4.2. Оценка нелинейности характеристик передачи отечественных пт

Факторы, определяющие нелинейность характеристик передачи ПТ указаны в п. 2.2. Представляет интерес эксперимен­тальное исследование характеристик передачи отечественных ПТ и сопоставление результатов с данными для зарубежных ПТ.

Оценку нелинейности каскада усиления удобно производить, используя динамическую характеристику передачи с помощью обобщенного коэффициента нелинейности , описы­ваемого выражением (2.46). При использовании в усилительном каскаде ПТ, работающего в пределах активной области , выражение для обобщенного коэффициента нелинейности принимает вид:

, (4.38)

где S₁ и S₂ соответственно, максимальная и минимальная крутизна характеристики передачи в пределах размаха входного сигнала; S – крутизна характеристики передачи в рабочей точке.

Значения S, S₁ и S₂ будем находить, используя характеристики передачи ПТ I_C = f(U_ЗИ), полагая, что входной сигнал занимает активную область от U_ЗИ = 0 до U_ЗИ = U₀ для ПТ с p-n переходом и ПТ со встроенным каналом (рисунок 4.3, а) и область обогащения от U₀ до 2U₀ для МДП ПТ с индуцированным каналом (рисунок 4.3, б). Из рисунков 4.3, а и 4.3, б видно, что: , , .

В результате экспериментального исследования получены значения обобщенного коэффициента нелинейности, средние величи­ны и пределы разброса величины которого для ряда типов отечест­венных ПТ приведены в таблице 4.1 Количество исследованных ПТ каждого типа составляло 10 штук.

Анализ данных, приведенных в таблице 4.1, показывает, что исследованные ПТ имеют существенный разброс в величинах обобщенного коэффициента нелинейности. Последнее во многом определяется тем, что нелинейность большинства типов ПТ не является контролируемым параметром у разработчиков приборов.

а)

б)

Рис. 4.3. К оценке нелинейности ПТ

Таблица 4.1. Значения обобщенного коэффициента нелинейности ПТ

№ п/п	Тип транзистора	МИН		МАКС
1	КП101	1,41	1,92	2,12
2	КП102	1,83	2,04	2,34
3	КП103	1,34	1,94	2,50
4	КП301	1,81	1,97	2,13
5	КП302	1,31	1,62	2,42
6	КП303	1,40	1,66	2,18
7	КП305	1,74	2,53	4,30
8	КП306	1,64	1,91	2,51
9	КП350	1,42	1,70	2,64
10	КП902	1,71	2,84	4,37
11	КП903	1,15	1,53	1,84
12	КП307	1,51	1,68	1,75
13	КПС104	1,73	1,85	1,97

В работе [3] для оценки нелинейности характеристики передачи введен коэффициент качества М, определяемый выраже­нием:

. (4.39)

При квадратичной характеристике передачи ПТ коэффициент М равен двум. Такое же значение в этом случае принимает и используемый нами обобщенный коэффициент нелинейности. Однако, вывод, сделанный в [3], о том, что независимо от типа прибора и технологии изготовления, характеристика передачи ПТ близка к квадратичной параболе (1,8 < М < 2,1), в общем случае нельзя распро­странить на отечественные ПТ. Он справедлив лишь в случае ПТ простой конструкции, состоящей из одной элементарной ячей­ки или малого количества ячеек (КП101, КП102, КП103 и т.д.), что хорошо согласуется с данными таблицы 4.1. У ПТ сложной конструк­ции (КП302, КП305, КП903 и т.д.) из-за не идентичности элемен­тарных ячеек может наблюдаться существенное отклонение характеристики передачи ПТ от квадратичной зависимости, поэтому и значение  может резко отличаться от двух, как у отечественных (см. таблицу 4.1), так и у современных зарубежных ПТ.

Как известно, усилительный каскад AM тракта с ПТ, обладающий характеристикой передачи близкой к квадратичной, вносит малые перекрестные искажения. Это позволяет ожидать, что, чем ближе у ПТ коэффициент  к 2, тем меньшие перекрестные искажения он будет создавать. Для разработчиков аппаратуры удобной величиной при оценке перекрестных искажений является величина напряжения помехи на входе, соответствующая 4% перек­рестных искажений. Зависимости напряжения помехи, при котором усилительный каскад на ПТ вносит 4% перекрестных искажений, от напряжения на затворе для ПТ некоторых типов приведены на рисунке 4.4. Очевидно, что наилучшими характеристиками, с точки зрения перекрестных искажений, обладает ПТ простой конструк­ции КПЗ01, имеющий величину , близкую к 2, наихудшими – ПТ сложной конструкции, у которых  значительно отличается от 2, что хорошо согласуется с данными таблицы 4.1.

Коэффициент  характеризует нелинейность ПТ в пределах активной области, указанной на рисунке 4.З, а 4.3, б. В реальных случаях амплитуда помехи может превышать напряжение U_ЗИ, соответствующее установленным границам активной области. Так, например, согласно рисунка 4.4, допустимое превышение напряжения затвор-исток помехой при U_ЗИ = 0 составляет от 0,2В до 0,4В в случае перекрестных искажений, равных 4%. При увели­чении напряжения помехи перекрестные искажения резко возрас­тают. Это объясняется отсечкой сигнала, обусловленной возник­новением прямых токов затвора у ПТ с p-n-переходом (прямых токов подложки у МДП-транзисторов со встроенный каналом) и отсечкой сигнала, вызванной переходом МДЦ транзистора с индуцированным каналом (КП301) в область запирания.

У ПТ с p-n-переходом и у МДП-транзисторов со встроенным каналом, имеющих характеристики передачи близкие к квадратич­ной параболе и работающие вблизи запирания, также наблюдает­ся увеличение перекрестных искажений. Это происходит потому, что в некоторые моменты времени напряжение на входе ПТ превы­шает напряжение запирания. Полученные результаты подтверждают результаты теоретического исследования, изложенные в п. 4.1.

При одинаковых показателях нелинейности в усилительных каскадах, с точки зрения нелинейных искажений, целесообразно использовать ПТ, имеющие большие напряжения отсечки, что очевидно на рисунке 4.4 (см. кривые 5 и 6).

В ряде случаев при выборе ПТ удобно руководствоваться заимствованным из ламповой техники критерием чувствительности , характеризующим изменение коэффициента передачи каска­да в пределах размаха входного сигнала:

, (4.40)

где приняты обозначения, введенные на рисунке 2.27.

Проведем сравнение отечественных ПТ с точки зрения чувствительности, представив коэффициент  в виде:

, (4.41)

где приняты обозначения, соответствующие рисунку 4.3, а и 4.3, б.

Значения коэффициента  для некоторых типов отечественных ПТ приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2. Значения коэффициента чувствительности ПТ

№ п/п	Тип	S1, мА/В	S2, мА/В	U0, В	
1	КП101В	1	0,1	2	10
2	КП101Д	1,25	0,08	3,6	6,7
3	КП103Е	1,1	0,09	0,5	43
4	КП103М	3,4	0,08	3,6	9,5
5	КП302А	8	0,07	2	20,6
6	КП302В	16	0,08	3	15,4
7	КП303Г	5,0	0,1	2,6	13,1
8	КП303А	4,7	0,125	1,2	26,3

Анализируя данные таблицы 4.2, нетрудно заметить, что для всех типов ПТ чувствительность максимальна в группе с минималь­ным напряжением отсечки. Максимальную чувствительность имеют транзисторы с большими значениями S₁. В регулируемых усилителях приходится выбирать ПТ из компромиссных условий: с точ­ки зрения обеспечения максимальной крутизны регулировочной характеристики ПТ должен иметь максимальный , с точки зре­ния нелинейных искажений – минимальный.