книги из ГПНТБ / Александров В.С. Электронные гальванометры постоянного тока
.pdfтора от 0,1 до 3 В коэффициент шума практически остается постоян ным для всех схем включения транзистора.
При |
оптимальном сопротивлении источника сигнала (около |
|
10 кОм) |
коэффициент шума на частоте 1000 Гц |
имеет значение |
3 - 7 дБ. |
|
|
|
2-4. Усилители с полевыми |
транзисторами |
Полевой транзистор, как и электронная лампа, может исполь зоваться как для усиления напряжения, так и для усиления тока. Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим истоком (рис. 2-14) определяется формулой
|
К и------ |
5дКс; 5Д — |
R J R i |
|
|
|
|
|
|
1 + |
|
|
|
где 5Д = |
діс/ди3 — динамическая крутизна |
транзистора; R t — |
||||
внутреннее сопротивление |
транзистора; |
R c — сопротивление |
на |
|||
грузки в цепи стока. |
|
|
|
|
R H, |
|
Если |
последовательно |
с |
истоком включено |
сопротивление |
то динамическая крутизна транзистора определяется выражением
_________S_________ |
|
|
Sд |
+ ( S R i + l ) - ^ - |
(2-19) |
l + ^ |
||
Hi |
Нс |
|
Очевидно, что включение сопротивления R H уменьшает динамиче скую крутизну.и коэффициент усиления каскада и увеличивает их стабильность. При S R a > 1 и S R ( > 1 получаем, что К и = — R J R n, т. е. коэффициент усиления по напряжению не зависит от парамет ров транзистора.
Если полевой транзистор используется для усиления тока, то коэффициент усиления по току можно определить по формуле
К = К |
gc ~ |
1 |
“ Явх £вх ’ |
где gBX— дифференциальная |
входная проводимость транзистора; |
gc = 1/Rc. Таким образом, коэффициент усиления по току опреде ляется проводимостью утечки затвора и увеличивается при умень шении последней.
В связи с этим очень важным параметром полевого транзистора является ток утечки затвора. Направление и величина тока утечки затвора зависят от напряжений на электродах транзистора и ка чества его изоляции.
Снижение тока утечки затвора осуществляется выбором со ответствующих напряжений на электродах транзистора, совершенст вованием изоляции затвора и применением охранных электродов. Для очистки полевого транзистора от загрязнений можно применить фреон с последующей осушкой теплым воздухом. Экспериментально установлено, что такая очистка позволяет снизить токи утечки по
70
корпусу транзистора с 10 12 А до 10 16 А. После очистки транзи стор монтируется в защищенном корпусе с минимальными токами утечки (< Ч 0-16 А).
Ток утечки затвора при постоянных напряжениях на затворе и истоке зависит от напряжения на стоке. При изменении напряжения на стоке ток утечки затвора меняет знак, проходя через нулевое значение. Таким образом, для снижения тока утечки затвора не обходимо применить защитный электрод у затвора и выбрать опре деленный потенциал стока.
Эквивалентная схема дифференциального каскада на полевом транзисторе с изолированным затвором (ПТИЗ) со следящими по-
Рнс. 2-14. Схема |
Рис. 2-15. Дифференциальный уси- |
усилителя с общим |
литель с полевым транзистором |
истоком |
|
тенциалами на охранном электроде затвора и стоке приведена на рис. 2-15. Для этой схемы ток утечки затвора / з1 транзистора Т1 можно выразить через напряжения между затвором и стоком и3. с1 и затвором и истоком и3, н1:
-^зі = ^yl ~"Ь -^у2»
где / у1 = gyl из и1 + gyl и3 с1 — ток утечки через объем и поверх
ность герметизирующего материала, через который проходят вы воды прибора; / у2 = gy2 из н! + g y2' из сІ — ток утечки через объем
и поверхность диэлектрика затвора полупроводникового типа, на котором формируется прибор; gyl и ду1 — проводимости утечки
через объем и поверхность герметизирующего материала соответст венно на исток и сток транзистора; gy2 и g-y2 —• проводимости
утечки через объем и поверхность диэлектрика затвора соответст венно на исток и сток транзистора.
Абсолютные значения gyl и gyl определяются степенью загряз
нения герметизирующего материала и, следовательно, зависят от таких факторов, как влажность среды, например, тогда как их относительные величины являются функцией расстояния между
71
выводами. Значения gy2 и g 2 можно считать постоянными для чи
стых герметичных приборов, находящихся в условиях постоянного смещения при работе в схеме.
Для того чтобы ток утечки затвора был равен нулю, необходимо раздельное выполнение условий 1) / у1 = 0 и 2) / у2 = 0. Чтобы выполнить условие 1, достаточно затвор снабдить охранным элек тродом, потенциал которого поддерживается равным потенциалу затвора. Для выполнения условия 2 необходимо выбрать такое на пряжение на стоке (при заданных потенциалах затвора и истока), чтобы удовлетворялось уравнение
§ у 2 и з. H1 + SV2W3. сі — 0-
Это условие может быть выполнено, если токи с истока и со стока на затвор равны по величине и противоположны по направ
лению. Для этого необходимо выбрать определенное напряжение на стоке.
. Автоматическое поддержание необходимого напряжения на стоке осуществляется при помощи операционного усилителя К 2 и дели теля R1—R2. При этом для схемы рис. 2-15 оказываются справед
ливыми условия |
|
и31 = и 31 > |
(2-20) |
^ 2и з. нХ + -^1Мз. с і = 0- |
(2- 21) |
Так как затвор транзистора Т2 соединен с охранным электродом, |
|
то выполнение равенства (2-20) эквивалентно тому, |
что / у1 = 0. |
Изменяя сопротивление R 2 , можно выбрать напряжение на стоке таким образом, чтобы выполнялось условие 2. При этом, так как из с1 в соответствии с уравнением (2-21) не зависит от напряжения
w3 i> то условие 2 выполняется при любом напряжении на затворе транзистора Т1.
Практически выбор необходимого напряжения на стоке осущест вляется изменением сопротивления R2 так, чтобы выходное напря жение на затворе транзистора Т2 , измеряемое вольтметром постоян ного тока, оставалось неизменным, когда затвор Т1 размыкается и замыкается на землю. Все эти мероприятия позволяют снизить ток утечки затвора для качественных транзисторов до значения ІО-16 А.
Основные характеристики отечественных полевых транзисторов с изолированным затвором приведены в табл. 2-3. Полевой тран зистор типа КП305 получается методом диффузии на кристалле размером 0,25 мм2. Исток и сток выполнены в виде алюминиевых контактов. Область между истоком и стоком покрыта тонким двух слойным диэлектриком из окиси и нитрида кремния, на котором находится алюминиевый контакт затвора.
Менаду областями стока и истока при нулевом напряжении на затворе имеется проводящий канал п-типа. При подаче на затвор положительного напряжения происходит обогащение канала' элек-
72
Таблица 2-3
Основные параметры полевых транзисторов с изолированным затвором
|
|
Тип транзистора |
|
Параметр |
КП301Б |
КП304А |
КП305Б |
(с индуци |
(с индуцн- |
(со встроен |
|
|
рованным |
рованным |
ным |
|
каналом |
каналом |
каналом |
|
р-тнпа) |
р-тппа) |
д-типа) |
К.П306 (со встроен
ным
каналом и двумя затворами)
Максимальное напряжение сток — |
20 |
25 |
25 |
20 |
|||||
исток, |
В |
................................................ |
|
напряжение за- |
|||||
Максимальное |
30 |
30 |
50 |
40 |
|||||
тнор — исток, |
В ................................. |
|
|||||||
Максимальный ток стока, мА . . . |
30 |
15 |
40 |
20 |
|||||
Максимальная |
рассеиваемая мощ- |
|
150 |
200 |
150 |
||||
ность, |
м В т ............................................ |
окружающей |
200 |
||||||
Температура |
среды, |
‘10 |
+ 125-:— 60 |
+ 1504— 65 |
+ 1254— 60 |
||||
° С ........................................................... |
|
|
|
|
+85 |
||||
Пороговое напряжение (напряже |
|
|
|
|
|||||
ние |
отсечки) |
при токе |
стока |
6,5 |
3—5 |
1 .5-5 |
3—б |
||
10 мкА, |
В ............................................ |
|
|
мСм |
|||||
Крутизна |
характеристики, |
1 |
<1-8 |
2,5—10 |
3—8 |
||||
Ток затвора, |
нА ................................. |
мСм . |
0,3 |
20 |
1 |
1 —10 |
|||
Внутренняя |
проводимость, |
|
1 |
0,1 |
0,1 |
тронами из подложки, что приводит к увеличению тока стока. При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит обедне ние канала, что приводит к уменьшению тока стока и дальнейшему запиранию транзистора.
В отличие от транзистора КП305 полевой транзистор типа КП304А имеет индуцированный канал р-типа. При нулевом напря жении на затворе ток в канале практически отсутствует. Отпирание транзистора происходит при подаче на затвор отрицательного на пряжения, превышающего пороговое напряжение (примерно
3—5 В).
Дрейф нулевого уровня в усилителях с полевыми транзисторами определяется нестабильностью тока стока. В некоторых типах
ПТИЗ ток стока уменьшается |
при возрастании температуры, а |
в других — увеличивается. Ряд |
транзисторов имеет нулевой тем |
пературный коэффициент при определенном напряжении на затворе. На участке насыщения ток стока ПТИЗ определяется формулой
Ä = (и3- и 0Г = I , и (і - > (2-22)
где ß — удельная крутизна транзистора—параметр, зависящий от
геометрии |
транзистора |
и подвижности носителей тока в канале; |
/ с. „ — — ßHo/2 — ток |
стока насыщения при нулевом смещении |
|
на затворе |
и3 = 0. |
|
Крутизна транзистора на участке насыщения определяется вы |
||
ражением |
|
|
S = ^ |
= - ß (“з - и о) = So (1 - |
тН , |
(2-23) |
ди3 |
\ |
Uо / |
|
73
где S0 |
ߣ/0 |
2I c, n/U0 |
крутизна |
транзистора при нуле |
|
вом смещении на затворе. |
|
|
|
||
Из |
выражений |
(2-22) и (2-23) следует, |
что |
|
|
|
|
І'с — Л:, н + |
5 0« 3 ( 1 |
|
(2-24) |
|
|
|
2U, |
|
Второй член в круглых скобках формулы (2-24) определяет по грешность нелинейности, обусловленную квадратичной зависи мостью тока стока от напряжения на затворе. При малых входных сигналах и3 « 2U0 и /с ^ / СІІ -|. S 0u3.
Для дифференциальных усилителей
г"с2 = / с . и *^0и з ( 1 Ф
2U0
|
|
|
поэтому разностный выходной сигнал не |
|||||||||
|
|
|
зависит |
от |
погрешности |
нелинейности |
||||||
|
|
|
|
‘*выхX ( f C l |
^Сй) R n |
---- |
|
|
|
|||
|
|
|
Температурный |
коэффициент |
тока |
|||||||
|
|
|
стока |
ПТИЗ |
в соответствии |
с выраже |
||||||
Рис. 2-16. Зависимость тем |
нием |
(2-24) равен |
|
|
|
|
|
|||||
пературного |
коэффициента |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тока стока от |
напряжения |
T K, c =z- 7 |
- |
= |
І’ц— Ѵо — — |
, |
(2.25) |
|||||
|
на затворе |
|||||||||||
|
|
|
‘с |
dT |
|
|
|
ц3 — u Q |
|
|||
|
1 |
dß |
|
„ |
коэффициент |
удельной |
кру |
|||||
Ae T|i = -p-— — температурным |
||||||||||||
тизны |
транзистора; y0 = - j - - ^ r — температурный |
коэффициент |
||||||||||
|
|
|
и о dj |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
порогового напряжения транзистора. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Из формулы (2-25) видно, что температурный коэффициент тока |
||||||||||||
стока будет равен нулю, |
если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
То==Ч Й ' - 1 |
)- |
|
|
|
|
|
(2-26) |
||
При |
постоянных для |
каждого |
типа |
транзистора |
значениях у0 |
и уg можно выбрать такое смещение на затворе и3, при котором дрейф тока стока будет отсутствовать. Типичная зависимость тем пературного коэффициента тока стока от напряжения на затворе приведена на рис. 2-16.
Так же, как и в электронных лампах, в полевых транзисторах имеется три вида шума: тепловой шум сопротивления канала и па разитных сопротивлений стока и истока; дробовые шумы тока утечки затвора и тока стока; генерационно-рекомбинационный шум на поверхности раздела полупроводник-диэлектрик. На низких
74
Затвор |
Сток |
|
ги |
Ч |
|
|
’ Исток |
Рис. 2-17. Зависимость шума |
Рис. 2-18. Эквивалентная схема по- |
|
полевого транзистора от ча- |
левого транзистора с источниками |
|
стоты |
|
шума |
а) |
5) |
|
Рис. 2-19. Зависимости эквивалентного шумового со противления полевого транзистора от режима работы (а, б) и полного шумового сопротивления от темпе ратуры (в)
75
частотах генерационно-рекомбинационный шум со спектральной плотностью вида 1// является доминирующим. На рис. 2-17 пока
зана зависимость от частоты генерационно-рекомбинационного шума ПТИЗ.
Так как ток утечки затвора очень мал (до ІО-10 А), то состав ляющая дробовых шумов, зависящая от тока утечки, может быть весьма незначительна. Малосигнальная эквивалентная схема ПТИЗ
с эквивалентными источниками шума г3, ш и гСі ш во входной и вы ходной цепях соответственно приведена на рис. 2-18. Тепловой шум представлен источником іт.
Коэффициент шума полевого транзистора можно определять также по формуле (2-17). Следует, однако, иметь в виду, что экви
валентное шумовое сопротивление Дэк существенно зависит от ре жима работы транзистора. На рис. 2-19, а показаны зависимости эквивалентного шумового сопротивления от режима. В достаточно широких пределах изменения напряжения £/с. н йа стоке шумовое сопротивление остается постоянным и лишь при значительных ве личинах напряжения начинается лавинообразное нарастание шу мового сопротивления (рис. 2-19, а).
Зависимость шумового сопротивления от тока стока / с имеет явно выраженный минимум (рис. 2-19, б). Зависимость от тока бо лее сильно выражена на низких частотах. Для получения мини мальных шумов ток стока нужно выбирать в пределах 0,1—1 мА. Шумовое сопротивление зависит также от температуры транзистора. С понижением температуры шумовое сопротивление уменьшается. Имеются сведения о понижении шумового сопротивления полевых транзисторов, работающих при криогенных температурах [28]. Зависимость шумового сопротивления Дш от температуры в диапа зоне от —120° С до +160° С приведена на рис. 2-19, в.
2-5. Усилители с преобразователями на полевых транзисторах
В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы имеют весьма малые остаточный ток и напряжение смещения, хо рошую изоляцию и малые емкости между управляющим электро дом и проводящим каналом. При симметричном расположении за твора относительно стока и истока для транзисторов обычной тех нологии емкости затвор—сток С3. с и затвор—исток С3. н равны между собой и значительно меньше емкости коллектор—база низ кочастотных биполярных транзисторов (Сз с = С3. „ = 1 пФ). Еще меньше эти емкости для транзисторов с ионным легированием канала или с кремниевым затвором.
Для модуляции малых постоянных токов можно использовать параллельный преобразователь на полевом транзисторе. Преобра зователи на полевых транзисторах стали применять сравнительно недавно. Первые сведения о таких преобразователях были опубли кованы в 1967 г. [39].
76
Основным препятствием для применения полевых транзисторов в преобразователях малых постоянных токов является помеха, образующаяся за счет прохождения на выход преобразователя напряжения возбуждения через емкости С3. с и С3. „. Величина по мехи зависит от сопротив лений открытого г0 и закры- а)
того г3 транзистора и сопро тивлений гс и г„ пассивных
частей |
канала в |
областях |
|
|
|
|
стока |
и истока, |
т. |
е. тех |
|
|
|
частей канала, на которые |
|
|
|
|||
не распространяется |
влия |
|
|
|
||
ние затвора. |
|
5) |
(К |
fl* |
ф К |
|
|
|
|
ф/х |
Исток Затвор Сток
і
Сэ.и Сз.с
Рис. |
2-20. Эквива |
Рис. 2-21. Схема усилителя с пре |
|
лентная схема |
поле |
образователем на полевом транзи |
|
вого |
транзистора |
сторе (а) и его эквивалентные схемы |
|
в ключевом |
режиме |
(б, в) |
Эквивалентная схема транзистора в ключевом режиме приве дена на рис. 2-20. Выключатель К на эквивалентной схеме транзи стора соответствует каналу и управляется напряжением на емко стях С3. с и С3 „. Лучше всего использовать в преобразователях полевые транзисторы с изолированным затвором. Применение по левых транзисторов с р—«-переходом ограничено сравнительно большой емкостью затвор—канал и малым сопротивлением канала закрытого транзистора. Среди ПТИЗ предпочтение следует от дать приборам с индуцированным каналом, так как пороговое на пряжение в них может быть сделано достаточно малым, а напря жение управления однополярным. В то же время ПТИЗ со встро енным каналом для получения высокого коэффициента передачи требуют двухполярного управления.
Для надежного отпирания ПТИЗ с индуцированным каналом требуется подавать на затвор напряжение на 3—5 В больше поро гового напряжения. При этом сопротивление открытого канала
77
составляет величину 30—500 Ом в зависимости от.типа транзи стора.
На рис. 2-21, а приведена схема параллельного преобразователя с ПТИЗ. Для нормальной работы преобразователя необходимо, чтобы размах управляющего напряжения 0 у был бы больше поро гового напряжения U0.
Полный цикл Т работы преобразователя можно разбить на че тыре участка. На первом участке от момента подачи на затвор им пульса напряжения и до момента запирания транзистора і3 сопро
тивление канала равно г0. В |
момент |
запирания транзистора |
(3 |
сопротивление канала возрастает до величины г3 = ІО8—1012 |
Ом |
||
(что соответствует размыканию |
ключа |
на эквивалентной схеме). |
В таком состоянии канал остается до половины цикла 772, когда управляющее напряжение на затворе становится равным нулю. При этом можно считать, что емкости С3. с и С3. „ за время первого полуцикла управляющего напряжения заряжаются до полного размаха управляющего напряжения Uy.
Во втором полуцикле управляющего напряжения Uy = 0, и транзистор до момента времени t0 находится в закрытом состоянии, так как напряжение на емкостях С3. с и С3, н превышают пороговое напряжение. Момент отпирания транзистора определяется из ус ловия снижения напряжений на этих емкостях до напряжения от сечки.
Четвертый участок начинается с момента отпирания транзистора и продолжается до возвращения его к исходному состоянию. В конце цикла управляющего напряжения емкости С3. с и С3, и разряжаются до нуля.
Рассмотрим чувствительность преобразователя к измеряемому сигналу. Эквивалентная схема для расчета чувствительности по казана на рис. 2-21, б.
Проводимость канала Ут транзистора зависит от состояния ПТИЗ и рабочей частоты. Для сравнительно низкой частоты моду ляции (со 1/tjJ проводимость канала Ут_0 открытого транзистора (при замкнутом ключе К на рис. 2-21, е) во много раз превышает
проводимость |
Ут,з |
закрытого |
транзистора |
(при |
разомкнутом |
||
ключе К). |
|
|
|
|
|
|
|
Выходное напряжение преобразователя |
|
|
|||||
Ui (Р) = Іх (Р) |
__________________У-Г. О ---- У т . 3_________________ |
(2-27) |
|||||
|
|
|
0Ч + У* + УТ. о) ОД + У И -У г. з) |
||||
Принимая во внимание большую проводимость канала открытого |
|||||||
ПТИЗ (Ут.о>> |
Ут з), |
из |
(2-27) получим |
|
|
||
|
Ui (р) » |
1Х (р) |
1 |
_ |
Іх |
(2-28) |
|
|
У* + |
Ут.з |
Уі ' |
||||
|
|
|
Уі + |
|
78
Таким образом, в соответствии с (2-28) значение выходного на пряжения преобразователя в течение одного периода управляющего напряжения имеет вид
■ 0 |
0 < * < 7 7 2 ; |
(2-29)
T / 2 < t < T .
Если для усиления выходного напряжения преобразователя используется селективный усилитель, пропускающий только пер вую гармонику выходного напряжения, то действующее значение напряжения на выходе усилителя после разложения (2-29) в ряд Фурье будет определяться формулой
<w*VlngiКи V Л і+ ß i
где А х = |
ШТі |
(1 + е ~ яЧ0Т|); |
В1 = 2------ ( |
і |
юх' ) — |
|
1 + |
Ш2Т 2 |
|
|
1 + |
Cü2t f |
|
коэффициенты ряда |
Фурье. |
|
|
|
сот1<^ 1, вы |
|
На сравнительно низкой частоте модуляции, при |
||||||
ходное напряжение |
|
|
|
|
|
|
|
|
и й |
г |
У 2 к <‘ |
|
(2-30) |
|
|
|
х |
л#і |
|
|
Таким образом, чувствительность преобразователя к измеряе мому сигналу не зависит от частоты при условии сот-^ 1. На более высоких частотах' чувствительность к измеряемому сигналу умень шается, и при сот1 )§> 1 выходное напряжение
и й = ІХV 2 Ки
ясоСу
Однако с ростом частоты модуляции сильно увеличиваются помехи на выходе преобразователя от источника управляющего напряжения. Эквивалентная схема преобразователя для расчета помехи показана на рис. 2-21, в. Уравнения узловых потенциалов для этой схемы имеют вид:
Фі (р) (^u-+ p Q —ф2 (р) gi2 — и у (р) gix’> ) |
(2_31) |
|
— Фі (Р) gt1 + |
ф2 (Р) (ga2 + pC)=Uy (р) g„, I |
|
где git = (gl+gjr?gc + g 0 |
и g 22 = g„ + g0 — проводимости |
узлов |
gl + g* + £c
схемы, g0 — проводимость открытого канала (g12 = g 21 = g0); g„ — проводимость цепи истока; gc — проводимость цепи стока.
79