Исследование свойств транзисторов

    На  рис. 2 изображена зависимость проходного сечения канала полевого транзистора  с p – n переходом от напряжения смещения между затвором и истоком (а) и истоком и стоком (б). Как видно из рис.26, а, увеличение  
 
 

                                                                                        Затвор                   Сток 
 
 
 

    

    

                                   Область, обеднённая

                                         носителями 

                  Канал                   зарядов                                          Канал 

                     а                                                                         б

Рис. 2. Зависимость профиля  проходного сечения  полевого транзистора  с p – n переходом от напряжения смещения между затвором и истоком (а) и истоком и стоком (б) 

Напряжения смещения перехода приводит к расширению области обеднённого слоя. Увеличение же напряжения питания, подаваемого между стоком и истоком, согласно рис.2, б, наоборот, сжимает её, делая клиновидной. И если первый фактор способствует уменьшению тока, то второй – его увеличению.

  3,0                                                                          3,5                        

  I              II            III        

  2,5                                                                             3                               

  2,0                                                                2,5            Rc=0     Rc=5к

                                                              Rc=0              2

  1.5                                           Rc=5ком     1,5   Rc=15к

                                                      

  1.0                                                       Rc=15ком      1                                                  Ic

  0,5                                                  0,5

     0       5      10   15    20    25   30                              0      1      2     3      4      5     6

  Рис. 3 .Выходная вольт-амперная                Рис. 4. Зависимость тока стока от

  характеристика полевого транзистора    напряжения затвора полевого

                                                                        транзистора           

Сказанное выше позволяет объяснить своеобразный ход вольтамперных характеристик  стока при различных величинах  напряжения смещения на затворе относительно истока, примерный вид которых показан на рис. 3. Так, когда напряжение смещения равно нулю, область обеднённого слоя минимальна, площадь поперечного сечения канала максимальна, а поэтому ток стока растёт почти линейно по мере увеличения напряжения питания от нуля до некоторой величины, при которой начинает сказываться влияние тока стока на область обеднённого слоя. При дальнейшем повышении напряжения питания наступает насыщение канала и ток через него практически не меняется вплоть до наступления лавинного пробоя, который наблюдается при напряжении питания, равном обычно нескольким десяткам вольт.    

    При подаче небольшого запирающего напряжения область обеднённого слоя увеличивается  в объёме, проходное сечение канала уменьшается, и, как следствие этого, снижается ток стока. В этом случае насыщение канала наступает при меньшем напряжении питания, чем это было при нулевом смещении. И, наконец, при подаче очень большого напряжения смещения, когда область обеднённого слоя почти полностью перекрывает канал, ток стока становится настолько малым, что его можно считать равным нулю. Напряжение смещения, при котором ток стока близок к нулю, называется напряжением отсечки и обозначается Uотс.

    Принято считать, что на участке вольт  – амперной характеристики, ограниченной пунктирной кривой и осью Ic (рис. 3), полевой транзистор ведёт себя как ламповый триод или омическое сопротивление. На участке, где характеристики идут практически параллельно оси напряжения питания, полевой транзистор аналогичен ламповому пентоду. Сокращённо эти области называют триодными и пентодными.

    На  рис. 3 видно, что в пентодной области  величина тока стока определяется напряжением  смещения и не зависит от напряжения стока, вследствие чего представляется возможным выразить зависимость  тока стока от напряжения затвора в виде одной кривой, например, подобной той, что дана на рис. 4. Обе характеристики полевых транзисторов могут быть сняты с помощью лабораторной установки.

    Основными параметрами вольт – амперной характеристик полевых транзисторов являются ток насыщения Iо, напряжение отсечки Uотс и крутизна S. По напряжению отсечки полевые транзисторы можно условно разбить на три группы: с малым (до 4 в), средним (4 – 8 в) и высоким (более 8 в) напряжением отсечки Uотс.

    Крутизной вольт – амперной характеристики называется отношение изменения  тока стока к вызвавшему его изменению напряжения затвора, измеряемое в миллиамперах на вольт (ма/в), то есть 

    

 

    На  рисунках 3 и 4 видно, что крутизна зависит  от напряжения затвора и максимальна  при нулевом смещении. Это максимальное значение обычно обозначается как Sо. Величина крутизны при иных значениях напряжения затвора может быть определена для современных типов транзисторов по приводимой ниже формуле 

    

 

    Из  приведенных выше графиков и формул следует, что при напряжении затвора, равном или большем напряжения отсечки, крутизна равна нулю, то есть полевой транзистор перестаёт управлять рабочим током.

    Необходимо  иметь в виду, что величина Sо и Iо связаны между собой простым соотношением 

    

 ма 

Это значит, что максимальное значение крутизны численно в 2 – 2,5 раза меньше тока насыщения. Следовательно, для получения более высокой крутизны требуется увеличение тока насыщения.

                

 

    Эквивалентная схема замещения 

    полевого  транзистора 

    При проведении расчётов усилительных схем на полевых транзисторах для широкого диапазона частот можно пользоваться эквивалентной схемой замещения, приведённой на рис. 5. Здесь rз – входное активное сопротивление затвора; rи – активное сопротивление истока; кс – активное сопротивление стока; Сз – ёмкость затвора; Сзс – ёмкость между затвором и стоком; Св – ёмкость стока. У современных кремниевых диффузионных полевых транзисторов rз =  100 – 200 МОм; rо = 100 – 500 КОм; rи = 200 – 1000 Ом; Сз = Со = 5 – 10 пФ; Сз. с = 1 – 3 пФ. При этом следует учесть, что так же, как у биполярных транзисторов, величины выходной и проходной ёмкостей (Со и Сз.с) уменьшаются при повышении напряжения питания (стока). 

     Затвор                 Сзс          Iс = S*Uвх       Сток             Рис. 5. Эквивалентная

                                                                                               схема замещения 

         (З)                                                                                     полевого транзистора

                                                                                               при малом сигнале.

      Сз                   rз                             rc        Сс        
 
 
 
 

                                                 rU  

                                              (И)

                                        Исток 

    Полевые транзисторы могут быть включены по четырём схемам: с общим истоком (ИС), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ) и с разделённой нагрузкой. Условные графические изображения всех схем включения приведены на рисунке 6. 

     Рис. 6. Схемы включения  полевых транзисторов 
 

    а                                      б 
 
 
 
 

    

     в                                        г

    

    

    

    

    

    В схеме с общим  истоком (рис. 6 а) входной сигнал подаётся на затвор относительно истока, а выходной – снимается между стоком и истоком. Максимальное усиление напряжения достигается при сопротивлении нагрузки, много большем сопротивления стока, и называется оно собственным коэффициентом усиления полевого транзистора (мю). Оно численно равно произведению крутизны на сопротивление стока 

    

(Ком)

Например, если принять средние значения S = 0,5 ма/в и rc = 500 Ком , то получим что само по себе немало.

    В том случае, когда сопротивление  нагрузки rн и стока rc соизмеримы, коэффициент усиления напряжения равен

Если же сопротивление  нагрузки много меньше сопротивления стока, то из предыдущей формулы вытекает более простое выражение

(Ком),

Из которого следует, что усиление по напряжению прямо пропорционально произведению крутизны на сопротивление нагрузки. Физически это можно иллюстрировать таким примером. Пусть величина входного напряжения на затворе уменьшилась на 1 в. Тогда согласно ранее приведённому соотношению ток стока должен увеличиться на S ма. Это изменение тока стока вызовет изменение падения напряжения на нагрузке rн (Ком) на величину Uвых = Srн в. Поскольку первоначально было принято, что Uвх = 1 в, то коэффициент усиления по напряжению оказывается равным

(Ком)

что соответствует  последней выведенной формуле.

    Как видно из разобранных примеров, с  точки зрения повышения усиления по напряжению желательно иметь высокие значения крутизны и сопротивления нагрузки. Правда, здесь есть свои разумные пределы, так как повышение крутизны связано с ростом потребляемого тока, а увеличение сопротивления нагрузки, в особенности активной, требует значительного повышения напряжения питания. Действительно, при Sо = 0,5 ма и Rн = 10 Ком имеем ма и в. То есть только на активном сопротивлении нагрузки падает около 12в. Напряжение питания должно быть на 5 – 8в выше, следовательно, около 17 – 20в.

    Использование полевых транзисторов не даёт существенного  выиграша в усилении по напряжению сравнительно с биполярными транзисторами. Но зато они дают значительное усиление мощности, вследствие высокого входного сопротивления, которое на низких частотах может составлять десятки мегом. Биполярные транзисторы имеют входное сопротивление в сотни и тысячи раз меньше.

    В схеме с общим  затвором (рис. 6 б) входным электродом является исток, выходным – сток. Отличается эта схема низким входным сопротивлением, равным

.

Поскольку обычно выполняется условие  << rс, то с учётом >>1 получается приближённое выражение

Это значит, что  входное сопротивление каскада  по схеме с общим затвором равно  выходному сопротивлению истокового повторителя и определяется только крутизной: чем выше крутизна, тем  меньше входное сопротивление.