Усилители переменного тока на полевых транзисторах

Прежде чем рассмотреть основные схемы усилителей переменного тока на полевых транзисторах рассмотрим структуру полевого транзистора.

Структура полевого транзистора и его условное обозначение показаны на рис. 3.1. Транзистор состоит из двух областей. Область полупроводника между истоком (И) и стоком (С) называется каналом. В данном случае канал имеет n-тип. Другая область полупроводника имеет повышенную концентрацию примеси и называется затвором (З). В данном случае затвор имеет p-тип. Затвор и канал отделены друг от друга p-n-переходом. Знаком указаны области с повышенной концентрацией электронов. Они создаются, чтобы на границе контакта полупроводника с металлом не возникал p-n-переход.

Рис. 3.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

В нормальном режиме работы транзистора p-n-переход всегда закрыт. Для этого на затвор подается отрицательное напряжение . Если приложить между стоком и истоком положительное напряжение , то под действием этого напряжения свободные электроны будут перемещаться от истока к стоку, создавая ток канала . Чем больше напряжение, приложенное между стоком и истоком, тем больше протекающий ток. Эта ситуация справедлива на начальном участке ВАХ транзистора, которая показана на рис. 3.2. При большом напряжении нужно учитывать, что оно увеличивает обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу (т.к. высокий потенциал приложен к n-слою). Это приводит к расширению закрытого p-n-перехода, поэтому ширина канала уменьшается и ток стока перестает увеличиваться. Это явление приводит к насыщению ВАХ, показанной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. ВАХ транзистора с управляющим p-n-переходом

Изменяя напряжение на затворе , можно регулировать ток, протекающий через канал транзистора. Если уменьшается, то к p-слою прикладывается более отрицательное напряжение, поэтому ширина p-n-перехода будет увеличиваться, следовательно ширина канала уменьшаться, а значит, ток через канал будет уменьшаться. Аналогично, увеличение приводит к увеличению тока .

На рис. 3.2. показаны два семейства ВАХ полевого транзистора, которые отражают описанный принцип действия. Первый график называется семейством стоковых характеристик, а второй – семейством исток-затворных характеристик. Оба семейства ВАХ эквивалентны друг другу.

Отметим, что аналогично работает и транзистор с p-каналом и n-подложкой, однако знаки прикладываемых напряжений противоположны рассмотренному случаю. Условное графическое обозначение такого транзистора отличается от показанного на рис. 3.1 направлением стрелки.

Полевой транзистор со встроенным каналом и его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Полевой транзистор со встроенным каналом

В структуре транзистора можно выделить металлические выводы, показанные черным цветом, изолирующий слой, показанный серым цветом и слой полупроводника, показанный белым цветом. Поэтому часто такой транзистор называют МДП-транзистор (металл, диэлектрик, полупроводник). В полупроводник p-типа, именуемый подложкой (П), внедряется n-слой. При этом области с повышенной концентрацией электронов называются исток (И) и сток (С), а область с более низкой концентрацией электронов является каналом. Металлический затвор (З) полностью изолирован от канала диэлектриком. Это приводит к тому, что ток стока управляется электрическим полем. Чтобы p-n-переход был всегда закрыт на подложку p-типа подается отрицательное напряжение. Область с высокой концентрацией дырок нужна, чтобы не возникало p-n-перехода на границе между металлом и полупроводником, из которого выполнена подложка.

Если напряжение , то в канале протекает ток, обусловленный движением электронов от истока к стоку. Изменяя напряжение на затворе, можно изменять величину указанного тока. Если , то отрицательный потенциал вытесняет электроны из канала и ток стока уменьшается. Аналогично, если , то положительный потенциал втягивает дополнительные электроны в канал и ток увеличивается.

При увеличении напряжения вначале ток стока увеличивается. Однако увеличение приводит к тому, что разность потенциалов между затвором и стоком также увеличивается, поэтому электроны вытесняются этим отрицательным напряжением из канала и ток стока перестает расти. Этим объясняется насыщение стоковых характеристик транзистора. ВАХ показаны на рис. 3.4. Отметим, что они смещены относительно стоковых характеристик полевого транзистора с управляющим переходом в строну положительных .

Рис. 3.4. ВАХ транзистора со встроенным каналом

Полевой транзистор с индуцированным каналом и его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.5. На рис 3.6. приведены ВАХ транзистора.

Рис. 3.5. Полевой транзистор с индуцированным каналом

Структура МДП-транзистора и индуцированным каналом отличается от транзистора со встроенным каналом тем, что в нем отсутствует канал, если напряжение на затворе меньше некоторой положительной величины. Это означает, что в области под затвором нет свободных носителей зарядов и не зависимо от напряжения ток в канале отсутствует. При достаточно большом положительном напряжении на затворе электроны втягиваются положительным электрическим полем в область под затвором – образуется канал. Тогда при положительном напряжении между стоком и истоком в канале протекает ток стока.

ВАХ транзистора с индуцированным каналом получаются смещением исток-затворных характеристик в положительную область.

Рис. 3.6. ВАХ транзистора с индуцированным каналом

Отметим, что МДП-транзисторы с p-каналом работают аналогично, однако знаки прикладываемых к транзистору напряжений противоположны. Условное графическое обозначение такого транзистора отличается направлением стрелки.

Транзистор можно представить в виде моделирующей схемы, состоящей из сопротивлений, емкостей и источников тока. Такая схема справедлива для конкретного режима работы транзистора. На рис. 3.7. показана моделирующая схема полевого транзистора.

Рис. 3.7 Эквивалентная схема полевого транзистора

Емкости , , моделируют емкости между соответствующими областями транзистора, сопротивление – сопротивление канала транзистора, а источник тока , моделирует ток через канал транзистора. Он зависит от приложенного напряжения на затворе. Сопротивления между затвором и каналом на схеме не приведены, так они очень большие и достигают от Ом для транзистора с управляющим переходом до Ом для МДП-транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна и внутреннее канала.

Крутизна показывает во сколько раз изменится ток стока при изменении и постоянном :

. (3.1)

Внутреннее сопротивление это отношение приращения напряжения к приращению тока :

. (3.2)

Крутизну и внутренне сопротивление можно вычислить по ВАХ транзистора.

Усилитель с общим истоком

Схема усилителя с общим истоком (ОИ) показана на рис. 14.1.

Рис. 14.1 Усилитель с ОИ

Входное напряжение подается на затвор, а выходное снимается со стока. Схема содержит источник ЭДС E, разделительную емкость , сопротивления , , , емкость и полевой транзистор.

По второму закону Кирхгофа можно записать

. (14.1)

Если увеличивать входное напряжение , то потенциал на затворе транзистора возрастает. Так как транзистор имеет p-подложку, то увеличение напряжения приводит к уменьшению p-n-перехода и увеличению ширины канала транзистора. В результате ток стока возрастает, следовательно, выходное напряжение уменьшается. Если понижать входное напряжение на затворе, то в силу того, что затвор подключен к p-подложке, p-n-переход транзистора будет расширяться, что приведет к сужению канала транзистора. В результате ток стока уменьшается и выходное напряжение в соответствии с (14.1) возрастает.

Таким образом, по отношению к напряжению в усилителе существует инверсия: повышение входного напряжения приводит к уменьшению выходного, а понижение входного– к увеличению выходного.

Отметим, что p-n-переход между затвором и каналом всегда закрыт, поэтому основной ток в транзисторе протекает по контуру от источника питания через сопротивление , через канал транзистора от стока к истоку и через сопротивление к общему выводу.

Разделительная емкость не пропускает постоянное напряжение. Она осуществляет развязку по постоянному току между усилителем и источником внешнего сигнала E.

Сопротивление необходимо для того, чтобы затвор не «висел в воздухе». С помощью данного сопротивления задается напряжение между затвором и истоком при отсутствии входного сигнала:

. (14.2)

Из выражения (14.2) видно, что сопротивление , обеспечивая связь затвора с землей, вносит в значение напряжения погрешность, определяемую обратным тепловым током . С одной стороны, чем меньше сопротивление , тем меньше зависимость напряжения затвора от теплового тока. С другой стороны сопротивление затвора является входным сопротивлением для генератора ЭДС E, т.е. его нагрузкой. Поэтому, желательно, чтобы сопротивление затвора было как можно больше. На практике сопротивление затвора выбирают как можно больше, но чтобы выполнялось неравенство .

Из выражения (14.1) видно, что сопротивление определяет, насколько сильно будет изменяться выходное напряжение при изменении тока стока, т.е. от входного напряжения. Таким образом, сопротивление стока определяет коэффициент передачи усилителя, который имеет вид:

. (14.3)

Сопротивление истока определяет напряжение на затворе в рабочей точке. Очевидно, что чем больше сопротивление , тем меньше ток стока, поэтому при заданном коэффициенте усиления, т.е. меньше допустимый диапазон входного напряжения. В связи с этим в схему добавлена блокирующая емкость , которая не влияет на рабочую точку по постоянному току, но для переменного тока шунтирует сопротивление истока, увеличивая коэффициент усиления.

Усилитель с общим затвором

Схема усилителя с общим затвором (ОЗ) показана на рис. 14.2. Входное напряжение подается на исток, а выходное снимается со стока. По второму закону Кирхгофа выражение для выходного напряжения имеет вид (14.1)

Рис. 14.2 Усилитель с ОЗ

Если увеличивать входное напряжение , то потенциал на истоке транзистора возрастает. При этом разность потенциалов между затвором и истоком также возрастает, поэтому ток стока уменьшается, следовательно, выходное напряжение в соответствии с выражением (14.1) увеличивается. Если понижать входное напряжение на истоке, то разность потенциалов между затвором и истоком уменьшается, следовательно ток стока увеличивается и выходное напряжение в соответствии с (14.1) уменьшается.

Таким образом, повышение входного напряжения приводит к увеличению выходного, а понижение входного– к уменьшению выходного. Отметим, что если изначально транзистор находится в активном режиме, то его ток стока в некотором диапазоне не зависит от разности напряжений между стоком и истоком.

Разделительная емкость не пропускает постоянное напряжение. Она осуществляет развязку по постоянному току между усилителем и источником внешнего сигнала E.

Сопротивление в данной схеме отсутствует, затвор непосредственно подключается к общей точке, поэтому напряжение между затвором и истоком при отсутствии входного сигнала равно:

. (14.4)

Сопротивление , также, как и в схеме с ОИ, определяет насколько сильно будет изменяться выходное напряжение при изменении тока стока, т.е. от входного напряжения. Однако, в данном случае коэффициент передачи усилителя имеет вид:

. (14.5)

Сопротивление истока определяет напряжение на затворе в рабочей точке, что видно из выражения (14.4). Очевидно, что в данном случае нельзя шунтировать сопротивление истока, так как оно определяет нагрузку источника ЭДС.

Усилитель с общим стоком

Схема усилителя с общим стоком (ОС) показана на рис. 14.3.

Рис. 14.3 Усилитель с ОС

Входное напряжение подается на затвор, а выходное – снимается с истока. Выражение для выходного напряжения усилителя имеет вид

. (14.6)

Если увеличивать входное напряжение , то потенциал на затворе возрастает. В результате p-n-переход транзистора уменьшается, канал расширяется и ток стока возрастает. В соответствии с выражением (14.6) это приводит к увеличению выходного напряжения. Если понижать входное напряжение на затворе, то p-n-переход транзистора расширяется, перекрывая канал, а ток стока уменьшается. В результате выходное напряжение усилителя уменьшается.

Таким образом, повышение входного напряжения приводит к увеличению выходного напряжения, а понижение входного – к уменьшению выходного.

Разделительная емкость не пропускает постоянное напряжение. Она осуществляет развязку по постоянному току между усилителем и источником внешнего сигнала E. Сопротивление затвора в данной схеме подключается между двумя резисторами и . Это позволяет задавать рабочее напряжение между затвором и истоком с помощью резистора

. (14.7)

Второе сопротивление – нагрузка, которая определяет напряжение между стоком и истоком

Коэффициент передачи такого усилителя равен

. (14.8)

Из последнего выражения видно, что при увеличении сопротивления истока, коэффициент усиления приближается к единице. В связи с этим усилитель с ОС часто называют истоковым повторителем. Эта схема усиливает ток (мощность) сигнала, а напряжение на выходе равно входному.

Параметры усилителей на полевых транзисторах

Параметры усилителей на полевых транзисторах показаны в таблице 14.1.

В таблице приняты обозначения: – дифференциальная крутизна входной характеристики транзистора; – крутизна входной характеристики; – дифференциальное сопротивление канала транзистора.

Таблица 14.1.

Схема
ОИ
ОЗ
ОС

Как видно из таблицы, в схеме с ОИ происходит инверсия, коэффициент усиления отрицателен. В схеме с ОЗ инверсии нет и коэффициент усиления напряжения равен по модулю коэффициенту схемы ОИ. В схеме с ОС при достаточно большом сопротивлении истока коэффициент усиления близок к единице. Схемы ОИ и ОС обладают большим входным сопротивлением, в схеме с ОЗ входное сопротивление небольшое. Наименьшее выходное сопротивление характерно для схемы с ОС.