Полеви транзистори с pn-преход (jfet) общи сведения и класификация



Дата31.03.2017
Размер232.26 Kb.
ПОЛЕВИ ТРАНЗИСТОРИ
ПОЛЕВИ ТРАНЗИСТОРИ С PN-ПРЕХОД (JFET)
1. ОБЩИ СВЕДЕНИЯ И КЛАСИФИКАЦИЯ

Полевите транзистори са активни полупроводникови прибори, чиято работа се основава на управление на електрическото съпротивление на слой от полупроводников материал, посредством напречно електрическо поле. Полупроводниковият слой, чието съпротивление се модулира чрез промяна на сечението му, се нарича канал. Проводимостта на канала се определя само от един тип токоносители - основните за използвания полупроводник. Затова полевите транзистори се наричат още униполярни.

Електрическото поле се създава от метален електрод, разположен над канала, който се нарича гейт (управляващ електрод, затвор, G).

Електродът, от който основните токоносители влизат в канала, се нарича сорс – S (исток, катод). Електродът, през който основните токоносители излизат от канала, се нарича дрейн - D (сток, анод).

Патент на устройство, аналогично на полевия транзистор е направен още през 1930 г, от американския учен Дж. Лилиенфийлд. Това е станало много преди появата на биполярния транзистор. Обаче, поради ограничените възможности на технологията, полевите транзистори са разработени доста по-късно. През 1952 г. Шокли разработва и публикува теорията на полевия транзистор с PN-преход. През 1955 г. Дейси и Рос изработват първите екземпляри от германий на тези транзистори и изследват техните характеристики. През 1960 г. Аталла и Кант разработват структурата метал-окис-полупроводник, която стои в основата на MOS транзистора. Тук проводимостта на канала се изменя под действие на напрежение, приложено към метален електрод, изолиран с тънък слой окис от полупроводника.

В литературата на английски език, полевите транзистори са известни под съкращението FET (Field Effect Transistors). Понастоящем се произвеждат най-различни видове полеви транзистори с много добри качества, както във вид на дискретни елементи, така и в интегрални схеми.

Най-широко разпространение са получили полевите транзистори с управляващ PN-преход (Junction Field-Effect Transistor, JFET), при които изолацията между гейта и канала се осъществява чрез обеднения слой на обратно поляризиран PN-преход и МOS транзисторите (Metal-Oxyde-Semi-conductor, MOSFET), гейтьт на които е изолиран от канала с диелектрик (най-често се използва SiO2).

Класификация на полевите транзистори, според някои от най-често използваните критерии за класифициране е дадена на фиг.1.

Управлението на тока в изходната верига на JFET транзистори се осъществява чрез входно напрежение. Входният им ток е изключително малък, респективно входното им съпротивление е извънредно голямо. Следователно параметрите и характеристиките на тези транзистори съществено се отличават от параметрите и характеристиките на биполярните транзистори. Основните предимства на полевите транзистори пред биполярните са:


  • много голямото входно съпротивление;

  • ниското ниво на собствени шумове;

  • широк температурен диапазон на работа - от -200 до +200°С;

  • използват се и като управляеми съпротивления;

  • наличието на термостабилна точка, което позволява конструиране на стъпала с висока температурна стабилност;

  • устойчивост на параметрите им към въздействието на различни видове йонизиращи лъчения;

  • управляват се със сигнал с малка мощност и осигуряват значително усилване по мощност;

  • съществува голямо разнообразие на структури, което позволява реализацията на многобройни схеми и функции;

  • изработват се по познатите технологии и поради малкия си обем върху подложката (особено при MOS транзисторите) чрез тях се изграждат големите и свръхголемите интегрални схеми.


Фиг.1. Класификация на полевите транзистори
Основните недостатъци на полевите транзистори са:

  • по-малко бързодействие в сравнение с биполярните;

  • малка стръмност на характристиките;

  • малка устойчивост на статични електричества при MOS транзисторите, факт изискващ електростатична защита на външните входове;

  • противоположна полярност на напреженията UDS и UGS при полевите транзистори с РN-преход.

2. СТРУКТУРА НА ПОЛЕВИЯ ТРАНЗИСТОР С PN ПРЕХОД


Структурата на полеви транзистор с управляващ PN-преход и N-канал е показана на фиг.2. Състои се от подложка, изработена от полупроводников монокристал с N проводимост, в който е формиран канал между две Р+ области (области на гейта), притежаващи електрическа връзка помежду си.

В двата края се намират омически контакти, представляващи сорса (S) и дрейна (D). Структурата е симетрична, като сорсът и дрейнът са взаимно заменяеми.

Ако полупроводниковият кристал е от Р-тип, а областите на гейта са от тип N, транзисторът е Р канален.






Фиг.2.

Фиг.3


Графичните означения на полевия транзистор с PN-преход (N- и Р-канален) са показани на фиг.3. Посоката на стрелката в означението съответства на правата посока на PN-прехода във входната верига.

PN-преходът, (гейт-подложката) се поляризира винаги в обратна посока, при което обеднената област е разположена почти изцяло в подложката, тъй като Р+ областта на гейта е силно легирана.

При промяна на обратното напрежение върху PN-прехода дебелината на обемния заряд се променя, оттук и дебелината и сечението на проводящия канал. Електрическото съпротивление на канала е

RDS = ρ = = = ., (1)


където ρ е специфичното съпротивление на подложката, σ - специфичната проводимост, L - дължината, Z- широчината, а h - дебелината на проводящия канал. Следователно съпротивлението на канала може да се изменя, ако се изменят или размерите му L, Z и h, или концентрацията на токоносителите n. Промяната на съпротивлението на канала води до промяна на големината на дрейновия ток.
3. ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ
Принципната схема на включване на N-канален полеви транзистор с управляващ PN-преход, (схема с общ сорс) е показана на фиг.4, а на P-канален - на фиг.5.

Фиг.4. Фиг.5.



Разглеждаме N-каналния транзистор. Напрежението на дрейна спрямо сорса UDS трябва да е положително, а напрежението на гейта спрямо сорса UGS - отрицателно. По този начин PN-преходът гейт - подложка е поляризиран в обратна посока, като широчината на обеднения слой зависи от приложеното напрежение. С нарастване на отрицателното напрежение на гейта широчината на обеднения слой нараства, дебелината на канала намалява, съпротивлението му нараства и токът през канала намалява. Съществува такава стойност на гейтовото напрежение, при която обеднената област на управляващия PN-преход, запушва изцяло канала. Това напрежение се нарича прагово напрежение UT и е основен параметър на полевите транзистори и зависи само от конструкцията на прибора. Типичната му стойност е от порядъка на няколко волта. Токът ID при UGS = UT е много малък, но не е равен на нула, тъй като винаги има ток на утечка между дрейна и сорса, дължащ се на обратния ток на преходите и тока по повърхността на кристала.

Токът във входната верига е равен на обратния ток на управлявания PN-преход и е много малък (10-10 ÷ 10-11А). Полевият транзистор се управлява с напрежение за разлика от биполярния, който се управлява с ток. Поради малкия входен ток усилването по мощност е голямо.

От конструкцията и начина на действие се вижда, че сорсът и дрейнът са обратими, но се препоръчва при работа да се спазват местата им, както са дадени в справочниците, защото в някои случаи корпусът е свързан със сорса и размяната им би повишила паразитните капацитети.

Транзисторите с P-канал се отличават по обратната полярност на захранващите източници и обратните посоки на токовете.

На фиг.6 и фиг.7 са представени структури на N-канален полеви транзистор с PN-преход при фиксирано напрежение UGS< UT и при промяна (нарастване) на напрежението UDS. Чрез отрицателното напрежение UGS задаваме началното сечение на канала. Тъй като UGS < UT, каналът не е прищипан (фиг.6). За да протече дрейнов ток ID се подава "+" на дрейна и "-" на сорса. Електроните под влияние на електричното поле, създадено от напрежението UGS тръгват от сорса, преминават през канала, достигат до дрейна и в изходната верига протича дрейнов ток ID. Токът, протичащ през канала на транзистора създава пад на напрежение UK, който нараства от сорса към дрейна, защото съпротивлението на канала нараства от сорса към дрейна. Поляризиращо напрежение във всяка точка на прехода гейт-подложка UPN е равно на сумата от подаденото напрежение UGS и напрежението, породено в канала UK. Следователно напрежението, поляризиращо обратно управляващия PN-преход UPN нараства от сорса към дрейна. Това води до нарастване на обемните заряди и намаляване сечението на канала.

Фиг.6. Фиг.7.


В точката до дрейна се прилага максимално поляризиращо напрежение и когато то стане равно на праговото (UPNmax = UT), в областта до дрейна каналът се прищипва (прищипването, вследствие на нарастване на дрейновото напрежение не води до запушване на транзистора). При понататъшно нарастване на UDS, токът ID остава постоянен, т.е. транзисторът се насища (фиг.7).
4. СТАТИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Изходните статични характеристики изразяват зависимостта на дрейновия ток ID от напрежението между дрейна и сорса UDS при различни постоянни напрежения на гейта UGS (фиг.8,а и фиг.9,а)

ID =f(UDS), UGS=const. (2)



Фиг.8. Статични характеристики на полеви транзистор с N-канал
Поляризиращото напрежение във всяка точка на прехода гейт-подложка (UPN) е

UPN = UGS + UK. (3)

В точката от прехода, разположена до дрейна е приложено максимално поляризиращо напрежение: UPNmax = UGS + UDS. При UD = UDSAT (напрежение на насищане (saturate)), напрежението UPNmax става равно на праговото UK и в областта на дрейна каналът се припокрива. При по-нататъшно увеличение на дрейновото напрежение, токът ID остава непроменен. Тази точка от характеристиката се нарича точка на насищане и се определя от равенството:
UDSAT = UGS – UT. (4)
Точките на насищане (или параболата на насищане) разделят полето на изходните статични характеристики на триодна област (ненаситена област), и на пентодна област на насищане. Припокриването на канала в пентоден режим е следствие на увеличаването на тока и не води до запушването на транзистора.

Фиг.9. Статични характеристики на полеви транзистор с P-канал

Когато полевият транзистор работи в триоден режим (UDS < UGS - UT) токът ID се описва с уравнението

ID = [2(UGS - UT)UDS - UDS2]. (5)|

Когато полевият транзистор работи в пентоден режим (UDS > UGS - UT) дрейновият ток ID се описва с уравнението

ID = (UGS - UT)2. (6)|

При UDS > UDSAT се увеличава областа на прищипване на обемните заряди и слабото нарастване на ID в пентодна област се обяснява с намаляване на дължината на канала, а оттам и неговото съпротивление. Прищипването на канала в пентоден режим е вследствие на увеличаване на тока през канала и не води до запушване на транзистора. Образува се надлъжно електрично поле в областта на прищипване, което ускорява токоносителите в канала. Насищането в пентоден режим е вследствие не само на напрежителния пад в канала, а и вследствие на намаляване на подвижността на токоносителите в канала под действие на силното поле.

При различни по стойности отрицателни напрежения на гейта провеждащият канал има различни начални сечения и изходните характеритики са отместени една спрямо друга. Максимален дрейнов ток IDmax се получава при нулево напрежение на гейта.

При големи напрежения на дрейна в управляващия PN преход възниква пробив. Той е обусловен от лавинното умножаване на токоносителите, протичащо обикновено в прехода близо до дрейна. Пробивното напрежение зависи от напрежението UGS.

Предавателните (преходните) характеристики представляват зависимостта на дрейновия ток ID от напрежението гейт - copс UGS при различни постоянни напрежения на дрейна UDS (фиг.8,б и фиг.9,6).

ID = f(UGS) при UDS = const. (7)
Предавателните характеристики започват от една и съща точка UT, като при |UDS| < |UT| те се различават значително помежду си и са почти линейни. При напрежения |UDS| ≥ |UT| гейтовите характеристики се сливат в една крива линия наречена характеристика на право предаване в пентоден режим и практически се апроксимират с парабола, пресичаща осите в точките UT и IDmax. Характеристиката на право предаване се изразява аналитично с приблизителната формула

ID = IDmax[l - ]2 . (8)

Максималният дрейнов ток IDmax е основен статичен параметър на полевия транзистор с PN-преход и зависи само от конструкцията му. При съвременните маломощни PN-транзистори параметърът IDmax има стойност от 1 до 50 mА, а при мощните превишава 1 А.

При напрежение на гейта, равно на праговото, дрейновият ток спада до определена минимална стойност ID0. Затова на практика праговото напрежение се дефинира като онова напрежение на гейта, при което ID намалява до минимална, точно определена измерима стойност.



Влияние на температурата. Температурната зависимост на дрейновия ток е обусловена от противоположното влияние на температурата върху подвижността на токоносителите в канала и контактната потенциална разлика на управляващия PN-преход.

С повишаване на температурата подвижността на токоносителите в канала намалява, съпротивлението му нараства и ID намалява. От друга страна, при повишаване на температурата контактната потенциална разлика на управляващия PN-преход намалява, широчината на обеднената област намалява, сечението на канала се увеличава и ID нараства. При подходящ избор на постояннотоковия режим двете влияния взаимно се компенсират и дрейновият ток не зависи от температурата, т.е. полевите транзистори с PN-преход притежават термостабилна точка (точка T на фиг.10).

Температурната стабилност на полевите транзистори е най-добра при протичане на малки токове през тях. За нормален режим на работа полевият транзистор има отрицателен температурен коефициент на дрейновия ток, по-малък от положителния температурен коефициент на колекторния ток при биполярния транзистор.

Фиг.10. Температурна зависимост на характеристиките на

полеви транзистор с N канал


Температурата влияе и върху обратния ток през управляващия PN-преход IGSS. При увеличаване на температурата този ток нараства и при температури над 50÷60 0С не бива да се пренебрегва.

Полевите транзистори работят безотказно в широк температурен диапазон (от -200 до +200 0C), като при ниски температури някои техни параметри се подобряват.


5. МАКСИМАЛНО ДОПУСТИМИ ПАРАМЕТРИ
Стойностите на някои параметри на РN-полевия транзистора не трябва да бъдат превишавани поради риск от повреда. Това са:

  • максимално допустимо напрежение между гейта и сорса - UGSmax;

  • максимално допустимо напрежение между дрейна и сорса - UDSmax;

максимално допустима мощност, разсейвана от транзистора - Рmax;

Максимално допустимите напрежения се избират близки, но по-малки от съответните пробивни напрежения.

Максималната мощност на полевия транзистор Pmax е онази, при която температурата на преходите достига своята максимално допустима стойност Tjmax. При силициевите транзистори Tjmax е около 200°С.
Pmax = (UDSID)max = . (9)

Максималната мощност зависи и от температурата на околната среда Та. Максимално допустимите параметри на транзистора са дадени в справочниците обикновено при Та = 25°С. Маломощните PN-транзистори имат най-често Pmax = 200÷300 mW, а при средномощните тя е 0,5÷1W. Съществуват и мощни РN-транзистори с Рmах =2÷10 W.


6. ЕКВИВАЛЕНТНИ СХЕМИ НА PN ТРАНЗИСТОРИТЕ
Явленията и особеностите в конструкцията на полевия транзистор с РN преход могат да се отразят в еквивалентна схема. Колкото е по-подробна еквивалентната схема, толкова е по-голяма точността на модела, но едновременно с това се усложняват уравненията, описващи работата на транзистора. В зависимост от изискванията за точност се използва една или друга еквивалентна схема, на чиято база се прави съответния математически модел. На фиг.11 са представени два варианта на еквивалентната схема на полевия транзистор с PN-преход при постоянен ток. Усилвателните свойства на транзистора са отразени чрез зависимия генератор на ток SUGS. Тъй като токът на гейта на полевия транзистор е пренебрежимо малък, активните съпротивления RGD и RGS са много големи (от 100 до 1000 MΩ) и често в еквивалентната схема се отразяват като прекъсване на веригата. Стойностите им са температурно зависими.

В еквивалентната схема на (фиг.11. б) са пренебрегнати съпротивленията дрейн - канал (RD) и сорс - канал (RS), които не зависят от приложеното напрежение, а само от конструкцията на транзистора. При някои конструкции те могат да достигнат до значителни стойности (до 100Ω), и да повлияят на параметрите и работата на транзистора.


Фиг.11. Пълна и опростена постояннотокова еквивалентна

схема на полеви транзистор с PN преход
Съпротивлението на канала RDS зависи от приложеното напрежение и в пентоден режим може да се определи чрез израза
RDS = . (10)
Това съпротивление зависи силно и от напрежението UDS и е значително по-голямо от съпротивлението в триодната област на изходните характеристики.
7. СХЕМИ НА СВЪРЗВАНЕ
В зависимост от общия електрод за входната и изходната верига, полевият транзистор с РN- преход може да бъде свързан в три основни схеми - общ copc (OS) - фиг.12.а, общ дрейн (OD) - фиг.12.б, общ гейт (OG) - фиг.12.в. Всяка от тези схеми намира приложение и има своите особености, предимства и недостатъци, но общото и за трите е, че управляващият участък е гейт-сорс, а управляваният ток протича между дрейна и сорса.

Най-широко разпространение в практиката е намерила схема OS (аналогична на схема ОЕ при биполярния транзистор). Тази схема се характеризира с голямо входно съпротивление, много голям коефициент на усилване по ток, по напрежение и по мощност. При нея изходният сигнал е противофазен на входния.



Фиг.12
Схемата OD (аналогична на схема ОС при биполярния транзистор) не усилва по напрежение, но усилва по ток и по мощност. Има голямо входно съпротивление и малко изходно. Това обуславя използването на схемата като буфер.

Схемата ОG (аналогична на схема ОB при биполярния транзистор) има малко входно съпротивление, малък коефициент на усилване по ток и по мощност. При ниски честоти се използва рядко. Схемата има много добри честотни свойства.
8. ПОСТОЯННОТОКОВО ЗАХРАНВАНЕ НА PN ТРАНЗИСТОРИТЕ
За да усилва полезния сигнал (малките променливите токове и напрежения, подадени на входа), полевият транзистор трябва да бъде поставен в подходящ постояннотоков режим. Съвкупността от тези постоянни токове и напрежения се нарича работна точка на транзистора. Изборът на работна точка определя входното съпротивление, коефициента на усилване, изходното съпротивление, изкривяванията и други параметри на транзистора. Характеристиките на полевия транзистор, както и уравненията му са нелинейни, но за малките сигнали те могат да се разглеждат като линейни. Работната точка трябва да се намира в линейната зона на характеристиките на полевия транзистор. Това може да бъде постигнато чрез подходяща поляризация.

На практика постояннотоковият режим на транзистора се осигурява с помощта на един единствен източник на напрежение в комбинация с няколко резистора, защото използването на два източника на напрежение (фиг.4 и фиг.5) не е икономично.

Не е желателно прилагането на положително напрежение UGS на N-канален полеви транзистор и отрицателно UGS на P-канален транзистор. В този случай дрейновият ток ID не може да се управлява, тъй като преходът гейт-сорс ще бъде поляризиран в права посока.

Най-често използваната схема за задаване на постояннотоковия режим на полевия транзистор с РN-преход е показана на фиг.13. Тя се нарича схема с автоматично преднапрежение. При нея във веригата на сорса е включен резисторът RS, а гейтът е свързан към маса с резистора RG. Tокът през гейта е много малък и създава пренебрежимо малък пад на напрежението върхуRG. Този пад е стотици пъти по-малък от пада върху RS и може да се пренебрегне, при което, за UGS0 и UDS0, може да се запише:


UGS0 = - ID0RS, (11)

UDS0 = E - IDO(RS +RD). (12)




Фиг.13.Задаване на постояно- Фиг.14. Работна точка на PN-тpaнзистор

токов режим на N-канален с N- канал

PN-транзистор
В резултат на това сорсът е с по-положителен потенциал спрямо маса. Потенциалът на гейта практически е близък до този на масата. Резисторът RG фиксира отрицателния потенциал на гейта. В противен случай той ще е плаващ. Резисторът RS не само създава необходимото отрицателно напрежение на гейта, но има и температурно стабилизираща роля. Например, ако по някаква причина ID0 нарастне, падът на напрежение върху RS се увеличава и работната точка се мести към по-малък дрейнов ток. Аналогични са явленията при намаляване на ID0. От резистора RD зависят координатите на работната точка.

За изчисляване на координатите на работната точка А (фиг.14) се използват уравнения (5) и (6) съвместно с уравнения (11) и (12). След изчисляване на координатите на UDS0 и UGS0 се проверява възприетият режим и ако той се окаже неподходящ, изчисленията се повтарят за друг режим. Най-често резисторът RD и E са подбрани така, че транзисторът да работи в пентоден режим (фиг.14). Пентодният режим осигурява: максимална стръмност за гейтовата характеристика, голямо изходно съпротивление и най-голямо усилване по напрежение. За да работи полевият транзистор в пентоден режим, приложеното напрежение трябва да бъде по-голямо по абсолютна стойност от праговото напрежение на транзистора.


9. МАЛОСИГНАЛНИ ПАРАМЕТРИ
Понеже входното съпротивление на полевия транзистор с PN-преход е много голямо, входният ток се пренебрегва и при ниски честоти се работи с три малосигнални (динамични) параметри.

динамично изходно съпротивление rD

rD = = при UGS = const. (13)

To е свързано с наклона на изходните характеристики на транзистора и зависи от избора на работна точка. Дава се в справочниците и при съвременните полеви транзистори с PN- преход варира от 20 до 500 kΩ.


Стръмност на предавателната характеристика S
s = при UDS = const. (14)
Стръмността зависи от постояннотоковия режим на транзистора и ефективното съпротивление на сорса RS. Съвременните полеви транзистори с РN-преход имат максимална стръмност от 1 до 15 mA/V.
Коефициент на усилване по напрежение
μ = при ID = const (15)

Връзката на коефициента μ с останалите два параметъра е частен случай на уравнение на Бакхаузен.

μ = S.rD. (16)

Тези параметри се отнасят само за променливите съставки на тока и напрежението. За ID, UGS и UDS при прилагане на полезният променлив сигнал може да се запише:

ID = lD0 + id; (17)

UGS = UGS0 + uGS; (18)

UDS = UDS0 + uDS , (19)

където ID0, UGS0 и UDS0 са постояннотокови компоненти (координатите на работната точка), а iD, uGS и uDS - променливотокови компоненти (полезният сигнал). Дрейновият ток ID зависи от напреженията UDS и UGS и при малки сигнали е валиден изразът:


iD = , (20)
следователно iD = suGS +. (21)

В триоден режим са в сила изразите:

s = 2, (22)

гD = , (23)


а в пентоден режим - изразите:

s = 2; (24)

rD = . (25)

Стръмността добива максималната си стойност при UGS = 0

smax = 2. (26)

При N-каналните транзистори стръмността е положителна, а при P-каналните - отрицателна.

Стръмността и изходното съпротивление на полевия транзистор в пентоден режим са пo-големи отколкото в триоден режим.
10. РАБОТА ПРИ ВИСОКИ ЧЕСТОТИ
Честотните свойства на полевите транзистори с управляващ PN-преход зависят в голяма степен от презареждане на вътрешните му капацитети и в по-малка степен от времето за преминаване на токоносителите през канала, което е от порядъка на 10-12s.

При високи честоти дефазирането между тока iD и напрежението uGS е голямо и стръмността на транзистора намалява и става комплексна величина. Намаляването на стръмността се оценява чрез параметъра гранична честота fS.

Това е честотата, при която модулът на стръмността, спада пъти спрямо нискочестотната си стойност S0 (фиг. 5. 15), a φS нараства до -45°.

S = , (27)

c модул и фаза съответно:

|s| = φS = - arctg . (28)

При честоти по-високи от fs, модулът на s спада недопустимо, т.е. полевият транзистор работи незадоволително.

Фиг.15. Зависимост на модула на Фиг.16. Еквивалентна схема на полеви

стръмността от честотата транзистор при високи честоти


На фиг.16 е представена опростена еквивалентна схема на полеви транзистор за високи честоти (до няколко десетки мегахерца). Капацитетите CGS и CGD зависят от напреженията UGS и UDS и се дават в справочниците за определени напрежения. В звуковия диапазон входното съпротивление има капацитивен характер, който намалява с нарастване на честотата. Следователно, при високи честоти входният ток на управляващия PN-преход не трябва да се пренебрегва.
11. ПОЛЕВИЯТ ТРАНЗИСТОР КАТО УСИЛВАТЕЛ
На фиг.17 е представена схемата на най-използваното усилвателно стъпало общ сорс, аналогично на стъпало общ емитер, а на фиг.18 - стъпало общ дрейн, аналогично на усилвателно стъпало общ колектор при биполярния транзистор. Постояннотоковият режим и при двете стъпала е зададен чрез схемата с автоматично преднапрежение (виж фиг.13), разгледана в т. 8. Кондензаторът CS служи да се премахне отрицателната обратна връзка за променливата съставка на тока, което би довело до намаляване на коефициента на усилване. Поради отсъствието на постоянен входен ток на гейта, представените стъпала имат много голямо входно съпротивление. Такива усилватели са необходими когато се работи с високоомни източници на сигнал, срещащи се в измервателните схеми.


Фиг.17. Усилвателно стъпало

общ сорс





Фиг.18
Особености на стъпало общ сорс и сравнение със стъпало ОЕ. Разгледани са двете стъпала OS и ОЕ (фиг.19 и фиг.20), поставени при еднакви условия, т.е. имат едно и също захранващо напрежение (например Е=10 V) и еднакви токове в изходната верига, осигуряващи работната точка на транзисторите (например ID0 = IC0 = 1mA). При анализа на двете схеми могат да се направят следните изводи.



Фиг.19. Усилва­телно стъпало OS Фиг.20. Усилвател­но стъпало ОЕ

• Коефициетът на усилване по напрежение на стъпалото с полевия транзистор (KUos ≈ -s(RD||rT), s = 2mA/V при ID0 =1mA) е около 20 пъти по-малък от този на стъпало с биполярен транзистор (KUOE ≈ -s(Rc ||rT ), s = 40 mA/V при IC0 = 1mA)

Kuos < KUOE. (29)

Това се дължи на по-малката стръмност s на полевия транзистор в сравнение с тази на биполярния, което е сериозен недостатък на полевия транзистор с PN-преход. И при двете схеми изходният сигнал е в противофаза на входния.

Коефициентът на усилване пo ток на стъпалото OS е много по-голям от този на стъпалото ОЕ

КIOS >> КIOE. (30)

Коефициентът на усилване по мощност на стъпалото OS е много по-голям от този на стъпалото ОЕ

KPOS >> KPOE. (31)

Входното съпротивление на стъпалото OS е много по-голямо от това на стъпалото ОЕ

RВХОS >> RВХОЕ. (32)

Следователно, основното предимство на полевите транзистори с PN-преход е нищожната мощност необходима за управлението им.

В заключение може да се каже, че в усилвателите, стъпалото общ сорс, реализирано с полеви транзистор с PN-преход се предпочита пред стъпало общ емитер (с биполярен транзистор), само ако е необходимо да се използват уникалните входни параметри на полевия транзистор (изключително високото входно съпротивление и незначителния входен ток).



Особености на стъпало общ дрейн (OD) и сравнение със стъпало общ колектор (OC). Тази схема се нарича още сорсов повторител, тъй като няма обръщане на фазата. Тя е предпочитана пред стъпалото общ колектор (емитерен повторител) когато се използва като буфер тъй като има много голямо входно съпротивление и малко изходно. Сравнението на двете усилвателни стъпала (OD и OC ) показва, че при еднакъв електрически режим:

  • коефициентът на усилване по напрежение и при двете схеми е по-малък от единица;

  • коефициентите на усилване по ток и по мощност при стъпало общ дрейн са по-големи от тези при стъпало общ колектор;

  • изходното съпротивление на стъпалото общ дрейн е по-малко от това на стъпало общ сорс, но е по-голямо в сравнение със стъпало общ колектор (стъпалото общ сорс се предпочита, когато RC >5kΩ, а стъпалото общ колектор се предпочита при RC<5 kΩ).

Сорсовият повторител с полеви транзистор намира приложение във входните стъпала на осцилографите и другите измервателни прибори. Често високото входно съпротивление е неотменна особеност на източниците на сигнал, например при кондензаторните микрофони, pH-метрите, електродите за снемане на сигнали от живи обекти в медицината и др. Във всички тези случаи полевият транзистор има предимство (в дискретно изпълнение или в състава на интегралните схеми) и пренебрежимо малкият му входен ток е приоритетен пред неговата малка стръмност. Това прави сорсовия повторител (и даже усилвателите с общ сорс) предпочитан заместник на емитерния повторител с биполярен транзистор.

Опростените формули за изчисляване на динамичните параметри на двете стъпала са дадени в табл.1.

Таблица 5.1


Стъпало

Rвх

Kv

Rизх

Общ сорс (фиг. 5.17) .

RG

-s(RD||rT)

RD||rD≈ RD

Общ дрейн - сорсов повторител (фиг. 5.18)

RG



rD||RS ||1/s


Полевите транзистори c PN-преход, са добър заместник на биполярните транзистори във всяка схема, в която са приоритетни голямото им входно съпротивление и малкият им входен ток.
12. ПОЛЕВИЯТ ТРАНЗИСТОР КАТО РЕГУЛИРУЕМО СЪПРОТИВЛЕНИЕ
Полевият транзистор се използва и като регулируемо съпротивление, управлявано чрез напрежението UGS. Това съпротивление е симетрично, поради взаимозаменяемостта на сорса и дрейна. Следователно, напрежението UDS може да бъде както положително, така и отрицателно. Неговата стойност трябва да бъде достатъчно малка, за да бъдат използвани линейните части (триодната област) на изходните характеристики.

На фиг. 21 са показани изходните характеристики при положителни и отрицателни напрежения UDS и при достатъчно малки стойности на тези напрежения, а на фиг.22 - еквивалентната схема на полевия транзистор като статично съпротивление (RDS = UDS/ID). При различни напрежения UGS, характеристиките имат различен наклон, т.е. съпротивлението дрейн-сорс е различно и зависи от UGS.



Фиг.21. Фиг.22.
Тази зависимост се дава с формулата

RDS . (33)


Тази зависимост се използва само при неголеми променливи напрежения UDS, чиито амплитуди се подчиняват на условието |UDS| > 0,l|UT|. При по-високи напрежения регулируемото съпротивление ще проявява нелинейни свойства и затова за тази цел се използват транзистори със значително прагово напрежение.
13. ГЕНЕРАТОРИ НА ТОК С ПОЛЕВИ ТРАНЗИСТОР С РN-ПРЕХОД
Полевият транзистор често се използва и като генератор на ток, особено в интегралните схеми (в частност, в ОУ), а понякога и в схемите с дискретни елементи. Елементарна схема на генератор на ток с полеви транзистор е представена на фиг.23.

От изходните характеристики на полевия транзистор (фиг.8 а; фиг.9 а,) се вижда, че токът ID ще бъде постоянен при напрежения UDS > 2 V. Тази схема се предпочита, паради своята простота (двуполюсник, генериращ ток). За да се увеличи изходното съпротивление на транзистора и да се подобрят параметрите на схемата се включва резисторът RT.

Съществуват серийни "диодни стабилизатори на ток" (ДСТ), с ниска себестойност, съставени от няколко еднакви полеви транзистора с PN-пpexoд, свързани последователно, при които гейтът е свързан накъсо с дрейна. ВАХ на такива прибори от серията 1N5283-1N5314 е показана на фиг.24.

Фиг.23 Фиг.24

Характеристиката демонстрира стабилността на тока до напрежението на пробив 140V. Номиналният ток на стабилизация се достига при напрежения по-малки от 1,5V.

Тези устройства могат да се използват за създаване на генератори на трионообразно напрежение.

В заключение може да се обобщи, че полевите транзистори с PN преход се използват:

• във входните стъпала на усилвателите, поради голямото им входно съпротивление и ниското ниво на шума;



  • като източници на ток и като активни съпротивления;

  • като омични съпротивления, управлявани с напрежения.

14. КОРПУСИ НА ПОЛЕВИТЕ ТРАНЗИСТОРИ С РN ПРЕХОД


N- каналният JFET транзистор J309(J310), с мощност 350 mW и UDSmax = 25V, се херметизира в два типа корпуси: ТО-92 (фиг.25) за конвенциален монтаж и за SMD монтаж - SOT-23 ММВF (фиг.26). Корпусът SOT-23 (ТО 236АВ) на N-канален JFET транзистор, за SMD, от типа BFR30LT1 (BFR 31LT1), с параметри: UGS = UDS = 25V е показан на фиг.26.


Фиг.25 Фиг.26

Фиг.27. Външен вид и принципи схема на два JFET

транзистора U440/441, поместени в общ корпус


На фиг.27 са показани корпусът (TO-71) и принципната схема (pin - схема - поглед отгоре) на поместените в един чип два N-канални JFET транзистора от типа U440/441, с параметри: UGS(off) = l ÷ -6V; U(BR)GSSmin = -25V; IGtip = -l pA.




Каталог: Home -> Emo -> СЕМЕСТЪР%203 -> ППЕ
СЕМЕСТЪР%203 -> Васил Левски " Факултет "
СЕМЕСТЪР%203 -> Същност и разпределение на металите в периодичната система на елементите
СЕМЕСТЪР%203 -> Защитни свойства на металните покрития. Електрохимично отлагане на метали
СЕМЕСТЪР%203 -> Втора електрически ток и магнитно поле Видове електрически ток на проводимост
ППЕ -> Т интегрални схеми общи сведения. Класификация
ППЕ -> Волт-амперните характеристики на диод при две температури


Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2020
отнасят до администрацията

    Начална страница