2.4.5. Параметры мдп транзистора Крутизна вольт-амперной характеристики

Усилительные свойства МДП транзистора характеризуются крутизной S передаточной характеристики (рис. 2.43), которая выражает изменение тока от изменения входного напряжения:

S = (2.4.20)

В пологой области вольт-амперной характеристики крутизна равна

S= (2.4.21)

Крутизна в этой области может быть увеличена одним из двух способов: либо уменьшением напряжения на затворе, либо изменением геометрии прибора — отношения ширины канала к его длине.

Типичные значения величины крутизны для отдельных МДП

транзисторов лежат в пределах 0,5—2,0 мА/В.

Сопротивление затвора

Сопротивление затвора R_з является функцией напряжения на затворе V_з, напряжения на стоке V_s, порогового напряжения V_пор и имеет значение 10¹⁰ – 10¹⁵ Ом.

2.4.6. Частотные свойства мдп транзистора

Качество приборов, управляемых напряжением, определяется отношением крутизны S и входной емкости С_вх затвора прибора. По нему можно оценить полосу пропускания прибора Δf:

Δf = S/C_вх = - (μ/L²)(V₃ – V_пор) (2.4.23)

Полоса пропускания зависит только от длины канала и не зависит от его ширины, так как увеличение ширины канала в одинаковой степени повышает емкость прибора и его крутизну. В реальных приборах предельная рабочая частота ограничена величиной в несколько сотен мегагерц.

Электронные усилители Характеристики усилителя

Амплитудочастотная и фазочастотная

Пусть на вход усилителя подаётся сигнал с напряжением

, (1)

где - амплитуда напряжения, - частота, - фазовый угол.

В результате усиления на выходе усилителя появляется напряжение . (2)

Тогда комплексный коэффициент усиления напряжения

(3)

( имеет смысл фазового сдвига между выходным и входным напряжением на частоте ).

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называют зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Примерный вид АЧХ усилителя переменного тока:

Идеальная АЧХ есть прямая, параллельная оси частот.

Для оси ординат обычно используют линейный масштаб, но оси абсцисс - логарифмический (последнее связано с широким диапазоном рабочих частот современных усилителей).

Граничными частотами и называют частоты, на которых усиление уменьшается до заданной (допустимой) величины относительно усиления . Область частот от до называют полосой пропускания усилителя или диапазоном рабочих частот.

Весь диапазон условно разбивают на три области: область средних частот, в пределах которой усиление практически не зависит от частоты (рис.1), и области нижних и верхних частот, в пределах которых усиление существенно изменяется с изменением частоты.

Отношение коэффициента усиления на произвольной частое к коэффициенту усиления на средней частоте называют относительным усилением, т.е.

. (4)

Спад усиления на краях полосы пропускания приводит к так называемым частотным искажениям (подробнее будет дальше). Их оценивают коэффициентом частотных искажений:

, (5)

т.е коэффициент частотных искажений на какой-либо частоте называют отношение коэффициента усиления на средней частоте к модулю коэффициента усиления на данной частоте.

Обычно для усилителя задают на и , т.е.

; (6)

. (7)

выражают в относительных единицах или в децибелах

. (8)

В большинстве случаев полоса пропускания усилителя определяется по уровню частотных искажений на верхней и нижней частотах равной 3 дБ:

. (9)

Это соответствует уменьшению коэффициента усиления напряжения и тока на граничных частотах до уровня

(10)

( - значение на средних частотах) и падению выходной мощности в 2 раза по сравнению с ее значением на средних частотах.

Причиной спада усиления на краях полосы пропускания является влияние реактивных элементов схемы (например, на нижних частотах – разделительных, блокировочных конденсаторов, трансформаторов связи, на верхних – паразитных межэлектродных емкостей, емкостей p-n переходов транзисторов).

АЧХ усилителя постоянного тока имеет вид:

На практике при разработке и исследовании усилителей обычно используют АЧХ в логарифмическом масштабе (ЛАЧХ). Значение частоты откладывают в логарифмическом масштабе (л.м.): в декадах или октавах. Каждая декада соответствует изменению частоты в Гц (кГц и т.д.) в 10 раз, октава - в 2 раза.

Широко используется кусочно-линейная аппроксимация ЛАЧХ, которая упрощает анализ частотной характеристики. На рис.4 аппроксимирующие асимптоты – отрезки прямых а и в.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) показывает зависимость от частоты фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного. Эта зависимость определяется аргументом комплексного коэффициента усиления. (выражение (3)). ФЧХ имеет вид:

- в град. или рад.; - в линейном или логарифмическом масштабе.

Реальная ФЧХ линейна только в области средних частот. В областях нижних и верхних частот она нелинейна из-за дополнительных фазовых сдвигов, вносимых реактивными элементами схемы усилителя. Изображенная реальная ФЧХ является типичной для усилителей с конечным числом реактивных дискретных элементов, которые создают конечные фазовые сдвиги на нулевой и бесконечно-высокой частотах. В интегральных усилителях, где встречаются паразитные емкостные элементы с распределенными параметрами, фазовый сдвиг может неограниченно расти с увеличением частоты.

Переходная характеристика (ПХ) – зависимость мгновенного значения выходного напряжения (тока) от времени при скачкообразном изменении входного напряжения (тока). Этой характеристикой определяется переход усилителя из одного стационарного состояния в др. ПХ особенно важна для усилителя импульсных сигналов.

ПХ обычно строят в относительном масштабе, откладывая по вертикали значение переходной функции . В качестве может быть взято отношение выходного напряжения к его значению после установления фронта импульса, т.е.

(11)

1 – ПХ усилителя постоянного тока;

2 – ПХ усилителя переменного тока.

Форма сигнала на выходе отличается от формы сигнала подаваемого на вход. Возникают так называемые переходные искажения: имеется задержка выходного напряжения на время задержки , уменьшается крутизна фронта импульса, из-за чего появляется время нарастания . Наблюдается неравномерность вершины импульса за время спада . (в усилителях постоянного тока – нет)

Характер переходного процесса в усилителе зависит от наличия реактивных элементов (индуктивностей, емкостей, в том числе паразитных). Препятствуя мгновенному изменению тока (индуктивности) или напряжения (емкости), они препятствуют скачкообразному изменению выходного напряжения.

Амплитудная характеристика.

Амплитудной характеристикой (АХ) называют зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения усилителя от амплитуды гармонического входного напряжения. Изобразим реальную и идеальную АХ усилителя.

Идеальная АХ имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Реальная АХ не выходит из начала, т.к. усилитель всегда имеет некоторый уровень выходного напряжения , обусловленный наличием внутренних помех. Отклонение реальной АХ от идеальной в верхней ее части объясняется наличием нелинейных свойств усилительных элементов (УЭ) (нелинейностью ВАХ УЭ), которые проявляются все более заметно с увеличением амплитуды входного напряжения.

Линейным участком АВ определяется динамический диапазон усилителя (один из параметров или технических показателей усилителя)

(12)

Обычно измеряют в дБ: . (13)

Для усилителей звуковых сигналов обычно . (14)

АХ позволяет оценить коэффициент усиления, динамический диапазон, минимально и максимально допустимые значения входного сигнала, уровень собственных шумов.

Передаточная характеристика.

Передаточной характеристикой называют зависимость выходного напряжения (тока) от входного напряжения (тока). Обычно рассматривают в случае, когда входное сопротивление усилителя >> внутреннего сопротивления источника сигнала (на 2 и более порядка).

Нелинейные участки связаны с нелинейностью ВАХ усилительных элементов.

Если входное сопротивление усилителя невелико (по сравнению с внутренним сопротивлением источника сигнала), то используют зависимость от ЭДС источника сигнала (сквозная характеристика).