Лекция 7 Частотные свойства полевых транзисторов.

Анализируя схему замещения (рис.41) можно определить какие физические параметры полевого транзистора определяют его частотные свойства. В отличие от биполярных транзисторов в полевых транзисторах не происходит накопление заряда, который бы определял частотные свойства. Однако, как видно по схеме замещения имеются паразитные конденсаторы С_зии С_зс,и заряд этих конденсаторов будет влиять на частотные свойства полевого транзистора. Конденсатор С_зивместе с резисторамиr_зиr_иобразуют интегрирующую цепь с постоянной времени τ_з=(r_з+r_и)С_зи, Таким образом, АЧХ полевого транзистора на частоте ω_з= 1/τ_збудет иметь полюс, т. е. на этой частоте АЧХ будет иметь перегиб с наклоном -20 дБ/дек. Но не только паразитные емкости определяют частотные свойства рассматриваемых транзисторов. Так важнейший параметр крутизна –S_Tявляется зависимой от частоты. В первом приближении можно записать в операторной форме

где: S– значение крутизны на постоянном токе, τ_S= 1/ω_S– постоянная времени.

Однако современные топологии, конструкции и технологии позволяют получить транзисторы, работающие не только в мегагерцовом но и в гигагерцевом диапазоне частот.

Некоторые особенности использования полевых транзисторов.

Полевые транзисторы, как и биполярные обычно используют в качестве усилителей напряжения или в качестве ключей.

Рассмотрим построение усилительных каскадов на полевых транзисторах, на рисунке 45 показано включение полевого транзистора в качестве усилителя напряжения. На схеме имеются: транзистор VT, источник сигналаUсиг, сопротивление в цепи стокаRс.

Для того чтобы пояснения носили предметный характер будем использовать транзистор MPF3815, характеристики которого приведены на рисунках 42 и 43.

Анализируя переходную характеристику, приходим к выводу, что для получения минимальных искажений нужно выбрать начальное напряжение на затворе –1В.

Начальное напряжение – напряжение постоянного тока, имеющееся на электроде при отсутствии сигнала.

При этом от источника сигнала можно подавать сигнал амплитудой около 0,5В.

Е

Рис.45. Усилительный каскад на полевом транзисторе.

сли выбрали начальное напряжение на затворе –1В, то по переходной характеристике находим начальный ток стока –Iсн = 0,9 мА. Выберем напряжение источника питания 12В. Теперь выберем величину сопротивления в цепи стока. Для этого примем, что начальное напряжение на стоке равно половине напряжения питания –Uсн =Uп/2 = 6В. С другой стороны напряжение на стоке определяется выражениемUс =Uп –Iс*Rс. Разрешая это выражение относительноRс, и подставляя значения переменных получаемRс = 6700 оМ. Для оценки коэффициента усиления воспользуемся графоаналитическим расчетом приведенным на рис. 46.

Сущность метода состоит в том, что к графику переходной характеристики достраивается график входного сигнала и далее совместный анализ позволяет выполнить построение графика тока стока.

Внижней части рисунка показан график входного сигнала таким образом, что нулевая линия, соответствующая оси времени, расположена на уровне начального напряжения на затвореUзн = -1В. Амплитуда входного сигнала выбрана 0,5В, и это приводит к тому, что входное напряжение равное напряжению на затворе изменяется диапазоне -1,5-0,5В. Восстановив из точек изменения напряжения на затворе перпендикуляры до пересечения с переходной характеристикой, получаем диапазон изменения тока стока 0,641,22 мА. С учетом полученных значений в правой части показан график изменения тока стока во времени. Учитывая, что напряжение на стоке (оно же выходное напряжение) определяется выражениемUс =Uп –Iс*Rс, определимUсмин4,2В иUсмак8,2В.

Определяя коэффициент усиления каскада как Ку = dUвых/dUвх и переходя к конечным приращениям и осуществляя замену переменных, получаем Ку =Uс/Uз = 4/1=4.

Т

Рис. 46. Графоаналитический метод расчета усилительного каскада на полевом транзисторе.

аким образом, при выбранном транзисторе и при выбранном режиме его работы получили усилительный каскад с коэффициентом усиления 4.

Однако возникает вопрос, будет ли работать устройство, схема которого приведена на рис. 45.

Приведенный анализ выполнен исходя из условия наличия начального напряжения на затворе –1В. Однако схемотехнически это не решено. Для получения работоспособной схемы имеется несколько вариантов решения. Первый состоит в том, что между источником сигнала и затвором транзистора включается источник напряжения, имеющий величину равную Uзн. Этот вариант, в принципе, самый лучший (с точки зрения получения требуемых характеристик усилителя), но и самый неудобный, так как он требует наличия источников на самые разные напряжения, и не имеющих гальванической связи с источником питания.

Второй вариант состоит в том, что в цепь истока нужно включить резистор. Начальный ток стока (равный начальному току истока) проходя по этому резистору, создаст на нем падение напряжения равное по величинеUзн. Полярность этого напряжения: + на истоке транзистора и – на общем проводе. Для подачи отрицательного напряжения на затвор относительно истока необходимо между затвором и общим проводом включить резистор, причем величина этого резистора может быть достаточно большой, так как ток затвора практически равен нулю. Рассмотренное схемотехническое решение показано на рис. 47.

Сопротивление в цепи истока определяется выражением Rи =Uзн/Iсн. Сопротивление в цепи затвораRз может быть равным 1 мегом. Конденсатор Свх предназначен для развязки по постоянному току источника сигнала и цепь задания начального состояния транзистора.

Если не устанавливать конденсатор, шунтирующий Rи, то в схему вводится отрицательная обратная связь по току, что приводит к снижению коэффициента усиления.

К

Рис. 47. Усилительный каскад на полевом транзисторе с p-nпереходом.

онденсатор Свх с резисторомRз образуют дифференцирующую цепь, и конденсатор Си с резисторомRи и сопротивлением канала образуют интегрирующую цепь. Обе указанные цепи являются частотно-зависимыми и их параметры влияют на частотные свойства усилительного каскада.

Рассмотренный пример позволяет сделать вывод, что полевые транзисторы, как и биполярные могут быть использованы в качестве усилителей напряжения самых различных схемотехнических конфигураций.

Д

Рис. 48. Переходная характеристика полевого транзистора структуры МДП с индуцированным каналом.

ругая область применения – использование полевых транзисторов в качестве ключей в цифровых схемах. Так как в цифровых схемах используется однополярное питание, то и элементы которые используем в цифровых схемах должны иметь и напряжение питания, и управляющее напряжение одной полярности (положительные). Из всего ранее рассмотренного многообразия типов полевых транзисторов этим условиям удовлетворяют только МОП транзисторы с индуцированным каналом.

Н

Рис. 49. Ключ на МОП транзисторе

а рис. 45 показана переходная характеристика полевого транзистора структуры МДП со встроенным каналом снятая при напряжении на стокеUс = 5В, из которой видно, что при напряжении затвор – исток равном нулю ток стока тоже равен нулю. Возрастание тока стока возможно только при напряжении на затворе превышающем напряжение отсечки. По приведенной характеристике видно, что напряжение отсечки у данного транзистора равно +2В. Реальное значение тока стока может быть определяется выражениемIс =S*Uз, гдеS– крутизна переходной характеристики. Таким образом из характеристики видно, что при напряжении на затворе 4В ток стока будет иметь величину 100мА. Если в цепи стока установить сопротивление величиной 100 оМ, то напряжение на стоке будет равно практически нулю. Это объясняется тем, что в этом случае на сопротивлении в цепи стока падение напряжения должно быть равноIс*Rс = 100мА*100оМ =10В. Однако напряжение питания 5В и поэтому при таком режиме ток стока будет определяться величиной сопротивления в цепи стока. В этом случае полевой транзистор работает в качестве ключа, подобно насыщенному биполярному транзистору. Схема простейшего транзисторного ключа на МОП транзисторе приведена на рис.49. В качестве источника сигнала используется инвертор (ТТЛ), резисторRз в цепи затвора поставлен для ограничения тока заряда затворной емкости. В большинстве применений величина этого резистора может быть равна нулю.