Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Практикум
.pdf
31
МОП-транзистор с n-каналом, который называется встроенным, может
работать в режимах обеднения и обогащения. Эти режимы работы показывают
выходные и передаточные характеристики (рис. 4.6, а, б). Если при Uзи = 0 между стоком и истоком приложить напряжение, то через канал потечет ток,
представляющий собой поток электронов. При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока в канале создается поперечное электрическое поле, выталкивающее из канала электроны проводимости. Чем больше это
напряжение, тем меньше ток. Этот режим транзистора называют режимом
обеднения.
Рис. 4.6. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики МОП-транзистора
со встроенным каналом
Если же подавать на затвор положительное смещение, то под действием
электрического поля из областей истока и стока, а также из подложки в канал
будут приходить дополнительные электроны и ток стока возрастет. Этот режим
называют режимом обогащения.
Другим типом МОП-транзистора является транзистор с индуцированным
n-каналом (рис. 4.7). От транзистора со встроенным каналом он отличается тем,
что канал возникает только при приложении на затвор напряжения определенной полярности.
Рис. 4.7. Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом
32
=
=
const
си
U
dU
dI
S
ЗИ
С
Его выходные и передаточные вольт-амперные характеристики показаны
на рис. 4.8, а, б.
Рис. 4.8. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики МОП-транзистора
с индуцированным каналом n-типа
При отсутствии напряжения канала нет, между истоком и стоком расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n+-переходов действует обратное
напряжение. Если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием электрического поля электроны проводимости будут перемещаться из областей истока и стока и из подложки к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое пороговое значение U
, то в приповерхностном слое концен-
пор
трация электронов превысит концентрацию дырок, произойдет так называемая
инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения. Поскольку входной ток МОПтранзисторов ничтожно мал, а выходной ток может быть большим, то получается значительное усиление по мощности.
4.4. Параметры и характеристики полевых транзисторов
Одним из основных параметров полевого транзистора с управляющим
p-n-переходом является крутизна передаточной характеристики опреде-
ляющая эффективность изменения тока в цепи стока при изменении напряжения на затворе.
(4.1)
Численно крутизна зависит от напряжения на затворе. С увеличением напряжения на затворе |UЗИ| ток стока и крутизна характеристики уменьшается.
Максимальные значения крутизны характеристики при UЗИ = 0 в реальных
транзисторах равно порядка 20 мА/В.
К параметрам таких транзисторов относятся также напряжение отсечки
33
ЗИ
C
U
I
S
∆
∆
=
C
СИ
i
I
U
R
∆
∆
=
U
; ток насыщения стока I
отс
при UЗИ = 0; емкости ССИ и СЗИ; сопротив-
С нас о
ление транзистора в омической области Rо, определяемое наклоном стоко-
вой характеристики; внутренне сопротивление
Ri = dUC/dIC, (4.2)
определяемое в области насыщения при различных напряжениях на затворе
UЗИ; а также граничная частота.
Величины I
С нас о
и U
определяются геометрией транзистора, парамет-
отс
рами полупроводникового материала и распределением примесей в управляющем p-n-переходе.
Так как подвижность электронов выше подвижности дырок, то частотные
свойства транзистора с n-каналом лучше, чем с p-каналом. По этой же причине
транзисторы с n-каналом имеют больший ток стока IС и большую крутизну передаточной характеристики S.
МДП-транзисторы характеризуются в основном теми же параметрами,
что и полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. Основные параметры МДП-транзисторов и их ориентировочные значения следующие:
– крутизна характеристики S = dIC/dUЗИ при UСИ = const. Обычно S =
0,1 – 500 мА/В;
– начальный ток стока I
транзисторов со встроенным каналом I
каналом I
= 0,01 – 0,5 мкА;
С нач
– напряжение отсечки U
– пороговое напряжение U
– сопротивление сток–исток в открытом состояние R
– ток стока при нулевом напряжение UЗИ у
С нач
= 0,1 – 100 мА; с индуцированным
С нач
. Обычно U
ЗИ отс
ЗИ пор
. Обычно U
= 0,2 – 10 В;
ЗИ отс
= 1 – 6 В;
ЗИ пор
СИ отк
, R
СИ отк
=
2 – 200 Ом;
– максимальный ток стока I
. Обычно имеет величину от 10 мА до
С мах
0,2 А;
– максимальная частота усиления f
ент усиления по мощности КP равен единице; величина f
– частота, на которой коэффици-
мах
– десятки – сотни
мах
мегагерц.
По статическим характеристикам полевых транзисторов можно рассчитать следующие дифференциальные параметры.
Крутизну передаточной характеристики S:
при UСИ = const. (4.3)
Выходное (внутреннее) сопротивление R
i
при UЗИ = const. (4.4)
Коэффициент усиления µ:
34
Рис. 4.9. Выходная (а) и передаточная (б)
Рис. 4.10. Выходные
р-п-переходом
μ = S·Ri. (4.5)
Крутизна S рассчитывается по передаточной характеристике при Uси =
5 В. Приращение ∆Uзи необходимо выбирать на линейном участке характери-
стики в следующих пределах: ∆Uзи = 0,5 В или ∆Uзи = 1 В
Выходное (внутреннее) сопротивление Ri рассчитывается по выходной
характеристике при Uзи = 0 В. Приращение ∆Uси необходимо выбирать на
линейном участке характеристики в следующих пределах: ∆Uси = 1 В или
∆Uси = 2 В.
4.5. Задачи и упражнения
4.1. Полевой транзистор с р-п-переходом имеет вольт-амперные характеристики, показанные на рис. 4.9. Определить тип канала и основные характеристики этого транзистора.
4.2. Определить крутизну характеристики полевого транзистора S, семейство выходных характеристик которого представлено на рис. 4.10 по всему
диапазону изменения тока Iс с шагом изменения ΔUзи = 1 В.
характеристики полевого транзистора
с управляющим р-п-переходом
характеристики полевого
транзистора с управляющим
4.3. Крутизна полевого транзистора равна 0,6 мА/В, дифференциальное
сопротивление канала в режиме насыщения составляет 300 кОм. Определить
коэффициент усиления по напряжению.
4.4. Определить выходное сопротивление постоянному и переменному
токам у полевого транзистора, семейство характеристик которого приведено на
рис. 4.10, при: а) Uэ = –3 В, Uс = 15 В; б) Uэ = –4 В, Uс = 20 В.
4.5. На затворе полевого транзистора с р-п-переходом напряжение изме-
нилось на 0,5 В. При этом для обеспечения постоянства тока стока потребовалось изменить напряжение стока на 20 В. Определить крутизну характеристики,
если внутреннее сопротивление прибора Ri = 0,2 МОм.
35
1зи
U
2зи
U
3зи
U
4зи
U
с
I
0
си
U
доп
P
max
U
min
U
0
U
п
E
0
I
min
I
=н
R
зи
4
зи3
зи
2
зи1
4.6. На затворе полевого транзистора с р-п-переходом напряжение изменилось на 0,2 В. В результате при постоянном напряжении стока изменился ток
стока на 0,1 мА. Определить коэффициент усиления транзистора по напряжению μ, если внутреннее сопротивление прибора Ri = 0,2 МОм.
4.6. Расчет простейшего усилителя на полевом транзисторе
Большое распространение получили усилительные каскады на полевых
транзисторах, так как они обладают значительно большим входным
сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных
транзисторах. Наиболее часто используется каскад с общим истоком.
Анализ работы усилительного каскада на полевом транзисторе с общим
истоком может быть проведен графоаналитическим методом аналогично
усилителю на биполярном транзисторе с общим эмиттером.
Для обеспечения линейного (неискаженного) усиления входного сигнала
усилительным каскадом на практике применяется графоаналитический расчет,
который предусматривает наличие передаточных и выходных статических характеристик полевого транзистора, взятых из справочника по полупроводниковым приборам.
Рабочая точка полевого транзистора, определяющая режим покоя,
характеризуется значениями тока и напряжения стока при отсутствии входного
сигнала (U
и I0 на рис. 4.11) и должна располагаться в рабочем секторе
0
семейства стоковых характеристик. Рабочий сектор ограничивается, с одной
стороны, участками с нелинейной зависимостью между выходным и входным
сигналами (I
≤ I
С
другой стороны, участками, где возможен электрический (U
тепловой пробой (при рассеиваемой транзистором мощности Р
больше допустимой Р
– режим отсечки; UСИ ≤ U
min
). В пределах рабочего сектора положение рабочей
доп
– режим насыщения), а с
min
≥ U
СИ
рас
) или
max
= UСИIC
точки определяется требованиями к параметрам каскада, таким как
коэффициент усиления, потребляемая мощность, максимальная выходная
мощность, коэффициент полезного действия и др.
Рис. 4.11. Определение рабочей точки на выходных характеристиках ПТ
36
RИ
Для построения нагрузочной прямой выбирают две точки: 1-я точка –
Еп = Ес выбирают как максимальное значение Uси, но меньше, чем напряжение
пробоя по последней характеристике, соответствующей минимальному току Iс.
2-ю точку выбирают из условия максимального тока стока, соответствующего
току насыщения. Рабочую точку определяют, как середину этого отрезка.
На рис. 4.12. приведена схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ
и одним источником питания на основе ПТУП.
Полярность источника питания определяется типом применяемого
полевого транзистора. В транзисторе с n-каналом напряжение Е
В цепь стока включен нагрузочный резистор R
динамический режим работы усилителя. На транзисторе R
положительно.
с
, обеспечивающий
c
выделяется
c
усиленное переменное напряжение.
Рис. 4.12. Схема усилителя на основе ПТУП, выполненного
по схеме с ОИ и одним источником питания
В цепи истока резистор R
создает необходимое смещение между
и
затвором и истоком. При этом потенциал затвора оказывается ниже потенциала
истока на величину падения напряжения на резисторе R
I
ток покоя в цепи затвора равен нулю.
и0
Входное напряжение подается на резистор R
конденсатор С
переменные составляющие тока истока i
При этом в канале полевого транзистора появляются
р.
и тока стока ic , причем iи ≈ ic . Для
и
от тока покоя истока
и
через разделительный
З
того, чтобы переменная составляющая тока истока не создавала падение
напряжения на резисторе R
и не уменьшала за счет этого величину
и
усиливаемого сигнала между затвором и истоком по сравнению со входным
напряжением, резистор R
шунтируется конденсатором Cи. Сопротивление
и
конденсатора на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть
во много раз меньше сопротивления резистора. При этом условии падение
напряжения от тока истока i
на цепочке RиCи, называемой звеном
и
автоматического смещения, имеет очень небольшую величину, так что по
переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей
точкой усилительного каскада.
37
,
сп
зип
и
I
U
R =
,
2
)20...
10(
min и
и
Rf
C
π
=
Выходное напряжение снимается через разделительный конденсатор С2
между стоком и общей точкой каскада, т.е. оно равно переменной
составляющей напряжения между стоком и истоком.
Рассматриваемый усилительный каскад является усилителем напряжения.
Величина коэффициента усиления каскада составляет К
xx = 10 – 100;
u
Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между
7
затвором и истоком, имеет величину порядка 10
сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R
подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора: R
6
Ом.
– 10
Ом, поэтому входное
который
3,
≈ R3 = 105
вх
Выходное сопротивление современных полевых транзисторов
5
(сопротивление между стоком и истоком) имеет величину порядка 10
Ом,
поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом
транзисторе определяется сопротивлением резистора R
: R
c
≈ Rc = 103 – 10
вых
4
Ом.
Таким образом, у этого усилителя R
<< Rвх, что является важным
вых
преимуществом усилительного каскада на полевых транзисторах.
Режим работы полевого транзистора в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток
U
. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого
сип
транзистора U
. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении
зип
тока Iсп (URи = IспRи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы
усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не
выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си и таким образом обеспечивают неизменность коэффициента усиления
каскада. Сопротивление конденсатора Си на наименьшей частоте сигнала
должно быть намного большим сопротивления резистора Rи, которое определяют по выражению:
R (4.6)
где U
, Iсп – напряжение затвор-исток и ток стока при отсутствии вход-
зип
ного сигнала.
Емкость конденсатора выбирается из условия:
(4.7)
где f
– наинизшая частота входного сигнала.
min
38
,
2
)
20
...
10
(
3
min
R
f
C
р
π
=
.
иc
сиc
c
RR
UE
I
+
−
=
Конденсатор Ср называется разделительным. Он используется для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала.
Емкость конденсатора:
(4.8)
Резистор Rс выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в
выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого напряжением
между затвором и истоком
В усилителе на полевом транзисторе, схема которого приведена на
рис. 4.4, ток стока Ic и напряжение Uси связаны уравнением:
Uси = Eс – Iс(Rс + Rи). (4.9)
В соответствии с этим уравнением можно построить линию нагрузки (нагрузочную характеристику):
(4.10)
Для ее построения на семействе статических выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора достаточно определить две точки:
– 1-я точка: полагаем Ic = 0, тогда Uси = Ес;
– 2-я точка: полагаем Uси = 0, тогда Ic = Ес/(Rc + Rи).
Графическим решением уравнения для выходной цепи рассматриваемого
каскада являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками (рис. 4.13).
а б
Рис. 4.13. Графический расчет режима покоя каскада на полевом
транзисторе при помощи передаточной (а) и выходных (б) характеристик
39
.
сп
зип
и
I
U
R =
.2
21
2 R
RR
E
RIU
с
дзип
⋅
+
==
Значение тока стока Iс и напряжения Uси зависят также от напряжения затвора Uзи. Три параметра Iсп, U
сип
и U
определяют исходный режим, или ре-
зип
жим покоя усилителя. На выходных характеристиках этот режим отображается
точкой По, лежащей на пересечении выходной нагрузочной характеристики с
выходной статической характеристикой, снятой при заданном значении напряжения затвора.
Резистор R3 предназначен для подачи напряжения U
с резистора Rи ме-
зип
жду затвором и истоком транзистора. Сопротивление R3 принимают равным
1…2 МОм. (Рекомендуем для расчетов R3 = 1 МОм).
Сопротивление резистора Rи для обеспечения режима покоя, характеризуемого значениями Iс = Iсп и Uзи = U
(точка По, см. рис. 4.13), рассчитывают
зип
по формуле:
(4.11)
В усилителях на МДП-транзисторах с индуцированным каналом необходимое напряжение U
обеспечивается включением в цепь затвора делителя R1
зип
R2 (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Усилитель на МДП-транзисторах с индуцированным каналом
При этом
(4.12)
От выбранного значения тока делителя Iд = Ес/(R1+R2) зависят сопротивления резисторов R1 и R2. Поэтому ток делителя выбирают исходя из обеспечения требуемого входного сопротивления усилителя.
R1 = (Ес – U
R2 выбираем равным 1 МОм. Определяем ток делителя Iд = U
)/Iд.
зип
/R2, тогда
зип
40
Сопротивление Rс можно определить из следующего уравнения
Uси = Ес – Iс Rc. (4.13)
При Uси = 0, RС = Ес/Iс, при Iс = 0, Uси = Ес.
Пример графоаналитического расчета усилительного каскада на полевом
транзисторе представлен на рис. 4.15. Он включает в себя графические построения выходной рабочей характеристики (которая представляет собой нагрузочную прямую на выходных статических характеристиках) и эпюр входных
и выходных токов и напряжений: iвх, i
, ивх , и
вых
. Кроме графических построе-
вых
ний, графоаналитический расчет предусматривает определение по графикам и
аналитический расчет основных параметров и элементов схемы усилительного
каскада.
Рис. 4.15. Пример графоаналитического расчета усилителя
на полевом транзисторе
На рис. 4.15 показаны графики изменения всех токов и напряжений полевого МДП-транзистора в схеме с ОИ при гармоническом входном сигнале, построенные по статическим характеристикам транзистора. Заметим, что для графического расчета каскада на полевом транзисторе достаточно изображения
только характеристики передачи и выходной характеристики (для биполярных
транзисторов мы строим также и входную характеристику).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]