1.3.3 Ключи на униполярных транзисторах
В наиболее общем виде выделяют униполярные транзисторы с p–n переходом (рисунок 1.22, а), легированные (рисунок 1.22, б) и с индуцированным каналом, как на рисунке 1.22, в. Здесь же приведены их входные характеристики, а также типовые схемы включения в активной области (не в ключевом режиме).
С |
|
С |
|
С |
З |
З |
П |
З |
П |
|
||||
И |
|
И |
|
И |
Ic |
Ic |
2 |
|
2 |
|
Ic |
|||
|
|
|
обогащение |
А |
|
|
|
|
|
2 |
А |
|
|
|
|
|
|
|
Аобеднение
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
Uз |
|
|
Uз |
|
Uзо |
|
Uз |
|
|
|
+Eo |
|
|
+Eo |
|
+Eo |
|
|
|
|
Rc |
|
|
|
Rc |
U31 |
R31 Rc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ВЫХ |
|
|
ВЫХ |
|
|
|
ВЫХ |
|
Ccв |
VT |
|
|
Ccв |
VT |
|
Ccв |
VT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uc |
Rз |
Rи |
Си |
Uc |
Rз |
|
Uc |
R32 |
Rи |
Си |
|
|
|
|
|||||||
|
|
а) |
|
|
|
б) |
|
|
в) |
|
Рисунок 1.22, а, б, в – Схемы на униполярных транзисторах
Из графика рисунка 1.22, а видно, что в точке 1 транзистор находится в закрытом состоянии, а в точке 2 – открытое состояние, но не насыщенное, так как это униполярный транзистор с носителями заряда одного типа, следовательно, насыщения, подобного биполярным транзисторам, принципиально нет. Так как схема рисунка 1.22, а прежде всего рассчитана на режим активной области, то на характеристике ставится точка А, она соответствует малому размаху усиливаемого сигнала, однозначно определяет напряжение смещения, которое надо подать на затвор для того, чтобы образовать состояние ожидания. Если усиливаемый сигнал
26
имеет размах, то на характеристике, в окрестности точки А, влево и вправо выбирают более–менее прямолинейный участок, в его пределах и производят усиление. Сопротивление затвора R З передаёт на затвор напряжение
автосмещения, образующееся на сопротивлении истока R И . Принимается не менее
чем на порядок больше в сравнении с выходным сопротивлением источника сигнала. Точки 1 и 2 – это предельные точки, в границах которых можно производить усиление, но нелинейные искажения велики из–за криволинейности характеристики. В ключевом режиме транзистор находится в точках 1 или 2, а интервал характеристики между точками 1 и 2 преодолевается скачком для уменьшения потерь мощности в активной области.
На рисунке 1.22, б изображёна схема на униполярном транзисторе с легированным каналом проводимости n-типа. Этот тип транзисторов работает в режимах обеднения и обогащения. Его особенность заключается в том, что в режиме усиления рабочая точка А находится при нулевом напряжении на затворе, поэтому количество элементов в схеме наименьшее по сравнению с другими. Добавляется сопротивление затвора R З , которое, как и в предыдущем случае имеет
два назначения:
–передаёт напряжение смещения на затвор;
–предотвращает шунтирование источника сигнала.
Иногда включают сопротивление истока R И , которое стабилизирует транзисторный каскад, так как на нём образуется отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току.
На рисунке 1.22, в изображёна схема на униполярном транзисторе с индуцированным каналом n-типа. Применяется наиболее часто, особенно в ключевых режимах, так как имеет высокий КПД. В ключевом режиме транзистор закрыт (точка 1) или открыт (точка 2). В открытом состоянии (точка 2) насыщения принципиально нет, так как это не биполярный транзистор, у которого два типа носителей заряда.
Характеристика носит название “правой”. Есть зона нечувствительности U З0 (от десятых долей вольта для маломощных, до десяти вольт для мощных
транзисторов). Схема в режиме усиления имеет резисторы R З1 и R З2 , которые
образуют делитель для установления напряжения на уровне точки А, образующегося напряжением питания. В цепи истока также может быть резистор, стабилизирующий каскад.
Униполярные транзисторы управляются напряжением, но не током (как биполярные).
Варианты ключей на униполярных транзисторах изображены на рисунке 1.23.
27
Рисунок 1.23, а, б, в – Ключи на униполярных транзисторах
Простейшая схема рисунка 1.23, а, в интегральной схемотехнике практически не применяется, так как на резисторе R C выделяется мощность рассеивания, т.е.
низкий КПД. В мощных схемах управления двигателями подобные схемы применяются часто, но вместо R C включается электродвигатель.
Участок характеристики рисунка 1.23, а до вертикальной штриховой линии слева называют линейным, после штриховой вправо – насыщением. Но это совершенно другое насыщение в сравнении с биполярными транзисторами, там это была активная область, впрочем, здесь, у униполярных транзисторов – тоже активная область.
На схеме, приведённой на рисунке 1.23, б, вместо R C , подсоединён транзистор
VT1: VT2 – коммутирующий, VT1– нагрузочный. Особенность нагрузочного транзистора заключается в том, что затвор и сток, объединены и подключены к E0 , кроме того VT1 и VT2 имеют одинаковую проводимость. Для транзистора VT1
семейство выходных характеристик изображено на верхнем графике рисунка 1.23,
28
б. Так как затвор и сток соединены вместе, то на этом же графике изображена входная характеристика и выделены общие точки 1, 2, 3. Из внешнего вида графика следует, что образуется эквивалент нелинейного резистора с характеристикой вида, изображённого на рисунке 1.24, а.
Рисунок 1.24, а – Характеристика эквивалента нелинейного резистора, б – характеристика обычного резистора
На рисунке 1.24, б для сравнения приведена линейная характеристика обычного резистора. Сравнивая графики рисунка 1.24, а и б делаем вывод об их подобии, хотя первая характеристика нелинейна (криволинейна). Если на втором графике рисунка 1.23, б отобразить эту нелинейную характеристику, то получится почти обычное линейное расположение нагрузочной характеристики.
При Uc = 0 , VT2 закрыт. Его сопротивление несколько МОм, ток почти
нулевой. Следовательно, у VT2 на графике в правой части рабочая точка находится в начале зоны нечувствительности (рисунок 1.23,б). То есть при этом токе транзистор VT1 также почти закрыт, а напряжение питания + E0 делится между
двумя высокоомными эквивалентами резисторов (образованными закрытыми транзисторами VT1 и VT2). На выходе выделяется напряжение E0 , из которого
вычитается UЗ01 . Этот выход называют единицей или высоким уровнем. Недостаток
такого высокого уровня заключается в том, что он образуется при закрытых транзисторах VT1 и VT2 , т.е. отмечаем высокоомность этого состояния. Если подать UC соответствующего уровня, то VT2 откроется. Рабочая точка займёт
положение 2 или 3 на нижнем графике рисунка 1.23, б, поэтому на верхнем графике устанавливается точка 2 или 3, т. е. транзистор VT1 выполняет роль обычного резистора (недостаток схемы). На VT1 выделяется мощность рассеивания, микросхема нагревается.
На схеме, приведённой на рисунке 1.23, в, изображён ключ на транзисторах разного типа проводимости: верхний – р-типа, нижний – n-типа. Это затруднительно технологически, но получаем ключ КМОП с наивысшей экономичностью (К – комплементарный, М – металл, О – окисел, П –
29