Параметры работы полевых транзисторов с р-n-переходом.

К параметрам работы полевых транзисторов относят стоковые (выходные) и стоко-затворные (выходные) характеристики.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n переходом и каналом n- типа показаны на рис.

Рисунок 5.3. ВАХ полевого транзистора с p-n переходом.

Они отражают зависимость тока стока от напряжения сток – исток при фиксированном напряжении сток – исток

и представляются в виде семейства кривых.

Приложение к затвору обратного напряжения вызывает сужение канала и уменьшение его исходной проводимости.

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвор – исток при фиксированном напряжении сток – исток :

Напряжение на затворе, при котором ток в канале близок к нулю, называется напряжением запирания, или отсечки.

Крутизна стокозатворной характеристики отражает влияние приращения напряжения на затворе на приращение выходной тока транзистора:

.

МОП - транзисторы

В отличие от полевых транзисторов с р-n переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с ближайшей областью токопроводящего канала, в МДП - транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП - транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором.

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов - со встроенным и индуцированным каналом.

Принципиальное различие между полевыми транзисторами с p-n-переходом и МОП – транзистором состоит в том, что на затворе последнего может быть создан положительный потенциал по отношению к истоку. Это свойство может быть использовано для увеличения тока стока МОП - транзистора.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n-типа по виду близки к характеристикам полевого транзистора с р-n переходом.

Режим работы транзистора (Uзи), при котором происходит уменьшение концентрации заряда в канале, называют режимом обеднения.

Режим работы транзистора (Uси), при котором происходит увеличение концентрации заряда в канале, называют режимом обогащения.

В качестве затвора применяют тонкий слой алюминия AL толщиной 0,5 – 1,0 мкм, электрически изолированный от полупроводникового канала тонким слоем (толщиной 40 – 100 нм) окисла кремния SiO2. Подложка выполнена из монокристаллического кремния Si p-типа (легированного атомами бора или фосфора).

Наиболее важное свойство SiO2 состоит в том, что напряжение , приложенное к затвору, не вызывает тока между металлом и полупроводником, а лишь приводит к появлению электрического поля и поверхностных зарядов на границах алюминия и кремния (эффект «МОП - конденсатора»).

МОП-транзисторы со встроенным каналом

Рисунок 5.4. МОП-транзисторы со встроенным каналом

а) схема работы и подключения МОП-транзистора;

б) МОП - транзистор n-типа;

в) МОП - транзистор р-типа;

г) МОП - транзистор р-типа с выводом от подложки;

д) принципиальная схема МОП-транзистора.

Стоковые (выходные) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом близки к характеристикам транзистора с p-n-переходом.

Рисунок 5.5. ВАХ МОП-транзистора со встроенным каналом

Проводимость канала возрастает с увеличением приложенного к затвору положительного напряжения и уменьшается при приложении к затвору отрицательного напряжения. Таким образом, транзистор со встроенным каналом работает как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом

Рисунок 5.6. МОП-транзисторы с индуцированным каналом

а) МОП - транзистор n-типа;

б) МОП - транзистор р-типа;

в) МОП - транзистор р-типа с выводом от подложки;

г) структурная схема МОП - транзистора;

д) принципиальная схема МОП – транзистора.

В МДП - транзисторе с индуцированным каналом n-типа канал проводимости тока специально не создается, он образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока, что обеспечивает работу МОП - транзистора в режиме обогащения.

Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости Ic = F(Ucи) . Отличие в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Ucи .

Рисунок 5.5. ВАХ МОП-транзистора с индуцированным каналом

При обращении с МОП-транзисторами необходимо соблюдать предосторожность в связи с тем, что его изолирующий слой из окисла кремния SiO2 достаточно чувствителен и может быть поврежден статическим зарядом от пальцев рук.

Лекция 6. Операционные усилители

Операционными усилителями называются усилители напряжения, предназначенные для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиления или ослабления; сложения или вычитания; интегрирования или дифференцирования; логарифмирования или потенцирования. Все эти операции выполняют с помощью цепей с положительной или отрицательной обратной связью, в состав которых могут входить R, C, L, диоды и т.д.

Рисунок 6.1. Операционный усилитель

Требования, предъявляемые к идеальному ОУ

• Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.

• Бесконечно большое входное сопротивление входов V- и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.

• Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.

• Способность выставить на выходе любое значение напряжения.

• Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.

• Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Основные параметры ОУ

Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, т.е. входные сигналы можно подавать на ОУ из двух входов: один из них изменяет полярность выходного напряжения и называется инвертирующим, другой – не изменяет и относится к категории неинвертирующего входа. На схемах инвертируемый вход обозначается значком « » или « ».

Усредненное напряжение, приложенное к обоим входам одновременно, называется синфазным (рис. 6.2 а).

Рисунок 6.2. Входные напряжения ОУ. а) синфазное; б) дифференциальное.

Выходное напряжение при этом должно быть равным нулю. Во всех других случаях

,

где А - коэффициент усиления, стремящийся к  .

Разность напряжений называется дифференциальным входным сигналом (рис. 6.2 б). Он приложен между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Напряжение питания указывается на схемах со знаком + или – , а на некоторых стандартах обозначается символами «Vcc» и «GND».

ОУ характеризуется входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными и скоростными параметрами.

Амплитудные (передаточные) характеристики. Представляются в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам (рис 6.3.).

Рисунок 6.3. Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ.

Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого, либо закрытого транзистора выходного каскада. Напряжение на входе ОУ близко к + либо – , т.е. напряжению питания.

Наклонным участкам кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона определяется коэффициентом усиления

Большое значение коэффициента усиления позволяет при охвате таких усилителей отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Наличие входных токов смещения обуславливается конечными значениями входного сопротивления дифференциального каскада и разностью параметров транзисторов (рис. 6.3).

Рисунок 6.3. Коррекция разности входных токов ОУ.

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада.

Выходные параметры. Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальные значения выходного напряжения и тока.

Частотные параметры. Частотные параметры определяются амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) ОУ (рис. 6.3).

Рисунок 6.3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ОУ.

АЧХ имеет спадающий характер в область высокой частоты, начиная с частоты среза . Частота , при которой коэффициент усиления равен единице, называют частотой единичного усиления.

По граничной частоте , при которой имеет место снижение коэффициента усиления в раз, оценивают полосу пропускания частоты усилителя.

Динамические параметры. Динамическими параметрами являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения.

Рисунок 6.4. Динамические параметры ОУ.