Шпоры к экзамену / 25

1. Полевой транзистор. Типы, устройства, обозначения на схемах, схемы включения. Выходные и переходные характеристики. Усилительный каскад на полевом транзисторе. Схема, назначение элементов. Определение рабочей точки покоя на переходной и выходной характеристиках графическим методом.

Полевые транзисторы.

Следующая группа компонентов на рис. 8.1 –полевые транзисторы. Свойства полевых транзисторов сильно отличаются от свойств биполярных транзисторов тем, что управляющей величиной является не ток, а напряжение. Поэтому полевые (FET) транзисторы имеют весьма большое входное сопротивление.Полевые транзисторы имеют в основном три вывода: исток, сток и затвор (управляющий электрод). Проводимость канала между истоком и стоком управляется потенциалом затвора. В полевом транзисторе нет p-n перехода, который включен в прямом направлении (как в биполярном транзисторе включен переход база- эмиттер). Поэтому ток затвора практически равен нулю. Бывают p- канальные (проводимость за счет дырок) и n- канальные (проводимость за счет электронов)  ПТ.Управляющие затворы бывают двух типов:

- с p-n – переходом (включен в обратном направлении!),

- с изолированным затвором (МОП или МДП - транзисторы),

Каналы могут быть различаются типами легирования (обогащенный и обедненный) и способом изготовления – встроенный (МДП) или индуцированный (МОП) каналы. Существует большое разнообразие типов транзисторов, которое объясняется многими возможными комбинациями типов затворов и каналов. Ряд типов транзисторов, которые встроены в интегральные схемы имеют четвертый вывод – «подложку».

Примеры схемы включения и вольтамперные характеристики полевых транзисторов с p-n переходом приведены на рис. 8.2 и 8.3.

Рис. 8.2. Схема включения полевого транзистора с каналом n-типа “с общим истоком” (З-затвор, И-исток, С- Сток).

 

Рис. 8.3 . Выходные (а) и передаточные (б)  характеристики полевого МДП-транзистора с каналом n-типа.

Выходные характеристики ПТ – зависимости тока стока от напряжения между истоком и стоком при заданном управляющем напряжении между истоком и затвором.

Здесь функция – ток стока. Аргументом является управляющее напряжение U_ЗИ , которое меняется в источнике V2 пределах -2В…+0.6В, и параметром – напряжение между истоком и стоком U_ИС в интервале 0…12В с шагом 0.5В (источник V1). Из графиков следует, что влиянием напряжения U_ИС можно пренебречь, если U_ИС>3В. Такой же вывод следует из семейства выходных характеристик на рис. 8.4. На переходной характеристике есть линейный участок, на котором связь приращений тока и напряжения может быть выражена крутизной S=dIc/dUзи (мА/В).

При положительном напряжении U_ИЗ наступает насыщение переходной характеристики, что видно на рис. 8.6.

 

 Рис.8.6. Переходная характеристика ПТ при U_ИС=12В.

 Полевые транзисторы имеют очень малый ток затвора (10^-8..10^-9 А), поэтому они используются в программируемых постоянных запоминающих устройствах ППЗУ, например во флэш-памяти. Эти элементы надо особенно защищать от статического электричества. Из-за нулевого тока затвора для ПТ входная характеристика не используется.

         Полевые транзисторы широко используются для усиления сигналов.         

Демонстрационный пример усилителя напряжения (demo8_3) на полевом транзисторе приведен на рис. 8.7.

         В этой схеме включены конденсаторы C1 и С2 для передачи сигналов и исключения зависимостей состояния полевого транзистора от цепей источника и приемника Rn сигналов по постоянным составляющим токов и напряжений. Резисторы R1, R2 и Rs устанавливают состояние транзистора по постоянному току. На резисторе Rc формируется выходное напряжение, которое передается на приемник Rn. Конденсатор С3 повышает коэффициент усиления, так  как он уменьшает сопротивление участка цепи с резистором Ri по переменной составляющей. На рис.8.8 приведены осциллограммы входного (синяя кривая, правая ось ординат) и выходного (красная кривая, левая ось ординат).  

 Рис. 8.7 . Схема усилительного каскада с полевым транзистором с общим истоком.

Рис. 8.8 . Кривые входного (синяя) и выходного напряжений (красная) для усилителя на рис. 8.7.

Коэффициент усиления по напряжению на частоте 1кГц составляет K_U = 670мВ/100мВ = 6.7. Усилитель изменяет фазу сигнала на 180°. Состояние полевого транзистора по постоянному току при заданных параметрах элементов усилителя определяется следующим образом. Так как I_з =0 , то на резисторе R₂ постоянное напряжение U_R2 = E_C*R₂/(R₁+R₂).  Напряжение между затвором и истоком U_ЗИ = U_R2 – R_S*Ic(U_ЗИ). Это выражение представим с переменной Ic в виде U_ЗИ (Ic )= U_R2 – R_S*Ic. В этом выражении слева - функция переходной характеристики, представленная кривой 1 на рис.8.9. Справа линейная ВАХ – прямая линия 2, отсекающая на осях отрезки  U_R2 и U_R2 /R_S . Точка пересечения A определяет постоянные ток «покоя» стока Icп и напряжение «покоя» U_{ЗИ, П}.

Рис. 8.9. К определению рабочей точки покоя в цепи затвора.

 Постоянное напряжение U_CИ,П  определяется по выходной характеристике следующим образом. Известное постоянное напряжение U_{ЗИ, П} позволяет выбрать одну выходную характеристику I_C(U_CИ,П,U_ЗИ,П).Из контурного уравнения для участка E_C, R_C, ПТ, R_s следует:U_CИ,П (I_C,U_ЗИ,П)=E_C –(R_C+ R_S) I_C. Это нелинейное уравнение решается графически на рис.8.10. пересечением выходной харакеристики 1 и линии нагрузки 2, которая отсекает на осях отрезки E_C и E_C/(R_C+ R_S)

Рис.8.10. К определению рабочей точки покоя в цепи стока.

При выборе рабочей точке следуют методике, которая была рассмотрена для усилителя напряжения на биполярном транзисторе.