4.1.4. Физическая модель полевого транзистора

Упрощенная динамическая модель ПТ для малого сигнала, имеющая одинаковый – вид как для МОП-транзистора, так и для транзистора с управляющим р-n -переходом, приведена на рис.4.5. На этой схеме усилительные свойства транзистора моделируются генератором тока i = Su_ЗИ, где S = di_с/du_3И|u_CИ = = const - крутизна статической сток - затворной характеристики (имеет значения от 0,5 до нескольких десят­ков миллиампер на вольт). R_i = du_CИ/di_c|u_3И = const - внутреннее (диф­ференциальное) сопротивление (составляет величину от нескольких десятков до сотен килоОм).

Ч астотные (инерционные) свойства ПТ моделируются емкостями С_зи, С_зс и С_си. Здесь С_зи - барьерная емкость управляющего р - n - перехода, С_зс - распределенная вдоль канала барьерная емкость (про­ходная емкость). Через эту емкость часть сигнала с цепи стока по­падает в цепь затвора, т.е. возникает внутренняя обратная связь (ОС). Для транзисторов с управляющим p-n-переходом С_3C ≈ С_3И/2. Ос­новной составляющей емкости С_СИ является емкость между стоком и подложкой (подложка, как правило, соединена с истоком).

Для малого переменного сигнала (а именно эти модели рассматри­ваются курсе) широко используется формальная модель полевого тран­зистора (рис.4.2), где

З десь C₁₁ = C_3И + C_3С – входная статическая емкость; C₁₂ = С_зс -проходная емкость; С₂₂ = С_зс + С_си – выходная статическая емкость; g₂₁ = S; g₂₂ = l/R_i. Параметры S и r_i являются низкочастотными пара­метрами полевого транзистора, а емкости С_ЗС, С_ЗИ и С_СИ – высоко­частотными. Чем высокочастотный транзистор, тем меньше значения барьерных емкостей.

Пример 4.3

У МОП-транзистора КП301, предназначенного для работы в высоко­частотных устройствах, С₁₁ = 3,5 пФ, C₁₂ = l пФ и С₂₂ = 3,5 пФ, а у транзистора с управляющим р-n-переходом КП102, который применяется во входных каскадах усилителей низкой частоты, С₁₁ = 10 пФ, C₁₂ = 5 пФ и C₂₂ ≈ 5 пФ.

Низкочастотные параметры ПТ (S, R_i) можно определить непосред­ственно по его статическим характеристикам через отношения прира­щений соответствующих токов и напряжений.

4.2. Операционный усилитель как активный элемент

4.2.1. Общие сведения

ОУ - это универсальное усилительное устройство, первоначально предназначавшееся для выполнения различных операций над аналоговы­ми величинами в схемах с отрицательными обратными связями (ООС). В начале 60-х годов ОУ стали выпускаться в виде отдельных ИС и к настоящему времени они- получили очень широкое распространение. Причем ОУ используются не столько для выполнения математических операций (аналоговые вычислительные машины сейчас практически не выпускаются), сколько для усиления, преобразования и формирования сигналов, но старое название за ними сохранилось.

В настоящее время ОУ - это УПТ с полосой пропускания несколько МГц, с большим коэффициентом усиления, с высоким входным и малым выходным сопротивлениями, с низким уровнем шума и с хорошей темпе­ратурной стабильностью, способный устойчиво работать при замкнутой цепи ОС.

По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличается от от­дельно взятого транзистора. Реализация различных устройств с при­менением ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах, при этом получается выигрыш в габаритных размерах и массе. Благодаря своим многосторонним характеристикам ОУ вытесняет устройства на дискретных транзисторах и становится базовым (унифицированным) уз­лом в аналоговой схемотехнике. Помимо выводов, показанных на рис.4.6, ОУ снабжается выводами для подачи питающих напряжений и, если это необходимо, выводами для частотной коррекции, установки нуля сдвига или регулировки тока питания и т.п.

На входы ОУ поступают два напряжения u⁺ и u^– (рис.4.6). Типичным свойством ОУ является его чувствительность к разности этих напряжений и независимость (в идеа­ле) выходного напряжения ОУ от абсолют­ных значений входных напряжений (u⁺ и u^–). Из этого свойства ОУ вытекает два понятия: дифференциальное (и_д) и синфазное (u_сф) входные напряжения.

Дифференциальное входное напряжение - это разность

u_д = u^– – u⁺. (4.14)

Синфазное входное напряжение определяют как полусумму этих напряжений

u_СФ = (u^– + u⁺ )/2. (4.15)

Если учесть, что u_д + u⁺ = u^– и u_д u_д << u⁺ (так как коэффициент усиле­ния ОУ значительно больше единицы), то из (4.16) следует, что u_сф ≈ u⁺- Таким образом, впредь синфазное входное напряжение будет отождествляться с неинверсным входным напряжением и⁺. Такое опре­деление u_сф оправдано также тем, что при введении ОС неинвертирую­щий вход, как правило, заземляется, а входной сигнал и сигнал ОС связи подаются на инвертирующий вход.

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Однако ОУ специально создан для использования в схемах с глубокой ООС, так, чтобы параметры всего устройства определялись в основном парамет­рами цепи ОС, а ОУ был бы функционально незаметен. Такой ОУ по своим свойствам должен приближаться к идеальному. Идеальный ОУ должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно широкой полосе пропускания, бесконечное входное и нулевое выходное сопротивления. Кроме moгo, усилитель не должен иметь статических ошибок, изменяющихся от температуры и времени. Реальные ОУ облада­ют параметрами, близкими к параметрам идеального ОУ. Знание этих параметров позволяет выяснить ценность конкретного ОУ, произвести грамотно и быстро выбор нужного ОУ, проектировать устройства прак­тически без макетирования.

Параметры ОУ можно разделить на несколько групп: входные и вы­ходные, энергетические, усилительные и т.д. Наиболее часто пара­метры ОУ подразделяются на параметры на постоянном и переменном токе или на статические и динамические параметры.