Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Рис. 4.23. Статические выходные (а) и передаточная (б) характеристики полевого транзистора с р-n переходом

Каковы свойства полевых транзисторов?

Важный параметр униполярных транзисторов — большое входное сопротивление. Оно является следствием протекания очень малого тока затвора, который для полевых транзисторов с р-n переходом равен от 1 до 10 мА, а для МОП транзисторов — в 1000 раз меньше.

Большое входное сопротивление допускает управление полевым транзистором по напряжению от генератора (источника), практически такой транзистор не нагружает источник, не отбирает от него мощность.

Выходное сопротивление (внутреннее сопротивление — прим. перев.) полевых транзисторов (определяется в режиме насыщения) также велико и может быть равно нескольким сотням килоом

Важным параметром полевого транзистора является крутизна или иначе проводимость прямой передачи, которая определяется как

ее значение может изменяться от нескольких миллисименсов до 1 См. Обычно крутизна полевых транзисторов меньше крутизны биполярных. Усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены относительно небольшим напряжением, подведенным между затвором и истоком и вызывающим большое изменение тока стока, а следовательно, и большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

В каких схемах работает полевой транзистор и какова его эквивалентная схема?

Полевой транзистор, так же как и биполярный, может работать в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на рис. 4.24; схема с общим истоком (ОИ) — аналог схемы ОЭ; схема с общим затвором (ОЗ) — аналог схемы ОБ, схема с общим стоком (ОС) — аналог схемы ОК.

Рис. 4.24. Схемы включения полевого транзистора:

а — с общим истоком; б — с общим затвором; в — с общим стоком

Для каждой из этих схем можно определить соответствующую эквивалентную схему. На рис. 4.25 показана упрощенная физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ с нагрузкой в цепи стока — резистором сопротивлением Rн. Емкость Сзи лежит обычно в пределах 3—10 пФ, а емкость Сзс еще меньше.

Рис. 4.25. Физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ и нагрузкой Rн

Входная емкость транзистора в схеме с ОИ выражается зависимостью

Свх = Сзи = k·Сзс

причем коэффициент k зависит от S и Rн и он тем больше, чем больше S и Rн. Емкость эквивалентной схемы достаточно просто можно измерить либо найти в справочниках, однако в них чаще даются «четырехполюсниковые» параметры транзистора. При этом следует помнить, что имеются следующие соотношения:

Сзс = С12; Сзс + Сзи = С11

Параметр S можем определить из характеристик. Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОИ рассчитывается по формуле

KU = ΔUвых/ΔUвх = — S·Rн

Знак минус обозначает переворачивание фазы на 180° в схеме с ОИ.

Чем отличаются свойства биполярных и полевых транзисторов?

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют следующие преимущества: большое входное сопротивление, малую зависимость параметров от температуры, возможность работы в диапазоне как положительных, так и отрицательных сигналов (это не относится к полевым транзисторам с р-n переходом, которые при смещении затвора в проводящем направлении дают большой ток затвора).

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают следующими недостатками: малая мощность, малое значение S; большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты. Например, Rк = 15 кОм, Свх = 40 пФ, и тогда на частоте f = 100 кГц получим Zвх = 1/10ω·Свх= 40 кОм.

Что можно сказать о рабочей характеристике схемы с ОИ?

Усилитель, работающий по схеме с ОИ, представлен на рис. 4.26, а, а выходные стоковые характеристики Ic = f(Uси) для Uзи = const — на рис. 4.26, б. Можем записать следующее уравнение:

Uси = Ec — UcRн

причем для плоских участков характеристики Ic = f(Uси) в случае полевых транзисторов с р-n переходом и МОП-транзисторов «нормально включенных» существует зависимость

Ic = Ic нас·(1 — Uзи/Uотс)2

в которой Ic нас определяет ток насыщения стока при Uзи = 0. Для МОП транзисторов «нормально включенного» типа не существует Iси кз, поскольку ток «отсечен», если напряжение затвора меньше небольшого порогового значения Uпор (ток Ic выражается другой зависимостью).

Рабочую характеристику получают нанесением на семействе статических стоковых характеристик соответствующих нагрузочных прямых (рис. 4.26, б). Две точки Р1 и Р2 через которые проходит нагрузочная прямая для постоянного тока, определяется следующим образом:

Ic(P1) = Ec/Rн; Uси(P1) = 0

Ic(P2) = 0; Uси(P2) = Ec

При выборе рабочей точки следует учитывать, что зависимость, определяющая ток Ic, является квадратичной. Это означает возможность возникновения нелинейных искажений в результате появления, в частности, второй гармоники усиливаемого сигнала. В связи с этим рабочую точку следует выбирать таким образом, чтобы нагрузочная прямая для переменного тока полностью находилась в области плоских участков стоковых характеристик. В упрощенной схеме усилителя, представленной на рис. 4.26, а, обе нагрузочные прямые для постоянного и переменного тока налагаются друг на друга, поскольку в цепи, через которую протекает ток стока, отсутствует реактивность. Искажения увеличиваются с ростом амплитуды усиливаемого сигнала.

Рис. 4.26. Электрическая схема (а) и рабочие (нагрузочные) характеристики (б) для усилителя с полевым транзистором в схеме с ОИ:

1 — нагрузочная прямая для переменного тока; 2 — нагрузочная прямая для постоянного тока

Чем следует руководствоваться при выборе рабочей точки транзистора?

При выборе рабочей точки следует учитывать несколько факторов. В общем можно сказать, что рабочая точка должна быть выбрана таким образом, чтобы при работе транзистора с предполагаемой амплитудой входного сигнала удовлетворялись следующие основные требования: нелинейные искажения должны быть минимальны; выделяющаяся в транзисторе мощность не должна превышать допустимой мощности рассеяния; напряжения и токи не должны превышать максимальных значений.

Указанные выше условия должны удовлетворяться во всем диапазоне температур, в котором будет работать транзистор, причем нельзя превышать температуру, оговоренную заводом-изготовителем. Температура влияет на параметры транзистора, ход его характеристик и положение рабочей точки.

При заданной амплитуде входного сигнала нелинейные искажения относительно невелики в том случае, если рабочая точка выбрана так, что используемый отрезок нагрузочной прямой (для переменного тока, если усиливается переменный сигнал) не проходит через область, в которой наблюдаются нелинейности характеристик.

При работе с малыми сигналами выбор положения рабочей точки не очень критичен и нелинейные искажения малы. При больших сигналах выбор рабочей точки весьма существен и часто критичен. Если нужно обеспечить работу с минимально возможными искажениями, то рабочую точку выбирают вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой, причем обычно сопротивление нагрузки и напряжение питания подбирают так, чтобы этот отрезок лежал в пределах линейного участка стоковой характеристики.