2.4 Выбор рабочей точки пт
Выбор рабочей точки транзистора определяется [1] максимальным выходным напряжением, максимальной рассеиваемой мощностью,
максимальным изменением тока стока, максимальным коэффициентом усиления по напряжению, наличием напряжений смещения, минимальным коэффициентом шума. Для достижения максимального выходного напряжения следует прежде всего выбрать наибольшее напряжение питания, значение которого ограничивается допустимым напряжением стока транзистора. Чтобы найти нагрузочное сопротивление, при котором получается максимальное неискаженное выходное напряжение, определим последнее как полуразность между напряжением источника питания Еп и напряжением насыщения (равным напряжению отсечки). Разделив это напряжение на выбранное значение тока стока в рабочей точке Iс, получим оптимальное значение нагрузочного сопротивления:
(2.20)
Минимальное значение рассеиваемой мощности достигается при минимальных напряжении и токе стока. Этот параметр важен для портативной аппаратуры, работающей от батарейных источников питания. В тех случаях, когда требование минимальной рассеиваемой мощности имеет первостепенное значение, необходимо использовать транзисторы с низким напряжением отсечки Uотс. Ток стока можно уменьшить при помощи изменения напряжения смещения на затворе, но при этом необходимо иметь в виду снижение крутизны, сопровождающее уменьшение тока стока.
Минимальный температурный дрейф тока стока для некоторых транзисторов может быть достигнут путем совмещения рабочей точки с точкой на проходной характеристике транзистора, имеющей нулевой температурный коэффициент. При этом ради точной компенсации приносится в жертву взаимозаменяемость транзисторов. Максимальный коэффициент усиления при малых значениях нагрузочного сопротивления достигается при работе транзистора в точке с максимальной крутизной. У полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом этот максимум имеет
место при напряжении затвор - исток, равном нулю. Минимум коэффициента шума достигается установлением режима малых напряжений на затворе и стоке.
2.5 Выбор полевого транзистора по напряжению отсечки
В ряде случаев выбор ПТ по напряжению отсечки оказывает решающее влияние на работу схемы [3]. Транзисторы с низким напряжением отсечки имеют ряд преимуществ в схемах, где используются маломощные источники питания и где требуется большая температурная стабильность.
Рассмотрим, что происходит, когда два полевых транзистора, имеющих различные напряжения отсечки, используются в схеме с общим источником при одинаковом напряжении питания и нулевом смещении на затворе.
Рисунок 2.3 Характеристика передачи ПТ.
Обозначим Uотс1 - напряжение отсечки транзистора ПТ1 и Uотс2 - напряжение отсечки транзистора ПТ2, при этом Uотс1<Uотс1. Если сопротивление нагрузки в обоих случаях выбирается таким образом, что
Uc1=Uc2=Uc≥Uотс2
где Uc1 и Uc2 - напряжения на стоках первого и второго ПТ соответственно,
(2.21)
Введем термин «показатель качества» [2]:
(2.22)
Значение М можно уяснить из рисунке 2.3, на котором представлена типичная характеристика передачи полевого транзистора с каналом p-типа.
Наклон кривой при Uз.и=0 равен Sмакс. Если касательную в точке Uз.и=0 продолжить до пересечения с осью абсцисс, то она отсечёт на этой оси отрезок Uотс/M. Это легко показать, исходя из (20):
(2.23)
Следовательно, М есть мера нелинейности проходной характеристики полевого транзистора. В [2] показано, что при изготовлении полевых транзисторов диффузионным методом М = 2.
Найдём значение тока Ic0 по выражению (2.21):
(2.24)
Подставив его значение в (2.23), получим:
(2.25)
Если в формуле (2.1) положить Ri>>Rн, то коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим истоком
(2.26)
Подставив значение коэффициента усиления (2.26) в выражение (2.25), получим:
(2.27)
Из соотношения (2.27) можно сделать следующий вывод: при заданном напряжении питания коэффициент усиления каскада обратно пропорционален напряжению отсечки полевого транзистора. Так, для полевых транзисторов, изготовленных методом диффузии, М = 2 и при Uотс1 = 1,5 В (КП103Е), Uотс2=7 В (КП103М), напряжении питания 12,6 В и
Uc = 7 В коэффициенты усиления каскадов равны соответственно 7,5 и 1,6. Коэффициент усиления каскада с ПТ1 возрастает ещё больше, если за счёт увеличения сопротивления нагрузки Rн уменьшить Uс до 1,6 В. Следует отметить, что в этом случае при неизменном напряжении питания Еп транзистор с малой крутизной может обеспечить больший коэффициент усиления по напряжению, чем транзистор с большей крутизной (за счёт большего сопротивления нагрузки).
В случае малого сопротивления нагрузки Rн желательно использовать полевые транзисторы с большим напряжением отсечки для получения большего коэффициента усиления (за счёт увеличения S).
У транзисторов с низким напряжением отсечки изменение тока стока от температуры много меньше, чем у транзисторов с большим напряжением отсечки, и поэтому требования к стабилизации рабочей точки ниже. При смещениях на затворе, задающих нулевой температурный коэффициент изменения тока стока, у транзисторов с меньшим напряжением отсечки ток стока выше, чем у транзистора с более высоким напряжением отсечки. Кроме того, поскольку напряжение смещения на затворе (при нулевом температурном коэффициенте) у второго транзистора больше, то транзистор будет работать в режиме, при котором сильнее сказывается нелинейность его характеристик [3].
При заданном напряжении питания полевые транзисторы с низким напряжением отсечки позволяют получить больший динамический диапазон. Например, из двух транзисторов, имеющих напряжение отсечки 0,8 и 5 В при напряжении питания 15 В и максимальном сопротивлении нагрузки, рассчитываемом из соотношения (2.20), на выходе первого можно получить удвоенную амплитуду выходного сигнала (определяемую как разницу между Еп и Uотс), равную 14,2 В, в то время как во втором - лишь 10 В. Различие в усилении будет еще более наглядным, если Еп уменьшить. Так, если напряжение питания снизить до 5 В, то удвоенная амплитуда выходного напряжения первого транзистора будет составлять 4,2 В, второй же транзистор использовать для этих целей практически невозможно [3].