Напряжение затвора истока как найти

Полевой транзистор. Расчёт усилительных каскадов на n–канальных и
р–канальных полевых транзисторах.

Как просто рассчитать режимы работы и номиналы элементов схем на полевых транзисторах в различных схемах включения: c общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС, он же истоковый повторитель) и общим затвором (ОЗ).

Полевой (униполярный) транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении сопротивлением токопроводящего канала (сток–исток) посредством электрического поля, создаваемого приложенным к управляющему электроду (затвору) напряжением.

Исток (source) – это электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, т. е. источник носителей тока;
Сток (drain) – это электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда;
Затвор (gate) – это управляющий электрод, который регулирует поперечное сечения канала и, соответственно, ток, протекающий через канал. Управление происходит посредством изменения напряжения между затвором и истоком (Uзи, Vgs).

Несмотря на крайне богатую терминологию различных типов полевых транзисторов, в большинстве практически встречающихся случаев мы имеем дело: либо с полевыми транзисторами со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы), либо с полевыми МОП-транзисторами с изолированным затвором (они же MOSFET-ы в основном обогащённого типа), полное название которых звучит, как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors.
И тот и другой типы полевиков могут быть любого знака полярности, т. е. как n-канальными, так и р-канальными.

Независимо от типов полевых транзисторов, они имеют схожие графики зависимости выходного тока от напряжения затвор‑исток, измеряемые при фиксированном значении напряжения стока.
Пример подобных вольт-амперных характеристик приведён на рисунке ниже.

Рис.1 ВАХ обеднённых JFET (1) и обогащённых MOSFET (2) полевых транзисторов n-типа.
Для p-канальных транзисторов — полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды, а также направление тока стока противоположны.

Как можно увидеть, вольт-амперные характеристики обеднённых (1) и обогащённых (2) и полевых транзисторов отличаются только сдвигом напряжения отсечки затвор-исток. При этом n — канальный МОП‑транзистор обогащённого типа не проводит ток до тех пор, пока напряжение Uзи не достигнет некоторого положительного уровня Uотс, в то время как ток стока транзистора обеднённого типа при напряжении Uзи = 0 будет близок к максимальному.

Полевые транзисторы с р‑n ‑переходом – это всегда приборы обеднённого типа и смещение затвора относительно истока должно находиться в отрицательной области (для n — канального ПТ), а если и заходить в положительную, то не более чем на +0,5В во избежание открывания диодного перехода затвор‑канал.

Давайте рассмотрим, как можно рассчитать режимы работы полевика по постоянному току. Для примера возьмём распространённый транзистор 2SK117, широко используемый в каскадах усиления звукового диапазона частот. Приведём две его статических характеристики из datasheet-а и до кучи схему усилительного каскада с общим истоком.

Рис.2 Статическая характеристика транзистора 2SK117 и схема каскада с общим истоком

Что нам советуют делать при расчёте усилительных каскадов на ПТ практически все умные книжки?
Построить на семействе выходных вольт-амперных характеристик транзистора динамическую линию, также называемую нагрузочной прямой. Далее по пересечению этой нагрузочной линии с одним и графиков семейства выходных характеристик найти исходную рабочую точку, которая определяет ток стока и напряжение Uси в режиме покоя. И только после этого переходить к стоково-затворной характеристике ПТ, чтобы определить необходимую величину Uзи.

Конечно, ни один опытный схемотехник этого делать не будет! А делать он будет следующее:

1. Для начала надо определиться с током покоя транзистора Ic. Критериев выбора величины этого тока может быть множество, как с точки зрения достижений необходимой нагрузочной способности, так и других факторов, таких как: быстродействие, шумовые характеристики, энергопотребление, стабильность параметров и т. д. и т. п.
Поскольку 2SK117 является малошумящим полупроводником, а параметр шумовых характеристик в datasheet-е нормируется при токе стока Id=0.5 mA, то и мы для расчёта выберем этот ток равным I_с = 0,5мА .

2. Мысленно проводим на графике зависимости тока стока от напряжения затвор-исток красную линию (Рис.2 слева), пересекающую mA. Величина напряжения затвор-исток, исходя из графика, получается U_зи ≈ -0,23В .

3. Поскольку крутизна передаточной характеристики полевого транзистора S = ΔI_c/ΔU_зи является величиной непостоянной, и существенно зависящей от тока покоя стока, то в datasheet-ах на современные транзисторы она либо отсутствует, либо не имеет большого практического смысла.
Давайте оценим её значение по всё тому же графику. Изменение напряжения Uзи в интервале — (0,3 . 0,1) В приводит к росту стока 0,25. 1,3 мА, что даёт нам ориентировочное значение параметра крутизны при заданном токе S ≈ (1,3-0,25)/(0,3-0,1) = 5,25 мА/В .

4. Всё. Теперь можно вспомнить закон Ома и переходить к расчётам.
R_и = U_зи/I_c = 0,23/0,5 = 0,46 кОм .

Падение напряжения на резисторе Rc имеет смысл выбрать таким, чтобы напряжение стока в режиме покоя находилось в центре линейной области выходной характеристики транзистора. Это требование выполняется при условии U_c = (E_п + U_и)/2 .
Если, для примера, напряжение питания выбрать равным 12В, то U_c = (12 + 0,23)/2 = 6,1 В , а
R_c = (E_п — U_с)/I_с = (12 — 6,1)/0,5 ≈ 12 кОм .

Расчёт по постоянному току окончен. Для того, чтобы рассчитать коэффициент передачи каскада ОИ с резистором в истоке (при отсутствии шунтирующего конденсатора), необходимо воспользоваться следующей редкой формулой:
К_u = R_c*S/(1 +R_и*S) .
Подставив все цифры, получим значение К_u = 18,2 .

А теперь давайте проверим полученные расчёты в симуляторе.

Глядя на показания измерительных приборов, убеждаемся, что Uc (5,45В) и Ic (0,545мА) находятся в приемлемом диапазоне по отношению к расчётным значениям.

На диаграммах осциллографа синим цветом указана входная осциллограмма сигнала, имеющего амплитуду 100 мВ, а красным — выходного с амплитудой около 1,8 В, что выдаёт нам в сухом остатке Кu = 18, что так же полностью совпадает с расчётной величиной.

Рис.3

Для увеличения усиления каскада с общим истоком (Рис.2 справа) резистор Rи можно зашунтировать конденсатором Си и резистором Rи1. Тогда в формулу для расчёта Ku вместо значения Rи следует подставлять величину, равную Rи ll Rи1.
Если резистор Rи1 имеет нулевое значение, то формула для расчёта коэффициента усиления каскада приобретает совсем простой вид: К_u = R_c*S .
А ёмкость шунтирующего конденсатора Си (исходя из минимальной (нижней) усиливаемой частоты) можно рассчитать по формуле:
С_и(МкФ) > 1600/[F_мин(Гц)*R_и(кОм)] .

Точно таким же образом рассчитываются режимы по постоянному току и номиналы резисторов для схем с общим затвором (Рис.4б) и с общим стоком, в миру — истоковым повторителем (Рис.4в).

Рис.4 Схемы каскадов на полевых транзисторах ОИ, ОЗ, ОС и ОС со смещением

В случае использования ПТ с низким значением модуля Uотс — напряжение на истоке транзистора в каскаде с ОС (истоковый повторитель) может оказаться слишком мало для достижения необходимых динамических характеристик. В таком случае на затвор транзистора подают напряжение смещения Eсм, а номинал резистора Rи рассчитывают по формуле R_и = (Е_см — U_зи)/I_c .

Все расчёты, проведённые выше, были проделаны для наиболее распространённых в маломощных аналоговых цепях полевых транзисторов со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы).
На самом же деле, все приведённые формулы и принципы расчёта справедливы и по отношению к МОП-транзисторам с изолированным затвором обогащённого типа (MOSFET-ы). Однако если всё ещё остались какие-либо вопросы, то на следующей странице проведём подобные манипуляции и для них.

Источник

Основные параметры полевого транзистора

Начальный ток стока I_с0 – ток в цепи стока транзистора, включенного по схеме с общим истоком, при U_си, U_зи > U_отс) можно определить по формуле

Уравнение (1) является приближенным для проходной характеристики любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).

Напряжение отсечки U_отс – один из основных параметров, характеризующих ПТ. При напряжении на затворе, численно равным напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.

В справочных данных на ПТ всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП307Е напряжения U_отс = -0.5 ¸ — 2.5 В получены при токе стока 0.01 мА.

Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода (затвора) составляет 10 7 ¸10 9 Ом. Усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, характеризуются крутизной проходной характеристики: S = ∂I_с /∂U_зи, при U_си = const. Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1)

где U_зи – напряжение затвор – исток, при котором вычисляется S;

Максимальное значение крутизны характеристики S_макс достигается при U_зи= 0. При этом численное значение S_макс равно проводимости канала ПТ при нулевых смещениях на его электродах.

Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий. Для большинства маломощных ПТ S лежит в пределах 2¸10 мА/В.

Крутизна характеристики полевых транзисторов на 1-2 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на ПТ К_u = S R_c (R_c – сопротивление в цепи стока) меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на ПТ ограничено в основном паразитными параметрами схемы.

Это сопротивление при U_си = 0 и произвольном смещении U_зи можно выразить через параметры транзистора:

. (4)

При малом напряжении исток–сток вблизи начала координат выходной характеристики ПТ ведет себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Минимальное значение сопротивления канала R_i0 наблюдается при U_зи = 0. При увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала нелинейно увеличивается. Значение R_i0 определяется по стоковой характеристике транзистора как тангенс угла наклона касательной к кривой I_с = f(U_с) при U_з = 0 в точке U_cи = 0.

Для приближенных расчетов имеет место простое соотношение:

Коэффициент усиления mо пределяется как изменение напряжения стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при I_c = const:

Изменение тока стока связано с изменением напряжением на затворе и изменением напряжения на стоке

разделив на ∂U_си и с учетом (6) после несложных преобразований получим связь между тремя параметрами

Максимальные напряжения затвор–сток, затвор–исток, исток–сток. При превышении допустимых значений напряжения между электродами транзистора возможен лавинный пробой перехода затвор-канал.

Обратное напряжение диода затвор–канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Лавинный пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим p–n-переходом, если он не переходит в тепловой пробой. После возвращения в нормальный рабочий режим ПТ восстанавливают свою работоспособность.

Типичные значения параметров маломощного полевого транзистора КП-303В с p–n-переходом и каналом n-типа:

Крутизна проходной характеристики при U_си = 10 В, U_зи = 0, S = 2 ÷ 5 мА/В.

Внутреннее сопротивление R_i = 0,02 ÷ 0,5 Мом.

Емкость входная С_зи не более 6 пФ.

Емкость проходная С_зс не более 2 пФ.

Максимальное напряжение затвор–сток, затвор–исток

Максимальное напряжение сток-исток U_{си max} = 25 В.

Максимальный ток стока I_{c max} = 20 мА.

Максимальная рассеиваемая мощность при Т ≤ 25ºС

Диапазон температур окружающей среды Т от –40 до +85 ºС.

Источник