5.3. Предельные электрические параметры

Предельные электрические параметры полевых транзисторов такие же, как и у биполярных транзисторов. Среди них, однако, отсутствует такой параметр, как напряжение вторичного пробоя (или пробоя второго рода). Это дает некоторые преимущества мощным полевым транзисторам по сравнению с мощными биполярными транзисторами. У МОП-транзисторов следует обращать особое внимание на предельно допустимое напряжение на затворе транзистора, лежащее в пределах 50-100 В. При превышении этого напряжения может произойти пробой оксидного слоя затвора, и транзистор будет необратимо поврежден. Такие перенапряжения легко могут возникнуть вследствие высокого входного сопротивления и малой входной емкости транзистора, составляющей несколько пикофарад. Особенно опасны статические заряды, которые могут привести к пробою транзистора даже при касании его рукой. Поэтому при пайке МОП-транзисторов следует заземлять паяльник, прибор и самого монтажника.

Для защиты МОП-транзисторов между затвором и подложкой иногда включают стабилитроны. При этом значительно уменьшается входное сопротивление, которое становится соизмеримым со входным сопротивлением полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом.

5.4. Основные схемы включения

По аналогии с биполярными транзисторами в зависимости от того, какой электрод подключается к точке постоянного потенциала, различают три схемы включения. истоковое, стоковое и затворное.

5.4.1. Схема с общим истоком

Схема с общим истоком (рис. 5.6) соответствует схеме с общим эмиттером для биполярного транзистора.

Рис 5.6 Схема с общим истоком

Различие состоит в том, что диод канал-затвор включен в запирающем направлении. Входной ток при этом практически равен нулю, а входное сопротивление очень велико.

Для анализа схемы можно вернуться к результатам, полученным в предыдущих главах для биполярных транзисторов. Сравнение характеристик транзисторов и параметров малых сигналов дает следующую таблицу соответствия:

Таким образом, из формул (4.6) и (4.7) можно непосредственно получить основные уравнения полевого транзистора

Из выражения (4.8) с учетом таблицы соответствия (5.6) можно вывести уравнение для коэффициента усиления схемы с общим истоком

Отсюда следует, что при R_D>>r_DS максимальная величина коэффициента усиления составляет

Коэффициент усиления практически не зависит от тока стока в диапазоне 0,lI_DS<I_D<I_DS и для n-канальных полевых транзисторов составляет от 100 до 300. Для р-канальных полевых транзисторов эта величина приблизительно вдвое меньше. Максимальный коэффициент усиления полевых транзисторов составляет, таким образом, примерно десятую часть максимального коэффициента усиления биполярных транзисторов

Чрезвычайно интересно сравнить коэффициенты нелинейных искажений для схемы с общим истоком и для схемы с общим эмиттером Для этого необходимо решить уравнение передаточной функции транзистора для большого входного сигнала При синусоидальном изменении входного сигнала относительно рабочей точки

из выражения (5.1) можно получить выражение для тока стока

При этом выражение для коэффициента нелинейных искажений будет иметь вид

Как и у биполярных транзисторов, этот коэффициент также пропорционален амплитуде входного сигнала, однако он зависит от положения рабочей точки. Он обратно пропорционален величине (I_DA)^1/2. Если для полевого транзистора при Up =- 3 В и I_DS = 10 мА выбрать рабочую точку, соответствующую току стока I_DA == 3 мА, то величина коэффициента нелинейных искажений составит

Чтобы этот коэффициент был меньше 1%, величина амплитуды входного сигнала U_e не должна превышать 66 мВ. При коэффициенте усиления каскада по напряжению, равном 20, амплитуда выходного сигнала составляет около 1,3 В Эта величина существенно больше, чем достигаемая для биполярных транзисторов при аналогичной схеме включения.

Шумовые характеристики полевых и биполярных транзисторов существенно различаются. Шумовой ток полевых транзисторов значительно меньше, чем у биполярных, тогда как напряжения шума, особенно для транзисторов с управляющим р-n-переходом, имеют один и тот же порядок величины Как следует из схемы замещения, представленной на рис 4.37, при высокоомном источнике входного сигнала полевые транзисторы имеют значительно меньшие шумы, а при низкоомном шумовые характеристики полевых и биполярных транзисторов примерно одинаковы.

У МОП-транзисторов фактор шума l/f. начинает сказываться уже на частотах порядка 100 кГц. Таким образом, МОП-транзисторы в низкочастотной области «шумят» значительно сильнее, чем полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом, поэтому их целесообразно использовать только в высокочастотных малошумящих устройствах. Установка рабочей точки транзистора

В схемах на биполярных транзисторах отрицательная обратная связь по постоянному току является удобным средством установки рабочей точки транзистора. Этот способ может успешно применяться для схем на полевых транзисторах. Для нормально открытых полевых транзисторов существует даже возможность подключения затвора к шине нулевого потенциала, как показано, например, на рис 5.7.

Рис. 5.7. Установка рабочей точки

Для расчета параметров схемы следует задать ток стока транзистора. Из передаточной характеристики, изображенной на рис. 5.2, определяется соответствующее этому току значение напряжения U_GS. В зависимости от выбранной величины тока стока оно может принимать значения от нуля до Up. Поэтому здесь нельзя выбрать, как это делалось для биполярного транзистора, приблизительно постоянное значение этой величины. Для вычисления U_GS воспользуемся выражением (5.1)

Из этого выражения можно определить сопротивление в цепи истока

В качестве примера зададим следующие параметры полевого транзистора I_DS = 10 мА, Up = - 3 В и выберем величину I_D=3 мА При этом

Cопротивление в цепи истока Rs составит 1,36 В/3 мА = 452 Ом

Значение потенциала стока V_DA при отсутствии сигнала выбирается таким, чтобы величина U_DS даже при предельном значении V_Dмакс не превышала U_k. Тем самым предотвращается появление искажений, которые могут возникнуть при заходе рабочей точки в область начального участка характеристики. Потенциал стока при отсутствии сигнала выбирается, таким образом, из условия

При размахе выходного напряжения ± 2 В и допуске 2 В для потенциала стока V_DA при отсутствии сигнала получим значение 7 В Задав напряжение V⁺ = 15 В, найдем величину сопротивления нагрузки

Крутизна характеристики транзистора в рабочей точке, согласно (5.2), составит

Величина коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот равна

Если, как и в числовом примере в разд 4.2 5, потребовать, чтобы величина нижней граничной частоты усилителя составляла приблизительно 20 Гц, и задать для каждого из трех фильтров нижних частот, образуемых в схеме замещения используемыми емкостями С_E, С_A и С_S, нижнюю граничную частоту равной 11,5 Гц, то в соответствии с уравнением (4.23) получим

Выбор величины Rg может быть в значительной мере произвольным. Верхняя граница Rg определяется тем, что падение напряжения на этом сопротивлении, обусловленное током утечки затвора, должно быть мало по сравнению с | U_GS |. При этом максимальная величина Rg составит несколько мегом.