Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПОПОВ ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ ТЕХНИКИ.pdf
Скачиваний:
942
Добавлен:
11.05.2015
Размер:
2.27 Mб
Скачать

3.2.Схемы включения полевых транзисторов

3.2.1.Общие сведения

Для всего большого количества разнообразных полевых транзисторов (ПТ) характерно наличие трёх основных электродов, сопоставимых с соответствующими электродами биполярного транзистора (исток-эмиттер, затвор-база, сток-коллектор). Основные типы ПТ, отличающиеся технологией изготовления, полярностью напряжения питания и параметрами, а также их входные и выходные характеристики представлены на рис. 3.16, а – ж. Основное деление полевых транзисторов осуществляется по типу проводимости канала. Различают ПТ с каналом n-типа и р-типа. Тип канала определяет полярность напряжения питания цепи стока.

На рис. 3.16, а – б представлены транзисторы с затвором в виде управляемого p-n-перехода с каналами n- и p-типа соответственно.

82

Канал n-типа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Канал p-типа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

З

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

З

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

IC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ICH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-UЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+UЗ

-UЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+UЗ

UOTC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

IC

IC

г

-UЗ

+UЗ

-UЗ

+UЗ

д

IC

IC

е

-UЗ

+UЗ

-UЗ

+UЗ

IC

ж

UC

Рис. 3.16

83

Рабочая область напряжений между затвором и истоком для транзистора (см. рис. 3.16, а) находится в промежутке от UЗ = 0 до –UOTC. Для транзисторов с p-каналом (рис. 3.16, б) эта область лежит справа от UЗ = 0. Рис. 3.16, в – е относятся к ПТ с изолированным затвором и с встроенным каналом (рис. 3.16, в – канал n-типа; рис. 3.16, г – канал p-типа). Постоянное напряжение на затворах этих транзисторов может быть как положительным так и отрицательным. На рис. 3.16, д – е представлены ПТ с изолированным затвором и с индуцированным каналом (рис. 3.16, д – канал n-типа; рис. 3.16, е - канал p-типа). Их рабочие области находятся соответственно справа и слева от UЗ = 0. Выходные характеристики для всех типов транзисторов имеют одинаковую форму (рис. 3.16, ж), но при этом следует учитывать, что на сток транзисторов с n- каналом подается положительное напряжение, а с p-каналом – отрицательное. Существующие различия между типами ПТ, технологиями их изготовления, полярностями напряжений на электродах и т.д. не оказывают заметного влияния на вид эквивалентной схемы, применяемой для описания работы усилительных устройств, собранных на этих транзисторах. Это обстоятельство позволяет использовать для дальнейшего анализа только один тип транзистора (с управляемым p-n-переходом и каналом n-типа). При этом проведенный анализ в равной мере будет относиться и ко всем остальным типам ПТ.

3.2.2. Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком

Принципиальная схема каскада с общим истоком представлена на рис. 3.17.

I0C

iC

CЗС

 

R1

ССИ

 

 

 

 

u2=uСИ

R2

 

СЗИ

 

 

 

 

 

E1

u1=uЗИ

 

I0C

 

 

 

 

 

 

E

E0C

iC

 

 

Рис. 3.17

 

 

84

Переход затвор-исток всегда включается в обратном направлении, следовательно, постоянный ток в цепи затвора не протекает. Постоянный ток стока I0C течёт от +E0C через R1, от стока к истоку и возвращается к –Е0C. Приложенное к затвору в настоящий момент положительное мгновенное значение напряжения источника сигнала приводит к увеличению тока стока. Это означает, что переменная составляющая тока стока iC в рассматриваемый момент времени протекает в ту же сторону, что и постоянная составляющая. Переменный ток стока, протекая по сопротивлению R2, создаёт на нём падение напряжения u2 с плюсом внизу и минусом вверху. Таким образом, схема с общим истоком меняет фазу усиливаемого сигнала на 1800.

Эквивалентная схема каскада представлена на рис. 3.18, а. На этой схеме крутизна транзистора S определяется как отношение приращения тока стока ∆iC к приращению напряжения на затворе ∆uЗ при постоянном напряжении на сто-

ке uC = const:

 

 

S = iC .

 

 

 

 

uЗ

 

 

 

З

 

 

С

 

R1

CЗС

 

 

Е1

u1 = uЗ

SuЗ

Ri

u2 = uC R2

 

RЗ

CЗИ

 

ССИ

а

 

 

 

 

 

И

 

 

И

 

З

 

 

С

 

R1

 

 

 

E1

u1 = uЗ

С0

 

u2 = uC R2

б

RЗ

SuЗ

Ri

C

 

 

 

 

 

И

 

 

И

 

 

Рис. 3.18

 

 

85

Крутизну полевого транзистора можно определить из аналитического выражения для его вольтамперной характеристики. Такая характеристика приведена на рис. 3.16, а, а ее аналитическое выражение имеет вид

IC = ICH (1

uЗ

)2 .

(3.33)

 

 

UOTC

 

Для этого надо взять производную от выражения (3.33) по напряжению на затворе при uЗ, соответствующему положению рабочей точки:

S = dIC = 2

ICH

(

uЗ

1) .

(3.34)

UOCT

 

duЗ

 

UOTC

 

Внутреннее сопротивление полевого транзистора Ri можно определить по выходным характеристикам, найдя отношение приращения напряжения на стоке к приращению тока стока при постоянном напряжении на затворе:

Ri =

uC .

(3.35)

 

iC

 

Величины междуэлектродных емкостей СЗИ, СЗС и ССИ обычно приводятся в справочнике. Сопротивление закрытого перехода затвор-исток RЗ стремится к бесконечности и обычно его влиянием на работу каскада пренебрегают, так как ток через него стремится к нулю.

Сквозной коэффициент усиления на низких частотах равен

КЕ =

u2

=

uЗ

 

u2

=

 

 

RЗ

 

 

SRiR2

.

(3.36)

E

E

 

R

 

+ R

 

 

 

 

 

u

З

 

1

З

 

Ri + R

2

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обычно сопротивление RЗ имеет очень большую величину, особенно у транзисторов с изолированным затвором, поэтому первая дробь в выражении (3.36) практически всегда равна единице. Вторая дробь этого выражения также существенно упрощается, если учесть, что Ri>R2. С учётом этих замечаний выражение для КЕ принимает совсем простой вид:

КЕ SR2 .

(3.36а)

86

Увеличение сопротивления нагрузки до определённой величины ведёт к пропорциональному увеличению коэффициента усиления. Однако далее этот рост замедляется, а затем коэффициент усиления даже начнёт уменьшаться, так как с ростом R2 ухудшаются условия питания канала транзистора (уменьшается напряжение на стоке), что приводит к снижению крутизны и появлению заметных нелинейных искажений.

Для анализа частотных свойств необходимо определить входную динамическую ёмкость каскада С0 (см. рис. 3.18, б). Методика её определения для полевого транзистора является такой же, как и при выводе выражения (3.20) для динамической ёмкости биполярного транзистора. Однако в данном случае необходимо учитывать также ёмкость монтажа, так как её величина оказывается соизмерима с динамической ёмкостью полевого транзистора. Таким образом, входная динамическая ёмкость каскада на ПТ, включенном по схеме с общим истоком, описывается следующим выражением:

С0 = СЗИ + СЗС(1+ SR2 ) + CM .

(3.37)

Из рис. 3.18, б видно, что частотный диапазон каскада в области верхних частот зависит от входной и выходной цепи. Однако, как правило, выходную ёмкость Cвключают во входную динамическую ёмкость следующего транзистора и учитывают её влияние при расчёте частотных свойств следующего каскада.

На высоких частотах сопротивление ёмкости C0 уменьшается, а это ведёт к уменьшению входного напряжения и к снижению коэффициента усиления. Верхняя граничная частота зависит от C0 и сопротивлений R1, RЗИ и определяется выражением

f

B

=

R1 +RЗ

 

1

 

 

.

(3.38)

 

 

2πС

R

 

 

 

2πC

R R

З

1

 

 

 

 

 

0

1

0

 

 

 

Упрощенный вариант формулы для fВ основан на том, что, как правило, R1 << RЗИ.

Входное сопротивление полевого транзистора, включённого по схеме с ОИ, на низких частотах очень велико и для рассматриваемого типа транзисторов задаётся величиной сопротивления закрытого p-n-перехода RЗ. С ростом

87