭДС затвораЕЗ, измените значение напряжения затвористок примерно на 30% от величины UЗИ*, полученной в разделе 4.3.7, сначала в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения. Пронаблюдайте характер искажения выходного сигнала. Скопируйте в отчет изображение, полученное на графическом индикаторе ВП в обоих случаях. Объясните причину наблюдаемых искажений выходного сигнала.

4.4.8.Выключите ВП, для чего нажмите на панели ВП кнопку«За-

вершение работы».

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

·Какие транзисторы называются полевыми или униполярными? Объясните происхождение таких названий.

·Как устроен полевой транзистор с изолированным затвором? Почему его называют МОП-транзистором?

·Как устроен полевой транзистор с управляющим p-n-переходом?

·Чем отличается принцип действия полевых транзисторовp-nс- переходом и с изолированным затвором?

·Чем отличаются МОП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.

·Как выглядят передаточные характеристики полевых транзисторов известных Вам типов?

·Имеются ли существенные различия в выходных характеристиках полевых транзисторов разного типа?

·Какие характерные области выделяют на выходных ВАХ полевого транзистора?

·Каковы особенности применения полевых транзисторов в зависимости от положения его рабочей точки на выходных характеристиках?

studfiles.net

4.2.1.   Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Структура и принцип действия ПТ

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-nпереходом, смещенным в обратном направлении (рис. 4.14).

Электрод, из  которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который  из  канала уходят носители заряда, – стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, – затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной  особенностью полевого транзистора.

При отсутствии напряжения на входе (Uзи = 0) ток Iс, создаваемый этими электро­нами, определяется напряжением стока (Uси) и сопротивле­нием канала, зависящим от его поперечного сечения.

При подаче на переход обратного  напряжения Uзи < 0, его ширина равномерно увеличивается, сечение канала уменьшается по всей его длине и сопротивление канала возрастает. Самое низкое сопротивление канала и соответственно самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (Uзи = 0), затем  по мере увеличения ширины перехода при возрастании Uзи и соответственно уменьшении сечения канала ток будет падать, и при некотором напряжении  на затворе произойдет смыкание переходов, канал полностью перекроется и ток через него перестанет протекать. Это напряжение называется напряжением затвор-исток отсечки (Uзи отс). Канал в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 4.15.

Характеристики  ПТУП

Выходные характеристики транзистора. На рис. 4.16 изображено семейство статических выходных характеристик Iс = f (Uси) при различных значениях напряжения на затворе Uзи.

Каждая характеристика имеет два участка – омический (для малых Uси) и насыщения (для больших Uси). При Uзи = 0 с увеличением напряже­ния Uс ток Iс вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома. Ток Iс начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и возрастанию потенциала вдоль канала от истока к стоку. Потенциал же затвора одинаков по всей длине.

Появляется разность потенциалов между каналом и затвором, которая увеличивается в сторону стока. Вследствие этого толщина запирающего слоя увеличивается клинообразно (рис. 4.17) и сопротивление  канала также увеличивается, а возрастание тока IС замедляется. При напряжении насыщения Uси нас = Uзи отс сечение канала у стока приближается к нулю, и рост тока стока Iс прекращается.

Реальные характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон. Незначительное увеличение тока стока в режиме насыщения при повышении напряжения Uси объясняются некоторым уменьшением эффективной длины канала при расширении перекрытого участка.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора (U~~зи), когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях Uси, будет более пологой на начальном участке, и насыщение наступит раньше, при меньших значениях

U~~си нас = Uзи отс  – U~~зи.

Передаточные (стоко-затворные) характеристики (рис. 4.18)  представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении  на стоке 

Iс = f(Uзи) ׀Uси = const.

Характер этой зависимости ясен из принципа действия полевого транзистора. Ток стока имеет максимальную величину при отсутствии напряжения на затворе    (Uзи = 0), когда толщина канала максимальна. При подаче обратного напряжения  на затвор переход расширяется, толщина канала уменьшается, сопротивление возрастает, и ток стока уменьшается. Когда напряжение на затворе  достигает величины Uзи отс  ,  канал полностью перекрывается  и ток стока падает до минимального значения.

Входная характеристика ПТУП – это зависимость Iз = f (Uзи). Представляет собой обратную ветвь ВАХ  p-n-перехода (рис. 4.19).

Параметры ПТУП

Основным параметром, ис­пользуемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т.е.  отношение изменения тока стока к изменению напряжения ме­жду затвором и истоком:

.

Крутизна обычно измеряется в миллиамперах на вольты и для типовых транзисторов она равна от десятых долей до единиц  миллиампер на вольт. Крутизна характеризует управляющее действие затвора.

Дифференциальное выходное сопротивление опреде­ляется следующим образом:

.

Оно составляет, примерно от десятков до сотен килоом.

Статиче­ский коэффициент усиления по напряжению равен:

.

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе воздействует эффективнее на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Входное дифференциальное сопротивление равно:

.

Входное сопротивление имеет значение от сотен килоом до десятков мегаом.

Поскольку характеристики полевого транзистора нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима работы по постоянному току.

Эквивалентная схема ПТУП

Основным элементом эквивалентной схемы полевого транзистора (рис. 4.20), характеризующим усилительные свойства прибора, является зависимый генератор тока SUзи.  Частотные и импульсные характеристики транзистора определяются  емкостями электродов: затвор – сток (Cзи), затвор – сток (Cзс), сток – исток (Cси). Емкости Cзи и Cзс зависят от площади затвора  и степени легирования канала, емкость Cзс – самая маленькая среди рассмотренных.

Сопротивления утечки Rзс, Rзи, Rзс весьма велики, и учитываются, как правило, при расчете электрических усилительных каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и усилительных каскадов переменного тока их не учитывают, поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше шунтирующих их проводимостей утечки электродов.

Схемы включения полевого транзистора

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы (рис. 4.21):

1) с общим истоком  и входом на затвор;

2) с общим стоком и входом на затвор;

3) с общим затвором и входом на исток.

Температурная зависимость параметров ПТУП

При изменении температуры  свойства  полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.

Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов p-n-перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, ширина перехода также уменьшается, канал расширяется, сопротивление его падает, а ток стока увеличивается. Но повышение температуры приводит к  уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. Первое сказывается при малых токах стока, второе – при больших.

При определенных условиях действие этих факторов взаимно компенсируется, и ток полевого транзистора не зависит от температуры. На рис. 4.22 приведены стоко-затворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки (ТСТ).

Для кремниевых транзисторов крутизна (S) с увеличе­нием температуры уменьшается. С повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток затвора (Iз) через переход и, следовательно, уменьшается Rвх. У полевых кремниевых транзисторов с p-n-переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10 °С. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы.

electrono.ru

3. Примеры расчета каскада линейного усиления гармонического сигнала на полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом

Выбор рабочей точки.

Расчет любого усилительного каскада начинается с выбора положения рабочей точки транзистора. Только на следующем этапе следует рассматривать переменные (гармонические) составляющие усиливаемого транзистором сигнала.

Положение рабочей точки транзистора в пространстве представления его вольтамперных характеристик, вообще говоря, не зависит от типа схемы, в которой этот транзистор используется в качестве активного элемента. Так же как и в случае с биполярным транзистором, выбор рабочей точки полевого транзистора предполагает определение оптимальных значений постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора.

Рассмотрим графоаналитический способ расчета параметров рабочей точки транзистора, планируемого для использования в качестве активного элемента линейного усилителя электрических сигналов. Этот способ применим как при расчете маломощного усилительного узла (каскада), проектируемого по схеме ОИ, так и в маломощных каскадах ОЗ и ОС. Расчет мощных выходных усилительных каскадов имеет свои особенности, которые здесь не рассматриваются.

В отличие от биполярного транзистора, положение рабочей точки полевого транзистора достаточно определить на плоскости представления выходных вольт-амперных характеристик (т.е. на плоскости {UСИ,IС}). На этой плоскости представляется семейство выходных ВАХ (взятое из справочника или построенное по результатам экспериментальных измерений). Поверх полученной картины достраивается нагрузочная прямая.

Положение нагрузочной прямой зависит от того, в каком режиме должен работать транзистор. Амплитуда усиливаемого сигнала, подаваемого на вход рассчитываемого транзисторного каскада, может быть различной величины. В одних случаях приходится усиливать очень слабые электрические сигналы, в других случаях амплитуда усиливаемого сигнала может оказаться относительно большой. Для этих двух крайних ситуаций, соответствующих режимам сильного и слабого сигнала, положение нагрузочной прямой должно быть различным.

Входной сигнал называется сильным, если его амплитуда равна или чуть меньше величины Um.макс0,3UЗИотс(максимально допустимой амплитуды напряжения сигнала между затвором и истоком, при котором нелинейные искажения усиленного сигнала не превышают 3%). В случае такого сильного входного сигнала наиболее оптимальной нагрузочной прямой является линия, проходящая через точку максимального изгиба верхней ветви семейства выходных ВАХ транзистора. На рис.1 эту точку обозначили буквой А.

Второй определяющей точкой искомой нагрузочной прямой является точка О, лежащая на оси напряжений UКЭи соответствующая напряжению источника питания,Епит. НапряжениеЕпитне должно превышать величины 0,8UСИ.пред.(гдеUСИ.пред.указывается в списке основных параметров рассматриваемого транзистора и соответствует предельно допустимому напряжению между его стоком и истоком). При этом следует иметь в виду, что занижение значенияЕпитведет к уменьшению коэффициента усиления каскада по напряжению.

Таким образом, в случае сильного сигнала нагрузочная прямая должна примерно совпадать с наклонной сплошной линией, проходящей через точки А и О (см. рис.22). В случаях более слабых сигналов она будет проходить через точки А1и О, А2и О, А3и О (по мере убывания амплитуды сигнала). Отметим здесь, что понятия «сильный сигнал» или «слабый сигнал» являются относительными. Если для одного конкретного транзистора данный сигнал следует рассматривать как сильный, то для более мощного транзистора он может оказаться слабым. Выбирать следует такой транзистор, чтобы каскад, собранный на его основе был согласован как с источником сигнала (согласование по входу) так и с нагрузкой (согласование по выходу). При этом очевидно, что значения токов IC00,IC(А),IC(А1)(и т.д.) будут связаны с величиной заданного в задании сопротивления нагрузки. Следовательно, выбор подходящего транзистора должен осуществляться исходя из величины сопротивления нагрузки.

Рекомендуемое значение IC00, удовлетворяющее ограничениям по предельно допустимому току стока и мощности, выделяемой на транзисторе, должно соответствовать следующему неравенству:

, (17)

где Рмакс– максимально допустимая активная мощность, выделяемая на транзисторе. Одновременно с этим должно быть выполнено условие оптимального согласования усилительного каскада, построенного на данном транзисторе, с нагрузкой,RН:

. (18)

Для схемы ОИ это последнее равенство означает, что при его выводе были использованы приближенные соотношения: RИ  0,3RС и RС  (1,52,0)RН. Очевидно, что одновременное выполнение условий (17) и (18) связано с выбором конкретного транзистора под данную нагрузку.

Определив значения IC00 и Епит и, следовательно, задав положение нагрузочной прямой, необходимо выбрать на этой прямой положение рабочей точки. Для этого следует найти точки пересечения выбранной нагрузочной прямой с самой нижней ветвью ВАХ (с одной стороны) и с пунктирной параболической кривой (с другой стороны). Последняя проходит через точки максимального изгиба всех графиков семейства выходных ВАХ. Середина отрезка нагрузочной прямой, заключенной между указанными двумя точками пересечения и является оптимальным положением рабочей точки транзистора.

Установив координаты рабочей точки в пространстве выходных ВАХ рассматриваемого транзистора, легко определить ее положение и на его стоко-затворной ВАХ (т.е. на плоскости {UЗИ,IС}). Такое построение позволит определить крутизну стокозатворной ВАХ в рабочей точке,S0(РТ). Здесь следует отметить, что стоко-затворные (проходные) ВАХ, соответствующие значениямUСИв интервале 520 В, практически накладываются друг на друга. Поэтому для рассматриваемого построения можно использовать любую ветвь из семейства проходных ВАХ, снятую при значении напряжения между стоком и истоком транзистора, принадлежащем указанному интервалу. Однако более точное значениеS0(РТ) получается из следующего построения. Через рабочую точку, определенную на плоскости представления выходных ВАХ транзистора проведем вертикальную прямую, пересекающую все графики выходных ВАХ (см. рис.23) в точках 06. Определив ординаты этих точек, мы получаем ряд значений тока стока —IС(0) IС(6). Поскольку точки пересечения принадлежат графикам с конкретными значениями напряженияUЗИ, мы можем найти соответствия между значениямиIС(0) IС(6). из полученного ряда и значениями напряженияUЗИ.

В результате мы получаем координаты ряда точек искомой стоко-затворной характеристики на плоскости {UЗИ,IС}. Среди этих точек находится и выбранная рабочая точка. Результат построения этой стоко-затворной характеристики представлен на рис.24.

Крутизна стоко-затворной характеристики (S0(РТ)) в выбранной рабочей точке Р определяется с помощью следующего геометрического построения (см. рис.25). К точке Р проводим касательный отрезок АБ. Через точку А проводим вертикальный отрезок АВ, а из точки Б – горизонтальный отрезок БВ. В результате получаем прямоугольный треугольник АБВ. Если длину катета АВ выразить в миллиамперах (согласно масштабу вдоль осиIС), а длину катета БВ – в вольтах (согласно масштабу вдоль осиUЗИ), то отношение АВ (в миллиамперах) к БВ (в вольтах) даст статическую крутизнуS0(РТ).

Величина выходного динамического сопротивления рассматриваемого полевого транзистора определяется с помощью следующего построения. К рабочей ветви ВАХ в рабочей точке Р строится касательный отрезок АБ произвольной длины (см. рис. 26). Этот отрезок используется в качестве гипотенузы для построения прямоугольного треугольника. Один из катетов этого треугольника параллелен осиIC, а другой – параллелен осиU СИ.

Если длину катета АБ выразить в миллиамперах (согласно масштабу вдоль оси IС), а длину катета БВ – в вольтах (согласно масштабу вдоль осиUСИ), то отношение АБ (в миллиамперах) к БВ (в вольтах) даст величину выходного динамического сопротивления данного транзистора (в Y-параметрах —у22).

Расчет величин пассивных элементов и коэффициента усиления схемы ОИ.

Одна из наиболее распространенных схем каскада ОИ на полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом представлена на рис.27. Такой каскад позволяет усиливать сигнал по напряжению в широком диапазоне частот и не требует дополнительного источника напряжения для создания требуемой разности потенциалов между затвором и истоком транзистора.

Начинаем с расчета по постоянному току. Целью такого расчета является определение величин сопротивлений, гальванически связанных с выводами транзистора. Эти сопротивления должны обеспечивать оптимальное согласование каскада с нагрузкой и состояние покоя транзистора, соответствующее выбранной рабочей точке. Выше, при выборе транзистора и определении положения его рабочей точки, мы нашли две точки на плоскости представления выходных ВАХ транзистора, определяющие положение нагрузочной прямой. Одна из этих точек лежит на оси напряженийUСИи соответствует выбранному значению напряжения источника питания,Епит. Другая точка находится на оси токов,IС, и соответствует величинеIС00, определенной нами из условия согласования каскада с нагрузкой. С другой стороны (сопоставьте рис.22 и рис.27),IС00имеет смысл постоянного тока, протекающего в цепи стока в отсутствие входного сигнала и при коротком замыкании выводов стока и истока (UСИ= 0). Из схемы (рис.27) видно, что величинаIС00определяется равенством

IС.00=Епит /( RС+RИ), (19)

где RСиRИсопротивления, через которые протекают постоянные и переменные составляющие тока стока (в случае полевого транзистора постоянные составляющие токов стока и истока практически равны).

В схеме ОИ, сопротивление RИслужит только для обеспечения положения рабочей точки в том месте, которое было получено в результате графического построения (см. рис.22). В этой схеме оно обычно шунтируется большой электрической емкостью и его величина должна быть равной

. (20)

Величина сопротивления RСнаходится из равенства:

. (21)

В данной схеме сопротивление R1необходимо для обеспечения гальванической связи затвора транзистора с общим проводом схемы. Постоянной составляющей тока через это сопротивление нет, поскольку канал транзистора надежно изолирован от затвора обратно смещеннымр-п-переходом. По этой причине величина сопротивленияR1может быть достаточно большой (несколько МОм). Однако, при большой величинеR1ухудшается термостабильность параметров схемы. С другой стороны, слишком малым это сопротивление не должно быть, поскольку оно будет шунтировать источник сигнала, вследствие чего коэффициент передачи сигнала уменьшится. Рекомендуемые значенияR1следующие: для маломощных транзисторов – 100200 кОм, для транзисторов средней мощности – 3050 кОм, для мощных транзисторов – 1020 кОм.

Расчет по переменному токуначинается с определения величин разделительных емкостейС1иС2и шунтирующей емкостиС3. Поскольку реактивное сопротивление электрических емкостей обратно пропорционально частоте сигнала (), то на низких частотах на разделительных емкостях начинает падать заметная доля напряжения сигнала. При разработке любого усилителя частотный диапазон эффективного усиления сигнала задается техническим заданием, где определяется нижняя (ниж) и верхняя (верх) частоты этого диапазона. При этом для оценки оптимальной величины разделительных емкостей служат равенства:

, (22)

, (23)

где Zвх– комплексное входное сопротивление транзистора. На низких частотах междуэлектродными емкостями можно пренебречь. Кроме того, можно считать, что сопротивлениеRИдостаточно хорошо зашунтировано емкостьюС3. Поэтому вместо приближенного равенства можно использовать

. (22а)

Чтобы исключить отрицательную обратную связь в каскаде и надежно зашунтировать сопротивление RИуже на частотениж, необходимо выполнение приближенного равенства

. (24)

Далее производится расчет коэффициента усиления каскада. Для этого в схеме усилительного каскада (рис.27) транзистор замещается линейным четырехполюсником, заданным в Y-параметрах. Свойства этого четырехполюсника описываются линейными уравнениями, связывающими между собой входные и выходные напряжения и токи (U1,U2,I1иI2). Система уравнений для полевого транзистора, рассматриваемого как четырехполюсник, может быть представлена в следующем виде:

,

. (25)

Физический смысл входящих в систему параметров определяется равенствами, найденными из системы (8) при предельных условиях.

, ,,. (26)

Из вида равенств (26) следует, что представляет собой входную проводимость четырехполюсника, определенную при коротком замыкании на его выходе. Параметрявляется проводимостью обратной связи при холостом ходе на входе четырехполюсника,является для четырехполюсника проходной проводимостью, определенной при коротком замыкании на его выходе, а— выходной проводимостью четырехполюсника при холостом ходе на его входе.

Можно показать, что уравнения (25) соответствуют схеме, представленной на рис. 28.

Поскольку полевой транзистор может заменяться линейным четырехполюсником не во всем диапазоне изменений входных и выходных токов и напряжений, то его Y-параметры имеют смысл лишь в дифференциальной форме:

, ,

, . (27)

В приближенных расчетах обычно пренебрегают влиянием параметра у12, поскольку он имеет величину, близкую к нулю. На низких и средних частотах (где влияние междуэлектродных емкостей пренебрежимо мало) параметр у11 также может быть исключен из рассмотрения. Поэтому часто используют упрощенную схему замещения полевого транзистора (схема ОИ), показанную на рис. 29. Она представляет собой четырехполюсник с бесконечно большим входным сопротивлением и бесконечно малой проводимостью обратной связи.

Заменив в схеме каскада ОИ (рис. 27) полевой транзистор его схемой замещения, примем во внимание дифференциальный характер параметров у21 и у22. Это значит, что постоянные составляющие токов и напряжений в схеме каскада должны быть приравнены к нулю. Источники постоянного напряжения должны быть закорочены, а ветви схемы, содержащие источники постоянного тока, должны быть разомкнуты. Источник тока в схеме замещения следует рассматривать как источником переменного тока. Таким образом, в расчетах по переменному току схема каскада ОИ будет иметь вид, показанный на рис.28. Для простоты на этой схеме не учтено внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Параметр транзистора у21 зависит от частоты. Его величина резко уменьшается по мере приближения к граничной частоте усиления транзистора. Реактивные сопротивления емкостей С1, С2 и С3 также зависят от частоты сигнала. На самой нижней частоте рабочего частотного диапазона каскада они могут повлиять на его коэффициент усиления. Но на более высоких частотах это влияние очень мало. Поэтому мы можем считать, что на этих частотах их сопротивление равно нулю.

Для примера мы рассмотрим порядок расчета каскада на средних частотах усиливаемого сигнала. Учитывая сказанное выше, эквивалентную схему каскада ОИ мы представим так, как это показано на рис.29.

Целью нашего упрощенного расчета является определение коэффициента усиления каскакда по переменному току, KU = uвых / uвх. Очевидно, что выходным напряжением каскада является напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки вследствие протекающего через него переменного тока. Из схемы (рис. 29) видно, что это напряжение соответствует также падению напряжения на сопротивлении RС и переменной составляющей напряжения UКЭ (т.е., uКЭ). Поскольку, вследствие шунтирующего влияния емкости С3, переменная составляющая потенциала истока равна нулю (потенциалы отсчитываем от общего провода), то ток генератора тока i будет равен у21uЗИ. На средних частотах параметр у21 приблизительно равен S0 (величине крутизны статической стоко-затворной характеристики используемого полевого транзистора). Переменная составляющая напряжения UЗИ равна входному напряжению uвх. Из равенств

и

находим

,

откуда получим

. (28)

Расчет величин пассивных элементов и коэффициента усиления схемы ОC. Одна из возможных схем каскада усиления ОС представлена на рис.30. Такая схема используется очень редко, поскольку обеспечивает лишь усиление сигнала по току. Его использование приобретает смысл только на высоких частотах, где межэлектродные емкости полевого транзистора начинают играть значительную роль.

Как и выше, начинаем с расчета по постоянному току. Будем искать величины сопротивлений, гальванически связанных с выводами транзистора и обеспечивающих оптимальное согласование каскада с нагрузкой и состояние покоя транзистора в выбранной рабочей точке. Используем две величины, определенные при выборе рабочей точки —ЕпитиIС00. Из схемы (рис.30) видно, что величинаIС00определяется равенством

IС.00=Епит /RИ. (29)

В схеме ОС сопротивление RИслужит (совместно с разделительной емкостьюС3) для выделения усиленного переменного сигнала. В то же время оно влияет на положение рабочей точки. Обеспечение оптимального согласования с нагрузкой является главным требованием к этому сопротивлению. Исходя из опыта, величину этого сопротивления выбирают согласно приближенному равенству:

RИ(1,52)RН. (30)

Поскольку падение напряжения на сопротивлении RИ,IС(РТ)RИ, оказывается намного больше напряжения между затвором в рабочей точке, необходимо поднять потенциал затвора относительно потенциала общего провода так, чтобы в отсутствие входного сигнала состояние транзистора соответствовало выбранной рабочей точке. Для этого в схеме предусмотрен делитель напряжения, построенный на сопротивленияхR1иR2. Величина указанных сопротивлений выбирается исходя из следующего равенства:

. (31)

Очевидно, что равенство (31) позволяет лишь определение относительных величин сопротивлений R1иR2(т.е., позволяет определить отношениеR2/R1):

. (32)

Значение сопротивления R1выбирается согласно рекомендации — для маломощных транзисторов – 200500 кОм, для транзисторов средней мощности – 50200 кОм, для мощных транзисторов – 3050 кОм. По выбранному значениюR1из определенной выше величины отношенияR2/R1находится R2 .

Расчет по переменному токуначинается с определения величин разделительных емкостейС1иС2. Для оценки оптимальной величины разделительных емкостей служат равенства (22а) и (23) (см. выше). Здесь (как и при расчете схемы ОИ) мы пренебрежем, на низких частотах сигнала, междуэлектродными емкостями транзистора.

Далее начнем расчет коэффициента усиления каскада по напряжению. Для этого в схеме усилительного каскада (рис. 30) транзистор замещается линейным четырехполюсником, заданным в Y-параметрах. Внутреннее содержание этого четырехполюсника показано на рис. 29). В результате такого замещения получаем следующую схему (рис. 31).

Для простоты на этой схеме не учтено внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Напомним, что параметр транзистора у21 и реактивные сопротивления емкостей С1 и С2 зависят от частоты сигнала. На самой нижней частоте рабочего частотного диапазона на усилительные свойства каскада могут повлиять емкости, а на высших частотах – резкое падение величины у21.

Напоминаем, что мы рассматриваем порядок расчета каскада на средних частотах усиливаемого сигнала. В этом случае величина у21 еще остается близкой к статическому значению S0, а реактивные сопротивления емкостей оказываются близкими к нулю. Учитывая сказанное выше, эквивалентную схему каскада ОС мы представим так, как это показано на рис. 32. Отличия от соответствующей для схемы ОИ картины, представленной на рис. 29, состоят в следующем. В данном случае с общим проводом оказался соединенным сток, а не исток. Поэтому фазу генератора тока мы изменили на 1800 (т.е., поставили знак «-» перед произведением S0 uЗИ). Кроме того, параллельно источнику входного сигнала оказалось включенным сопротивление R12 (вместо R1), которое соответствует параллельно включенным сопротивлениям R1 и R2.

Итак, мы ищем величину коэффициента усиления каскакда по переменному току, KU = uвых / uвх. Отметим, что выходным напряжением каскада является напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки вследствие протекающего через него переменного тока. Из схемы (рис. 32) видно, что это напряжение соответствует также падению напряжения на сопротивлении RИ и переменной составляющей напряжения UКЭ (т.е., uКЭ). Но здесь величина тока i оказывается выраженной не через величину входного напряжения, поэтому мы вместо uЗИ должны подставить значение этого напряжения, выраженное через uвх. Поскольку на средних частотах параметр у21S0 (т.е. практически остается действительной величиной), мы можем не рассматривать пренебрежимо малого сдвига фазы сигнала в транзисторе. Поэтому используем равенство uЗИ = uвх uвых. Учитывая это, из равенств

и

находим

,

откуда получим

, (33)

где

(34)

— является величиной, определенной выше (см. выражение (28)) как коэффициент усиления по напряжению для каскада ОИ. Отсутствие в формуле (34) величин сопротивлений R1 и R2 (и, по этой причине, полное тождество выражений (28) и (34)) связано с тем, что мы пренебрегли внутренним сопротивлением источника входного сигнала.

Результат (33) говорит о том, что коэффициент усиления по напряжению у каскада ОС меньше единицы.

studfiles.net

10.4. Полевые транзисторы.

Полевой транзисторв отличие от биполярного иногда называютуниполярнымтранзистором, так как его работа основана на использованиитолько одноготипа носителей — либо электронов, либо дырок. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называютканалом.

Полевой транзистор— полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (как в биполярном транзисторе), а электрическое поле (отсюда и название — полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала. При этом изменяется выходной ток транзистора. Каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим р-n-переходом). Приповерхностный канал представляет собой либо обогащенный слой, образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике, либо инверсный слой, возникающий под действием внешнего поля. Такой полевой транзистор имеет классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика, как правило, играет оксид (например, двуокись кремния SiО2). Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП- или МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник).

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (З), два других электрода — истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком — тот электрод, через который эти носители уходят из канала во внешнюю цепь. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема ОИ.

Принцип работы полевого транзистора.В полевом транзисторе с объемным каналом площадь поперечного сечения канала меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включенного р-n-перехода. На рис. 10.9 показана схема включения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом, выполненным в виде кольца, охватывающегоn-область. Эта схема включения соответствует схеме с ОИ.

На р-n-переход затвор-исток с помощью источника питания подается обратное напряжение UЗИ. При его увеличении глубина d обедненного слоя (заштрихованная область на рис. 10.9) возрастает, а токопроводящее сечение b канала сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, а следовательно, снижается выходной то IСтранзистора. Поскольку напряжение UЗИприкладывается к р-n-переходу в обратном направлении, ток IЗничтожно мал и практически мало зависит от управляющего напряжения. Вследствие этого для полевых транзисторов входная характеристика не имеет практического значения.

Рис. 10.9. Схема включения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом

Рис. 10.10. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (схема с ОИ): а -выходные; б — передаточные

При расчете цепей с полевыми транзисторами используют передаточные и выходные ВАХ. На рис. 17.10, а, б приведены соответственно выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим р-n-переходом для схемы включения с ОИ. Очевидно, что эти характеристики имеют нелинейный характер.

Реальная структура МДП-транзистора с каналом n-типа показана на рис. 10.11. Металлический затвор изолирован от полупроводниковой подложки слоем диэлектрика (отсюда эквивалентное название МДП-транзистора— полевой транзистор с изолированным затвором). Пусть напряжение на затворе отсутствует, т. е. UЗИ=0. Если между стоком и истоком подвести напряжение указанной на рис. 10.11 полярности, то при нулевом потенциале на затворе на пути от истока к стоку окажутся два встречно включенных р-n-перехода. Поэтому токопроводящее сечение канала b будет обладать большим сопротивлением, а выходной ток ICокажется ничтожно мал (примерно равен обратному току р-n-перехода). Если подать на затвор отрицательное напряжение UЗИ, то поверхностный слой подложки р-типа, прилегающий к металлизированной пластине затвора, обогатится дырками и значение тока ICпрактически не изменится. Если же приложить к затвору небольшое положительное напряжение UЗИи постепенно его повышать, то дырки под действием поля, создаваемого положительным напряжением затвора, будут уходить из поверхностного слоя в глубь подложки, а электроны — притягиваться, образуя обогащенный электронами поверхностный слой подложки, примыкающий к пластине затвора. Количество этих электронов значительно меньше, чем в областях подложкиn-типа, примыкающих к истоку и стоку. Однако этого количества электронов по отношению к основным носителям заряда для р-области становится достаточно, по мере возрастания положительного напряжения на затворе, для образования слоя противоположной проводимости по отношению к подложке р-типа — инверсного слоя. Этот инверсный слой и является токопроводящим каналомn-типа, замыкающим две другиеn-области подложки, примыкающие к истоку и стоку. Такой канал называется индуцированным, т. е. наведенным полем затвора. Таким образом, индуцированные каналы отсутствуют в равновесном состоянии и образуются под действием внешнего напряжения определенной полярности и определенного значения. Напряжение на затворе, при котором возникает токопроводящий канал, называется пороговым. Если выбрать подложкуn-типа, а области истока и стока сделать р-типа, то получится МДП-транзистор с индуцированным р-каналом.

Рис. 10.11. Структура МДП-транзистора

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором, при нулевом напряжении на затворе относительно истока, существует инверсный слой — проводящий (встроенный) канал. Этот канал практически реализуют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью ионного легирования. МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать при обеих полярностях напряжения на затворе. Передаточные и выходные ВАХ данного транзистора, включенного по схеме с ОИ, показаны на рис. 10.13.

Значение выходного тока ICполевого транзистора, как видно из вышеизложенного, зависит от приложенного к затвору напряжения. Причем эта зависимость нелинейная. Поэтому полевой транзистор, как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи.

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор как нелинейный элемент, являются:

коэффициент усиления по току

входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению

дифференциальное выходное (внутреннее) сопротивление

крутизна(определяется по передаточной характеристике)

Рис. 10.12. Переходные (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом

Рис. 10.13. Переходная (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора со встроенным n-каналом

Входное сопротивление Rвхполевого транзистора очень велико (несколько МОм), поскольку, как отмечалось, значение тока затвораIЗочень мало.

Значение параметра Rвыхопределяют при работе транзистора в режиме насыщения как котангенс угла наклона выходной характеристики. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики, то в рабочей области этот угол мал и, следовательно, выходное сопротивление оказывается достаточно большим (сотни кОм).

Крутизна передаточной характеристики отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т. е. эффективность управляющего действия затвора, и составляет 1… 5 мА/В. Последние три параметра связаны соотношением

Особенности полевого транзистора.Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности: в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю (т. е. Rвхстремится к бесконечности) инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его р-n-переходов.

Следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений входных и выходных емкостей прибора. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его высокое входное сопротивление по постоянному току и большая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

Дискретные полевые транзисторы, выпускаемые промышленностью, классифицируют по мощности и частоте аналогично биполярным.

studfiles.net

10.2. Характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющимpn-переходом

В качестве статических характеристик полевых транзисторов используются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам:

— входная характеристика при;

— характеристика обратной передачи при;

— характеристика прямой передачи при;

— выходная характеристика при.

На практике используются лишь две последние характеристики. Входная характеристика и характеристика обратной передачи используются редко, так как в абсолютном большинстве случаев применения входные токи полевых транзисторов (10-8. . . 10-12А) пренебрежимо малы по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные к их входам.

Основные параметры могут быть получены из семейства выходных характеристик, называемых стоковыми. Поэтому они заслуживают более подробного рассмотрения.

Для их получения рассмотрим работу полевого транзистора с управляющим pn-переходом и каналомn-типа, включенного по схеме с общим истоком (рис. 10.4).

структура

схема включения

Рис. 10.4

Рассмотрим вначале характер одной зависимости при.

Поскольку между истоком и стоком включен источник напряжения такой полярности, что потенциал стока положителен относительно потенциала истока, через канал происходит дрейф основных носителей заряда (для каналаn— типа – электронов) от истока к стоку. Таким образом, через канал будет протекать ток. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала.

Потенциал канала меняется по его длине : потенциал истока равен нулю, в сторону стока он растет, достигая у стока величины. Напряжение смещения наpn— переходах, отделяющих канал от областейp— типа соответственно у истока равно, а далее растет и вблизи стока достигает величины.Таким образом, из-за наличияи конечной длиныканала, толщинаpn— перехода различна по длине канала, в связи с чем меняется и поперечное сечение канала, уменьшаясь от истока к стоку (рис. 10.5).

Рис. 10.5

Сказанное объясняет почти линейный рост тока с постепенным замедлением роста по мере увеличения. Этот участок называется крутой частью вольтамперной характеристики. При некотором напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения, происходит перекрытие канала из-за увеличения толщиныpn— перехода затвора. Ток стока приназывается начальным током стока.

Следует учитывать условность понятия «перекрытие канала» при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала является при указанных условиях следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения. Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщиныpn-перехода с ростом напряжения на стоке, а толщинаpn-перехода пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в этой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке. Этот участок называется пологой частью вольтамперной характеристики.

Наконец, при больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой pn-перехода затвора.

Статическая характеристика при, построенная в соответствии со сказанным приведена на рис. 10.6.

Рассмотрим далее смещение и изменение статических характеристик с изменением напряжения на затворе.

При подаче на затвор напряжения такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению pn-перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала.

Рис. 10.6

Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала.

При меньших начальных поперечных сечениях перекрытие канала из-за увеличения напряжения на стоке происходит при меньших напряжениях насыщения.

Напряжение, приложенное к pn-переходу затвора у стокового конца канала, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе. Чем больше по абсолютной величине напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробойpn— перехода затвора. Поскольку полевые транзисторы делают на основе кремния, то пробой таких транзисторов носит лавинный характер.

Построенное в соответствии со сказанным семейство выходных статических характеристик приведено на рис. 10.6.

Геометрическое место граничных точек, разделяющих выходные вольтамперные характеристики на крутую и пологую части, представляет собой параболу (штриховая кривая на рис. 10.6). Область, лежащая правее этой кривой является рабочей областью выходных характеристик для активных линейных (усилительных) устройств, где транзистор ведет себя как управляемый источник тока.

Обратное напряжение смещения наpn— переходе, при котором наступает перекрытие канала () и транзистор оказывается закрытым (режим отсечки), ток через него не протекает, называется напряжением отсечки.

Статические характеристики передачи полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке. Таким образом, они являются управляющими стоко — затворными характеристиками. Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим участкам выходных характеристик (рис. 10.6), то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке. Характер этой зависимости (рис. 10.7) ясен из принципа действия полевого транзистора с управляющимpn-переходом.

При изменении напряжения на стоке смещением характеристик передачи практически можно пренебречь в связи с малым изменением тока в пологой части выходных характеристик.

По статической характеристике передачи можно определить еще один из основных

Рис. 10.7

параметров полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну характеристики передачи полевого транзистора , которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком:. Пользуясь характеристикой передачи, крутизну можно определить по касательной в точке А (рис. 10.7). Крутизна характеристики полевого транзистора составляет обычно несколько (от 0,2 до 10) миллиампер на вольт.

Анализ статических характеристик полевых транзисторов показывает, что они могут быть использованы как:

— усилительные элементы – усилители тока, управляемые напряжением;

— нелинейные сопротивления, а на крутом участке вольтамперной характеристики как линейные сопротивления;

— ключи, поскольку есть участок с и участок (режим отсечки) с.

По статическим характеристикам могут быть определены следующие основные параметры полевого транзистора с управляющим переходом.

1. — напряжение отсечки.

2. — максимальное значение тока стока прии.

3. — крутизна характеристики передачи.

4. — внутреннее (выходное) сопротивление – сопротивление между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока, определяемое как. Это сопротивление на крутом участке выходной вольтамперной характеристики имеет величину 75 . . . 200 Ом, а на пологом участке – 103. . 105Ом, что во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току.

5. — коэффициент усиления по напряжению, который показывает во сколько раз сильнее действует на изменение тока стокаизменение напряжения на затворе, чем изменение напряжения на стоке. Он определяется в соответствии с выражением.выражается отношением таких измененийи, которые компенсируют друг друга по действию на величину, в результате чего токостается практически постоянным. Так как для подобной компенсацииидолжны иметь разные знаки (например, увеличениедолжно компенсироваться уменьшением), то в правой части формулы стоит знак «минус». Для пологих участков выходных вольтамперных характеристикдостигает сотен и тысяч. Коэффициент усиления по напряжению связан с крутизной и выходным сопротивлением простой зависимостью.

6. — входное сопротивление для переменного тока, определяемое как. Поскольку входной ток— обратный токpn-перехода, который очень мал, величиналежит в диапазоне 106. . . 108Ом.

7. — входная емкость между затвором и истоком, которая является барьерной емкостьюpn-перехода и составляет единицы пикофарад;— проходная емкость, расположенная между затвором и стоком и составляющая 0,1 . . . 20 пикофарад. Емкость каналаобычно не учитывается.

Полевые транзисторы, как и биполярные, характеризуются эксплуатационными параметрами, предельные значения которых указывают на возможности их практического применения.

При работе в качестве усилительных приборов используются рабочие области характеристик полевых транзисторов, показанные на рис. 10.8.

Кроме этих электрических параметров определяется температурный диапазон от – 600С до +1250С. Следует отметить, что влияние температуры отличается от наблюдаемого в биполярных транзисторах. У полевых транзисторов с управляющим переходом с ростом температуры уменьшается контактная разность потенциалов, что способствует увеличению тока стока. Одновременно с повышением температуры уменьшается подвижность носителей в канале, что приводит к уменьшению тока стока. При определенном напряжениивлияние изменения контактной разности потенциалов и изменения подвижности носителей в канале на ток стокаоказываются одинаковыми. В этом случае у полевых транзисторов с управляющим переходом наблюдается точка температурной стабильности (тс) тока стока.

Указанное свойство иллюстрируется рис. 10.9, где приведены входные характеристики при различных температурах.

Рис. 10.9

Из этого же рисунка видно резкое изменение входной характеристики при изменении температуры.

Частотные свойства полевых транзисторов с управляющим pn-переходом характеризуются частотойили— частотой, на которой крутизнахарактеристики передачи тока уменьшается по сравнению с крутизной в области низких частот враз. При передаче импульсных сигналов полевой транзистор ведет себя как инерционное звено. Инерционные свойства полевого транзистора в основном обусловлены процессами заряда и разряда входной емкости, поэтому, где. С учетом этого частотную характеристику крутизны, т.е. зависимость крутизны от частоты можно представить в следующей форме:или в операторном виде, откуда следуют аналитические выражения для амплитудно-частотной характеристикии фазочастотной характеристикикрутизны. Их графическое изображение приведено на рис. 10.10.

Пользуясь операторным представлением частотной характеристики крутизны можно записать выражение для переходной характеристики.

Рис. 10.10

Вид переходной характеристики позволяет изобразить (рис. 10.11) реакцию транзистора на воздействие прямоугольного импульса на входе, где.

Рис. 10.11

Различают линейные и нелинейные модели полевых транзисторов. Линейные модели используются для анализа работы транзистора усилительном режиме и могут быть физическими и четырехполюсными.

Физическая схема замещения полевых транзисторов при малых сигналах (рис. 10.12) отражает их работу на пологой части характеристик, т.е. там, где наступает насыщение тока стока, и справедлива до частот порядка 20 мегагерц.

Рис. 10.12

Сопротивления RИиRСпредставляют собой объемные сопротивления кристалла полупроводника на участках между концами канала и контактами истока и стока соответственно. Эти сопротивления зависят от конструкции транзистора и технологии его изготовления. Общее для входной и выходной цепи сопротивлениеRИявляется сопротивлением внутренней обратной связи в полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Падение напряжения на этом сопротивлении при прохождении тока стока оказывается обратным дляpn-перехода. В свою очередь, увеличение обратного напряжения наpn-переходе затвора транзистора приводит к уменьшению тока стока. На низких частотах влиянием сопротивленийRИиRСможно пренебречь по сравнению с большим дифференциальным сопротивлением каналаriи обычно большим сопротивлением нагрузки в цепи стока. ЕмкостиСЗИиСЗС, сопротивленияrЗИ,rЗСзамещают в этой эквивалентной схемеpn-переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Источник тока, включенный параллельно сопротивлению каналаri, отражает усилительные свойства транзистора. Ток источника пропорционален входному напряжению, коэффициентом пропорциональности является крутизнаSхарактеристики передачи.

Так как в большинстве практических применений можно считать rЗИ,rЗСбесконечно большими, аRИ,RС– сопротивления пассивных областей истока и стока – достаточно малыми по сравнению с сопротивлением внешних элементов, то применяют упрощенную схему замещения (рис.10.13а). А при анализе устройств, работающих в диапазоне низких и особенно звуковых частот, пренебрегают влиянием небольших емкостей и используют низкочастотную модель (рис. 10.13б).

а

б

Рис. 10.13

Полевой транзистор может использоваться в трех схемах включения: с общим истоком; с общим стоком; с общим затвором, когда указанный в названии электрод является общим для входной и выходной цепи (рис. 10.14).

с общим истоком

с общим стоком

с общим затвором

Рис. 10.14

Так как для расчета электронных схем, содержащих транзисторы, широко используют метод узловых напряжений, то удобнее всего дифференциальные параметры транзистора описывать с помощью линейного четырехполюсника (рис. 10.15).

Рис. 10.15

Поскольку входные и выходные сопротивления полевых транзисторов велики, то удобнее измерять и задавать комплексные параметры проводимостей его формальной эквивалентной схемы, т.е. описывать его в системе — параметров:

(10.1)

где

— входная проводимость;

— выходная проводимость;

— передаточная проводимость с входа на выход;

— передаточная проводимость с выхода на вход, отражающая обратную связь.

Для приведенных величин равенство нулю Ú1илиÚ2означает, что измерение соответствующего параметра производится в режиме короткого замыкания по переменному току (постоянные токи через выводы транзистора равны статическим значениям).

В системе уравнений (10.1) все индексы определяются схемой включения транзистора. Для схемы с общим истоком I1 = IЗ,I2 = IС,U1 = UЗИ,U2=UСИ. ВсеY-параметры записываются с индексом «И», например:Y21И– передаточная проводимость от затвора к стоку в схеме с общим истоком.

Схемная интерпретация соотношений (10.1), приведенная на рис. 10.16а и 10.16б, позволяет сделать вывод, что полевой транзистор представляет собой источник тока, управляемый напряжением.

а

б

Рис. 10.16

Сравнение физической схемы замещения полевого транзистора (рис. 10.13б) со схемой четырехполюсника, описываемого Y-параметрами (рис. 10.16б), показывает их идентичность приY21 = S,Y22 = (ri)-1.

При анализе на ЭВМ используется нелинейная математическая модель, достаточно хорошо аппроксимирующая выходную характеристику полевого транзистора с управляющим p-n-переходом иn-каналом:

(10.2)

где В – удельная крутизна транзистора, которая причисленно равна крутизне. Максимальное значение крутизны.

studfiles.net

3.3 Эквивалентная схема полевого транзистора и его дифференциальные параметры

Для удобства расчетов и анализа схем, содержащих полевые транзисторы, их замещают эквивалентными схемами. Эквивалентная схема состоит из активных и пассивных линейных элементов и ведет себя также на переменном токе, как и реальный транзистор. Такая замена возможна при малых сигналах, когда зависимость между приращениями токов и напряжений линейна.

Ток стока полевого транзистора является функцией двух напряженийи, поэтому изменение тока можно определить из уравнения

(3.1)

В этом выражении частные производные, определяющие изменение тока при изменении одного из напряжений, можно рассматривать как дифференциальные параметры транзистора.

Крутизна [мА/В] характеризует управляющее воздействие напряжения, т.е. показывает, на сколько миллиампер изменится ток при изменении напряжения на один вольт. Крутизну можно определить графически, по характеристике управления ((рисунок 3.2,b), как отношение отрезков .

Выходная проводимость характеризует степень влияния напряжения стока на ток стока и определяется графически как тангенс угла наклона выходных характеристик (рисунок 3.2,a) через отношение отрезков . Часто вместо выходной проводимости используют обратную величин, которую называютдинамическим сопротивлением стока .

Коэффициент усиления , при,он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе эффективнее влияет на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Знак минус показывает, чтобы сохранить ток неизменным, положительному приращению напряжения на затворе должно соответствовать отрицательное приращение напряжения на стоке.

Положив , запишем

, (3.2)

отсюда получаем

(3.3)

соотношение, связывающее дифференциальные параметры полевого транзистора.

Эквивалентная схема (рисунок 3.9) построена на основе дифференциальных параметров; при этом учитывается, что ток в цепи затвора бесконечно мал, а входное сопротивление полевого транзистора стремится к бесконечности.

Рисунок 3.9 — . Эквивалентная схема полевого транзистора

В эквивалентной схеме, кроме основных параметров учтены междуэлектродные емкости, влияние которых будет сказываться на высоких частотах.

3.4 Усилительные свойства полевых транзисторов

Наибольшее распространение нашла схема усилителя с общим истоком (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 — . Схема усилителя с общим истоком

Назначение элементов схемы такое же, как и для схемы с общим эмиттером. Режим работы транзистора по постоянному току определяется так же, как режим работы биполярного транзистора. Строится нагрузочная прямая, определяется рабочий участок, выбирается положение рабочей точки в центре рабочего участка. Делитель напряжения рассчитывается таким образом, чтобы создаваемый потенциал затвора соответствовал выбранному положению рабочей точки. Отличие заключается в том, что ток в цепи затвора отсутствует, а делитель, образованный резисторами и, рассчитывается в режиме холостого хода. При подаче на затвор переменного напряжения с амплитудойток стока изменяется с амплитудой, создавая на резисторепадение напряжения с амплитудой, которое находится в противофазе с током.

Для анализа схемы строится эквивалентная схема каскада, ее вариант для области низких частот показан на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 — Эквивалентная схема усилителя с общим истоком

Как следует из эквивалентной схемы выходное напряжение равно

, (3.4)

коэффициент усиления по напряжению

, (3.5)

входное сопротивление

, (3.6)

выходное сопротивление

. (3.7)

Если учесть входную, выходную и проходную емкости транзистора, добавив их в схему, можно получить зависимость коэффициента усиления от частоты.

studfiles.net