1.2.7. Частотные свойства полевых транзисторов

Н а высоких частотах упрощенную малосигнальную эквивалентную схему как ПТ с p-n-затвором, так и МДП-транзистора, можно представить в виде, показанном на рис.28. Упрощение заключается в том, что здесь пренебрегается омическими сопротивлениями высоко легированных областей стока и истока и обратным током p-n-переходов.

В этой схеме С_ЗК – емкость между затвором и каналом, на заряжении которого основан сам принцип действия транзисторов, r’_K - распределенное сопротивление канала. Остальные емкости в схеме - емкость между затвором и истоком С_ЗИ, между затвором и стоком С_ЗC; стоком и подложкой С_CП. – являются паразитными. В ПТ емкости С_ЗИ, С_ЗС обусловлены боковой поверхностью затвора, в МДП-транзисторах – частичным перекрытием затвором областей стока и истока, в ПТ с затвором Шоттки эти емкости отсутствуют. R_i - выходное дифференциальное сопротивление.

Генератор тока в выходной цепи управляется напряжением с крутизной , зависящей от частоты. Сопротивление канала и ток стока не могут измениться, пока не зарядится емкость С_ЗК. Можно считать также, что генератор управляется напряжением на этой емкости с коэффициентом S₀, не зависящим от частоты. В этом случае эквивалентную схему называют физической, ее элементы не зависят от частоты. Емкость С_ЗК заряжается с постоянной времени _S, которая и является постоянной времени крутизны:

_S= r’_K С_ЗК (70)

Соответственно, частотная зависимость крутизны определяется выражением

, (71)

где S₀ – статическая крутизна;

, - граничная частота крутизны, на которой .

Постоянная времени крутизны квадратично зависит от длины канала и не зависит от его ширины.

Для ПТ с p-n-затвором:

, для МДП - .

Для транзисторов с n–каналом =1400см² (Вс), _s=500см² (Вс).

При одинаковой длине канала L=10мкм, полагая U_ОТС=2В , U_ЗИ – U_ПОР=4В, получаем _S одного порядка величины для обоих видов транзисторов (0,7 и 0,5нс), которой соответствует граничная частота f_S=_S  (2)300МГц. Современная технология позволяет изготовлять МДП-транзисторы сL<1мкм и f_S>15ГГц, что не удается реализовать в ПТ с p-n-затвором.

Постоянная времени крутизны _S определяет предельное быстродействие транзистора. В реальных схемах быстродействие часто ограничивается паразитными емкостями, которые определяют входную _вх и выходную _вых постоянные времени

_вх=R_ист.сC_вх, _вых=R_СC_вых,

где R_ист.с – сопротивление источника входного сигнала;

C_вх и C_вых – входная и выходная емкость;

C_вых= C_СП+C_Н, C_Н – емкость нагрузки;

R_С – сопротивление нагрузки.

Проходная емкость C_ЗС сильно влияет на частотные свойства, образуя цепь обратной связи. Ток, протекающий через эту емкость

,

где K_U – коэффициент усиления по напряжению.

Таким образом C_ЗС дает вклад во входную емкость с коэффициентом 1+K_U (эффект Миллера):

C_вх= С_ЗК+ C_ЗИ+(1+ K_U:)C_ЗС (72)

Ток, протекающий через емкость С_ЗС, создает на сопротивлении R_ист.с дополнительное напряжение , пропорциональное выходному напряжению. При определенном характере нагрузки оно совпадает по фазе с входным напряжением, что может привести к самовозбуждению усилителя.