Транзистор с p-n-затвором как усилитель

Коэффициент усиления и выходная мощность. Полевые транзисторы с р-n-затвором находят применение как усилители колебаний. Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 7.7, а, б,в. Основной из них является схема с общим истоком (ОИ). Управляющее напряжение U_вх подается на затвор, в цепь затвора включено напряжение _зи для смещения рабочей точки в необходимое положение, в

выходную цепь включены нагрузка R и источник напряжения питания _си. Напряжение стока при наличии нагрузки

U_си = _си – RI_с. (7.27)

При изменении напряжения затвора изменяется ток стока, а следовательно, и напряжение стока U_cи, причем изменения напряжений затвора и стока противоположны: при повышении напряжения затвора возрастает ток стока и напряжение стока снижается, а при уменьшении напряжения затвора напряжение стока увеличивается. Однако вследствие очень малого влияния напряжения стока на ток стока (высокое внутреннее сопротивление R_i,) передаточная характеристика транзистора при наличии нагрузки остается практически такой же, как при отсутствии нагрузки (см. рис. 7.4); ее крутизна не изменяется.

Коэффициент усиления по напряжению найдем, дифференцируя выражение (7.27) по U_зи:

(7.28)

Таким образом, для получения хорошего усиления необходимо иметь большую крутизну S и высокое сопротивление нагрузки, однако величина последнего ограничивается шунтирующим действием емкостей транзистора.

В отношении выбора режима линейного усиления действуют те же правила, что и для биполярного транзистора: изменения выходного тока и входного напряжения должны быть строго пропорциональны, но задача в данном случае упрощается, так как входной ток практически отсутствует и искажения, за счет нелинейности входной цепи не возникают. Построение нагрузочной характеристики в соответствии с выражением (7.27) на выходных характеристиках (см. рис. 7.3) и выбор по ним режима неискаженного усиления предлагается сделать самостоятельно. Заметим только, что заходить при выборе режима в область прямых напряжений затвора нельзя, так как при этом резко возрастают искажения из-за появления большого прямого тока затвора. Следовательно, максимальная амплитуда переменного напряжения затвора U_{mз max} должна быть меньше половины напряжения отсеч­ки U_отс. Выходная мощность усилителя на полевом транзисторе

P_вых= (7.29)

Максимальная выходная мощность имеет .место при U_mзи=U_отс2:

P_{вых max}= (7.30)

Таким образом, для получения высокой выходной мощности необ­ходимо иметь транзистор с высокой крутизной и большим напряже­нием отсечки канала U_отс.

С ростом частоты входного напряжения коэффициент усиления по напряжению и выходная мощность снижаются вследствие уменьшения крутизны (7.25). Однако в первую очередь полоса частот, в которой обеспечивается усиление сигнала, ограничивается шунтирующим действием выходной емкости транзистора С_22и≈ С_сп и входной ем­кости С_11и≈ С_зи+ С_зп последующей ступени усиления, которые, будучи подключенными параллельно нагрузке R, уменьшают полнее сопротивление нагрузки Z. Модуль сопротивления нагрузки

(7.31)

С ростом частоты модуль уменьшается, а следовательно, снижается и коэффициент усиления:

(7.32)

Будем считать высшей частотой усиления _в такую частоту, на которой коэффициент усиления падает в раз по сравнению с его величиной на низкой частоте. При этом , а сопротивление нагрузки R=1_в(С_11и+ С_22и). Отсюда получаем произведение коэф­фициента усиления K_U на полосу усиливаемых частот f = f_в:

(7.33)

Аналогичное соотношение справедливо и для резонансной нагрузки в виде колебательного контура.

Влияние проходной емкости на усиление. Емкость сток – затвор С_зс обычно называют проходной: через нее из выходной цепи во вход­ную проходит ток

, (7.34)

создающий дополнительное напряжение на затворе, пропорциональное выходному напряжению и входному сопротивлению R_вх:

(7.35)

где α  С_зсR_вх.

Таким образом, проходная емкость создает цепь обратной связи выхода со входом. При определенном характере нагрузки дополнительное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением и результирующее напряжение затвора увеличивается:

(7.36)

Это в свою очередь приводит к повышению выходного напряжения:

, (7.37)

и эффективный коэффициент усиления возрастает:

(7.38)

С ростом частоты увеличивается коэффициент обратной связи α, поскольку он пропорционален С_зс; при в усилителе возникает самовозбуждение, его нормальная работа нарушается.

В теории усилителей показывается, что предельное усиление транзистора на заданной частоте определяется соотношением

K_пр=0,42 (7.39)

Отсюда следует, что для получения более высокого усиления необходимы транзисторы с малой емкостью С_зс. Поскольку эта емкость определяется площадью боковой поверхности р⁺-области затвора (см. рис. 7.6, а), одним из путей ее уменьшения является применение неглубоко залегающих, так называемых мелких р-n-переходов.

С той же целью р-n-переход затвора заменяют переходом металл-полупроводник (барьер Шоттки), который образуется непосредственно под поверхностью электрода затвора и поэтому имеет значительно меньшую глубину залегания и меньшую площадь боковой поверхности. Не отличаясь по принципу действия от транзисторов с р-n-затвором, полевые транзисторы с металлополупроводниковым затвором благодаря небольшой проходной емкости и малым размерам электродов имеют более высокие предельные частоты усиления, достигающие 30 ГГц.

Шумы. Основными источниками шумов полевого транзистора с р-n-затвором являются тепловое движение носителей заряда в канале и в распределенных сопротивлениях истока и стока, ударная ионизация и термогенерация .носителей в перекрытой части капала, а также дробовой эффект тока затвора. Эти шумы имеют равномерное распределение по диапазону.

На низких частотах, так же как и у биполярных транзисторов, существуют шумы мерцания, обусловленные нестабильностью свойств поверхности: величина их пропорциональна 1/f^m, m=1÷2.

Уровень шума у полевых транзисторов значительно ниже, чем у биполярных транзисторов, в связи с отсутствием шумов, обусловленных рекомбинацией носителей заряда в базе. Полевые транзисторы особенно пригодны для усиления сигналов источников с высоким внутренним сопротивлением благодаря малой величине шумового тока затвора.

Для оценки шумовых свойств полевого транзистора с р-n-затвором можно применять те же параметры и модели, что и для биполярных транзисторов. Коэффициент шума полевого транзистора обычно составляет 2—4 дБ. Шумы мерцания принято характеризовать величиной э. д. с. шума в единичной полосе пропускания усилителя; они равны 20—30 нВ/