ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

П л а н л е к ц и и

14.1. Основные схемы включения ПТ.

14.2. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. 14.3. Работа ПТ в импульсном режиме.

14.1. ОсновныесхемывключенияПТ.

Полевые транзисторы применяются для усиления электрических сигналов. В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой для входного и выходного напряжений, различают три основные схемы включения ПТ: схема с общим истоком (ОИ), схема с общим стоком (ОС) и схема с общим затвором (ОЗ). Наибольшее распространение для усиления сигналов получила схема с общим истоком. На рис. 14.1 приведена простейшая схема резистивного усилительного каскада с ОИ на основе полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа.

Ес

Rс

Uвых

Uвх

Rз

Ез0

Рис. 14.1. Схема усилительного каскада с общим истоком на полевом

транзисторе

Кроме активного элемента (ПТ), схема содержит источник питания цепи стока Ес, источник смещения Ез0 в цепи затвора, в которой действует также источник усиливаемого напряжения Uвх, резистор нагрузки Rс в цепи стока и резистор утечки Rз в цепи затвора. В практических схемах используются различные способы задания смещения и связи с источником

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.1. Основные схемы включения ПТ.

сигнала. В схеме усиления активный элемент, управляемый входным напряжением, преобразует энергию источника питания в энергию полезных усиливаемых сигналов, выделяемых на сопротивлении нагрузки. Каскад с общим истоком обеспечивает большое усиление по току и по напряжению.

14.2. Применениеполевыхтранзистороввсхемахусиления.

Наглядное представление об усилительных свойствах полевого транзистора дает графоаналитический метод расчета и анализа работы каскада (рис. 14.2).

Графоаналитический метод позволяет не только определить переменные составляющие токов и напряжений, но и задать режим работы транзистора по постоянному току. Расчет выполняют с помощью семейства выходных и передаточных характеристик транзистора. Для этого на семействе статических выходных характеристик по заданным или выбранным значениям напряжения питания цепи стока Ес и сопротивления нагрузки Rс строится динамическая выходная характеристика, называемая также линией нагрузки (рис. 14.2, а). Линия нагрузки определяется выражением

которое получается из уравнения Кирхгофа для выходной цепи транзистора:

Выражение (14.1) является уравнением прямой линии, которая может быть построена по двум точкам пересечения ее с осями координат. При Ic = 0 получаем Uси = Ес; откладываем эту точку на оси напряжений (точка М). При Uси = 0 получаем Ic = Ес /Rс; откладываем это значение по оси тока, получаем точку N. Соединяя эти точки прямой, получаем линию нагрузки. Затем выбираем на ней рабочий участок (область рабочих токов транзистора) и исходную рабочую точку. Например, для получения большой выходной мощности и малых искажений сигнала следует взять рабочий участок АБ. Входное напряжение Uзи изменяется при этом от Uзи = 0 (точка А) до Uзи = Uотс (точка Б). По проекциям рабочего участка на оси координат определяем двойные амплитуды переменных составляющих выходного напряжения 2Uсm и выходного тока 2Icm. По ним можно найти полезную выходную мощность:

На рис. 14.2, а заштрихован так называемый треугольник полезной мощности. Его гипотенузой является рабочий участок АБ, а катетами –

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.2. Применение полевых транзисторов в схемах усиления.

двойные амплитуды тока 2Icm и напряжения 2Uсm. Нетрудно видеть, что площадь треугольника соответствует учетверенной полезной выходной мощности 2Ic m·Uс m.

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.2. Применение полевых транзисторов в схемах усиления.

Ic, мА

Uзи = 0

N A

2Uсm

+

–

t

аIc, мА

+

– t

2Uзm

б

Рис. 14.2. К графоаналитическому расчету и анализу режима усиления полевого транзистора с управляющим p–n-переходом

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.2. Применение полевых транзисторов в схемах усиления.

Рабочая точка Т выбирается на середине рабочего участка линии нагрузки и соответствует напряжению на затворе Uзи(0), равному половине суммы напряжений на затворе в точках А и Б. Половиной разности этих напряжений определяется максимальная амплитуда переменной составляющей входного напряжения Uзm.

Проекции рабочей точки на оси координат определяют постоянные значения тока стока Ic(0) и напряжения Uси(0) в режиме покоя.

Коэффициент усиления каскада по напряжению KU можно рассчитать как отношение амплитуд его выходного и входного напряжений:

Если имеется семейство передаточных статических характеристик, то перенося на них точки динамической выходной ВАХ, можно построить динамическую передаточную ВАХ (рис. 14.2, б). На нее отображаются точки А1, Т1 и Б1, соответствующие точкам А, Т и Б выходной динамической характеристики, которые определяют рабочую точку и границы рабочего участка на динамической передаточной характеристике. Проекция рабочего участка А1Б1 на ось напряжений выражает двойную амплитуду переменной составляющей входного напряжения 2Uз m. Проекция точки Т1 на ось напряжений определяет постоянное напряжение (ЭДС) смещения Ез0.

По динамической передаточной ВАХ может быть графически определена также средняя динамическая крутизна каскада Sд = 2Ic m/2Uз m, через которую по заданному сопротивлению нагрузки рассчитывается коэффициент усиления по напряжению

Следует отметить, что МОП-транзисторы и полевые транзисторы с барьером Шоттки используются в тех же схемах включения, что и полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом.

14.3. РаботаПТвимпульсномрежиме.

Полевые транзисторы, главным образом имеющие индуцированный канал, находят широкое применение в качестве ключевых элементов в разнообразных устройствах цифровой электронной техники. Преобладающее положение транзисторов с индуцированным каналом (обычно р-типа) в ключевых схемах объясняется наличием у них четко выраженного уровня порогового напряжения затвора Uпор. Если управляющее напряжение Uвх, подаваемое на затвор, меньше порогового, то транзистор закрыт, если больше порогового, то транзистор открыт.

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.3. Работа ПТ в импульсном режиме.

Наибольшее распространение получила схема с общим истоком (рис. 14.3). Управляющее напряжение Uвх = Uзи подается на затвор. Выходное Uвых = Uси снимается со стока. На схеме показан транзистор с индуцированным р-каналом.

Статические состояния ключа. На рис. 14.4 показана нагрузочная характеристика транзистора, нанесенная на семейство его выходных статических характеристик Ic = ƒ(Uси) при различных значениях Uзи. Для тока стока транзистора можно записать

Ключ в рабочем режиме постоянно находится в одном из двух состояний (точка А или В на нагрузочной характеристике).

Состояние А – ключ закрыт, через транзистор протекает пренебрежимо малый ток. Выходное напряжение равно практически напряжению источника питания Uвых = UА = Eси, если сопротивление нагрузки резистора Rс не очень большое. В этом режиме входное напряжение должно быть меньше порогового: |Uвх| < |Uпор|.

–Eси

Rc

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.3. Работа ПТ в импульсном режиме.

Состояние В – ключ открыт, через транзистор протекает полный рабочий ток. В этом режиме входное напряжение должно быть больше порогового: |Uвх|>|Uпор|. Выходное напряжение

уменьшается вследствие увеличения падения напряжения на нагрузке Rc. Выходное напряжение открытого ключа тем меньше (что желательно),

чем выше сопротивление резистора Rс и больше ток транзистора в режиме открытого канала, т. е. на восходящем участке его выходных характеристик. Низкопороговые ключевые МДП-транзисторы имеют кремниевый затвор вместо металлического. В таких транзисторах пороговое напряжение снижается до 1,5 В, т. е. почти вдвое по сравнению с транзисторами, имеющими металлический затвор.

Процесс включения транзистора. Под воздействием управляющего напряжения транзистор открывается и через него происходит разряд емкости Cси, которая при закрытом транзисторе была заряжена до напряжения Еси

(рис. 14.5).

–

R

U

С

С

Рис. 14.5. Схема ключа на МОП-транзисторе с учетом паразитных емкостей

Рассмотрим процесс включения транзистора с помощью идеализированного графика перемещения рабочей точки из положения А в положение В (показан на рис. 14.4 пунктирными стрелками). После подачи импульса

входного напряжения Uвх = Uзи4 в течение времени задержки tз формируется

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.3. Работа ПТ в импульсном режиме.

новое (проводящее) состояние канала. Это время определяется динамической входной емкостью ключа (она больше статической емкости Cзи за счет влияния проходной Сзс и выходной Cси емкостей), а также пороговым напряжением Uпор, амплитудой и внутренним сопротивлением Uвх источника входного напряжения:

Если внутреннее сопротивление RГ источника входного сигнала небольшое (источник напряжения), то время задержки tз пренебрежимо мало. Снижение порогового напряжения также уменьшает время задержки.

После того как сформировалось проводящее состояние канала, рабочая точка скачком переходит в положение A1, поскольку выходное напряжение Uси не может мгновенно уменьшится из-за влияния выходной емкости Сси, для разряда которой требуется определенное время. По мере разряда емкости Сси через открытый канал током Iр рабочая точка за некоторое время t1 перемещается в положение A2. Разряд осуществляется током постоянной величины (влиянием резистора Rс пренебрегаем):

где β первеанс транзистора. В этом случае справедливо соотношение

в котором должна быть учтена проходная емкость Cзс, если источник входного напряжения низкоомный.

На завершающем этапе процесса включения рабочая точка перемещается за время t2 в положение В, на выходе устанавливается напряжение Uвых = UВ. Тогда время t2 может быть оценено с помощью соотношения для элементарной RC-цепочки:

Полное время включения транзистора

Из рассмотренного следует, что для уменьшения времени включения необходимо увеличивать первеанс транзистора и уменьшать пороговое напряжение Uпор.

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.3. Работа ПТ в импульсном режиме.

Процесс выключения транзистора. При уменьшении входного напряжения ниже порогового значения рабочая точка переходит из положения В в положение В1. Время перехода зависит от входной емкости транзистора и внутреннего сопротивления источника сигнала RГ. В реальных условиях оно пренебрежимо мало.

Далее происходит заряд выходной емкости Cси через резистор Rс от источника Еси. Время заряда tз ≈ 2,3RcCси определяет время выключения транзистора tвыкл ≈ tз. Это время больше времени включения tвкл, поскольку сопротивление резистора Rс обычно велико.

Временные диаграммы входного и выходного напряжений ключа на транзисторе с изолированным затвором показаны на рис. 14.6.

Ключевые МОП-транзисторы. Для работы в клю чевом режиме необходимы транзисторы, удовлетворяющие специфической системе требований, отличающихся от тех, которые характерны для транзисторов, работающих в усилительном режиме. По этой причине промышленностью выпускается ряд транзисторов, специально предназначенных для работы в ключевом режиме. Такие транзисторы будем для краткости называть

ключевыми.

U

вх

Рис. 14.6. Временные диаграммы входного и выходного напряжений

Сравнивая ключевые МОП-транзисторы с ключевыми биполярными транзисторами, можно отметить важное свойство первых, заключающееся в

ЛЕКЦИЯ 14. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

14.3. Работа ПТ в импульсном режиме.

наличие высокоомного входа, допускающего управление по напряжению. Другими преимуществами являются:

высокое быстродействие, обусловленное отсутствием в канале неравновесных носителей заряда и малыми величинами входной и выходной емкостей (время переключения 1–0,4 нс);

сочетание высокого быстродействия с большими напряжениями и токами переключения (до 10 А за 15 нс);

низкое сопротивление открытого канала, обеспечивающее коммутацию сигналов в низкоомных цепях, например в коаксиальном кабеле с волновым сопротивлением 50 Ом.

Ввиду указанных преимуществ ключевые МОП-транзисторы находят широкое практическое применение.