Полевые транзисторы.

Следующая группа компонентов на рис. 8.1 –полевые транзисторы. Свойства полевых транзисторов сильно отличаются от свойств биполярных транзисторов тем, что управляющей величиной является не ток, а напряжение. Поэтому полевые (FET) транзисторы имеют весьма большое входное сопротивление.

Полевые транзисторы (ПТ) имеют обычно три вывода: исток, сток и затвор (управляющий электрод). В составе интегральных схем ПТ могут иметь другие выводы. Проводимость канала между истоком и стоком управляется напряжением между затвором и истоком.

В полевом транзисторе нет p-n перехода, который включен в прямом направлении (так в биполярном транзисторе включен переход база- эмиттер). Поэтому ток затвора практически равен нулю.

Бывают p- канальные (проводимостьза счет дырок)и n- канальные (проводимостьза счет электронов)ПТ.

Управляющие затворы бывают двух типов:

- с p-n – переходом (включен в обратном направлении!),

- с изолированным затвором (МОП или МДП - транзисторы),

Каналы могут различаться типами легирования (обогащенный и обедненный) и способом изготовления – встроенный (МДП) или индуцированный (МОП) каналы.

Существует большое разнообразие типов транзисторов, которое объясняется многими возможными комбинациями типов затворов и каналов. Ряд типов транзисторов, которые встроены в интегральные схемы имеют четвертый вывод – «подложку».

На рис.8.2 приведены примеры условных графических обозначений различных ПТ.

 

 

Рис.8.2. Примеры УГО полевых транзисторов:

 

1 и 2 –ПТ с p-n – переходом, соответственно, JFET типа с n – каналом и p – каналом;

3 и 4, 5 и 6 -ПТ трехэлектродные и четырехэлектродные, с обедненным каналом, соответственно;

7 и 8, 9 и 10 - 3-и 4- электродные NMOSFET и PMOSFET, с обогащенными каналами;

11, 12 –арсенид-галиевые, соответственно, с n –и p – каналами GASFET ПТ.

 

Примеры схемы включения и вольтамперные характеристики полевых транзисторов с p-n переходом приведены на рис. 8.3 и 8.4.

 

 

Рис. 8.3. Схема включения полевого транзистора с каналом n-типа “с общим истоком” (З-затвор, И-исток, С- Сток).

 

 

Рис. 8.4 . Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого МДП-транзистора с каналом n-типа.

 

Выходные характеристики ПТ – зависимости тока стока от напряжения между истоком и стоком при заданном управляющем напряжении между истоком и затвором. Пример реальных характеристик приведен на рис.8.5. Здесь функция – ток стока, аргумент – напряжение источника V1=U_ИС=0…12В и параметр напряжение источника V2=U_ЗИ=-2…0В.

Верхняя кривая соответствует U_ЗИ=0В. При уменьшении управляющего напряжения U_ЗИ кривые семейства располагаются ниже. При U_ЗИ=-2В ток стока равен нулю.

 

 

 

Рис. 8.5. Семейство выходных характеристик ПТ.

Переходная характеристика снимается при фиксированном напряжении U_ИС и изменении управляющего напряжения U_ЗИ. Пример реальных переходных ВАХ ПТ в демонстрации demo8_2 приведен на рис. 8.6.

 

 

 

Рис.8.6. Семейство переходных характеристик полевого транзистора.

Здесь функция – ток стока. Аргументом является управляющее напряжение U_ЗИ , которое меняется в источнике V2 пределах -2В…+0.6В, и параметром – напряжение между истоком и стоком U_ИС в интервале 0…12В с шагом 0.5В (источник V1). Из графиков следует, что влиянием напряжения U_ИС можно пренебречь, если U_ИС>3В. Такой же вывод следует из семейства выходных характеристик на рис. 8.5. На переходной характеристике есть линейный участок, на котором связь приращений тока и напряжения может быть выражена крутизной S=dIc/dUзи (мА/В).

При положительном напряжении U_ИЗ наступает насыщение переходной характеристики, что видно на рис. 8.7. Ток стока не изменяется и ПТ теряет управляющие свойства.

 

 

 

Рис.8.7. (Demo8_2_.) Переходная характеристика ПТ при U_ИС=12В.

 

Полевые транзисторы имеют очень малый ток затвора (10^-8..10^-9 А), поэтому они используются в программируемых постоянных запоминающих устройствах ППЗУ, например во флэш-памяти.

Эти элементы надо особенно защищать от статического электричества. Электрический заряд может накапливаться во входных цепях из-за высокого входного сопротивления. Этот заряд создает электрическое поле в ПТ, которое может вызвать электрический пробой и повреждение ПТ.

Из-за нулевого тока затвора для ПТ входная характеристика не используется.

Полевые транзисторы широко используются для усиления сигналов.

Демонстрационный пример усилителя напряжения (demo8_3) на полевом транзисторе приведен на рис. 8.8.

В этой схеме включены конденсаторы C1 и С2 для передачи сигналов и исключения зависимостей состояния полевого транзистора от цепей источника и приемника Rn сигналов по постоянным составляющим токов и напряжений. Резисторы R1, R2 и Rs устанавливают состояние транзистора по постоянному току. На резисторе Rc формируется выходное напряжение, которое передается на приемник Rn. Конденсатор С3 повышает коэффициент усиления, так как он уменьшает сопротивление участка цепи с резистором R1 по переменной составляющей. На рис.8.8 приведены осциллограммы входного (синяя кривая, правая ось ординат) и выходного (красная кривая, левая ось ординат).

 

 

Рис. 8.8 . Схема усилительного каскада с полевым транзистором с общим истоком и осциллограммы входного (синяя, правая ось V) и выходного (красная, левая ось V) напряжений.

 

Коэффициент усиления по напряжению на частоте 1кГц составляет K_U = 1.3В/100мВ = 13. Усилитель изменяет фазу сигнала на 180°.

Постоянная составляющая напряжения между затвором и истоком (U_{ЗИ, П} = -832,4мВ) создается делителем напряжения R1-R2 и резистором R_И цепи истока и обеспечивает линейный режим усиления во всем диапазоне изменения входного напряжения..

Состояние полевого транзистора по постоянному току при заданных параметрах элементов усилителя определяется следующим образом.

Так как I_з =0 , то на резисторе R₂ постоянное напряжение

 

U_R2 = E_C*R₂/(R₁+R₂).

 

Напряжение между затвором и истоком U_ЗИ = U_R2 –R_ИIc (U_ЗИ). Это выражение представим с переменной Ic в виде U_ЗИ (Ic )= U_R2 – R_ИIc. Слева - функция переходной характеристики, представленная кривой 1 на рис.8.9. Справа линейная ВАХ – прямая линия 2, отсекающая на осях отрезки U_R2 и U_R2 /R_И. Точка пересечения A определяет постоянные ток «покоя» стока Icп и напряжение «покоя» U_{ЗИ, П}.

Рис. 8.9. К определению рабочей точки покоя в цепи затвора.

 

Постоянное напряжение U_CИ,П определяется по выходной характеристике следующим образом. Известное постоянное напряжение U_ЗИ,Ппозволяет выбрать одну выходную характеристику I_C(U_CИ,П,U_ЗИ,П).

 

Рис.8.11. К определению рабочей точки покоя в цепи стока.

Из контурного уравнения для участка E_C, R_C, ПТ, R_И следует:

U_CИ,П(I_C,U_ЗИ,П) = E_C –(R_C+ R_И) I_C. Это нелинейное уравнение решается графически на рис.8.11. пересечением выходной характеристики 1 и линии нагрузки 2, которая отсекает на осях отрезки E_C и E_C/(R_C+ R_И)

При выборе рабочей точки следуют методике, которая была рассмотрена для усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

На рис.8.12 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилительного каскада.

 

Рис. 8.12. demo8_3. Частотные характеристики усилителя напряжения на полевом транзисторе.

В общем виде частотная характеристика усилителя напряжения на ПТ может быть получена с помощью линейной схемы замещения усилителя по постоянной составляющей, которая приведена на рис.8.13.

 

 

Рис.8.13. Схема замещения усилителя напряжения на ПТ в линейном режиме .

В схеме замещения на рис. 8.13 кроме элементов из схемы усилителя на рис.8.8 включены элементы схемы замещения полевого транзистора:

-источник тока i_С=Su_ЗИ, отражающий усилительные свойства ПТ (S – крутизна переходной характеристики ПТ),

- внутреннее сопротивление ПТ R_i, которое определяется наклоном выходных характеристик ПТ R_i= dU_СИ/dI_C при неизменном напряжении U_ЗИ,

- емкостный элемент С₀, отражающий инерционные свойства транзистора и емкость ПТ между истоком и стоком .

В границах полосы пропускания усилителя реактивными сопротивлениями конденсаторов можно пренебречь. Тогда коэффициент усиления равен (если сопротивление нагрузки усилителя больше эквивалентного выходного сопротивления R_ЭК

K_U= S*R_ЭК

R_ЭК=1/(1/R_i+1/R_c+1/R_k).

 

Из схемы замещения следует, что при низких частотах сигнала сопротивления емкостных элементов С1 и С2 велико и амплитуда напряжения на выходе усилителя U_ВЫХ,m небольшая. На средних частотах сопротивлением всех емкостных элементов можно пренебречь и U_ВЫХ,m наибольшее, на высоких частотах сказывается уменьшение сопротивления элемента С₀ и U_ВЫХ,m уменьшается.

Приведенное описание свойств усилителя напряжения на полевом транзисторе показывает общее его сходство с усилителем на биполярном транзисторе. Главное различие – в большой разнице значения входного сопротивления, которое в схеме с ПТ значительно больше.