Варикап.

Смещенный в обратном направлении - переход обладает барьерной емкостью. Барьерная емкость обусловлена неподвижными носителями зарядов разных знаков и зависит от величины запирающего напряжения. С увеличением запирающего напряжения толщина обедненного слоя увеличивается, при этом барьерная емкость уменьшается, как показано на рис. 4.10.

Рис. 4.10.Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

Величина барьерной емкости равна:

, (4.24)

где:

- емкость при обратном напряжении ;

- контактная разность потенциалов;

- запирающее напряжение;

Плоскостные диоды, емкость которых изменяется изменением запирающего напряжения, называются варикапами. Можно сказать, что варикапы – это конденсаторы переменной емкости, управляемые изменением обратного напряжения. Важным параметром варикапа является коэффициент перекрытия по емкости при заданном изменении обратного напряжения. Так для варикапа КВ105 при изменении обратного напряжения в пределах нескольких вольт барьерная емкость изменяется в пределах от 400 до 600 пФ. В справочниках приводятся данные для широкого спектра выпускаемых промышленностью варикапов.

Варикапы используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты. Обозначение варикапа и его включение для подстройки колебательного контура показаны на рис. 4.11. Изменяя с помощью потенциометра обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Конденсатор является разделительным, чтобы варикап по постоянному напряжению не замыкался накоротко катушкой контура. Емкость конденсатора должна быть намного больше емкости варикапа.

Рис. 4.11. Схема включения варикапа для подстройки частоты контура

Туннельный диод

Квантовомеханический туннельный эффект в переходе открыт японцем Лео Есаки в 1958 году. Впоследствии на основе этого эффекта были созданы туннельные диоды. В них применяется германий или арсенид галлия с концентрацией примесей в раз большей, чем для обычных диодов. Концентрация доноров в -области и акцепторов в -области составляет . Такие полупроводники называются вырожденными. В вырожденном полупроводнике переход получается в десятки-сотни раз тоньше, чем в обычных диодах. Если у обычных полупроводниковых диодов ширина перехода составляет примерно 1 мкм, то у туннельных – 0,001 мкм. Другим следствием высокой концентрации примесей является то, что уровень Ферми поднимается на -стороне в зону проводимости, а на -стороне опускается в валентную зону. В зоне проводимости, таким образом, постоянно присутствует много электронов и в валентной зоне - очень много дырок. Из-за малой толщины запирающего слоя напряженность электрического поля на таком переходе вследствие контактной разности потенциалов составляет величину порядка и более. При таких больших напряженностях электрического поля начинают проявляться волновые свойства электронов. При этом возникновение тока в электронно-дырочном переходе определяется не только диффузией, но и туннельным эффектом. Туннельный эффект состоит в том, что благодаря волновым свойствам электрона, имеется вероятность его перехода через потенциальный барьер перехода без потери электроном энергии. При отсутствии внешнего напряжения на переходе уровни Ферми областей и лежат на одной высоте. При повышении уровня прямого напряжения начинает появляться диффузионный ток. Однако при этом значительно сильнее проявляется другой эффект: незаполненные уровни валентной зоны -слоя располагаются на одной высоте с энергетическими уровнями электронов, находящихся в зоне проводимости -слоя. При этом существует вероятность того, что электрон перейдет из одной зоны в другую путем туннелирования. Возникновение туннельного эффекта можно объяснить незначительной толщиной перехода, а с другой стороны тем, что полностью заполненная зона проводимости находится на одинаковой высоте с незаполненной валентной зоной, а приложенное напряжение достаточно мало, так что диффузионным током еще можно пренебречь. При увеличении прямого напряжения обе зоны смещаются друг относительно друга, так что в итоге туннельный ток, достигнув максимального значения, начинает уменьшаться, а диффузионный ток возрастает. В тонком переходе имеют место два тока – туннельный и диффузионный. Максимум туннельного тока наблюдается при прямом напряжении на переходе порядка 100мВ.

Рис.4.12.Обоззначение туннельного диода и его вольтамперная характеристика.

Вольтамперная характеристика туннельного диода, представленная на рис. 4.12, получается суммированием туннельного и диффузионного токов. На вольтамперной характеристике имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет создавать на туннельных диодах генераторы электрических колебаний сверхвысоких частот (до Гц). Мощность туннельного диода невелика и генерируемое напряжение соизмеримо с шириной запрещенной зоны.

Характерные точки вольтамперной характеристики:

– напряжение пика (0,06В для германия и 0,18 В для арсенида галлия);

– ток пика (1мА – 100 мА);

– напряжение впадины (0,3В для германия и 0,55В для арсенида галлия;

– ток впадины;

- 5 10 для германия и 10 15 для арсенида галлия;

В туннельном диоде отсутствует вентильный эффект. Если приложить к переходу обратное напряжение, то уровни электронов, находящихся в валентной зоне -слоя, совпадают со свободными уровнями зоны проводимости -слоя, что вызывает ток и в обратном направлении.

12

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами. Две крайние области полупроводникового кристалла однотипной проводимости разделены областью противоположной проводимости, как показано на рис. 4.13. Поскольку ток в полупроводниковых транзисторах обусловлен двумя типами носителей зарядов, то транзисторы называются биполярными. Биполярные транзисторы бывают типа и типа.

Рис.4.13. Структура и обозначение биполярных транзисторов

Средняя область транзистора называется базой. Левая на рисунке область транзистора называется эмиттер, правая - коллектор. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом. Переход коллектор-база называется коллекторным переходом. Назначение эмиттера – инжекция (при пропускании электрического тока в прямом направлении через p-n-переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных носителей заряда) подвижных носителей заряда, а коллектора – их экстракция(граничные концентрации неосновных носителей уменьшаются по сравнению с равновесными концентрациями).

На каждый переход можно подать как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

Режим отсечки. В этом режиме на оба перехода подано обратное напряжение.

Режим насыщения. В этом режиме на оба перехода подано прямое напряжение.

Активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное напряжение.

Инверсный активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое напряжение.

Режим отсечки и насыщения характерен для транзисторов, работающих в ключевом режиме. В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и ток через транзистор отсутствует. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении и через транзистор проходит максимальный прямой ток. В режимах отсечки и насыщения работают транзисторы схем цифровой электроники.

Инверсный активный режим используется достаточно редко.

В активном режиме к эмиттерному переходу источник питания подключается в прямом направлении, а к коллекторному - в обратном, как показано на рис. 4.14. В активном режиме работают транзисторы усилителей электрических сигналов.

Рис. 4.14.Механизм возникновения токов в транзисторе

Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме. Под влиянием напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается и начинается диффузия дырок из эмиттера в область базы, а электронов из базы в область эмиттера, то есть через переход начинает протекать ток. Источник питания к коллекторному переходу подключается в обратном направлении и коллекторный переход смещен в обратном направлении. При этом создается ускоряющее электрическое поле для дырок, достигающих коллекторного перехода. В случае транзистора, как показано на рис. 4.14, из эмиттера будет инжектироваться большое количество дырок в базу, которые создают ток эмиттера. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается их движение в область базы к границе коллекторного перехода. Будучи в базе неосновными носителями, дырки будут перемещаться в области базы за счет диффузии, рекомбинируя с электронами базы. Рекомбинация дырок в базе вызывает соответствующий приток электронов из внешней цепи источника питания в область базы для восполнения электронов, рекомбинировавших с дырками, который создает ток базы. Так как база тонкая, то большинство дырок не успевает рекомбинировать с электронами и достигает коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие ускоряющего электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора, где они становятся основными носителями заряда и легко доходят до коллекторного вывода. В месте контакта коллектора и вывода источника питания дырки рекомбинируют со свободными электронами и создают ток во внешней цепи. Часть дырок успевает рекомбинировать в области базы, поэтому не все дырки инжектируемые эмиттером, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого коллекторный ток всегда меньше тока на величину тока базы .

Движение носителей тока в транзисторе приводит к появлению токов во внешней цепи. Ток коллектора течет по цепи: плюс источника - источник - эмиттер - база- коллектор- минус источника . Ток базы течет по цепи: плюс источника - эмиттер – база – минус источника . Для уменьшения вероятности рекомбинации дырок в области базы, толщину базы делают немного меньше диффузионной длины пробега дырок. Для обеспечения односторонней инжекции, то есть максимального перехода дырок из эмиттера в область базы при минимальном переходе электронов из базы в эмиттер, концентрация дырок в эмиттере должна быть примерно в 100 раз больше концентрации электронов в базе. При этом эмиттер обладает меньшим удельным сопротивлением, чем база.

Токи в транзисторе связаны следующим соотношением:

. (4.25)

Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших вследствие диффузии коллектора, оценивается статическим коэффициентом передачи эмиттерного тока:

, (4.26)

величина которого для современных транзисторов составляет примерно .

Другим параметром транзистора является статический коэффициент передачи базового тока:

. (4.27)

Связь между и дает следующее выражение:

. (4.28)

Поскольку , то .

При выяснении механизма протекания токов в транзисторе типа необходимо поменять полярности источников питания, подключаемых к эмиттеру и коллектору. При этом эмиттер будет инжектировать электроны.

Схемы задания режима работы транзистора по постоянному току.

Транзистор в схеме усилителя напряжения должен работать в активном режиме. Для обеспечения активного режима необходимо подать определенные постоянные напряжения для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении и коллекторного перехода – в обратном направлении. При этом через транзистор начинают протекать постоянные составляющие токов базы, эмиттера и коллектора. При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала к постоянным составляющим токов добавляются переменные составляющие, повторяющие форму входного сигнала. Чтобы выделить на выходе усиленный сигнал, в цепь коллектора включают сопротивление нагрузки. Небольшие изменения напряжения сигнала на входе вызывают приращения токов базы, эмиттера и коллектора и значительные изменения переменного напряжения на выходе каскада. В схеме с ОЭ коллекторный ток получит приращение . Поскольку 1, то переменная составляющая приращения тока коллектора намного больше переменной составляющей приращения тока базы. Так как величина сопротивления коллекторной нагрузки составляет единицы килом, то на сопротивлении нагрузки выделится гораздо большее переменное напряжение, чем поданное на вход. При этом форма усиленного сигнала в коллекторной цепи должна совпадать с формой сигнала на входе. Для этого необходимо обеспечить линейную зависимость между выходным и входным напряжениями сигнала. Линейную зависимость между ними можно обеспечить выбором уровня постоянного напряжения на эмиттерном переходе. Точка на статической характеристике, однозначно определяемая постоянным напряжением на эмиттерном и коллекторном переходах при отсутствии сигнала, называется рабочей точкой. Постоянное напряжение, которое подается на эмиттерный переход для выбора рабочей точки, называется напряжением смещения. Чтобы обеспечить совпадение формы выходного напряжения с формой входного сигнала, рабочую точку необходимо выбирать на середине линейного участка входной характеристики.

Для подачи смещения на эмиттерный переход не нужен отдельный источник напряжения – наиболее экономично использовать для этого источник напряжения коллекторной цепи. Различают два способа подачи смещения: фиксированным током и фиксированным напряжением (т.е задать активный режим).

Рассмотрим простейший усилительный каскад на транзисторе p-n-p типа в активном режиме в схеме с общим эмиттером, представленный на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Схема задания напряжения смещения фиксированным током

В активном режиме на эмиттерный переход надо подать прямое напряжение смещения, а на коллекторный – обратное. Если принять потенциал базы за нулевой, то для создания активного режима необходимо подать положительное напряжение на эмиттер, и отрицательное - на коллектор. Такой режим может обеспечить схема с фиксированным током базы. Через резистор база подсоединена к отрицательному полюсу коллекторной батареи. При отсутствии напряжения сигнала по цепи земля - эмиттерный переход- сопротивление - минус протекает постоянный ток базы . Величина этого тока выбирается в зависимости от необходимого положения рабочей точки. Рабочая точка на входной характеристике задается соответствующим выбором постоянных напряжений смещения на базе относительно эмиттера и напряжения . Напряжение смещения на базе равно:

. (4.46)

По входной статической характеристике можно выбрать положение рабочей точки на линейном участке и соответствующие рабочей точке напряжения и . При этом можно определить величину резистора в цепи базы:

. (4.47)

Недостатком такого способа задания смещения является нестабильность режима работы при изменении температуры и смене транзисторов.

Смещение на эмиттерный переход можно задать также фиксированным напряжением. Схема задания смещения фиксированным напряжением представлена на рис. 4.21. В этой схеме напряжение смещения на эмиттерный переход задается делителем напряжения + из резисторов , в цепи базы.

Рис. 4.21. Схема задания смещения фиксированным напряжением.

Для устранения влияния тока базы на напряжение смещения необходимо выбрать резисторы делителя так, чтобы ток делителя был в несколько раз больше тока базы при максимальном сигнале. Это условие ограничивает величину резисторов, что приводит к уменьшению входного сопротивления схемы. Величина напряжения смещения на базе относительно эмиттера при этом определяется следующим выражением:

. (4.49)

Существенным недостатком рассмотренных схем задания напряжения смещения является нестабильность положения рабочей точки при изменении температуры. С увеличением температуры концентрация основных и неосновных носителей тока увеличивается, так как большее число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. Эти процессы приводят к тому, что с увеличением температуры изменяется положение и крутизна выходных статических характеристик. Для уменьшения влияния температурных изменений применяют специальные методы температурной стабилизации. Так как с увеличением температуры ток коллектора увеличивается, то в схемах температурной стабилизации воздействуют на цепи смещения так, чтобы с увеличением температуры ток коллектора автоматически уменьшался. Один из методов температурной стабилизации рабочей точки реализован в схеме, представленной на рис. 3.22.

Рис. 4.22. Схема с температурной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме температурная стабилизация рабочей точки осуществляется за счет падения напряжения на резисторе . Ток эмиттера создает на нем падение напряжения, равное . Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу, равно алгебраической сумме напряжений на резисторах и :

. (4.49)

Напряжение, снимаемое с резистора , подается на эмиттерный переход в прямом направлении. Напряжение с резистора подается на эмиттерный переход в обратном направлении.

При отсутствии входного переменного сигнала в схеме устанавливаются определенные постоянные напряжения на базе, эмиттере и коллекторе и протекают постоянные токи , и . Повышение температуры вызывает увеличение тока эмиттера на величину , тока коллектора на величину и тока базы на величину . Приращения токов вызовут соответствующие изменения напряжений на базе, эмиттере и коллекторе транзистора. Поскольку ток базы получает очень малое приращение по сравнению с приращением тока эмиттера, то изменение тока базы мало скажется на величине напряжения на базе. В то же время изменение тока эмиттера приведет к увеличению падения напряжения на резисторе . Поскольку это напряжение к эмиттерному переходу приложено в обратном направлении, то его увеличение вызовет уменьшение напряжения смещения и уменьшение эмиттерного тока, что вернет рабочую точку в исходное положение. Чтобы не ухудшать усилительные свойства каскада

для переменного сигнала резистор зашунтировали конденсатором ,величинакоторого выбирается из условия:

, (4.50)

где - самая низкая частота в спектре усиливаемого сигнала.

Цепочка - называется цепочкой температурной стабилизации. Стабилизирующее действие этой цепочки увеличивается с увеличением и уменьшением резисторов и в цепи базы. Эта схема является наиболее эффективной стабилизирующей схемой.

13

Схема с общим эмиттером.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим.

Рассмотрим отдельно каждую из трех схем включения транзистора, когда к входу подключен генератор гармонического сигнала. Схема с общим эмиттером на транзисторе типа представлена на рис. 4.23. Напряжение на коллекторе каскада по постоянному току равно:

. (4.51)

При подключении к входу каскада генератора сигналов к постоянным составляющим токов добавляются соответствующие переменные составляющие токов.

Рис. 4.23. Схема с ОЭ в динамическом режиме

Направление переменных составляющих токов по отношению к направлению постоянных составляющих будет зависеть от полярности входного сигнала. При положительной полуволне входного сигнала эмиттерный и коллекторный токи увеличиваются, так как входной сигнал смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При этом они будут совпадать по направлению с постоянными составляющими токов. При отрицательной полярности входного сигнала переменные составляющие токов будут противоположны направлению постоянных составляющих и токи транзистора будут уменьшаться. С учетом этого переменное напряжение на коллекторе будет изменяться в противофазе по отношению к входному сигналу. Таким образом, схема с ОЭ поворачивает фазу входного сигнала на 180 .

Схема с ОЭ обеспечивает усиление по току и по напряжению. Коэффициент усиления тока базы для разных транзисторов составляет десятки-сотни раз. Такого же порядка и коэффициент усиления переменного напряжения сигнала. Коэффициент усиления входного сигнала по мощности может составлять десятки тысяч раз.

В динамическом режиме изменение переменного напряжения на эмиттерном переходе вызывает соответствующее изменение переменного напряжения на коллекторном переходе. Для снятия динамической характеристики в цепь коллектора включается соответствующее сопротивление нагрузки. Из уравнения (3.49) найдем зависимость :

. (4.52)

Это уравнение прямой с угловым коэффициентом

Выходную динамическую характеристику строят на семействе выходных статических характеристик, исходя из заданных значений и , как показано на рис.4.24.

Рис. 4.24. Динамическая характеристика каскада по схеме с ОЭ

По оси напряжений откладывают отрезок, равный , а по оси токов - отрезок, равный , и через эти точки проводят прямую, которая представляет динамическую характеристику каскада. Динамическая характеристика называется нагрузочной прямой. В динамическом режиме рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в процессе изменения уровня входного сигнала.

Схема с общей базой.

На рис. 4.25 представлена схема с общей базой.

Рис. 4.25. Каскад по схеме с общей базой

В цепь коллектора включено сопротивление нагрузки . Смещение на эмиттерный переход подается фиксированным напряжением от источника коллекторной батареи с помощью резисторного делителя , . Конденсатор обеспечивает нулевой потенциал базы по переменному току. Величина конденсатора должна быть такой, чтобы его сопротивление удовлетворяло условию:

, (4.53)

где - самая низкая частота в спектре усиливаемых сигналов.

Если к входу каскада подключить генератор гармонического сигнал, то при положительной полуволне сигнала ток через транзистор будет увеличиваться, так как эмиттерный переход смещается при этом в прямом направлении, а при отрицательной полуволне – уменьшаться, так как переменная составляющая тока будет противоположна по направлению постоянной составляющей тока. Напряжение на коллекторной нагрузке в схеме с ОБ будет совпадать по фазе с напряжением входного сигнала.

Коэффициент усиления по току схемы сОБ меньше 1, так как входным током является ток эмиттера, а выходным током – ток коллектора. Коэффициент усиления по напряжению может составлять сотни - тысячи раз.

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором представлена на рис. 4.26. К входу подключен генератор гармонического сигнала. Сопротивление нагрузки в этой схеме включено в цепь эмиттера. Потенциал коллектора по переменной составляющей равен нулю.

Рис. 4.26. Схема с общим коллектором

Выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки , оказывается подключенным к эмиттерному переходу последовательно с напряжением сигнала, поданным на вход. При положительной полуволне сигнала на входе (плюс на базе, а минус на эмиттере), выходное напряжение приложено так, что плюс его на эмиттере, а минус - на базе. Это значит, что напряжение сигнала на входе и выходное напряжение включены навстречу друг другу и результирующее напряжение равно разности этих напряжений. Чтобы подать необходимое напряжение сигнала на эмиттерный переход, необходимо скомпенсировать выходное напряжение. Поэтому входное напряжение должно быть больше выходного напряжения. Напряжение на входе схемы с ОК равно:

. (4.54)

Так как , то коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению меньше 1.

Коэффициент усиления по току в этой схеме равен:

(4.55)

Схема с ОК дает незначительное увеличение коэффициента усиления по току по сравнению со схемой с ОЭ. Коэффициент усиления по мощности немного меньше коэффициента усиления по току.

Выясним фазовые соотношения между входным и выходным сигналом. Положительная полуволна сигнала на входе вызывает увеличение тока через транзистор и увеличение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, а отрицательная полуволна – уменьшение тока и уменьшение напряжения на выходе. В этой схеме потенциал эмиттера с небольшой разницей отслеживает потенциал базы. Схема с ОК не инвертирует фазу входного сигнала. Схему с ОК называют еще эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе повторяет входное напряжение по величине и по фазе.

Особенностью схемы с ОК является большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. Входное напряжение больше выходного напряжения, а входной ток значительно меньше выходного тока. Поэтому:

(4.56)

Величина может составлять сотни ом единицы килоом, поэтому входное сопротивление схемы с ОК может составлять десятки – сотни килоом.

Выходное напряжение приложено к эмиттерному переходу и небольшое изменение выходного напряжения вызывает большие изменения тока эмиттера. Поэтому может составлять десятки- сотни Ом. Большое значение входного сопротивления и малое значение выходного сопротивления обусловлены в схеме с ОК тем, что часть энергии выходного сигнала в виде переменного напряжения с выхода схемы поступает обратно на вход схемы в противофазе по отношению к напряжению, действующему на входе. Выходное напряжение последовательно включено по отношению к напряжению на входе. Это соответствует наличию в этой схеме 100% последовательной отрицательной обратной связи по напряжению. Как будет показано дальше, отрицательная последовательная обратная связь по напряжению увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление каскада.

Большое значение и малое значение позволяют использовать схему с ОК в качестве согласующего звена между одним каскадом с высоким выходным сопротивлением и другим каскадом с малым входным сопротивлением.

14

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Наряду с биполярными транзисторами, в которых в создании тока принимают участие два типа носителей – основные и неосновные, существуют униполярные транзисторы - с носителями тока одного знака (только электроны или только дырки), использующие эффект влияния электрического поля на проводимость полупроводника, получившие название полевых транзисторов. Если биполярные транзисторы управляются током, то полевые транзисторы управляются изменением электрического напряжения на управляющем электроде.

Полевой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором имеются следующие области: исток, затвор, канал и сток. Управление выходным током осуществляется за счет изменения толщины проводящего полупроводникового слоя.

Существует два типа полевых транзисторов:

1. Полевые транзисторы с управляющим p-n – переходом.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора с управляющим – переходом показано на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Устройство полевого транзистора с управляющим переходом

Основным элементом такого транзистора является подложка – тонкая пластинка полупроводника или - типа, на которую с двух сторон нанесены слои полупроводника с противоположным типом проводимости.

Возьмем за основу пластинку полупроводника - типа. К торцам пластинки и к двум областям - типа припаяны омические контакты и подключены внешние постоянные напряжения, полярность которых показана на рисунке. Два слоя - типа соединены между собой, образуя один электрод. Этот электрод называется затвором. Один из электродов полупроводника - типа, от которого движутся электроны подложки, называется истоком, а электрод, к которому движутся электроны, называется стоком. Между полупроводниками с разными типами проводимости образуются два перехода. Тонкий слой полупроводника -типа, расположенный между двумя переходами, называется каналом.

Работа полевого транзистора основана на изменении толщины проводящего слоя канала за счет внешнего напряжения, прикладываемого между затвором и истоком.

Если последовательно с каналом в цепь стока включить резистор нагрузки и подключить между затвором и истоком генератор переменного управляющего сигнала, то при изменении напряжения на затворе будет изменяться проводимость канала и будет соответственно меняться и падение напряжения на резисторе нагрузки. Так как переходы смещены в обратном направлении, то их сопротивление будет большим, а входной ток затвора будет очень малым по сравнению с током канала. Следовательно, входная мощность, затрачиваемая на управление транзистором, будет небольшой, а выходная мощность сигнала на нагрузке, которая определяется величинами тока канала и резистором нагрузки, может значительно превышать входную. Таким образом, полевой транзистор является усилительным прибором.

По числу электродов, каждый из которых может быть общим для входной и выходной цепи каскада, возможны три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком.Наиболее полно работа полевого транзистора характеризуется семейством его статических вольтамперных характеристик. Сток-затворные характеристики для схемы с общим истоком представляют собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке относительно истока:

при . (4.57)

Такие характеристики называются передаточными характеристиками.

Рис. 4.28. Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом - типа.

Такое напряжение на затворе, при котором канал полностью перекрыт и ток в канале равен нулю, называется напряжением отсечки. Для полевых транзисторов напряжение отсечки составляет единицы Вольт.

Выходные статические характеристики схемы с общим истоком представляют собой зависимость тока стока от напряжения на стоке относительно истока при постоянном напряжении на затворе относительно истока:

при . (4.58)

Выходные характеристики называются сток-стоковыми характеристиками. На рис. 4.29 приведены выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом -типа.

Рис. 4.29. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом n-типа.

Кроме рассмотренного способа управления проводимостью канала возможен и другой способ, когда сопротивление канала меняется при изменении потенциала электрода, изолированного тонким слоем диэлектрика от объема полупроводника. Транзисторы, работа которых основана на этом принципе, называются полевыми транзисторами с изолированным затвором. Так как в большинстве случаев в качестве диэлектрика используется окисел SiO₂, то такие транзисторы называются также МОП-транзисторами (металл–окисел– полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик- полупроводник).

Работа МДП-транзистора основана на том, что при создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным металлическим электродом, у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника. За счет этого можно создать тонкий слой с повышенной концентрацией носителей заряда – канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на изолированном электроде.

На рис. 4.30 представлена структура МДП-транзистора. В полупроводниковой пластинке - типа путем легирования созданы две области с - проводимостью (“карманы”), между которыми электрическим полем затвора индуцируется узкая область с проводимостью -типа – канал. Если между стоком и истоком подключить напряжение с полярностью, показанной на рисунке, то через канал начнет протекать постоянный ток, которым можно управлять, изменением напряжения на затворе.

Рис. 4.30. Структура МДП-транзистора с каналом -типа.

МДП – транзисторы делятся на две группы:

1. МДП – транзисторы с индуцированным каналом.

2. МДП – транзисторы с встроенным каналом.

В первых канал между истоком и стоком наводится (индуцируется) только при наличии соответствующего напряжения между затвором и истоком. Когда же разность потенциалов между затвором и истоком равна нулю, ток в канале практически отсутствует.

В МДП–транзисторах со встроенным каналом канал создается технологическим путем. При отсутствии напряжения между затвором и истоком проводимость канала не равна нулю, причем ее можно увеличить или уменьшить изменением напряжения на затворе.

В качестве исходной полупроводниковой пластинки (подложки) могут быть использованы полупроводники или -типа. Поэтому различают полевые транзисторы и -типов. Обозначения полевых транзисторов на электрических схемах приведено в таблице 4.1.

Типы полевых транзисторовТаблица 4.1

Тип транзистора	n- типа	р - типа
С управляющим p-n– переходом
МДП с индуцированным каналом
МДП со встроенным каналом

Выходные статические характеристики МДП ­– транзистора с индуцированным каналом – типа представлены на рис. 4.31.

Рис. 4.31.Выходные статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом -типа

В МДП-транзисторах с встроенным каналом проводимость канала не равна нулю, когда напряжение на затворе относительно истока равна нулю. МДП-транзистор с встроенным каналом может работать в режиме обогащения канала носителями тока и в режиме обеднения канала носителями тока в зависимости от полярности напряжения на затворе. Выходные статические характеристики МДП-транзистора с встроенным каналом приведены на рис. 4.32.

Рис. 4.32. Выходные статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом -типа

Поскольку входной ток в цепи затвора ничтожно мал, то на управление проводимостью канала в цепи затвор-исток необходима намного меньшая мощность, чем мощность сигнала, получаемая на выходе в цепи сток-исток. Полевые транзисторы с изолированным затвором являются усилительными приборами. Так как затвор изолирован от канала слоем диэлектрика, они отличаются очень большим значением входного сопротивления – до . Высокое значение входного сопротивления позволяет использовать МДП-транзисторы в качестве входных каскадов усиления электронных вольтметров, осциллографов, а также электрометрических усилителей для измерения сверхслабых постоянных токов.

Параметры полевых транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов всех рассмотренных типов являются крутизна, коэффициент усиления по напряжению и внутреннее сопротивление.

Крутизна характеризует усилительные свойства полевого транзистора и равна отношению приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке относительно истока:

при . (4.59)

Крутизна полевых транзисторов составляет величину от десятых долей до единиц .

Коэффициентом усиления напряжения называется отношение приращения напряжения стока к приращению напряжения на затворе при постоянной величине тока стока:

при . (4.60)

Внутренним сопротивлением полевого транзистора называется отношение приращения напряжения стока к соответствующему приращению тока стока при постоянном напряжении на затворе относительно истока:

при . (4.61)

Величина внутреннего сопротивления составляет единицы мегом.

Коэффициент усиления, крутизна и внутреннее сопротивление связаны между собой уравнением:

. (4.62)

15 и смотри 14 вопрос

Схемы включения полевых транзисторов

Возможны три схемы включения полевых транзисторов: с общим затвором, с общим истоком и с общим стоком. Наиболее широко применяются схемы с общим истоком и общим стоком. На рис. 4.33 показана принципиальная схема резисторного усилителя с общим истоком на полевом транзисторе с управляющим переходом и каналом -типа. Смещение на затвор относительно истока обеспечивается падением напряжения на резисторе резистором в цепи затвора. Емкость выбирается достаточно большой для переменного тока и закорачивает резистор .

Рис. 4.33. Резисторный усилитель с общим истоком на полевом транзисторе с управляющим переходом и каналом -типа

Рис. 4.34 Схема резисторного усилителя на полевом транзисторе с индуцированным каналом -типа

В этом каскаде начальное напряжение смещения на затворе должно совпадать по знаку с потенциалом стока и по величине превышать пороговое напряжение, при котором индуцируется проводящий канал за счет инверсии типа проводимости в канале. Напряжение смещения задается в этой схеме от источника питания цепи стока резистивным делителем в цепи затвора и стабилизируется цепочкой .

Коэффициент усиления усилителей, показанных на рис. 4.33, 4.34, в области средних частотпримерно равен

. (4.63)

Схемы с общим стоком (истоковые повторители) на транзисторе с управляющим переходом и на МОП транзисторе с встроенным каналом приведены на рис. 4.35.

аб

Рис. 4.35. Схемы истоковых повторителей: а – на транзисторе с управляющим переходом; б – на МОП транзисторе с встроенным каналом

Для истокового повторителя справедливы следующие соотношения:

, (4.64)

, (4.65)

. (4.66)

Следовательно, коэффициент передачи истокового повторителя равен:

. (4.67)

Из этого выражения видно, что коэффициент передачи напряжения в истоковом повторителе немного меньше 1.

Ток на выходе истокового повторителя примерно равен:

. (4.68)

Следовательно, выходное сопротивление истокового повторителя равно:

. (4.69)

Свойства полевых транзисторов

Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисторы в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позволяет создавать большие и сверхбольшие интегральные схемы с высокой степенью интеграции, содержащие на одной пластинке кремния размером мм миллионы активных элементов.

Частотные свойства полевых транзисторов зависят от времени пролета канала носителями тока, то есть от длины проводящего канала и скорости носителей. Современная технология позволяет выполнить полевые транзисторы с длиной канала, достигающей нескольких микрометров. Скорость носителей тока увеличивается при увеличении напряженности поля в канале, однако при напряженности поля больше некоторого значения наступает насыщение скорости. Частотные свойства полевых транзисторов зависят также от межэлектродных емкостей затвор-сток, затвор-исток и сток-исток. Граничные частоты современных полевых транзисторов составляют единицы гигагерц.

В биполярных транзисторах с увеличением температуры увеличивается число генерируемых неосновных носителей и увеличивается ток. В полевых транзисторах ток зависит от концентрации основных носителей и их подвижности. Концентрация носителей определяется степенью легирования и не зависит от температуры. Вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки с ростом температуры подвижность носителей в канале падает, что приводит к уменьшению тока и крутизны характеристики транзистора. Наряду с полевыми транзисторами, в которых наблюдается уменьшение стокового тока с ростом температуры, выпускаются полевые транзисторы, у которых ток стока возрастает с повышением температуры. Выпускаются также полевые транзисторы, которые при некотором значении напряжения на затворе имеют нулевой температурный коэффициент. Различный характер температурных характеристик объясняется тем, что изменение температуры влияет не только на подвижность носителей и связанное с этим объемное рассеяние, но и на поверхностное рассеяние в канале, имеющее обратную температурную зависимость. В отличие от биполярных полевые транзисторы могут работать при температурах, близких к абсолютному нулю.

Полевые транзисторы отличаются также повышенной радиационной стойкостью по сравнению с биполярными транзисторами.

16

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназначенное для увеличения мощности входных электрических колебаний с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания. Электронные усилители строятся на основе биполярных и полевых транзисторов. Структурная схема электронного усилителя представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структурная схема усилителя электрических сигналов

Усиливаемый сигнал поступает от источника сигнала на вход усилителя. Источник энергии, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, называется источником питания. К выходу усилителя подключена нагрузка, на которой выделяется напряжение усиленного сигнала.

Электронные усилители классифицируют по нескольким признакам.

По роду усиливаемых сигналов различают усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся на усилители низкой частоты, усилители промежуточной частоты, усилители высокой частоты, избирательные усилители и усилители постоянного тока (усилители медленно меняющихся во времени напряжений и токов).

По усиливаемой электрической величине различают усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности.

По типу нагрузки усилительного элемента усилители делятся на резистивные (апериодические) и резонансные (избирательные).

Следует отметить, что все усилители являются усилителями мощности. Однако, в ряде случаев основным показателем является не величина мощности на выходе усилителя, а ток или напряжение. Поэтому электронные усилители условно делят на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности.

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Основным показателем усилителя электрических сигналов является его коэффициент усиления. Коэффициент усиления усилителя напряжения равен отношению выходного напряжения к входному напряжению.

Коэффициент усиления усилителя тока равен отношению выходного тока к входному току.

Коэффициент усиления усилителя мощности равен отношению выходной мощности к входной мощности.

Для оценки коэффициента усиления по мощности часто пользуются не отношением значений мощностей, а логарифмической единицей отношения – Бел. Изменение мощности в Белах определяется следующим выражением:

. (5.1)

Чаще пользуются меньшей единицей – децибелом, который равен десятой части Бела. Коэффициент усиления по мощности в децибелах равен:

. (5.2)

Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения, то при оценке коэффициента усиления по напряжению в децибелах выражение для коэффициента усиления запишется в следующем виде:

. (5.3)

В общем случае коэффициент усиления является комплексной величиной, так как выходное напряжение отличается от входного напряжения не только по амплитуде, но и по фазе:

, (5.4)

(5.5)

где – разность фаз между выходным и входным напряжениями.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя:

. (5.6)

а б

Рис.5.2. Амплитудно-частотная (а) и фазовая (б) характеристики усилителя

Полосой пропускания усилителя называется диапазон частот, на границах которого модуль коэффициента усиления уменьшается в раз по сравнению с максимальным значением коэффициента усиления.

ФЧХ характеристикой усилителя называется зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями от частоты:

. (5.7)

Амплитудно-частотная характеристика усилителя напряжения и один из возможных примеров фазовой характеристики показаны на рис. 5.2.

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала.

Рис. 5.3. Реальная и идеальная амплитудная характеристика

Реальная и идеальная амплитудные характеристики показаны на рис. 5.3. Реальная амплитудная характеристика отличается от идеальной в области малых сигналов из-за собственных шумов усилителя, а в области больших сигналов – из-за нелинейности активного элемента.

Переходная характеристика усилителя представляет собой отклик усилителя на напряжение в виде единичного скачка. Она характеризует усилитель в переходном режиме при усилении импульсных сигналов. Единичный скачок на входе и переходная характеристика усилителя показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Единичный скачок напряжения и переходная характеристика усилителя

Входное сопротивление усилителя – это отношение изменения входного напряжения усилителя к изменению входного тока.

Выходное сопротивление усилителя – это отношение изменения выходного напряжения усилителя к изменению выходного тока.

Динамический диапазон усилителя оценивается величиной, в пределах которой усилитель является линейным устройством.

, (5.8)

минимальное напряжение на входе, при котором усиливаемый сигнал различим на фоне помех.

ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ В УСИЛИТЕЛЯХ

В реальном усилителе форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала. Отклонение формы выходного напряжения усилителя от формы входного усиливаемого сигнала называется искажением сигнала. С точки зрения спектрального метода усилитель не будет вносить искажений, если спектры выходного и входного сигналов совпадают. Совпадение спектров означает, что:

1) в спектре выходного напряжения не появились новые гармонические составляющие по сравнению со спектром входного сигнала;

2) относительные значения амплитуд отдельных гармонических составляющих выходного и входного напряжений одинаковы;

3) фазовые сдвиги отдельных гармонических составляющих в выходном и входном напряжениях также одинаковы.

При невыполнении хотя бы одного из этих условий усилитель будет вносить искажения. Причиной искажений сигнала является несовпадение реальных и идеальных характеристик усилителя. Искажения бывают линейные и нелинейные. Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя и наиболее сильно проявляются на слабых сигналах. Различают частотные, фазовые и переходные линейные искажения.

Частотные искажения связаны с несовпадением реальной и идеальной АЧХ усилителя. Частотные искажения оцениваются в децибелах коэффициентом частотных искажений. Под коэффициентом частотных искажений на частоте понимают отношение максимального значения модуля коэффициента усиления к модулю коэффициента усиления на частоте .

Рис. 5.5. Частотные искажения в области низких и высоких частот

В соответствии с АЧХ, показанной на рис.5.5, коэффициенты частотных искажений на границах полосы пропускания со стороны низких и высоких частот равны соответственно:

, (5.9)

, (5.10)

где: - коэффициент усиления усилителя в области средних частот; - коэффициент усиления в области низких частот на уровне 0,7(-3дБ) от максимального усиления; - коэффициент усиления в области высоких частот на уровне 0,7(-3дБ) от максимального усиления.

Фазовые искажения появляются из-за несовпадения реальной и идеальной фазовых характеристик. Следствием этого является неодинаковый сдвиг во времени отдельных гармоник сигнала. Фазовые искажения оцениваются в градусах отклонения реальной фазовой характеристики от идеальной.

Переходные искажения появляются при усилении импульсных сигналов. Степень переходных искажений оценивается временем нарастания импульса на выходе усилителя от уровня 0,1 до уровня 0,9 своего максимального значения, временем спада импульса от уровня 0,9 до уровня 0,1, относительной величиной высокочастотного выброса и относительным спадом (сколом) вершины за время импульса.

Нелинейные искажения вызваны появлением новых гармоник в спектре выходного сигнала вследствие нелинейности амплитудной характеристики. Они оцениваются при гармоническом входном сигнале коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник) – отношением действующего значения появившихся в выходном сигнале высших гармоник к действующему значению первой гармоники.

(5.11)

Коэффициент гармоник оценивается в процентах. В усилителях звуковых частот нелинейные искажения на слух незаметны, если .

17

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА БИПОЛЯРНОГО И ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРОВ

Эквивалентную схему транзистора можно получить, если воспользоваться некоторыми методами теории электрических цепей, в частности, методами анализа линейных активных четырехполюсников. Четырехполюсником называется устройство, которое имеет две точки входа и две точки выхода. Биполярный и полевой транзисторы в любой схеме включения представляют собой четырехполюсник. Различают пассивные и активные четырехполюсники. Пассивные четырехполюсники не содержат источников напряжения или тока. Каскад усилителя на биполярном или полевом транзисторе способен усиливать мощность входного сигнала и является активным четырехполюсником. Теория четырехполюсников разработана для линейных систем, для которых характерна линейная зависимость между током и напряжением. Биполярный и полевой транзисторы являются нелинейными элементами. Однако, при работе в режиме малого сигнала, характерном для усилителей напряжения, усилитель на транзисторе можно считать линейным устройством, и применить к нему теорию линейных четырехполюсников.

На рис. 5.6 представлена эквивалентная схема линейного четырехполюсника. Каждый четырехполюсник характеризуется четырьмя величинами: током и напряжением на входе и током и напряжением на выходе.

Рис. 5.6.Эквивалентная схема четырехполюсника

В теории четырехполюсников зависимости между входными и выходными токами и напряжениями анализируют, используя режимы холостого хода и короткого замыкания на входе и выходе четырехполюсника. В результате параметры транзистора находятся из соответствующих уравнений для токов и напряжений. Поскольку к четырехполюсникам относятся различные по физическим принципам функционирования устройства, то уравнения для токов и напряжений будут в каждом случае разными. Существует шесть различных систем уравнений, описывающих связь токов и напряжений для разных видов четырехполюсников.

Будем рассматривать биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером как активный линейный четырехполюсник.

Рис. 5.7. Транзистор по схеме с общим эмиттером как четырехполюсник

Особенности биполярных транзисторов наилучшим образом учитываются системой уравнений в - параметрах. Для схемы с ОЭ в этой системе за независимые переменные берутся входной ток и выходное напряжение , а зависимыми будут входное напряжение и выходной ток . Таким образом, можно записать:

(5.12)

(5.13)

Для малых приращений переменных токов и напряжений запишем уравнения в полных дифференциалах:

(5.14)

(5.15)

Частные производные, вычисленные в окрестности рабочей точки транзистора, представляют собой некоторые постоянные величины – -параметры биполярного транзистора. Транзистор в малой окрестности рабочей точки (режим малых сигналов) может рассматриваться как линейный четырехполюсник относительно дифференциалов токов и напряжений. Благодаря линейности характеристик на малых участках изменения токов и напряжений дифференциалы в уравнениях можно заменить конечными приращениями. Для переменных составляющих токов и напряжений в активном режиме работы транзистора, когда токи и напряжения достаточно малы, можно перейти к системе уравнений в - параметрах:

, (5.16)

. (5.17)

Для транзистора по схеме с ОЭ уравнения можно записать в следующем виде:

, (5.18)

. (5.19)

Биполярные транзисторы отличаются небольшим значением входного сопротивления и сравнительно высоким значением выходного сопротивления. Поэтому в такой схеме для нахождения -параметров уравнений легко осуществить режим короткого замыкания на выходе четырехполюсника и режим холостого хода на входе четырехполюсника.

Осуществляя режим холостого хода на входе четырехполюсника, найдем из уравнений 5.18 и 5.19 параметры и при и выясним их физический смысл:

- величина, обратная коэффициенту усиления по напряжению при разомкнутой входной цепи, характеризует внутреннюю обратную связь в биполярном транзисторе;

= - выходная проводимость транзистора при разомкнутой входной цепи.

Два оставшихся параметра можно найти, осуществив режим короткого замыкания на выходе четырехполюсника. При коротком замыкании на выходе 0. Тогда из уравнений 5.18 и 5.19 найдем:

= - дифференциальное входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе;

= - коэффициент усиления тока базы транзистора при коротком замыкании на выходе.

Так как мы рассматриваем построение эквивалентной схемы биполярного транзистора для переменных составляющих токов и напряжений, то все токи и напряжения в уравнениях в -параметрах представляют собой переменные составляющие, соответствующие определенному режиму работы биполярного транзистора по постоянному току. Условие для переменной составляющей тока базы 0 соответствует условию для постоянной составляющей, величина которой определяется напряжением смещения. Условие для переменного напряжения =0 соответствует условию для постоянного напряжения на коллекторе. При этих условиях -параметры принимают вид:

, (5.20)

, (5.21)

, (5.22)

. (5.23)

Параметр имеет размерность сопротивления и для его определения необходимо иметь семейство входных характеристик транзистора.

Параметр также может быть найден по входной характеристике. Он является безразмерным, его величина мала и составляет, примерно, .

Параметр также является безразмерной величиной и его можно определить по семейству выходных характеристик.

Параметр имеет размерность проводимости и может быть определен из семейства выходных характеристик. Величина обратная называется выходным сопротивлением транзистора.

Определение -параметров позволяет получить физически обоснованную эквивалентную схему биполярного транзистора, широко используемую для анализа устройств на основе биполярного транзистора – усилителей, генераторов, преобразователей частоты. Первое уравнение (5.18) системы уравнений позволяет описать входную часть эквивалентной схемы, где последовательно включены входное сопротивление и эквивалентный генератор внутренней обратной связи. Второе уравнение (5.19) позволяет описать выходную часть эквивалентной схемы. Согласно второму уравнению изменение тока на выходе транзистора зависит от двух составляющих: управляемого генератора тока и величины , определяемой выходной проводимостью. Поэтому в выходную цепь эквивалентной схемы транзистора надо включить управляемый генератор тока и выходную проводимость. Эквивалентная схема биполярного транзистора, составленная на основе уравнений 5.18 и 5.19, при замене приращений переменных составляющих токов и напряжений конечными значениями

токов и напряжений, представлена на рис.5.8.

Рис.5.8. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Проводя аналогичные рассуждения, можно получить эквивалентную схему полевого транзистора, представляя полевой транзистор, включенный по схеме с общим истоком, в виде линейного активного четырехполюсника, как показано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Полевой транзистор как линейный четырехполюсник

Особенности полевых транзисторов наилучшим образом учитываются системой уравнений в - параметрах. Для схемы с ОИ в этой системе за независимые переменные берутся входное напряжение и выходное напряжение , а зависимыми переменными будут входной ток и выходной ток . Эти зависимости можно представить следующими уравнениями:

, (5.24)

. (5.25)

Для малых приращений переменных токов и напряжений запишем уравнения в полных дифференциалах:

, (5.26)

. (5.27)

Частные производные, вычисленные в окрестности рабочей точки, представляют собой некоторые постоянные величины – -параметры полевого транзистора. Полевой транзистор в малой окрестности рабочей точки может рассматриваться как линейный четырехполюсник относительно дифференциалов токов и напряжений. Благодаря линейности характеристик на малых участках изменения токов и напряжений дифференциалы в уравнениях можно заменить конечными приращениями. Для переменных составляющих токов и напряжений в активном режиме работы транзистора, когда токи и напряжения достаточно малы, можно перейти к системе уравнений в - параметрах:

, (5.28)

. (5.29)

Полевые транзисторы отличаются высокими значениями величин входного и выходного сопротивлений. Поэтому для нахождения -параметров необходимо осуществить режим короткого замыкания на входе и на выходе четырехполюсника.

При коротком замыкании на входе 0, а при коротком замыкании на выходе =0. При этом из уравнений (5.28), (5.29) можно найти -параметры:

, , , .

Условие 0 означает, что равна нулю лишь переменная составляющая входного напряжения, а постоянная составляющая соответствует уровню начального смещения. Условие 0 означает, что равна нулю переменная составляющая выходного напряжения, а постоянная составляющая равна напряжению на стоке транзистора.

Для схемы с ОИ уравнения можно записать в следующем виде:

, (5.30) . (5.31)

Из этих уравнений можно выяснить физический смысл - параметров:

- входная проводимость. Величина обратная входной проводимости равна входному сопротивлению полевого транзистора;

- коэффициент внутренней обратной связи междувыходной и входной цепями полевого транзистора. Его величина составляет, примерно, ;

- крутизна полевого транзистора;

- выходная проводимость. Величина обратная выходной проводимости равна внутреннему сопротивлению полевого транзистора .

Крутизну и внутреннее сопротивление полевого транзистора можно найти из семейства выходных характеристик. Заменяя в системе уравнений приращения переменных составляющих токов и напряжений конечными значениями токов и напряжений, можно записать уравнения в следующем виде:

, (5.32)

. (5.33)

Определение -параметров позволяет получить физически обоснованную эквивалентную схему полевого транзистора, показанную на рис.5.10. Первое уравнение (5.32) позволяет описать входную часть эквивалентной схемы, где параллельно включены входная проводимость и эквивалентный генератор тока = , отражающий внутреннюю обратную связь в полевом транзисторе. Второе уравнение (5.33) позволяет описать выходную часть эквивалентной схемы, включающую в себя выходную проводимость и эквивалентный генератор тока , характеризующий усилительные свойства полевого транзистора.

Рис.5.10. Эквивалентная схема полевого транзистора

Поскольку коэффициенты внутренней обратной связи достаточно малы, в дальнейшем анализе будем пренебрегать их величиной. С учетом этого можно исключить эти генераторы из левых частей эквивалентных схем и предложить единую упрощенную эквивалентную схему для биполярного и полевого транзисторов, представленную на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Эквивалентная схема биполярного и полевого транзисторов

18

Область средних частот

Будем считать, что на вход каскада поступает напряжение от генератора гармонических сигналов. В области средних частот можно пренебречь влиянием обеих емкостей, входящих в эквивалентную схему усилителя на рис. 5.15. С учетом этого эквивалентная схема упростится и примет вид, показанный на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Эквивалентная схема - каскада в области средних частот

На этой схеме равно параллельному соединению резисторов и :

. (5.34)

Коэффициент усиления каскада в области средних частот равен:

. (5.35)

Поскольку схемы с общим эмиттером и общим истоком инвертируют фазу входного сигнала, напряжение на выходе усилителя будет со знаком минус.

Для каскада на биполярном транзисторе ток на выходе , а входной ток . С учетом этого коэффициент усиления транзисторного каскада в области средних частот будет равен:

. (5.36)

Если усиленное напряжение с выхода первого каскада усиления подается на вход такого же - каскада, то величина будет определяться низким значением входного сопротивления следующего каскада. В этом случае и коэффициент усиления каскада на биполярном транзисторе в области средних частот будет равен

Для каскада на полевом транзисторе ток на выходе равен: . Поэтому коэффициент усиления в области средних частот будет равен:

(5.37)

Величина сопротивления определяется параллельным соединением четырех резисторов. Сопротивление стоковой нагрузки первого каскада усиления на эквивалентной схеме представлено резистором . Для усилителя на полевом транзисторе , , .

Поэтому для каскада на полевом транзисторе и коэффициент усиления в области средних частот равен:

. (5.38)

Область высоких частот

Выясним характер и поведение амплитудно-частотной характеристики каскада в области высоких частот. В области высоких частот также можно пренебречь влиянием емкости , так как на высоких частотах сопротивление ее мало и не влияет на величину коэффициента усиления. Пренебречь же влиянием емкости на высоких частотах нельзя. Поэтому эквивалентная схема в области высоких частот будет иметь следующий вид:

Рис. 5.17. Эквивалентная схема каскада в области высоких частот

Напряжение на выходе будет равно:

. (5.39)

Коэффициент усиления в области высоких частот равен:

(5.40)

Учитывая, что первый сомножитель этого выражения равен коэффициенту усиления в области средних частот, и обозначая , где - постоянная времени усилителя в области высоких частот, получим:

. (5.41)

Амплитудно-частотная характеристика каскада в области высоких частот описывается модулем коэффициента усиления:

. (5.42)

Фазовая характеристика каскада в области высоких частот:

(5.43)

Поведение АЧХ в области высоких частот определяется величиной постоянной времени нагрузочной цепи . Чем больше постоянная времени в области высоких частот, тем меньше коэффициент усиления в области высоких частот. Для каскада на биполярном транзисторе величину составляют сопротивление коллекторной нагрузки с параллельно включенным входным сопротивлением второго каскада и суммарная паразитная емкость. Поэтому эту постоянную времени называют постоянная времени нагрузочной цепи.

Для каскада на полевом транзисторе величину составляют сопротивление нагрузки в цепи стока первого каскада и суммарная паразитная емкость. Из эквивалентной схемы для области высоких частот видно, что параллельное соединение и представляет собой интегрирующую цепь, которая и определяет характер АЧХ в области высоких частот, показанной на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Амплитудно-частотная характеристика - каскада в области высоких частот