Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Сборник задач и примеры их решения. Учебно-методическое пособие
.pdf
В каждом из указанных типов полевых транзисторов с изолированным затвором также есть транзисторы с n-каналом или р-каналом.
Условное обозначение полевых транзисторов с изолированным затвором представлено на рис. 4.6
Рис. 4.6. Условное обозначение полевых транзисторов с изолированным
затвором
Принцип работы таких транзисторов состоит в том, что при напряжениях, превышающих пороговое U
, в приповерхностном слое полу-
пор
проводника под затвором, отделенным от полупроводника слоем диэлектрика (SiO
), либо возникает слой с типом проводимости, противо-
2
положным подложке (П) и совпадающим с типом проводимости для областей стока (С) и истока (И) в результате чего возникает канал для
прохождения тока между стоком и истоком, который отсутствовал при
U
<U
зи
(МДП с индуцированным каналом), либо изменяется шири-
пор
на канала (МДП со встроенным каналом).
Характер основных закономерностей, связывающих токи и напряжения в цепях МОП-транзистора, остается примерно таким же, как и
для транзистора с управляющим p-n-переходом
()IkU U.
сзипор
2
Однако следует иметь ввиду, что условием протекания тока стока
для МОП – транзистора является U
зи
>U
, в результате чего характе-
пор
ристики управления имеют различную направленность.
Следует отметить и еще одну особенность полевых транзисторов со
встроенным каналам. В отличие от всех остальных типов полевых тран-
71
зисторов они могут работать при любой полярности напряжения на за-
L
творе (U
0, режим обеднения; Uзи 0, режим обогащения).
зи
В случае работы МОП транзистора с индуцированным каналом в
омической области его выходная характеристика аппроксимируется выражением
()0,5IbU UU U
c зи пор си си
2
,
где b – характеризует удельную крутизну МОП-транзистора и определяется как
W
,
где
– приповерхностная подвижность носителей заряда; С0 – удельная
bC
0
емкость затвор–канал; L – длина канала; W – ширина канала.
Если величина напряжения U
мола, что имеет место в импульс-
си
ных режимах работы транзистора, то выходная характеристика может
быть представлена выражением
Величину
c зи пор си
()bU U называют проводимостью канала, а обратную ей
зи пор
()IbU UU
.
величину – сопротивлением канала
1
R
bU U
()
зи пор
.
Расчет усилительных каскадов на полевых транзисторах имеет свои
особенности. Дело в том, что для стабилизации рабочей точки, в связи с
разбросом параметров транзистора, в цепь истока включают сопротивление R
(рис. 4.7.) Излишнее смещение компенсируют с помощью делителя R
где i
бросом параметров транзистора I
приводятся в справочнике для транзистора с р-каналом при U
для транзисторов с n-каналом – U
большее, чем это необходимо для создания нужного смещения
и
1
Величины R
R
и
и i
c max
c min
, R2, R1 определяют, используя формулы
и
1/ 1/UiIUiI
отс max c max нач max отсmin c min начmin
,
ii ii
cmax cmin cmax cmin
– отклонения тока стока в рабочей точке, вызванные раз-
нач max
0.
отс
, I
нач min
, U
отс max
, U
отс min
, которые
0, а
отс
, R2.
При инженерных расчетах полезно принять, что разброс параметров полевого транзистора вызывает отклонение тока стока в рабочей
точке на 33 % от среднего значения, что соответствует i
72
c max
/ i
c min
2.
R
R
R
E
E
I
Рис. 4.7. Схема усилителя на полевом транзисторе
Зная величину R
делителем R
, R2
1
Параметры схемы R
определяют напряжение смещения, создаваемое
и
cм cmax иотсmax c max нач max
, R2, С1 и С2 определяют, исходя из следующих
1
1/UiRU i I .
соображений. Для лучшей передачи нижних частот сопротивление в цепи затвора, численно равное
R
з
выбирают в пределах до 1–2 мОм так, чтобы падение напряжения на R
12
12
R
за
з
R
счет тока утечки затвора было значительно меньше напряжения отсечки.
Величину С
выбирают исходя из условия Rз ХС1 на нижней ча-
1
стоте сигнала или согласно выражению
10 20
,
CC
12
min ç
где
– минимальная круговая частота, на которой должен работать
min
усилительный каскад.
Величину сопротивления в цепи стока R
следующие соотношения:
Обычно принимают U
= Е/2, тогда
си
.
RR
c и
RR
.
c и
73
определяют, используя
с
U
си
I
c
2
c
Величину емкости Си определяют, исходя из условия
R
R
R
x
1
, или
и
С
S
3
11
.
и
3CS
Здесь S крутизна характеристики транзистора. В первом приближении
величина емкости может быть выбрана, как и С
, по эмпирическому вы-
1
ражению
10 20
.
C
и
min и
Если в схеме усилителя напряжение смещения создается только за
счет R
(без делителя), то его величину в рабочей точке можно рассчи-
и
тать как
изис
/
UI
.
Расчет усилительного каскада на полевом транзисторе можно провести и графическим методом, используя статические характеристики
полевого транзистора. Рассмотрим схему, представленную на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе
Расчет начинается с того, что на линейном участке характеристики
управления выбирают положение рабочей тоски A (рис. 4.9, а) и опре-
деляют соответствующие ей величину напряжения на затворе U
личину тока стока I
в режиме покоя усилителя. Рассчитывается сопро-
с
зи
и ве-
тивление в цепи истока по формуле
изис
/
UI.
Затем на статической выходной (стоковой) характеристике (рис. 4.9, б),
соответствующей напряжению на затворе полевого транзистора U
находят положение рабочей точки А
ответствующее ей напряжение U
при токе стока Iс и определяют со-
.
си
74
зи
E
R
R
а) б)
Рис. 4.9. Графический расчет режима покоя каскада на полевом
транзисторе:
а – характеристики управления; б – выходные характеристики
В соответствии с уравнением
()UEIRR
си cc и
на семействе статических выходных (стоковых) характеристик полевого
транзистора строится нагрузочная характеристика. Для ее построения
достаточно определить две точки:
1-я точка: полагают I
2-я точка: полагают U
где сопротивление
= Е.
и U
си
R
c
= 0, тогда Uси = Е;
c
= 0, тогда I
си
UIR
, или ее проводят через точки А
си c и
I
c
= Е/(Rc + Rи),
c
Графическим решением уравнения для выходной цепи рассматриваемого каскада являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками.
Резистор R
R
между затвором и истоком транзистора. Обычно сопротивление Rз
и
предназначен для подачи напряжения Uзи с резистора
з
принимают при расчетах равным 1…2 МОм.
Расчет величин конденсаторов С и С
производится по формулам,
и
рассмотренным выше.
Для расчета коэффициента усиления по напряжению однокаскад-
ных схем на полевых транзисторах можно использовать следующие выражения
для схемы включения с общим истоком
:
R
н
kS
U
75
i
;
R
i
н
для схемы с общим стоком
R
RR
í
для схемы включения с общим затвором
kS
U
íí
RSRR
i
ii
;
где R
RSR
kSR
U
– сопротивление нагрузки в цепи истока.
н
í
RR
í
1
i
i
,
í
Входное сопротивление для схемы с общим истоком на высоких
частотах является емкостным, а на низких частотах определяется величиной делителя в цепи затвора. Самое низкое входное сопротивление
имеет схема с общим затвором R
тивление имеет схема с общим стоком R
1/S, а наименьшее выходное сопро-
вх
1/S.
вых
4.3. Примеры решения задач
Задача 1
Определить сопротивление канала полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, работающего при достаточно низком напряжении сток-исток.
Решение
Сопротивление канала полевого транзистора будет определяться
крутизной его выходной характеристики как
dU
dI
cи
c
R
.
Для определения ее воспользуемся выражением выходной характеристики при работе транзистора в омической области
II
ccнас
21
UUU
си зи си
UUU
отс отс отс
2
,
откуда напряжение на стоке относительно истока можно выразить как
UUU
cизиотс
UIU
1
UI
2
зи c отс
отс снас
2
.
После дифференцирования исходного выражения получим:
1
R
2
I
UUI
cнас
отс отс с нас
UI
1
2
зи c
.
76
Если пренебречь составляющей Ic/I
ввиду ее малости, то сопротив-
с нас
ление канала с достаточной степенью точности можно определить как
RR
0
U
1
U
зи
отс
1
,
где R
= (2I
0
с нас/Uотс
)–1 – сопротивление канала при Uзи = 0.
Задача 2
Определить величину напряжения источника питания усилительного
каскада, выполненного на полевом транзисторе по схеме с ОИ (рис. 4.3, а)
при напряжении на затворе U
R
= 1 кОм, если: при напряжение U
с
напряжение отсечки U
= –0,8 В.
отс
= –0,3 В и сопротивлении в цепи стока
зи
= 0 ток стока составил Iс = 3 мА,
зи
Решение
В режиме насыщения ток стока определяется выражением
()IkU U,
сзиотс
2
откуда коэффициент пропорциональности найдем как
3
I
k
UU
()
с
зи отс
Определяем значение тока стока при
()3,12310(0,30,8)0,7810IkU U
А.
сзиотс
2323
210
2
00,8
U
3,125 10
2
= –0,3 В:
зи
3
А/В2.
Определяем напряжение насыщения
нас отс зи
0,8 0,3 0,5UUU В.
Для выходной цепи усилительного каскада составляем уравнение по
второму закону Кирхгофа и определяем величину напряжения источника питания
3
В.
cc íàñ
1000 0,78 10 0,5 1,28ERI U
Ответ. Напряжение источника питания Е = 1,28 В.
Задача 3
По стоко-затворной характеристике полевого транзистора КП103Е,
представленной на рис. 4.7,
при различных значениях напряжения на затворе
зависимости
S = f (U
зи
).
а определить крутизну характеристики S
U
. Построить график
зи
77
а) б)
Рис. 4.7. Стоко-затворная характеристика полевого транзистора КП 103Е – а;
график зависимости S = f (U
) – б
зи
Решение
Решение задачи найдем графоаналитическим путем. Как известно,
крутизна стоко-затворной характеристики полевого транзистора является дифференциальным параметром, определяемым выражением
I
U
c
зи
си
S
.
constU
Для определения ее выбираем стоко-затворную характеристику, соответствующую
U
= 16 В и задаемся на ней соответствующими прира-
си
щениями (точки 1–2; 3–4; 5–6).
Тогда значение величины крутизны и среднего значения напряже-
U
ния
для точек 1–2
для выбранных точек составят:
зи
S
12
U В
16
си
II
c2 c1
UU
зи1 зи2
0,1 0,06 10
3
10,86
0,285 10
3
А/В;
для точек 3–4
S
34
16
U В
си
U
UU
зи1 зи2
U
зи12
II
c4 c3
UU
зи3 зи4
UU
зи34
22
зи3 зи4
22
10,86
0,27 0,23 10
0,6 0,5
0,6 0,5
0,93
3
0,55
В;
0,4 10
В;
3
А/В;
78
для точек 5–6:
S
56
U В
16
си
0,5 0, 45 10
II
c6 c5
UU
зи5 зи6
0,25 0,15
3
0,5 10
3
А/В.
UU
U
зи56
зи5 зи 6
22
По полученным значениям строим график зависимости
(рис. 4.7,
б).
0,25 0,15
0,2
В.
S = f (U
зи
)
Задача 4
В полевом транзисторе с индуцированным
n-каналом в режиме
насыщения крутизна равна 1,8 мА/В при напряжении затвора 1,5 В, пороговое напряжение равно минус 0,65 В. Рассчитать ток стока и крутизну в режиме насыщения при напряжении затвора 1,8 В. Выходную
дифференциальную проводимость принять равной нулю.
Решение
Крутизну полевого транзистора в режиме насыщения с учетом, что
()IkU U
сзипор
2
,
можно определить как
dI
dU
c
2( )
зи пор
зи
.
SkUU
Из последнего соотношения определим коэффициент пропорциональности
k при U
= 1,5 В
зи
3
k
S
UU
2( ) 2(1,5 0,68)
зи пор
1, 8 1 0
0,41 10
3
А/В2.
Тогда ток стока и крутизна стоко-затворной характеристики при напря-
U
жении на затворе
( ) 0,41 10 1,8 0,68 2,52 10IkU U
сзипор
2 ( ) 2 0,41 10 (1,8 0,68) 2,0336SkUU
мА/В.
=1,8 В соответственно составят:
зи
23 3
3
зи пор
2
А;
Ответ. В режиме насыщения ток и крутизна стоко-затворной ха-
рактеристики составили: I
= 2,52 мА; S = 2,033 мА/В.
с
79
Задача 5
Рассчитать усилительный каскад, выполненный на полевом транзисторе КП 103Е (рис. 4.7), если напряжение источника питания Е = 9 В,
низшая частота входного сигнала f
чей точке I
= 0,3 мА. Отклонения параметров транзистора и его крутизна
с
S соответственно составляют: I
= 20 Гц, значение тока стока в рабо-
min
= (0,3–2,5) мА; U
с нач
= (0,4–2,4) В;
отс
S = (0,4–2,4)мА/В.
Решение
С учетом вышеизложенных рекомендаций, задаемся отклонениями
тока стока в рабочей точке, вызванное отклонениями параметров транзистора: i
= 0,2 мА; i
с min
= 0,4 мА.
с max
Рассчитываем сопротивление в цепи истока
UiIUiI
R
и
отс max c max нач max отс min cmin начmin
1/ 1/
ii ii
cmax cmin cmax cmin
2,4 1 0,4 / 2,5 0,4 1 0,2 / 0,3
0,4 0,2 10
3
6,8 кОм.
Определяем напряжение смещения, создаваемое делителем R
UiRU i I
cм cmax иотсmax c max нач max
1/
3
0,4 10 6800 2,4 1 0,4 / 2,5 1,28 В.
Выбираем сопротивление делителя напряжения R
обеспечения U
= 1,28 В, величина сопротивления R1 составит
см
R
1
Приняв значение напряжения в рабочей точке U
величину сопротивления в цепи стока R
()
EU R
см 2
U
см
9 1,28 500 10
= 0,5 мОм, тогда для
2
1, 2 8
с
3
мОм.
3
=Е/2, рассчитываем
си
, R2
1
RR
c и
220,310
I
c
E
9
6,8 10 8,2
3
Рассчитываем величины конденсаторов С и С
10 20 10
C
2 2 3,14 20 0,43 10
C
и
fR
min з
10 20 10
2 2 3,14 20 6,8 10
fR
min и
80
:
и
3
6
3
кОм.
1, 85 10
1,17 10
7
5
Ф;
Ф,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]