2.3.2. Сравнительные данные ук на пт и бпт

С целью ориентировочного сравнения вышеупомянутых схем включения и их динамических параметров на рис. 84 приведены основные схемы на БПТ в сравнении со схемой на полевом транзисторе с общим истоком [12].

Рис. 84. Основные схемы включения транзисторов и их реализация: а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором; г – с общим истоком

Таблица 5

Схема включения
ОБ	0,03	6·10^-5	0,99	1·10^-6	40	1	40	0,03	1
ОЭ	3,03	3·10^-5	100	1·10^-5	40	99	40·10^3	1,8	1
ОК	3,03	1	101	1·10^-5	0,98	101	99	90	0,01
ОИ	-	-	-	-	4	6·10^3	16·10^3	2000	1

2.3.3. Применение полевых транзисторов в качестве управляемых ключей и сопротивлений

В настоящее время происходит активное вытеснение биполярных транзисторов из области ключевых устройств. В значительной мере альтернативой служат полевые транзисторы. Полевые транзисторы не потребляют статической мощности по цепи управления, в них отсутствуют неосновные носители, а, значит, не требуется время на их рассасывание, наконец, рост температуры приводит к уменьшению тока стока, что обеспечивает повышенную термоустойчивость.

Из всего многообразия полевых транзисторов для построения электронных ключей наибольшее распространение получили МДП – транзисторы с индуцированным каналом (в иностранной литературе – обогащенного типа). Транзисторы этого типа характеризуются пороговым напряжением, при котором возникает проводимость канала. В области малых напряжений между стоком и истоком (открытый транзистор) можно представить эквивалентным сопротивлением (в отличие от насыщенного биполярного транзистора – источника напряжения). Справочные данные на ключевые транзисторы этого типа включают параметр – сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Для низковольтных транзисторов величина этого сопротивления составляет десятые – сотые доли Ом, что обусловливает малую мощность, рассеиваемую на транзисторе в статическом режиме. К сожалению, заметно увеличивается при увеличении максимально допустимого напряжения сток-исток.

Рис. 85. Ключ на МДП транзисторе с индуцированным затвором

Необходимо учитывать, что режим насыщения для МДП-транзистора принципиально отличается от режима насыщения биполярного транзистора. Переходные процессы в ключах на полевых транзисторах обусловлены переносом носителей через канал и перезарядом междуэлектродных емкостей, емкостей нагрузки и монтажа. Так как электроны обладают более высоким быстродействием, чем дырки, то n-канальные транзисторы обладают лучшим быстродействием по сравнению с р-канальными.

В схемотехнике ключевых устройств на полевых транзисторах чаще других используется схема с общим истоком, представленная на рис. 85(а). Когда транзистор закрыт, через него протекает неуправляемый (начальный) ток стока. При открытом транзисторе ток через транзистор должен определяться величиной сопротивления нагрузки и напряжением питания. Для надежного отпирания транзистора амплитуда управляющего напряжения выбирается из условия: , где – ток нагрузки, – пороговое напряжение, – крутизна ВАХ. В настоящее время выпускается достаточная номенклатура транзисторов, для управления которыми достаточно напряжения ТТЛ-уровня.

Особенностью цифровых ключей, применяемых в инверторах, логических элементах И, ИЛИ, триггерах, мультивибраторах и т. д., является наличие в их выходных состояниях «включено» и «выключено» только двух фиксированных потенциалов, один из которых соответствует уровню логической 1, а второй – уровню логического нуля.

В отличие от цифровых ключей, аналоговые ключи в состоянии «включено» обеспечивают передачу аналогового сигнала. Такие ключи используются в коммутаторах, в цифроаналоговых преобразователях, в схемах выборки и запоминания сигналов, в каскадах с цифровым управлением коэффициента передачи, УПТ с преобразованием типа модуляция-демодуляция и тому подобное. Ключи на ПТ в настоящее время получили наибольшее распространение, что объясняется, в основном, крайне малой управляющей мощностью, высокой степенью интеграции и отсутствием напряжения смещения в выходных цепях [26].

Простейшая схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом приведена на рис. 86. При отсутствии управляющего сигнала на входе транзистор VT находится в закрытом состоянии и напряжение на его выходе максимально: .

Емкость нагрузки заряжена до напряжения питания током, протекающим через резистор . При подачи на вход ПТ управляющего напряжения, емкость нагрузки разряжается через сопротивление открытого канала ПТ и напряжение на выходе после переходного процесса принимает минимальное значение. Быстродействие ключа зависит от состояния управляющей цепи и от времени заряда и разряда конденсатора . В частности, при высокоомном сопротивлении резистора ключ имеет время включения и выключения, практически определяемые постоянной времени цепи затвора :

где – эквивалентная емкость в цепи затвора ПТ.

Характеристика передачи такого ключа приведена на рисунке 86 (кривая 1), которая отличается от характеристики 2 идеального ключа [26].

Различия характеристик обусловлены нелинейной зависимостью сопротивления канала ПТ от напряжения затвор-исток, влиянием емкости и . Приблизить реальную характеристику ключа к идеальной можно путем уменьшения емкостей ключа, увеличения напряжения и использованием ПТ с малым напряжением запирания .

Перспективной схемой ключа на МДП-транзисторах является схема, использующая два транзистора с разными типами проводимостей канала. Такой ключ является основным элементом семейством логических схем с дополнительной симметрией (ДСЛ).

Типовая схема ключа на двух МДП-транзисторах с индуцированными каналами n и p типа приведена на рис. 86 ,б. Характеристика передачи такого ключа (кривая 3 на рис. 86 в) близка к идеальной.

Рис. 86. Ключи цифровых сигналов на МДП-ПТ: а) с индуцированным каналом; б) с разными типами проводимости каналов; в) характеристики передачи

Вопросы теории и применения цифровых ключей более подробно рассмотрены, например, в [27].

Далее, не менее широкое применение ПТ находят в качестве электрически управляемого линейного резистора как для переменного, так и для постоянного тока, описанного ниже [22, 23].

Полевой транзистор в режиме управляемого напряжением резистора. Если напряжение сток-исток меньше напряжения насыщения ( ), то канал полевого транзистора ведет себя как переменный резистор, управляемый напряжением на затворе.

Рис. 87. Принципиальная схема аттенюатора с полевым транзистором в режиме управляемого резистора

Рис. 88. Схема двухзвенного аттенюатора на полевых транзисторах

Это свойство позволяет использовать полевые транзисторы в аттенюаторах, регуляторах напряжения, умножителях и т. д. На рис. 87 приведена схема аттенюатора с полевыми транзисторами в режиме управляемого резистора [28]. Одним из основных параметров аттенюатора является диапазон регулировки коэффициента передачи для получения наибольшего диапазона регулировки и меньших нелинейных искажений в схеме аттенюатора целесообразно использовать полевые транзисторы с максимальной крутизной характеристики и большим напряжением отсечки.

Диапазон регулировки аттенюатора (рис.87) может быт определен по формуле:

где R₁ – сопротивление резистора нерегулируемого плеча аттенюатора; – выходная проводимость полевого транзистора в закрытом состоянии; – входная проводимость следующего каскада.

При необходимости увеличения диапазона регулировки применяются двух и трехзвенные аттенюаторы (рис. 88). Однозвенный аттенюатор, собранный на полевом транзисторе типа 2П103, позволяет получит диапазон регулировки 40 дБ по постоянному напряжению, а двухзвенный – 80 дБ.