Электроника в вопросах и ответах - Хабловски И. - Страница 25

Входная характеристика (сток-затворная характеристика — прим. перев.) полевого транзистора с управляющим р-n переходом представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 4.23, б). Напряжение U_зи, при котором прекращается ток стока, определяет напряжение отсечки U_отс.

Рис. 4.23. Статические выходные (а) и передаточная (б) характеристики полевого транзистора с р-n переходом

Важный параметр униполярных транзисторов — большое входное сопротивление. Оно является следствием протекания очень малого тока затвора, который для полевых транзисторов с р-n переходом равен от 1 до 10 мА, а для МОП транзисторов — в 1000 раз меньше.

Большое входное сопротивление допускает управление полевым транзистором по напряжению от генератора (источника), практически такой транзистор не нагружает источник, не отбирает от него мощность.

Выходное сопротивление (внутреннее сопротивление — прим. перев.) полевых транзисторов (определяется в режиме насыщения) также велико и может быть равно нескольким сотням килоом

Важным параметром полевого транзистора является крутизна или иначе проводимость прямой передачи, которая определяется как

ее значение может изменяться от нескольких миллисименсов до 1 См. Обычно крутизна полевых транзисторов меньше крутизны биполярных. Усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены относительно небольшим напряжением, подведенным между затвором и истоком и вызывающим большое изменение тока стока, а следовательно, и большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

Полевой транзистор, так же как и биполярный, может работать в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на рис. 4.24; схема с общим истоком (ОИ) — аналог схемы ОЭ; схема с общим затвором (ОЗ) — аналог схемы ОБ, схема с общим стоком (ОС) — аналог схемы ОК.

Рис. 4.24. Схемы включения полевого транзистора:

а — с общим истоком; б — с общим затвором; в — с общим стоком

Для каждой из этих схем можно определить соответствующую эквивалентную схему. На рис. 4.25 показана упрощенная физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ с нагрузкой в цепи стока — резистором сопротивлением R_н. Емкость С_зи лежит обычно в пределах 3—10 пФ, а емкость С_зс еще меньше.

Рис. 4.25. Физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ и нагрузкой R_н

Входная емкость транзистора в схеме с ОИ выражается зависимостью

С_вх = С_зи = k·С_зс

причем коэффициент k зависит от S и R_н и он тем больше, чем больше S и R_н. Емкость эквивалентной схемы достаточно просто можно измерить либо найти в справочниках, однако в них чаще даются «четырехполюсниковые» параметры транзистора. При этом следует помнить, что имеются следующие соотношения:

С_зс = С₁₂; С_зс + С_зи = С₁₁

Параметр S можем определить из характеристик. Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОИ рассчитывается по формуле

K_U = ΔU_вых/ΔU_вх = — S·R_н

Знак минус обозначает переворачивание фазы на 180° в схеме с ОИ.

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют следующие преимущества: большое входное сопротивление, малую зависимость параметров от температуры, возможность работы в диапазоне как положительных, так и отрицательных сигналов (это не относится к полевым транзисторам с р-n переходом, которые при смещении затвора в проводящем направлении дают большой ток затвора).

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают следующими недостатками: малая мощность, малое значение S; большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты. Например, R_к = 15 кОм, С_вх = 40 пФ, и тогда на частоте f = 100 кГц получим Z_вх = 1/10ω·С_вх= 40 кОм.

Усилитель, работающий по схеме с ОИ, представлен на рис. 4.26, а, а выходные стоковые характеристики I_c = f(U_си) для U_зи = const — на рис. 4.26, б. Можем записать следующее уравнение:

U_си = Ec — U_cR_н

причем для плоских участков характеристики I_c = f(U_си) в случае полевых транзисторов с р-n переходом и МОП-транзисторов «нормально включенных» существует зависимость

I_c = I_{c нас}·(1 — U_зи/U_отс)²

в которой I_{c нас} определяет ток насыщения стока при U_зи = 0. Для МОП транзисторов «нормально включенного» типа не существует I_{си кз}, поскольку ток «отсечен», если напряжение затвора меньше небольшого порогового значения U_пор (ток I_c выражается другой зависимостью).

Рабочую характеристику получают нанесением на семействе статических стоковых характеристик соответствующих нагрузочных прямых (рис. 4.26, б). Две точки Р₁ и Р₂ через которые проходит нагрузочная прямая для постоянного тока, определяется следующим образом:

I_c(P₁) = E_c/R_н; U_си(P₁) = 0

I_c(P₂) = 0; U_си(P₂) = E_c

При выборе рабочей точки следует учитывать, что зависимость, определяющая ток I_c, является квадратичной. Это означает возможность возникновения нелинейных искажений в результате появления, в частности, второй гармоники усиливаемого сигнала. В связи с этим рабочую точку следует выбирать таким образом, чтобы нагрузочная прямая для переменного тока полностью находилась в области плоских участков стоковых характеристик. В упрощенной схеме усилителя, представленной на рис. 4.26, а, обе нагрузочные прямые для постоянного и переменного тока налагаются друг на друга, поскольку в цепи, через которую протекает ток стока, отсутствует реактивность. Искажения увеличиваются с ростом амплитуды усиливаемого сигнала.