НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

2. Анализ параметров транзисторов и их расчет в схемах с
общим затвором и стоком
2.1 Общие положения
Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой
активный трехполюсник, поэтому включение его в схему можно осуществить
шестью различными способами. Однако практический интерес представляют
лишь те способы включения, которые позволяют получить усиление по
мощности. Таких схем три:
-схема с общим истоком и входом на затвор;
-схема с общим стоком и входом на затвор;
-схема с общим затвором и входом на исток;
Входное и выходное сопротивления, а также функции прямой и обратной передач
усилительного каскада на полевом транзисторе будут зависеть от выбранной
схемы включения. Поэтому одна из схем должна быть принята за типовую,
тогда параметры двух остальных схем могут быть рассчитаны из параметров
типовой схемы с помощью соответствующих преобразований.
По аналогии с ламповой электроникой, в которой за типовую принята схема
с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим
истоком. Распространенная в ламповой электронике для характеристики
элементов четырехполюсника система проводимостей, или y-параметров, может
быть с успехом применена и для характеристики параметров полевых
транзисторов. В общем виде уравнения для четырехполюсника в системе yпараметров записываются в виде
i1y
u
y
u
11
1
12
2
i2y
u

y
u
211
222
(14)
где i1, i2 и u1, u2 —соответственно малые приращения токов и
напряжений на входе и выходе четырехполюсника. Для схемы с общим
истоком переход от параметров четырехполюсника к параметрам собственно
полевого транзистора, независящим от схемы включения, осуществляется
довольно просто. При таком включении каждая из проводимостей
эквивалентной схемы имеет точный физический смысл, а именно:
1) входная проводимость определяется проводимостью участка затвор—
исток, т. е.
yз.и. y11y12
(15)
Рис. 2.1
Эквивалентная
схема включения полевого транзистора в качестве
усилительного элемента.
2) Выходная проводимость определяется проводимостью участка сток-исток, т.е.
yи.с. y22y21
3) Функция прямой передачи
характеристики, т. е.
определяется крутизной
Sy21y12
(16)
вольт-амперной
(17)
4) Функция обратной передачи определяется проходной проводимостью
yз.с. y12
(18)
Эти параметры принимаются за первичные параметры полевого
транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Эквивалентная
схема включения полевого транзистора в качестве усилительного элемента
имеет вид, представленный на рис. 2.1. Если первичные параметры
четырехполюсника для схемы с общим истоком известны, то можно
произвести расчет параметров для любой другой схемы включения полевого
транзистора.
В настоящее время нет единой спецификации параметров полевых
транзисторов и наряду с (y-параметрами часто приводятся значения
максимального тока стока Iмакс, напряжения отсечки Uо и крутизны S).
2.2 Система параметров и методика их измерения
Информацию об усилительных свойствах полевого транзистора можно
получить из рассмотрения семейства статических вольт-амперных
характеристик. Методика снятия этих характеристик не отличается от
аналогичной методики для вакуумных ламп. Самым простым методом является
снятие характеристик по точкам. Поскольку схема с общим истоком является
типовой, то обычно при снятии вольт-амперных характеристик стока исток
заземляется, а к стоку и затвору подключаются
регулируемые источники напряжения соответствующей полярности и
измерительные приборы (рис.2.2.1 ).
Рис. 2.2.1. Схема измерения параметров полевых транзисторов.
Полное семейство вольт-амперных характеристик стока можно получить
также с помощью характериографа. При этом на сток полевого транзистора
необходимо подавать напряжение развертки пилообразной формы, а
на затвор — ступенчатое напряжение. Полярности пилообразного и
ступенчатого напряжений должны выбираться в соответствии с
полярностью испытываемого транзистора.
По семейству вольт-амперных характеристик легко определить величину
Iмакс и зависимость тока стока в режиме насыщения от напряжения на затворе.
Для полевых транзисторов, изготовленных методом двойной диффузии (т. е.
имеющих диффузионный канал и диффузионный затвор), характер распределения
примеси в канале не соответствует в точности ни одному из указанных выше
частных случаев. Для этих транзисторов достаточно точной является
квадратичная зависимость тока стока от напряжения на затворе.
При определении с помощью статических характеристик напряжения
отсечки U0 и крутизны S встречается ряд затруднений. Поскольку переход от
омической области к пентодной на вольт-амперных характеристиках происходит
плавно, для определения U0 необходимо измерять напряжение на затворе, при
котором ток стока уменьшается до нуля. Так как между истоком и стоком
запертого транзистора всегда существует некоторый остаточный ток, то при
определении U0 необходимо установить какой-то критерий для остаточного тока
стока. Таким критерием может быть определенная величина тока стока,
например 0,1 мка, или определенный процент от значения максимального тока
стока, обычно 0,1-0,5%.
Если критерием напряжения отсечки взят ток стока, равный 1% от
максимального значения тока стока (при нулевом смещении на затворе), то
ошибка в определении U0 не превышает 10%. При токе стока, равном 0,1% от
максимального тока, ошибка в определении U0 не превышает 3%.
В таблицах норм обычно указывается либо максимальное значение тока
стока при напряжении на затворе, равном напряжению отсечки, либо
минимальное и максимальное значение напряжения на затворе, при котором
наблюдается данная величина тока стока запертого транзистора.
Из семейства вольт-амперных характеристик стока можно определить
усредненное значение крутизны, равное ΔIC/ΔUЗ. Вследствие резкой
зависимости крутизны от напряжения на затворе величина ΔIC/ΔUЗ может
значительно отличаться (особенно при больших ΔUЗ ) от истинной величины
крутизны, равной dIc/dU3.
Точно также значительная ошибка может произойти при определении
выходного динамического сопротивления транзистора по наклону вольтамперных характеристик в пентодной области. Поэтому для точного определения
крутизны и выходного динамического сопротивления обычно используется метод
малого сигнала. Схема измерения малосигнального значения крутизны полевых
транзисторов в принципе аналогична схеме для снятия статических
характеристик, только во входную цепь включается источник малого сигнала
переменного напряжения, а в выходную — измерительный прибор, фиксирующий
переменный ток. Обычно в качестве малого сигнала используется
синусоидальное напряжение низкой частоты. Амплитуда сигналов должна быть
достаточно мала по сравнению с постоянными смещениями. Сигнал считается
малым, если при уменьшении его амплитуды в 2 раза величина измеряемого
параметра (например, крутизны) не меняется. Обычно амплитуда сигнала
выбирается равной 20—40 мв.
Для полевых транзисторов, изготовленных методом двойной диффузии,
зависимость крутизны в пентодной области от напряжения на затворе
выражается формулой:
U
S

S
(
1
 З)
M
MAKC
U
0
(19)
а связь максимальной крутизны с основными параметрами имеет вид:
I
S
2 MAKC
MAKC
U
0
(20)
Исходя из (20), можно по двум известным параметрам полевого
транзистора рассчитать третий.
В таблицах норм указывается либо максимальное значение крутизны (при
U3 = 0), либо значение крутизны при определенной величине тока стока.
Измерить крутизну при U 3 =0 более просто, так как в этом случае не
требуется источника напряжения смещения затвора. Измерить крутизну при
заданном токе стока более сложно, так как для каждого транзистора
приходится подбирать напряжение на затворе. Однако такой режим измерения
— более точная аппроксимация нормальных условий работы транзистора в
усилительной схеме.
Рис. 2.2.2. Схема измерения динамического сопротивления стока полевых
транзисторов.
Для измерения выходного динамического сопротивления полевых
транзисторов можно использовать схему, представленную на рис. 2.2.2.
Измеряемый транзистор ПТ1 включается в усилительную схему, в которой в
качестве нагрузки используется транзистор ПТ2, имеющий большие значения
Sмакс, rд и Iмакс. (rд —динамическое сопротивление стока). Поскольку у транзистора
ПТ2 величина S2rд2> 1, то эффективное сопротивление нагрузки по
постоянному току равняется S2rд2R1, а сама величина тока приблизительно
равна U1/R1. В связи с тем что параметры схемы выбраны таким образом, что
S2rд2 > S1rд1, усиление по напряжению в точках а и б равно S1rд1. Выходное
сопротивление в точке б достаточно мало, так что измерение в этой точке
можно производить с помощью вольтметра, обладающего входным
сопротивлением 10 ком/в.
Сопротивление резистора R1 выбирается таким образом, чтобы в цепи
стока ПТ1 протекал максимальный ток. Изменение постоянного напряжения на
затворе на малую величину ΔU1 приводит к изменению показания измерительные
вольтметра на величину ΔU2. Отношения ΔU2/ΔU1 равно величине Sмаксrд1
транзистора ПТ1. Напряжение питания не оказывает существенного влияния на
измерения, однако в измеряемом транзисторе должен поддерживаться режим
насыщения. С помощью резистора R2, включенного последовательно в цепь
затвора измеряемого транзистора, можно отбраковывать транзисторы с большим
током утечки затвора.
Обратный ток затвора оказывает существенное влияние на работу
полевого транзистора. Во-первых, его величиной определяется
входное
сопротивление транзистора по постоянному току. Во-вторых, при наличии
значительного сопротивления смещения в цепи затвора протекание по нему
тока затвора приводит к изменению положения рабочей точки. При оценке
обратного тока затвора транзистора возможно измерение трех различных
токов: тока затвор—исток IЗ.И. при отсоединенном стоке, тока затвор—сток IЗ.С.
при отсоединенном истоке и тока Iз.и.с между затвором и соединенными
вместе истоком и стоком. Так как исток и сток не полностью изолированы друг
от друга, а электрически соединены через сопротивление канала, то
IЗ.И+IЗ.С≥Iз.и.с. Однако при напряжениях на затворе, превышающих
напряжение отсечки, разница между IЗ.И+IЗ.Си Iз.и.с мала, так что величина
Iз.и.с является реальной мерой оценки и Iз.и и Iз.с. Кроме того, следует
иметь в виду, что напряжение между затвором и стоком может изменяться от
нуля до пробивного напряжения UЗ.С.проб в то время как напряжение между
затвором и истоком обычно изменяется между нулем
и напряжением
отсечки. Поэтому почти всегда IЗ.И значительно меньше Iз.и.с.
Важным параметром, определяющим область допустимых рабочих
напряжений на электродах транзистора, является напряжение пробоя.
Методика измерения остальных параметров полевых транзисторов
(межэлектродных емкостей, времени переключения, предельной частоты
генерации и др.) не отличается от методики измерения указанных параметров
для обычных биполярных транзисторов. Следует лишь отметить, что
поскольку в большинстве усилительных схем полевые транзисторы
используются в пентодной области при смещениях на затворе, близких к
нулю, то и параметры должны измеряться при таких же смещениях.
2.3 Исследуемые схемы включения полевого транзистора
Как указывалось выше (раздел 1), полевой транзистор может быть
включен в схему тремя различными способами: с общим истоком, общим
стоком и общим затвором. Параметры каждой из этих схем могут быть
определены из рассмотрения соответствующих эквивалентных схем.
Схема с общим истоком представлена на рис. 2.3.1, она характеризуется
высокими входными и выходными сопротивлениями и коэффициентом
усиления по напряжению, большим единицы. Эта схема аналогична схеме
включения электронной лампы с общим катодом. Входной сигнал подается
между затвором и истоком, выходной снимается между стоком и истоком. Оба
сигнала находятся в противофазе. Входное сопротивление каскада
определяется сопротивлением р-п перехода затвора R3.И. и достигает 10—
1000 Мом на низкой частоте
Рис. 2.3.1. Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком.
Входная емкость с учетом эффекта Миллера определяется
межэлектродными емкостями транзистора и коэффициентом усиления каскада
по напряжению КН, при этом


C

С
1

К
С
(21)
ВХ
З
.
И
.
Н
З
.
С
.
Выходное
сопротивление
каскада
определяется
параллельно
включенными сопротивлением нагрузки RH и динамическим сопротивлением
стока Rд . При этом
R
R
Д
Н
R

ВЫХ
R
R
Д
Н
Коэффициент усиления
ламповой схемы, равен:
(22)
каскада по
напряжению, как и в случае

S
R
R
R
МАКС
Д
Н
K

 H
H
R

R
R

R
Д
Н
Д
H
(23)
где μ=SМАКСRД — собственный коэффициент усиления транзистора по
напряжению. При RД > RH получаем: Кн = SМАКСRH. При включении в цепь
истока резистора R1, обеспечивающего отрицательную обратную связь по току, коэффициент усиления каскада по напряжению уменьшается до величины
К'н, равной:


R
H
K
'H



R

1
R
1

R
Д
H
(24)
Поскольку крутизна вольт-амперной характеристики полевого
транзистора является функцией напряжения на затворе, то большие входные
сигналы могут заметно искажаться. Поэтому схема с общим истоком может
использоваться в качестве малосигнального усилителя с переменным
коэффициентом усиления.
Схема с общим стоком или истоковый повторитель (рис. 2.3.2)
аналогична схеме катодного повторителя на электронной лампе. Входное
сопротивление каскада выше, а выходное — ниже, чем в случае схемы с
общим истоком; коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.
Входной сигнал подается между затвором и стоком, а снимается между истоком
и стоком. Переворот фазы отсутствует.
Рис. 2.3.2. Включение полевого
транзистора по схеме с общим стоком.
Истоковый повторитель может быть использован в качестве
трансформатора сопротивлений для связи источника сигнала с высоким
выходным сопротивлением и схемы с низким входным сопротивлением.
Коэффициент усиления по напряжению истокового повторителя может
быть определен следующим образом. Наличие в цепи истока нагрузочного
резистора RH приводит к появлению отрицательной обратной связи и к
уменьшению напряжения на емкости транзистора затвор — исток до
величины u, равной разности напряжений входного и выходного сигналов, т. е. U
= UBX—uвых. При этом напряжение выходного сигнала равно:
R
R
R
R
R
R
H
Д
H
Д
H
Д


U

i

US

u

u
S
ВЫХ
C
МАКС
ВХ
ВЫХ
МАКС
(25)
R

R
R

R
R

R
H
Д
H
Д
H
Д
Отсюда коэффициент усиления по напряжению равен:
S
R
МАКС
H
K
H
S
R
1
МАКС
H
(26)
Ток, протекающий во входной цепи каскада, равен:
U
u U
i
 ВХ ВЫХ
ВХ
R
R
З
.
И
,
З
.
И
.
Из этого следует, что входное сопротивление
равно:
(27)
истокового повторителя
U
R
R
U
З
.
И
.
З
.
И
.
ВХ
R

ВХ

ВХ
I
U

U
1

K
ВХ
ВХ
ВЫХ
H
(28)
а эффективная входная емкость в случае чисто активной нагрузки


C

C
1

K
C
ВХ
З
.
С
.
H
З
.
И
.
(29)
Поскольку, как правило, полевые транзисторы используются при таких
смещениях на электродах, что Сз.c<Сз.и, то схема с общим стоком
характеризуется значительно меньшей входной емкостью, чем схема с общим
истоком. По мере приближения КН к единице полное сопротивление каскада
возрастает.
Выходное сопротивление истокового повторителя равно:
1K

R

R
ВЫХ
H
H
(30)
а выходная емкость
1

K
H
C

C
C
ВЫХ
З
.
С
.
З
.
И
.
K
H
(31)
Характерной чертой истокового повторителя является относительно
слабая зависимость коэффициента усиления от амплитуды сигнала.
Действительно, продифференцировав (26), получим:
S

K

 1 




K
1

S
R
H S
МАКС
МАКС
H


МАКС
H
(32)
Из (32) следует, что относительное изменение коэффициента усиления в
1
1SМАКС
RH
(33)
раз меньше относительного изменения крутизны, вызванного изменением
напряжения на затворе. В связи с этим схема с общим стоком может быть
использована на больших сигналах. Схема с общим затвором (рис.2.3.3)
аналогична ламповой схеме с общей сеткой. Эта схема характеризуется низким
входным и высоким выходным сопротивлениями и может быть использована в
качестве трансформатора полных сопротивлений для связи между
источником сигнала с низким выходным сопротивлением и схемой с
высоким входным сопротивлением.
Входное сопротивление каскада равно:
R
R
Д
H
R

ВХ
1
(34)
а входная емкость С ВХ равна межэлектродной емкости затвор — исток.
Выходное сопротивление каскада с общим затвором определяется, как и в
случае каскада с общим истоком, параллельно включенными сопротивлением
нагрузки и динамическим сопротивлением стока. Коэффициент усиления
каскада по напряжению с учетом сопротивления источника сигнала RT равен:




1
R
H




1
R

R

R
Г
Д
H
K

H
(35)
Рис. 2.3.3. Включение полевого
транзистора по схеме с общим затвором.
Каскады с общим
затвором
могут
использоваться в
высокочастотных схемах однако в многокаскадных схемах коэффициент
усиления снижается из-за несогласованности выходных и входных
сопротивлений.
Общий коэффициент и ширина полосы пропускания многокаскадных
усилителей на полевых транзисторах ограничиваются рядом факторов, в
частности,
крутизной,
динамическим
сопротивлением
стока
и
межэлектродными емкостями. Эти ограничения могут быть преодолены при
использовании полевого транзистора в двухкаскадном соединении с другим
полевым транзистором или с биполярным транзистором.
Один из важнейших параметров полевых транзисторов— напряжение
отсечки Uo.В ряде случаев выбор его оказывает решающее влияние на работу
схемы. Транзисторы с низким напряжением отсечки имеют ряд преимуществ в
схемах, где используются маломощные источники питания и где требуется
большая температурная стабильность./ /
2.4 Выходные статические характеристики полевого транзистора
Выходные статические характеристики
полевого транзистора
представляют собой зависимости тока стока Iс от напряжения на стоке Uси
при различных постоянных напряжениях на затворе UЗИ (рис. 2.4.1,а ) . При
малых напряжениях на стоке
Рис. 2.4.1. Выходные статические характеристики
(в крутой области характеристики) зависимость тока стока от напряжения
на стоке линейна. При увеличении напряжения на стоке и тока стока
возникает неэквипотенциальность канала под затвором, разность
потенциалов между затворов и каналом около стока уменьшается, что
приводит к «перекрытию» канала около стока при напряжении насыщения UСИ
НАС. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке ток стока слабо
зависит от напряжения на стоке (пологая область характеристики).
Статические характеристики передачи МДП-транзистора представляют
собой зависимости тока стока от напряжения на затворе (рис. 2.4.1,б) при
разных напряжениях на стоке. По статической характеристике передачи
можно найти пороговое напряжение МДП-транзистора с индуцированным
каналом UЗИ ПОР — напряжение на затворе, при котором появляется заметный
ток стока.
Аналогичным образом могут быть объяснены и статические
характеристики полевых транзисторов с р-п-переходом в качестве затвора.
В связи с тем, что канал в таких транзисторах существует даже при нулевом
напряжении на затворе, одним из основных параметров этих транзисторов
является напряжение отсечки UЗИ ОТС. — напряжение на затворе относительно
истока, при котором ток стока равен нулю. Усилительные свойства
полевых транзисторов характеризуют крутизной характеристики
S
dIC
dUЗИ
/uси=const
(36)
Выходное сопротивление полевого транзистора можно определить по
котангенсу угла наклона выходной статической характеристики с учетом
масштабов:
R1 
dU
СИ
dIC
/uзи=const
(37)
Произведение двух последних параметров дают собственный
коэффициент усиления полевого транзистора по напряжению:/ /
KU  SR1
(38)