ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

Усилители напряжения на полевых транзисторах

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение работы схем усилителей на полевых транзисторах.

ОБОРУДОВАНИЕ

Персональный компьютер IBM PC на базе процессоров Intel Pentium (и выше). Программа моделирования, основанная на использовании SPICE моделей.

ВВЕДЕНИЕ

Истоковые повторители и усилители на полевых транзисторах (ПТ) с общим истоком - это аналог эмиттерных повторителей и усилителей с общим эмиттером на биполярных транзисторах. Отсутствие постоянного тока затвора даёт возможность получить очень высокое входное сопротивление.

Когда мы имеем дело с ПТ, то обычно применяется та же схема автоматического смещения, что и в источниках тока на ПТ с p - n - переходом с одним резистором смещения затвора, подключенным вторым выводом к земле; для МОП - транзисторов требуется делитель, питаемый от источника напряжения стока, или расщеплённый источник. Резистор смещения затвора может иметь очень большое сопротивление (свыше 1 МОм), поскольку ток утечки измеряется наноамперами.

Крутизна. Отсутствие тока затвора делает естественным параметром, характеризующим усиление ПТ, крутизну - отношение выходного тока к входному напряжению: gm=iвых/uвх.

Крутизна ПТ может быть оценена по характеристике либо по тому, насколько увеличивается I(с) при переходе от одной кривой с фиксированным значением напряжения затвора к другой из семейства кривых, либо, что проще, по наклону кривых «передаточных характеристик» Iс~Uзи. Зависимость крутизны от тока стока определяется как gm(Iс)=iвых/uвх. Из этого выражения получаем коэффициент усиления по напряжению: Kи=uс/uзи=-Rcic/uзи=-gmRc. Как правило, крутизна ПТ равняется нескольким тысячам микросименс (мкСм) при токе стока в несколько миллиампер. Поскольку gm зависит от тока стока, существует некоторая нелинейность, связанная с зависимостью коэффициента усиления от изменения тока стока на протяжении периода сигнала, подобно тому, как это бывает в усилителе с заземлённым эмиттером, где gm=1/rэ пропорциональна Iс.

Сравнение крутизны ПТ и биполярных транзисторов. Рассмотрим ПТ с p-n- переходом и биполярный транзистор, каждый с рабочим током 1мА. Представим, что они включены как усилители с общим истоком (эмиттером), а сток (коллектор) через резистор 5 кОм подключен к источнику питания +10В. Биполярный транзистор имеет rэ, равное 25 Ом, а следовательно, gc=40 мСм и коэффициент усиления по напряжению - 200 (что можно получить прямым расчётом как -Rк/rэ. Типичный ПТ с p-n-переходом имеет gm порядка 2 мСм при токе стока 1 мА, давая коэффициент усиления по напряжению порядка -10. Малая gm даёт также относительно высокое Zвых в схеме повторителя: ПТ с p-n- переходом имеет Zвых=1/gm, что в данном случае эквивалентно 500 Ом (независимо от сопротивления источника сигнала); в сравнении с этим биполярный транзистор имеет Zвых=Rс/h21э+rэ=Rс/h21э+1/gm, равное Rc/h21э+25 Ом (при 1 мА). Для типичного бета – биполярного транзистора, скажем h21э=100, и при разумных значениях сопротивления источника сигнала, скажем при Rс<5 кОм, биполярный повторитель на порядок лучше (Zвых равно 25-75 Ом). Отметим, однако, что при Rс>50 кОм повторитель на ПТ с p-n- переходом будет лучше.

Чтобы видеть, что происходит, вернёмся к выражениям зависимости тока стока ПТ от напряжения затвор-исток и сравним с эквивалентным уравнением (Эберса-Молла) зависимости тока коллектора биполярного транзистора от напряжения база-эмиттер. Биполярный транзистор (уравнение Эберса-Молла): Iк=Iс[exp(Uбэ/Uт-1], где Uт=kT/q=25 мВ, что даёт gm=dIк/dUбэ=Iк/Uт для коллекторного тока, большого в сравнении

с током «утечки» Ic. В результате rэ(Ом)=25/Iк(мА), поскольку gm=1/кэ.

Полевой транзистор: в «субпороговой» области он имеет очень малый ток стока Iс~exp(Uзи), что, будучи экспериментальным подобием уравнения Эберса-Молла, также даёт пропорциональную зависимость крутизны от тока. Однако для наблюдающихся в реальности значений k (который зависит от геометрии ПТ, подвижности носителей и т.п.) крутизна ПТ несколько ниже, чем у биполярного транзистора,- около I/40 мВ для p- канального МОП-транзистора и около I/60 мВ для n-канального МОП-транзистора, тогда как у биполярных транзисторов она равна I/25 мВ. По мере увеличения тока ПТ входит в нормальную область «насыщения», где Ic=k(Uзи-Uт)², что даёт gm=2(kIc)^1/2. Это означает, что крутизна растёт пропорционально лишь корню квадратному из Ic и становится намного меньше крутизны биполярного транзистора при тех же значениях рабочего тока.

Увеличение постоянной k в предыдущих уравнениях (за счёт увеличения отношения ширины канала к его длине) увеличивает крутизну (и ток стока при данном значении Uзи) в надпороговой области, но всё равно крутизна остаётся меньше, чем у биполярного транзистора при том же токе.

Проблему низкого коэффициента усиления в усилителях на ПТ можно разрешить, обратившись к нагрузке в виде источника тока (активной), однако вновь биполярный транзистор будет лучше в той же схеме. По этой причине редко можно видеть ПТ в схемах простых усилителей, если только не нужно использовать их уникальные входные параметры (исключительно высокое входное сопротивление и малый входной ток).

Обратите внимание на то, что крутизна ПТ в области насыщения пропорциональна Uзи-Uт.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:

Собрать схемы, изображённые на рис.1 и рис.2, используя значения напряжения питания и тока покоя, полученные у преподавателя.

В первой схеме резистор R1 задаёт смещение транзистора; резисторы R2 и R3 – задают ток покоя транзистора и коэффициент усиления.

Во второй схеме резисторы R1 и R2 задают смещение, а резистор R3 задаёт ток покоя и коэффициент усиления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ:

1. Определить входное сопротивление усилителей.

2. Пронаблюдать амплитудно-частотные характеристики и объяснить их.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Какие элементы влияют на входное сопротивление?

2. Сравнить усилители на ПТ и биполярных транзисторах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-2, М.:Мир,1983.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-3, М.:Мир,1993.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. // Л.:Энергоатомиздат,1989.

4. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. // М.:Мир,1985.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. // М.:Мир,1982.

6. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. // Т.1-2, М:Энергоатомиздат,1991.

7. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. // М.: Гелиос АРВ, 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список элементов:

Описание	Название элемента	Название библиотеки
Емкость	C	Analog.slb
Сопротивление	R	Analog.slb
Источник напряжения	Vsrc	Source.slb
Источник напряжения	Vsin	Source.slb
Полевой транзистор	J2SK117 или аналогичный	JJFET.slb
Полевой транзистор	IRF034 или аналогичный	PWRMOS.slb
«Земля»	AGND	Port.slb

5