Расчет усилительного каскада на полевом транзисторе: Электроника и схемотехника. Расчет усилительного каскада на полевом транзисторе, по схеме с общим истоком

3. Примеры расчета каскада линейного усиления гармонического сигнала на полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом

Выбор рабочей точки.

Расчет любого усилительного каскада начинается с выбора положения рабочей точки транзистора. Только на следующем этапе следует рассматривать переменные (гармонические) составляющие усиливаемого транзистором сигнала.

Положение рабочей точки транзистора в пространстве представления его вольтамперных характеристик, вообще говоря, не зависит от типа схемы, в которой этот транзистор используется в качестве активного элемента. Так же как и в случае с биполярным транзистором, выбор рабочей точки полевого транзистора предполагает определение оптимальных значений постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора.

Рассмотрим графоаналитический способ расчета параметров рабочей точки транзистора, планируемого для использования в качестве активного элемента линейного усилителя электрических сигналов. Этот способ применим как при расчете маломощного усилительного узла (каскада), проектируемого по схеме ОИ, так и в маломощных каскадах ОЗ и ОС. Расчет мощных выходных усилительных каскадов имеет свои особенности, которые здесь не рассматриваются.

В отличие от биполярного транзистора, положение рабочей точки полевого транзистора достаточно определить на плоскости представления выходных вольт-амперных характеристик (т.е. на плоскости {U_СИ,I_С}). На этой плоскости представляется семейство выходных ВАХ (взятое из справочника или построенное по результатам экспериментальных измерений). Поверх полученной картины достраивается нагрузочная прямая.

Положение нагрузочной прямой зависит от того, в каком режиме должен работать транзистор. Амплитуда усиливаемого сигнала, подаваемого на вход рассчитываемого транзисторного каскада, может быть различной величины. В одних случаях приходится усиливать очень слабые электрические сигналы, в других случаях амплитуда усиливаемого сигнала может оказаться относительно большой. Для этих двух крайних ситуаций, соответствующих режимам сильного и слабого сигнала, положение нагрузочной прямой должно быть различным.

Входной сигнал называется сильным, если его амплитуда равна или чуть меньше величины U_m.макс0,3U_ЗИотс(максимально допустимой амплитуды напряжения сигнала между затвором и истоком, при котором нелинейные искажения усиленного сигнала не превышают 3%). В случае такого сильного входного сигнала наиболее оптимальной нагрузочной прямой является линия, проходящая через точку максимального изгиба верхней ветви семейства выходных ВАХ транзистора. На рис.1 эту точку обозначили буквой А.

Второй определяющей точкой искомой нагрузочной прямой является точка О, лежащая на оси напряжений U_КЭи соответствующая напряжению источника питания,Е_пит. НапряжениеЕ_питне должно превышать величины 0,8U_{СИ.пред.}(гдеU

_{СИ.пред.}указывается в списке основных параметров рассматриваемого транзистора и соответствует предельно допустимому напряжению между его стоком и истоком). При этом следует иметь в виду, что занижение значенияЕ_питведет к уменьшению коэффициента усиления каскада по напряжению.

Таким образом, в случае сильного сигнала нагрузочная прямая должна примерно совпадать с наклонной сплошной линией, проходящей через точки А и О (см. рис.22). В случаях более слабых сигналов она будет проходить через точки А₁и О, А₂и О, А₃и О (по мере убывания амплитуды сигнала). Отметим здесь, что понятия «сильный сигнал» или «слабый сигнал» являются относительными. Если для одного конкретного транзистора данный сигнал следует рассматривать как сильный, то для более мощного транзистора он может оказаться слабым. Выбирать следует такой транзистор, чтобы каскад, собранный на его основе был согласован как с источником сигнала (согласование по входу) так и с нагрузкой (согласование по выходу). При этом очевидно, что значения токов

I_C00,I_C(А),I_C(А1)(и т.д.) будут связаны с величиной заданного в задании сопротивления нагрузки. Следовательно, выбор подходящего транзистора должен осуществляться исходя из величины сопротивления нагрузки.

Рекомендуемое значение I_C00

, удовлетворяющее ограничениям по предельно допустимому току стока и мощности, выделяемой на транзисторе, должно соответствовать следующему неравенству:

, (17)

где Р_макс– максимально допустимая активная мощность, выделяемая на транзисторе. Одновременно с этим должно быть выполнено условие оптимального согласования усилительного каскада, построенного на данном транзисторе, с нагрузкой,R_Н:

. (18)

Для схемы ОИ это последнее равенство означает, что при его выводе были использованы приближенные соотношения: R_И

 0,3R_С и R_С  (1,52,0)R_Н. Очевидно, что одновременное выполнение условий (17) и (18) связано с выбором конкретного транзистора под данную нагрузку.

Определив значения I_C00 и Е_пит и, следовательно, задав положение нагрузочной прямой, необходимо выбрать на этой прямой положение рабочей точки. Для этого следует найти точки пересечения выбранной нагрузочной прямой с самой нижней ветвью ВАХ (с одной стороны) и с пунктирной параболической кривой (с другой стороны). Последняя проходит через точки максимального изгиба всех графиков семейства выходных ВАХ. Середина отрезка нагрузочной прямой, заключенной между указанными двумя точками пересечения и является оптимальным положением рабочей точки транзистора.

Установив координаты рабочей точки в пространстве выходных ВАХ рассматриваемого транзистора, легко определить ее положение и на его стоко-затворной ВАХ (т.е. на плоскости {U_ЗИ,I_С}). Такое построение позволит определить крутизну стокозатворной ВАХ в рабочей точке,S₀(РТ). Здесь следует отметить, что стоко-затворные (проходные) ВАХ, соответствующие значениямU_СИв интервале 520 В, практически накладываются друг на друга. Поэтому для рассматриваемого построения можно использовать любую ветвь из семейства проходных ВАХ, снятую при значении напряжения между стоком и истоком транзистора, принадлежащем указанному интервалу. Однако более точное значение

S₀(РТ) получается из следующего построения. Через рабочую точку, определенную на плоскости представления выходных ВАХ транзистора проведем вертикальную прямую, пересекающую все графики выходных ВАХ (см. рис.23) в точках 06. Определив ординаты этих точек, мы получаем ряд значений тока стока —I_С(0) I_С(6). Поскольку точки пересечения принадлежат графикам с конкретными значениями напряженияU_ЗИ, мы можем найти соответствия между значениямиI_С(0) I_С(6). из полученного ряда и значениями напряженияU_ЗИ.

В результате мы получаем координаты ряда точек искомой стоко-затворной характеристики на плоскости {U_ЗИ,I_С}. Среди этих точек находится и выбранная рабочая точка. Результат построения этой стоко-затворной характеристики представлен на рис.24.

Крутизна стоко-затворной характеристики (S₀(РТ)) в выбранной рабочей точке Р определяется с помощью следующего геометрического построения (см. рис.25). К точке Р проводим касательный отрезок АБ. Через точку А проводим вертикальный отрезок АВ, а из точки Б – горизонтальный отрезок БВ. В результате получаем прямоугольный треугольник АБВ. Если длину катета АВ выразить в миллиамперах (согласно масштабу вдоль оси

I_С), а длину катета БВ – в вольтах (согласно масштабу вдоль осиU_ЗИ), то отношение АВ (в миллиамперах) к БВ (в вольтах) даст статическую крутизнуS₀(РТ).

Величина выходного динамического сопротивления рассматриваемого полевого транзистора определяется с помощью следующего построения. К рабочей ветви ВАХ в рабочей точке Р строится касательный отрезок АБ произвольной длины (см. рис. 26). Этот отрезок используется в качестве гипотенузы для построения прямоугольного треугольника. Один из катетов этого треугольника параллелен оси

I_C, а другой – параллелен осиU _СИ.

Если длину катета АБ выразить в миллиамперах (согласно масштабу вдоль оси I_С), а длину катета БВ – в вольтах (согласно масштабу вдоль осиU_СИ), то отношение АБ (в миллиамперах) к БВ (в вольтах) даст величину выходного динамического сопротивления данного транзистора (в Y-параметрах —у₂₂).

Расчет величин пассивных элементов и коэффициента усиления схемы ОИ.

Одна из наиболее распространенных схем каскада ОИ на полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом представлена на рис.27. Такой каскад позволяет усиливать сигнал по напряжению в широком диапазоне частот и не требует дополнительного источника напряжения для создания требуемой разности потенциалов между затвором и истоком транзистора.

Начинаем с расчета по постоянному току. Целью такого расчета является определение величин сопротивлений, гальванически связанных с выводами транзистора. Эти сопротивления должны обеспечивать оптимальное согласование каскада с нагрузкой и состояние покоя транзистора, соответствующее выбранной рабочей точке. Выше, при выборе транзистора и определении положения его рабочей точки, мы нашли две точки на плоскости представления выходных ВАХ транзистора, определяющие положение нагрузочной прямой. Одна из этих точек лежит на оси напряженийU_СИи соответствует выбранному значению напряжения источника питания,Е_пит. Другая точка находится на оси токов,I_С, и соответствует величинеI_С00, определенной нами из условия согласования каскада с нагрузкой. С другой стороны (сопоставьте рис.22 и рис.27),I_С00имеет смысл постоянного тока, протекающего в цепи стока в отсутствие входного сигнала и при коротком замыкании выводов стока и истока (U_СИ= 0). Из схемы (рис.27) видно, что величинаI_С00определяется равенством

I_С.00=Е_пит /( R_С+R_И), (19)

где R_СиR_Исопротивления, через которые протекают постоянные и переменные составляющие тока стока (в случае полевого транзистора постоянные составляющие токов стока и истока практически равны).

В схеме ОИ, сопротивление R_Ислужит только для обеспечения положения рабочей точки в том месте, которое было получено в результате графического построения (см. рис.22). В этой схеме оно обычно шунтируется большой электрической емкостью и его величина должна быть равной

. (20)

Величина сопротивления R_Снаходится из равенства:

. (21)

В данной схеме сопротивление R₁необходимо для обеспечения гальванической связи затвора транзистора с общим проводом схемы. Постоянной составляющей тока через это сопротивление нет, поскольку канал транзистора надежно изолирован от затвора обратно смещеннымр-п-переходом. По этой причине величина сопротивленияR₁может быть достаточно большой (несколько МОм). Однако, при большой величинеR₁ухудшается термостабильность параметров схемы. С другой стороны, слишком малым это сопротивление не должно быть, поскольку оно будет шунтировать источник сигнала, вследствие чего коэффициент передачи сигнала уменьшится. Рекомендуемые значенияR₁следующие: для маломощных транзисторов – 100200 кОм, для транзисторов средней мощности – 3050 кОм, для мощных транзисторов – 1020 кОм.

Расчет по переменному токуначинается с определения величин разделительных емкостейС₁иС₂и шунтирующей емкостиС₃. Поскольку реактивное сопротивление электрических емкостей обратно пропорционально частоте сигнала (), то на низких частотах на разделительных емкостях начинает падать заметная доля напряжения сигнала. При разработке любого усилителя частотный диапазон эффективного усиления сигнала задается техническим заданием, где определяется нижняя (_ниж) и верхняя (_верх) частоты этого диапазона. При этом для оценки оптимальной величины разделительных емкостей служат равенства:

, (22)

, (23)

где Z_вх– комплексное входное сопротивление транзистора. На низких частотах междуэлектродными емкостями можно пренебречь. Кроме того, можно считать, что сопротивлениеR_Идостаточно хорошо зашунтировано емкостьюС₃. Поэтому вместо приближенного равенства можно использовать

. (22а)

Чтобы исключить отрицательную обратную связь в каскаде и надежно зашунтировать сопротивление R_Иуже на частоте_ниж, необходимо выполнение приближенного равенства

. (24)

Далее производится расчет коэффициента усиления каскада. Для этого в схеме усилительного каскада (рис.27) транзистор замещается линейным четырехполюсником, заданным в Y-параметрах. Свойства этого четырехполюсника описываются линейными уравнениями, связывающими между собой входные и выходные напряжения и токи (U₁,U₂,I₁иI₂). Система уравнений для полевого транзистора, рассматриваемого как четырехполюсник, может быть представлена в следующем виде:

,

. (25)

Физический смысл входящих в систему параметров определяется равенствами, найденными из системы (8) при предельных условиях.

, ,,. (26)

Из вида равенств (26) следует, что представляет собой входную проводимость четырехполюсника, определенную при коротком замыкании на его выходе. Параметрявляется проводимостью обратной связи при холостом ходе на входе четырехполюсника,является для четырехполюсника проходной проводимостью, определенной при коротком замыкании на его выходе, а- выходной проводимостью четырехполюсника при холостом ходе на его входе.

Можно показать, что уравнения (25) соответствуют схеме, представленной на рис. 28.

Поскольку полевой транзистор может заменяться линейным четырехполюсником не во всем диапазоне изменений входных и выходных токов и напряжений, то его Y-параметры имеют смысл лишь в дифференциальной форме:

, ,

, . (27)

В приближенных расчетах обычно пренебрегают влиянием параметра у₁₂, поскольку он имеет величину, близкую к нулю. На низких и средних частотах (где влияние междуэлектродных емкостей пренебрежимо мало) параметр у₁₁ также может быть исключен из рассмотрения. Поэтому часто используют упрощенную схему замещения полевого транзистора (схема ОИ), показанную на рис. 29. Она представляет собой четырехполюсник с бесконечно большим входным сопротивлением и бесконечно малой проводимостью обратной связи.

Заменив в схеме каскада ОИ (рис. 27) полевой транзистор его схемой замещения, примем во внимание дифференциальный характер параметров у₂₁ и у₂₂. Это значит, что постоянные составляющие токов и напряжений в схеме каскада должны быть приравнены к нулю. Источники постоянного напряжения должны быть закорочены, а ветви схемы, содержащие источники постоянного тока, должны быть разомкнуты. Источник тока в схеме замещения следует рассматривать как источником переменного тока. Таким образом, в расчетах по переменному току схема каскада ОИ будет иметь вид, показанный на рис.28. Для простоты на этой схеме не учтено внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Параметр транзистора у₂₁ зависит от частоты. Его величина резко уменьшается по мере приближения к граничной частоте усиления транзистора. Реактивные сопротивления емкостей С₁, С₂ и С₃ также зависят от частоты сигнала. На самой нижней частоте рабочего частотного диапазона каскада они могут повлиять на его коэффициент усиления. Но на более высоких частотах это влияние очень мало. Поэтому мы можем считать, что на этих частотах их сопротивление равно нулю.

Для примера мы рассмотрим порядок расчета каскада на средних частотах усиливаемого сигнала. Учитывая сказанное выше, эквивалентную схему каскада ОИ мы представим так, как это показано на рис.29.

Целью нашего упрощенного расчета является определение коэффициента усиления каскакда по переменному току, K_U = u_вых / u_вх. Очевидно, что выходным напряжением каскада является напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки вследствие протекающего через него переменного тока. Из схемы (рис. 29) видно, что это напряжение соответствует также падению напряжения на сопротивлении R_С и переменной составляющей напряжения U_КЭ (т.е., u_КЭ). Поскольку, вследствие шунтирующего влияния емкости С₃, переменная составляющая потенциала истока равна нулю (потенциалы отсчитываем от общего провода), то ток генератора тока i будет равен у₂₁u_ЗИ. На средних частотах параметр у₂₁ приблизительно равен S₀ (величине крутизны статической стоко-затворной характеристики используемого полевого транзистора). Переменная составляющая напряжения U_ЗИ равна входному напряжению u_вх. Из равенств

и

находим

,

откуда получим

. (28)

Расчет величин пассивных элементов и коэффициента усиления схемы ОC. Одна из возможных схем каскада усиления ОС представлена на рис.30. Такая схема используется очень редко, поскольку обеспечивает лишь усиление сигнала по току. Его использование приобретает смысл только на высоких частотах, где межэлектродные емкости полевого транзистора начинают играть значительную роль.

Как и выше, начинаем с расчета по постоянному току. Будем искать величины сопротивлений, гальванически связанных с выводами транзистора и обеспечивающих оптимальное согласование каскада с нагрузкой и состояние покоя транзистора в выбранной рабочей точке. Используем две величины, определенные при выборе рабочей точки —Е_питиI_С00. Из схемы (рис.30) видно, что величинаI_С00определяется равенством

I_С.00=Е_пит /R_И. (29)

В схеме ОС сопротивление R_Ислужит (совместно с разделительной емкостьюС₃) для выделения усиленного переменного сигнала. В то же время оно влияет на положение рабочей точки. Обеспечение оптимального согласования с нагрузкой является главным требованием к этому сопротивлению. Исходя из опыта, величину этого сопротивления выбирают согласно приближенному равенству:

R_И(1,52)R_Н. (30)

Поскольку падение напряжения на сопротивлении R_И,I_С(РТ)R_И, оказывается намного больше напряжения между затвором в рабочей точке, необходимо поднять потенциал затвора относительно потенциала общего провода так, чтобы в отсутствие входного сигнала состояние транзистора соответствовало выбранной рабочей точке. Для этого в схеме предусмотрен делитель напряжения, построенный на сопротивленияхR₁иR₂. Величина указанных сопротивлений выбирается исходя из следующего равенства:

. (31)

Очевидно, что равенство (31) позволяет лишь определение относительных величин сопротивлений R₁иR₂(т.е., позволяет определить отношениеR₂/R₁):

. (32)

Значение сопротивления R₁выбирается согласно рекомендации — для маломощных транзисторов – 200500 кОм, для транзисторов средней мощности – 50200 кОм, для мощных транзисторов – 3050 кОм. По выбранному значениюR₁из определенной выше величины отношенияR₂/R₁находится R₂ .

Расчет по переменному токуначинается с определения величин разделительных емкостейС₁иС₂. Для оценки оптимальной величины разделительных емкостей служат равенства (22а) и (23) (см. выше). Здесь (как и при расчете схемы ОИ) мы пренебрежем, на низких частотах сигнала, междуэлектродными емкостями транзистора.

Далее начнем расчет коэффициента усиления каскада по напряжению. Для этого в схеме усилительного каскада (рис. 30) транзистор замещается линейным четырехполюсником, заданным в Y-параметрах. Внутреннее содержание этого четырехполюсника показано на рис. 29). В результате такого замещения получаем следующую схему (рис. 31).

Для простоты на этой схеме не учтено внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Напомним, что параметр транзистора у₂₁ и реактивные сопротивления емкостей С₁ и С₂ зависят от частоты сигнала. На самой нижней частоте рабочего частотного диапазона на усилительные свойства каскада могут повлиять емкости, а на высших частотах – резкое падение величины у₂₁.

Напоминаем, что мы рассматриваем порядок расчета каскада на средних частотах усиливаемого сигнала. В этом случае величина у₂₁ еще остается близкой к статическому значению S₀, а реактивные сопротивления емкостей оказываются близкими к нулю. Учитывая сказанное выше, эквивалентную схему каскада ОС мы представим так, как это показано на рис. 32. Отличия от соответствующей для схемы ОИ картины, представленной на рис. 29, состоят в следующем. В данном случае с общим проводом оказался соединенным сток, а не исток. Поэтому фазу генератора тока мы изменили на 180⁰ (т.е., поставили знак «-» перед произведением S₀ u_ЗИ). Кроме того, параллельно источнику входного сигнала оказалось включенным сопротивление R₁₂ (вместо R₁), которое соответствует параллельно включенным сопротивлениям R₁ и R₂.

Итак, мы ищем величину коэффициента усиления каскакда по переменному току, K_U = u_вых / u_вх. Отметим, что выходным напряжением каскада является напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки вследствие протекающего через него переменного тока. Из схемы (рис. 32) видно, что это напряжение соответствует также падению напряжения на сопротивлении R_И и переменной составляющей напряжения U_КЭ (т.е., u_КЭ). Но здесь величина тока i оказывается выраженной не через величину входного напряжения, поэтому мы вместо u_ЗИ должны подставить значение этого напряжения, выраженное через u_вх. Поскольку на средних частотах параметр у₂₁  S₀ (т.е. практически остается действительной величиной), мы можем не рассматривать пренебрежимо малого сдвига фазы сигнала в транзисторе. Поэтому используем равенство u_ЗИ = u_вх — u_вых. Учитывая это, из равенств

и

находим

,

откуда получим

, (33)

где

(34)

— является величиной, определенной выше (см. выражение (28)) как коэффициент усиления по напряжению для каскада ОИ. Отсутствие в формуле (34) величин сопротивлений R₁ и R₂ (и, по этой причине, полное тождество выражений (28) и (34)) связано с тем, что мы пренебрегли внутренним сопротивлением источника входного сигнала.

Результат (33) говорит о том, что коэффициент усиления по напряжению у каскада ОС меньше единицы.

Усилительный каскад на полевом транзисторе — Меандр — занимательная электроника

Рассмотрим простейший усилительный каскад на полевом транзи­сторе, включенном по схеме ОИ, принципиальная схема которого приве­дена на рис. 5.16. В качестве активного элемента каскад содержит n-ка­нальный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.

К входу каскада подключается источник входного сигнала (генератор с эдс e_r = E_{r m} sinωt и внутренним сопротивлением R_r). На выходе каскада включена нагрузка R_н.

Рассмотрим вначале режим покоя (e_r = 0) или, как его часто называют, режим работы каскада по постоянному току, и определим его параметры. Особенность полевого транзистора с управляющим переходом состоит в том, что напряжения U_зии U_си имеют противоположные знаки. Для n-ка­нального транзистора U_зи < 0, а U_си > 0. В этой ситуации для того, чтобы из­бежать использования двух источников питания применяется так назы­ваемое автоматическое смещение цепи затвор–исток. Его механизм за­ключается в следующем. Цепь стока питается от положительного полюса источника питания E_с.При  этом в цепи R_c – канал транзистора – R_и проте­кает ток I_c0, который на резисторе R_исоздает падение напряжения U_и0 = I_с0R_и. Это напряжение через резистор R_з прикладывается к промежутку затвор–исток. Заметим, что поскольку I_з0 = 0, падение напряжения на рези­сторе R_з тоже равно нулю, т. е. U_з0 = 0. В этом случае

U_зи0 = U_з0 – U_и0 = – I_c0R_и.

Так как сток тока I_co связан в режиме насыщения (именно этот ре­жим используется в усилительных схемах) с напряжением U_зи0 соотноше­нием (5.2), то для определения параметров режима покоя U_зи0 и I_c0 необ­ходимо решить систему уравнений:

     Эта система может быть решена аналитически или графически [7]. Графическое решение системы, в ходе которого определяется положение точки покоя на характеристике прямой передачи, иллюстрирует рис. 5.17.

Третий параметр режима покоя – напряжение U_си0 находится из урав­нения:

 

                    U_си0 = E_c – I_c0 (R_c + R_и)                   (5.6)

Рассмотрим работу каскада в режиме усиления (e_r ≠0). Для этого по­строим эквивалентную схему каскада по переменному току. Ограничимся режимом средних частот и малого сигнала. При этом сопротивления раз­делительных конденсаторов можно считать равными нулю, а сопротивле­ния паразитных емкостей структуры транзистора – равными бесконечно­сти, т. е. можно использовать низкочастотную эквивалентную схему тран­зистора (рис. 5.18).

Рис. 5.18

 Эквивалентная схема усилительного каскада по переменному току при­ведена на рис. 5.19.

Транзистор моделируется источником тока SU_зи и внутренним сопротив­лением R_i. Резистор R_с по пе­ременному току оказывается вклю­ченным параллельно R_i и R_н. Резистор R_и на схеме не показан, поскольку шунтируется для устранения отрицательной обратной связи по перемен­ному току конденсатором С_и. Обычно R_i >> R_c и влиянием R_c можно пре­небречь. Для учета влияния нагрузки используют эквивалентное сопро­тивление R= R_с||R_н . В соответствии с эквивалентной схемой можно запи­сать U_вх=U_3u ; U_вых=-SU_зuR_С, тогда коэффициент усиления по напря­жению

.

  (5.7)

 

 

Знак минус в (5.7) свидетельствует о том, что усилительный каскад на полевом транзисторе, включенном с общим истоком, инвертирует сигнал, аналогично каскаду на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Из (5.7) также следует, что важнейшим параметром, определяющим уси­лительные свойства транзистора, является его крутизна. Для увеличения крутизны, как уже отмечалось, необходимо сокращать длину каналу l_k, увеличивать его ширину W (W >> l_k), а также использовать материалы с более высокой подвижностью электронов, в частности арсенид галлия. Входное сопротивление каскада R_вх=R_зможет быть очень большим (по­рядка мегаома), а выходное сопротивление R_{вых ≈} R_c. Высокое входное со­противление является важным достоинством каскадов на полевых транзи­сторах.

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работы полевого транзистора  с p-n-переходом и его статистические характеристики.
2. Объяснить принцип работы полевого транзистора с изолированным за­твором.
3. Какие разновидности МДП-транзисторов вы знаете? Поясните физиче­ские явления, на основе которых эти транзисторы работают.
4. Какой участок характеристик полевого транзистора используется в усилителях?
5. Какой участок характеристик транзистора  используется в управляе­мых делителях напряжения?
6. Нарисуйте схему управляемого делителя напряжения.
7. Представьте схему генератора стабильного тока на полевом транзи­сторе.
8. Объясните эквивалентную схему полевого транзистора для малого сиг­нала.
9. Почему входное сопротивление полевых транзисторов очень большое?

Источник:В.А. Нахалов,Электронные твердотельные приборы

13.5.3. Расчет усилительного каскада с общим истоком

Рассмотрим последовательность расчета каскада по схеме с ОИ, выполненного на полевом транзисторе с р-n-переходом и каналом р-типа.

Принципиальная схема каскада представлена на рис. 13.16. Исходными данными для расчета являются R_H (входное сопротивление КПУ или УМ, для управления которым рассчитывается данный каскад), и U_ВЫХm = U_Hm (амплитудное значение напряжения, требуемого для управления следующим КПУ или УМ).

Расчет схемы производится в следующей последовательности.

1. Выбирается сопротивление R_C из тех же соображений, что и сопротивление R_K в КПУ по схеме с ОЭ (см. главу 13.5.1, п. 1).

2. Определяется амплитуда переменной составляющей тока стока , где R_H» = R_C || R_H.

3. Задаются координаты точки покоя выходной цепи транзистора. Они должны удовлетворять условиям:

Для  определения  U_СИП  принимают  DU_СИ = 1 ÷ 2 В;  I_СП  определяют  из  условия   I_СП = (1,1 ÷ 1,2)I_Cm.  

4. Определяется Е_С каскада. Падение напряжения на сопротивлении R_И выбирается из условия U_ИП = (0,1 ÷ 0,3)Е_С.

Уравнение выходной цепи каскада по постоянному току имеет вид:

Подставляя U_ИП в (13.11), получим выражение для расчета E_С:

5. Выбирается транзистор из условий: U_СИДОП > Е_С; I_СДОП > I_СП + I_Cm; P_max > U_СИП × I_СП. Частотные свойства полевого транзистора описываются частотой f_S, информация о ее конкретной величине для данного типа транзистора в справочной литературе отсутствует. На частотные свойства каскадов на полевых транзисторах существенное влияние оказывают междуэлектродные емкости, поэтому полевые транзисторы выбираются с большим запасом по частоте. Оценить возможную величину f_S можно по условному обозначению типа транзистора, в котором третий элемент несет информацию о его частотных свойствах. Классификация полевых транзисторов по частотным свойствам представлена в табл. 13.3.

Таблица 13.3 Классификация полевых транзисторов по частотным свойствам

Предельная частота транзистора, МГц	Максимальная рассеиваемая мощность, Вт
	малая Рmax£ 0,3	средняя 0,3 < Рmax £ 1,5	большая Рmax > 1,5
низкая  fS£ 3	1	4	7
средняя 3< fS £ 30	2	5	8
высокая  fS > 30	6	9

            6. По стоко-затворной ВАХ транзистора для I_С = I_СП определяется напряжение U_ЗИП. Точка покоя должна располагаться на линейном участке стоко-затворной ВАХ (наилучшее положение точки покоя – середина линейного участка стоко-затворной ВАХ), в противном случае нужно увеличить I_СП и повторить расчет. При этом параметры выбранного транзистора могут перестать отвечать условиям п. 5, в этом случае необходимо выбрать транзистор другого типа.

            7. Рассчитывается величина сопротивления в цепи истока  R_И  по формуле

                           

            8. Рассчитываются величины сопротивлений входного делителя R₁ и R₂. Величина  сопротивления R₂ выбирается равной 1 ÷ 2 МОм, величина сопротивления R₁ определяется с учетом того, что для транзистора с р-каналом  U_ЗИП > 0, по формуле

Для транзистора с n-каналом U_ЗИП  < 0,  поэтому аналогичная формула имеет вид: 

Напряжения в формулах (13.12) и (13.13) берутся по абсолютной величине.

9. Производится расчет каскада по переменному току. Схема замещения каскада по переменному току в области средних частот представлена на рис. 13.17.

В схеме  не показано входное сопротивление полевого транзистора, т.к. оно имеет очень большую  величину – 10² ¸ 10³ МОм и выше, поэтому его влиянием на работу схемы пренебрегают. Сопротивления входного делителя R₁ и R₂ представлены в схеме замещения сопротивлением  R_Д = R₁ || R₂.  Выходная цепь транзистора представлена источником тока    I_С  = SU_ЗИ = SU_ВХ  и внутренним сопротивлением канала r₁. 

Параметр r₁ транзистора определяют по стоковой ВАХ, проходящей через точку покоя выходной цепи с координатами U_СИП, I_СИП:   параметр S – по стоко-затворной ВАХ в окрестности точки покоя с координатами U_ЗИП,                        I_СП:   

По схеме замещения определяются параметры каскада по переменному току:

(сопротивление относительно выходных зажимов при отключенном R_Н)

10. Определяется необходимое для управления каскадом амплитудное значение входного напряжения . Весь размах U_BX должен укладываться на линейном участке стоко-затворной ВАХ, иначе сигнал будет усилен с большими нелинейными искажениями. Если это условие не выполняется, смещают точку покоя, задавая новое значение тока I_СП, и производят уточняющий перерасчет схемы, начиная с п. 4.                                       

Если условие усиления сигнала без искажений выполняется, то сравнивают величины U_BXm и указанной в техническом задании е_Г. Если U_ВХm ³ е_Г, то переходят к расчету КПУ по схемам с ОЭ или ОИ, необходимого для управления спроектированным каскадом.

Если U_Bxm < е_Г, то рассчитываемый каскад будет являться одновременно и входным каскадом усилителя, в этом случае определяют необходимую для управления каскадом ЭДС генератора по формуле

и сравнивают ее величину с величиной е_Г. Если е_Г.УПР  меньше е_Г, то последовательно с источником входного сигнала ставится ограничивающее сопротивление R_ОГР для предотвращения перехода усилителя в насыщение. Величина R_ОГР определяется по формуле

Если е_Г.УПР  больше е_Г, то необходимо увеличить R_ВХ каскада, выбрав большую величину сопротивления R₂.

8 Усилительный каскад на полевом транзисторе с ои » СтудИзба

2.9. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ои             

Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком. На рисунке 2.29 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада с ОИ с цепью автосмещения, служащей для обеспечения режима работы ПТ по постоянному току.

Если БТ разделяется на два типа — p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рисунка 2.29, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.

                Выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТ представлены на рисунке 2.30. В отличие от БТ, у ВАХ ПТ имеется значительная область управляемого сопротивления, в которой возможно использование ПТ в качестве электронного управляемого резистора. В качестве усилительного элемента  ПТ используется в области усиления.

                В отсутствие входного сигнала каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается напряжение смещения , которое определяет ток покоя стока .

                Координаты рабочей точки определяются соотношениями:

,

где — граница области управляемого сопротивления на выходных статических характеристиках транзистора (рисунок 2.30), ;

,

где — сопротивление нагрузки каскада по переменному току;

,

где — напряжение отсечки, — ток стока при  (либо при   для ПТ в режиме обогащения, см. рисунок 2.33 в подразделе 2.10).

                С помощью резистора , помимо задания необходимого напряжения смещения,  в каскад вводится ООС , способствующая термостабилизации (у ПТ как и у БТ наблюдается сильная температурная зависимость параметров), на частотах сигнала эта ОС устраняется путем включения .

                Графически проиллюстрировать работу каскада с ОИ можно, используя проходные и выходные статические характеристики ПТ, путем построения его динамических характеристик. Построение во многом аналогично каскаду с ОЭ и отдельно не рассматривается.

                Нетрудно показать, что каскад с ОИ, как и каскад с ОЭ, инвертирует входной сигнал.

                На рисунке 2.31а,б,в приведены, соответственно, малосигнальные схемы для областей СЧ,НЧ, и ВЧ.

                Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а ПТ представить моделью, предложенной в разделе 2.4.2.

                В результате расчета в области СЧ получим:

,

где ;

,

.

Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора  много меньше  и . Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на ПТ.

                В области ВЧ получим:

,

где — постоянная времени каскада в области ВЧ, ;

,

где ;

.

                Выражения для относительного коэффициента передачи  и коэффициента частотных искажений  и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.

                В области НЧ получим:

,

где — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.

Усилительные каскады на полевых транзисторах — Студопедия

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах те же, что и на биполярных. Особенностью является управление не током, а напряжением. По этой причине задание режима покоя осуществляется подачей во входную цепь постоянного напряжения. Возможны три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (0З). В связи с тем, что схема 0З имеет низкое входное сопротивление, она практически не применяется.

Усилительный каскад на полевом транзисторе со встроенным каналом n-типа показан на рис 2.22.

Такой каскад может работать как в режиме увеличения (обогащения) канала, так и в режиме уменьшения (обеднения) канала. Обогащение канала приводит к увеличению тока стока I_c, a обеднение — к его уменьшению. Если канал реализуется на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом, то каскад может работать только с уменьшением канала.

Уравнение электрического состояния цепи сток-исток в режиме покоя имеет вид:

Это уравнение описывает вольтамперную характеристику резисторов (R_c+R_и), т.е. линию нагрузки по постоянному току. Расчет и анализ каскада производится графоаналитическим способом аналогично тому, как это было проведено для усилительного каскада ОЭ.

На семейство выходных стоковых характеристик транзистора накладывается линия нагрузки по постоянному току (рис. 2.23). Эта линия соединяет точку с координатой Е_с на оси абсцисс и точку с координатой Е_с/(R_c+R_и), на оси ординат. Рабочая точка П выбирается на середине линейного участка передаточной (стоко-затворной) характеристики и сносится на линию нагрузки. Пересечение линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой определяет значения тока стока I_сп и напряжения сток-исток в точке покоя. В общем виде напряжение смещения затвора U_зип может быть как положительным, так и отрицательным и даже равным нулю. В полевых транзисторах с управляющим переходом оно только отрицательное. Напряжение смещения выделяется на резисторе R_и за счет прохождения I_сп поэтому, зная U_зип и I_сп можно определить величину резистора R_и:

Резистор R_з предназначен для подачи потенциала смещения на затвор. Величина этого резистора должна быть значительно меньше входного сопротивления полевого транзистора (очень большого) для исключения влияния температурной нестабильности транзисторов и разброса их параметров. Обычно R_з = (1–2) Мом. Через R_з, ток практически не течет.

Резистор смещения R_и не только создает режим покоя, но и обеспечивает стабилизацию каскада за счет отрицательной обратной связи по току стока I_c. Емкость С_и исключает отрицательную обратную связь для усиливаемого сигнала. Величина емкости выбирается из известных соображений по нижней частоте сигнала:

Иногда для увеличения стабильности каскада идут на значительное увеличение R_и по сравнению с требуемым для создания потенциала покоя на затворе. В этом случае для компенсации излишнего отрицательного потенциала включают резистор R₁, подающий на затвор положительный потенциал от источника питания. Если же оказалось, что положение точки покоя таково, что U_зип ³ , то наличие R₁обязательно, т.к. именно он будет обеспечивать потенциал смешения. В этом случае резистор R_и необходим только для стабилизации каскада. Следует отметить, что величина резистора стоковой нагрузки R_свлияет на значение верхней частоты, усиливаемой каскадом: чем больше R_с, тем меньше f_в. Рекомендуется выбирать значение R_с равным порядка 0,1 внутреннего сопротивления транзистора r_i.

Емкости C_p1 и C_p2служат для развязки цепей постоянного и переменного тока на входе и выходе каскада.

Входной сигнал через разделительный конденсатор C_p1 поступает на затвор транзистора, алгебраически суммируясь с напряжением смешения. Изменение потенциала затвора вызывает изменение напряжения на стоке. Переменная составляющая напряжения на стоке, проходящая через разделительный конденсатор С_р2 представляет собой выходное напряжение. Амплитуда сигнала должна быть такой, чтобы не выходить за пределы линейного участка входной аб и выходной а‘б‘ характеристик.

Нагрузка каскада R_н не учитывается, если R_н >> R_c, что почти всегда имеет место в предварительных каскадах усиления. При необходимости учета нагрузки строится линия нагрузки но переменному току и рабочий линейный диапазон сигналов определяется по ней.

На рис. 2.24. представлены схемы замещения каскада ОИ. В этих схемах переходные конденсаторы C_p1, C_p2; не учитываются, так как емкость их велика и сопротивление близко к нулю. Коэффициент усиления по напряжению для средних частот, когда емкости транзистора еще не влияют на процесс усиления:

Произведение Sr_i называют статическим коэффициентом усиления полевого транзистора. Здесь r_i — внутреннее сопротивление транзистора, S — крутизна передаточной характеристики, . С достаточной для практики точностью в большинстве случаев можно пренебречь R_н и тогда

Входное сопротивление каскада велико (мегомы):

Выходное сопротивление каскада:

и реально составляют килоомы и десятки килоом.

R_вых << R_вх, что является достоинством схемы.

На высоких частотах необходимо учитывать входную и выходную емкости.

Входная емкость , где С_м — емкость монтажа. Обычные численные значения емкости составляют:

С_зи » 10 пФ, С_зс » 2 пФ, С_м » 2 пФ. При K_U = 50, С_вх » 114 пФ.

Выходная емкость

Каскад по схеме ОИ меняет фазу выходного сигнала по отношению ко входному на противоположную.

Усилительный каскад ОС на полевом транзисторе со встроенным n-каналом показан на рис. 2.25. Такой каскад называют истоковым повторителем по аналогии с эмиттерным повторителем на биполярных транзисторах. Расчет каскада производится идентично тому, как это показано для схемы ОИ. При использовании транзистора с управляющим p-n-переходом в схеме будет отсутствовать резистор R₁.

Напряжение на нагрузке истокового повторителя и совпадает по фазе с входным напряжением.

Нагрузкой каскада по постоянному току является сопротивление R_и, а по переменному току . Коэффициент усиления каскада по напряжению зависит от крутизны характеристики транзистора S и нагрузки по переменному току:

С увеличением крутизны и сопротивления нагрузки величина K_U стремится к единице.

Выходное сопротивление схемы пропорционально 1/S и значительно меньше, чем в каскаде ОИ, колеблясь в диапазоне от сотен Ом до единиц килоом. Каскад обладает глубокой отрицательной обратной связью и поэтому достаточно термостабилен. По этой же причине в истоковом повторителе можно использовать более высокие значения сопротивления резисторов R₁ и R₃, что позволяет повысить входное сопротивление каскада до нескольких мегаом.

Каскады на полевых транзистора — Энциклопедия по машиностроению XXL

Рис. 7.3. Эквивалентная схема каскада на полевом транзисторе с общим истоком при наличии нейтрализации.

Высокая линейность усилительного каскада достигается, повышением напряжения питания, глубокой ООС, исключением шунтирования выхода входом следующего каскада (его целесообразно выполнить на полевом транзисторе с р-п структурой) Желательно, чтобы глубина ООС была постоянной во всем рабочем диапазоне частот (повышаются устойчивость и линейность каскада)  [c.21]

Нуль-орган представляет собой усилитель постоянного тока. Входной каскад усилителя выполнен по дифференциальной схеме на полевых транзисторах Г5 и Гб. Второй вход нуль-органа (база транзистора Гб) соединен с общей точкой ключей (транзисторы Г15, Tie). Ключи собраны на полевых транзисторах.  [c.46]

Наилучший способ проверки линейности усилителя заключается в том, чтобы подключить вход к шумовому диоду, а выход — к квадратичному детектору и построить график напряжения на выходе детектора как функцию тока шумового диода. Если получаем прямую линию, то усилитель действительно линеен. Вакуумные лампы и полевые транзисторы имеют лучшую линейность, чем биполярные транзисторы, и поэтому обычно советуют не использовать последние в каскадах усилителя, работающих на детектор.  [c.68]

Если предварительный усилитель имеет первый каскад на вакуумном триоде или полевом транзисторе, необходимо учитывать обратную связь через емкость меж-  [c.73]

На очень высоких частотах, порядка 1 ГГц, целесообразно использовать во входном каскаде полевой транзистор из арсенида галлия. В этом случае очень существенной является компоновка модуля, содержащего фото детектор и предварительный усилитель приемника, чтобы минимизировать общую входную емкость.  [c.369]

Для полевых транзисторов можно выбрать рабочую точку на статической характеристике таким образом, что влияние иаменения температуры на параметры транзистора будет минимальным [51. В схеме рис. 1.16, в резистор стабилизирует ток канала транзистора при изменении температуры также за счет падения на нем добавочного напряжения, подаваемого на затвор.- Коэффициент усиления лампового усилителя с общим катодом К — где 5 — крутизна характеристики лампы — эквивалентное сопротивление нагрузки с учетом шунтирующего действия внутреннего сопротивления лампы и входного Сопротивления последующего каскада. Этот коэффициент должен быть меньше или равен коэффициенту устойчивого усиления каскада К транзисторного усилителя /С = I i/2l I — коэффициент  [c.28]

АФАР находят биполярные и полевые транзисторы. Основными параметрами СВЧ транзисторов, применяемых в выходных каскадах активных модулей передающей АФАР и определяющих в основном энергетические характеристики антенной решетки, являются выходная мощность, коэффициент усиления и КПД. На рис. 1.9 приведены зависимости выходной мощности от частоты современных мощных биполярных и полевых транзисторов 0.1, 27—29]. Мощные  [c.29]

В настоящей книге автор частично использует материал, содержавшийся в ранее изданных работах, но в то же время вводит много нового из статей, опубликованных им совместно с сотрудниками и учениками. Несмотря на относительно небольшой объем, книга содержит много ценных сведений об источниках шума в таких современных приборах усиления и преобразования сигналов, как мазеры, лазеры, полевые и биполярные транзисторы, туннельные диоды и диоды с барьером Шоттки. При рассмотрении вопросов расчета и измерения шумовых характеристик усилительных и смесительных каскадов автор основное внимание уделяет отысканию оптимальных решений.  [c.5]

Усилитель микрофона МКЭ-7 выполнен на двух каскадах с непосредственной связью между каскадами на полевом транзисторе КПЗОЗВ и биполярном транзисторе КТ315Г по схеме с фантомным питанием (рис. 5.39, б).  [c.90]

Лабораторный образец усилителя мощности с использованием двух мощных полевых транзисторов и предоконечных каскадов на полевых транзисторах разработан фирмой Ямаха . Схема довольно обычная, имеются двухкаскадное дифференциальное усиление, симметричное питание от истокового повторителя с непосредственной связью и непосредственная связь с громкоговорителями. Смещение предоконечного каскада и мощных полевых транзисторов создается специальными схемами компенсации (на которые заявлен патент), что обеспечивает хорошую стабильность постоянного тока без регулировки источника питания. Допускается предварительная регулировка для компенсации различий между характеристиками полевых транзисторов. Но чтобы сохранить имеющуюся переходную характеристику без ухудшения из-за воздействия схемы вольтодобавки (цепей положительной обратной связи по сигналу) и электролитических конденсаторов, стараются по мере возможности обойтись без применения этих элемен-  [c.148]

Чувствительность Р. у., особенно в СВЧ-диапазояе, решающим образом зависит от коэф. шума и усиления по мощности первых каскадов УТ. На рис. 3 приведены обобщённые шумовые характеристики МШУ и диодных смесителей. Наименьшим уровнем шумов обладают охлаждаемые квантовые парамагн. усилители, однако вследствие высокой сложности и стоимости, плохих массогабаритных показателей их использование ограничено практически радиоастрономическими Р. у. Весьма низким уровнем шумов обладают также охлаждаемые параметрич. усилители и усилители на полевых транзисторах с барьером Шоттки (УПТШ), причём массогабаритные показатели допускают их применение даже в бортовых Р. у. Оба типа устройств применяются препы. в наземных Р. у. систем космич. связи, причём вследствие большей простоты и технологичности полевых транзисторов они постепенно вытесняют пара мет-  [c.233]

УЗЧ относятся к классу апериодических У. э. к., а резонансные цепи используются в них обычно лишь для коррекции АЧХ. Каскады предварит, усиления предназначены для увеличения напряжения источника колебаний до уровня, необходимого для нормального возбуждения мощного оконечного каскада, работают в линейном режиме (режим А , а осн. предъявляемое к ним требование—ббеспечение макс. усиления. Выполняются на полевых транзисторах, транзисторах биполярных и ИС, реже на электронных лампах и тиристорах. При дискретной реализации применяются резисторные каскады с разделит, конденсаторами, биполярные транзисюры включаются по схеме с общим эмиттером, полевые—с общим истоком, лампы—с общим катодом (рис. 3), При работе с высокоомными источ-  [c.241]

Предварительный усилитель микрофона представляет собой двухкаскадный усилитель с непосредственной свйзью между каскадами. Первый каскад собран на полевом транзисторе КПЗОЗ, второй — на биполярном тран зисторе КТ215Г. Коэффициент передачи усилителя /Сп =0,9, максимальное звуковое давление р = 39 Па коэффициент гармоник 0,5 %.  [c.89]

Приемники представляют собой многоканальные тепловые приемные устройства (ТПУ). Каждый канал ТПУ состоит из пироэлектрического приемника излучения поперечного типа с чувствительным элементом в виде полого клина и согласуюи его каскада, выполненного по схеме истокового повторителя на полевом транзисторе.  [c.278]

Согласование сопротивлении в широкой полосе частот является сложной задачей, поскольку высокоизбирательные фильтры, включаемые обычно после П1( е(1бра5ователей, обладают большой частотной неравномерностью входного импеданса. Для улучшения условий работы диодного смесителя между ним и фильтром включают согласующий каскад. В качестве такого Каскада чаще всего применяют малошумящий усилитель на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим затвором и работающем при токе канала, обеспечивающем требуемое входное сопротивление.  [c.79]

ГПД в зависимости от диапазона работает на различных частотах и его стабильность определяет общую стабильность трансивера (рис. 4.17). Он собран на полевых транзисторах VT1 и VT2) с двумя буферными каскадами утз И VT4) и эмиттерным повторителем VT5). При.налаживании его тщательно термокомпенснруют. с помощью конденсаторов с различным ТКЕ по минимальному выбегу частоты. Управление частотой в пределах диапазона осуществляется с помощью вари-капной сборки VD2, напряжение управления на которую подается от одного или другого  [c.193]

Широкополосные транзисторные МШУ строятся обычно по схеме несимметричного (рис. 5) или балансного апериодического У. э. к. с согласующими СВЧ-цепями на входе и выходе каждого каскада и реализуются в виде гибридных или полупроводниковых ИС. По шумовым параметрам охлаждаемые МШУ на арсенид-галлиевых полевых транзисторах с барьером Шотки практически не уступают охлаждаемым ППУ.  [c.242]

При движении автомобиля на входе радиоприемника быстро и нерегулярно меняются электри 1еское И магнитное поля и возникают сильные помехи в виде щмчков и других искажений полезного сигнала. Искажения сигнала являются следствием воздействия на полезный сигнал комбинационных и перекрестных помех, а также воздействия на полезный сигнал двух-трех сигналов от других радиостанций Влияние комбинационных помех снижается за счет повышения избирательности входных цепей и усилителей радиочастот блока УКВ. Помехи от воздействия на вход радиоприемника сильных сигналов от двух-трех других радиостанций снижаются за счет повышения избирательности входной цепи блока. УКВ и улучшения линейности характеристик входных каскадов, что достигается применением во входных блоках УКВ полевых транзисторов вместо биполярных..  [c.4]

Наряду с ИЛ в качестве излучателей для ИОЭС определенный интерес представляют СИД [19]. На рис. 9.11 показа-х на схема, в которой СИД поверхностного типа интегрирован с усилительным каскадом из трех полевых транзисторов [19].  [c.165]

На практике скорость передачи данных обычно определяется иа ранней стадии разработки системы связи, а лишь затем требуется оптимально спроектировать приемник, удовлетворяющий этим требованиям. Выше было показано, что можно использовать входной каскад иа кремниевом полевом транзисторе, если скорость передачи данных меньше 50 Мбит/с, или на кремниевом биполярном транзисторе при более высоких частотах. Далее, если необходимо использовать ЛФД, получаем свободу выбора наиболее подходящего коэффициента умножения. Если коэффициент шума ЛФД подчиняется простому закону, например (13.4.1) — (13.4.3), можно найти оптимальное значение коэффициента усиления, которое минимизирует общий шум. Однако при определенном уровне обратного напряжения, когда развивается микроплазма, эти законы нарушаются. При этом резко возрастают темновой ток и коэффициент шума при попытке дальнейшего увеличения М. Если оптимальный коэ ициент усиления не был превышен, будет иметь место порог для разрушения микроплазмы. На рис. 15.11 при-  [c.387]

Оценим эту величину. Максимальное регистрируемое без искажений значение напряжения сигнала на выходе усилителя близок к напряжению питания, составляющего обычно для предварительного усилителя сигналов преобразователя величину порядка 10 В. Для линейного детектирования с помощью прецизионных детекторов на операционных усилителях необходима величина сигнала порядка 1 мВ. Следовательно, динамический диапазон (отношение максимального сигнала к минимальному) составит 10 ООО. Если коэффициент усиления усилителя составляет 100 (характерное значение), то напряжение максимального неискажаемого входного сигнала составит 0,1 В (100 мВ), а минимальное — 10 мкВ. Оценим величину электрического шума входного каскада. Приняв, что на входе усилителя сигналов пьезопреобразователя использован полевой транзистор с шумовым напряжением порядка 2 нВ/л/Гц (типовое значение для рассматриваемого частотного диапазона), для полосы частот 10 кГц получим шумовое напряжение 200 нВ — величину, которой можно  [c.135]

---

Усилители на полевых транзисторах

Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором полевой транзистор, включен по схеме с общим истоком (ОИ). На рис. 2.17 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада ОИ с RС-связью. Основой такого усилительного каскада являются два элемента: резистор и полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и n-каналом. Аналогичный каскад может быть выполнен и на МДП-транзисторе со встроенным каналом.

Источник входного сигнала подключен к входу каскада через разделительный конденсатор , а сопротивление нагрузки подключено к выходу каскада через разделительный конденсатор .

Поскольку полярность напряжения источника питания определяется типом канала, то в рассматриваемом каскаде должно быть положительно (используется транзистор с n-каналом). Резистор MОм осуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, а также стабилизирует входное сопротивление каскада.

Цепь автоматического смещения обеспечивает отрицательное напряжение на затворе для режима покоя . Величину для заданного тока покоя обычно определяют с помощью стокозатворной ВАХ полевого транзистора (см. рис. 2.22). Поскольку за счет протекания по между затвором и истоком полевого транзистора возникает напряжение

(2.16)

Из (2.16) можно легко определить . Отметим, что с помощью также осуществляется стабилизация режима покоя (подобно стабилизации с помощью в усилителе ОЭ на рис. 2.9).

В режиме покоя для линейного усилителя выбирают напряжение между истоком и стоком полевого транзистора из соотношения , где равно нескольким кОм. При этом .

При расчете каскада ОИ может оказаться, что имеет относительно большое значение, что приведет к получению слишком большого отрицательного напряжения на затворе. Для реализации необходимых режимов работы в усилительном каскаде на полевом транзисторе можно использовать делитель напряжения в цепи затвора, т. е. между затвором и источником питания включить дополнительный резистор. Отметим, что в таком усилителе полевой транзистор с p-n-переходом может быть заменен МДП-транзистором с встроенным или с индуцированным каналом.

Рассмотрим теперь параметры каскада ОИ для переменного сигнала. Нетрудно показать, что при подаче положительной полуволны в каскаде ОИ будет формироваться отрицательная полуволна (как и в каскаде ОЭ), т. е. усилительный каскад ОИ инвертирует входной сигнал. На рис. 2.18 приведена малосигнальная эквивалентная схема в области средних частот для усилительного каскада ОИ. Эта схема получена на основе схемы рис. 1.24, а, в которой устранены межэлектродные емкости (не играющие существенной роли в области средних частот), за счет внесения в нее внешних элементов каскада. Здесь . Входное сопротивление каскада ОИ на средних частотах определяется , поэтому 1 МОм.

Для амплитудного значения тока стока в полевом транзисторе можно записать

. (2.17)

Так как в каскаде ОИ амплитуда выходного напряжения , то (2.17) можно привести к следующему виду: , откуда для коэффициента усиления получим

. (2.18)

Знак « — » показывает, что каскад ОИ инвертирует сигнал. При , что обычно имеет место на практике, выражение (2.18) можно представить в виде

. (2.19)

В реальных каскадах ОИ обычно .

Выходное сопротивление рассматриваемого каскада нетрудно представить как . Поскольку обычно , то .

Рассмотрим работу каскада ОИ в ОНЧ. Спад коэффициента усиления в ОНЧ (см. рис. 2.5) для каскада ОИ обусловлен влиянием конденсаторов , и . Анализ каскада ОИ в ОНЧ практически совпадает с анализом для каскада ОЭ. При расчете коэффициентов частотных искажений для каждой цепи , и следует использовать (2.9), в которую необходимо подставить значения постоянных времени рассматриваемых цепей:

, (2.20,а)

, (2.20,б)

, (2.20,в)

В выражении (2.20,а) учтено, что обычно . Постоянная времени имеет большое значение и слабо влияет на искажения сигнала. В выражении (2.20,б) учтено, что в многокаскадном усилителе обычно каскад ОИ работает на последующий каскад на полевом транзисторе с большим своим входным сопротивлением, т. е. каскад ОИ работает на высокоомную нагрузку. Для истоковой цепи каскада ОИ (2.20,в) учитывают, что выходное сопротивление со стороны истока мало ( ). Сопротивление фактически является выходным сопротивлением каскада ОС, который будет рассмотрен ниже. Из-за малого цепь заряда вносит самый большой вклад в коэффициент . При расчете усилительного каскада для ОНЧ необходимо общую (заданную) величину распределить по всем трем цепям неравномерно, учитывая, что < < .

Рассмотрим теперь работу каскада ОИ в ОВЧ. При анализе работы каскада на полевом транзисторе в ОВЧ прежде всего следует рассмотреть изменение входного сопротивления каскада. При возрастании частоты входного сигнала для определения входного сопротивления необходимо учитывать влияние емкостей и . Уже на частотах в несколько десятков кГц может проявиться проводимость, обусловленная этими емкостями, и входное сопротивление становится комплексным. На рис. 2.19 приведены эквивалентные схемы для входной части каскада ОИ в ОВЧ.

При работе усилительного каскада на полевом транзисторе в области высоких частот одним из основных параметров становится входная емкость . Для каскада ОИ входной ток затвора можно представить как

Проведя преобразования, получим

. (2.21)

Выражение (2.21) позволяет представить в следующем виде:

. (2.22)

Постоянную времени входной цепи в ОВЧ можно определить из эквивалентной схемы рис. 2.19.б в виде . Коэффициент частотных искажений в ОВЧ для входной и выходной цепей каскада можно рассчитать по (2.10). Для получения общего коэффициента

(дБ) нужно сложить и . Отметим, что постоянная времени выходной цепи каскада в основном определяется постоянной заряда емкости нагрузки: .

Стабильность каскадов на полевых транзисторах в основном определяется изменениями под влиянием температуры или других внешних факторов. Уменьшить приращение тока стока в режиме покоя , возникшее под действием какого-либо внешнего фактора, можно используя отрицательную обратную связь по постоянному току. Так, в каскаде (рис. 2.17) общее приращение тока стока в режиме покоя равно , т.е. в раз меньше, чем в одиночном полевом транзисторе.

Рассмотрим теперь истоковый повторитель, которым называется усилительный каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим стоком (ОС). На рис. 2.20 приведена принципиальная схема каскада ОС с RС-связью. Здесь, подобно каскаду ОК, сток через очень малое сопротивление источника питания соединен с общей шиной каскада, т. е. вывод стока является общим для входной и выходной цепей устройства. Основой рассматриваемого каскада ОС являются два элемента: резистор и полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и n-каналом.

В рассматриваемом каскаде (подобно каскаду ОК) существует 100%-ная отрицательная обратная связь по напряжению, за счет чего получается малый и . Кроме того, нетрудно убедиться, что каскад ОС также не инвертирует фазу сигнала. Отсюда и происходит название — истоковый повторитель.

Для каскада c ОС и . Подставив эти выражения в (2.17), после проведения преобразований получим в виде:

, (2.23)

откуда следует, что , но при увеличении коэффициент .

Выходное сопротивление для каскада ОС в области средних частот и составляет сотни Ом.

В области низких частот спад коэффициента усиления определяется влиянием конденсаторов и . Для каскада ОС в ОНЧ и . Анализ этих выражений позволяет заключить, что и . Основные частотные искажения возникают в выходной цепи каскада ОС, следовательно, для уменьшения коэффициента частотных искажений прежде всего необходимо увеличивать .

Входное сопротивление истокового повторителя для низких частот так же, как и в усилительном каскаде ОИ, определяется сопротивлением , которое обычно выбирается порядка 1 МОм.

Рассмотрим теперь входную емкость каскада ОС, которая в ОВЧ снижает входное сопротивление Емкость можно определить по аналогии с входной емкостью каскада ОИ. В результате для каскада ОС запишем

. (2.24)

Из (2.24) следует, что в каскаде ОС в основном определяется межэлектродной емкостью затвор-сток, которая обычно составляет несколько пФ. Сравнение (2.22) и (2.24) позволяет сделать вывод, что в каскаде ОС значительно меньше, чем в каскаде ОИ. Этим и определяется большее входное сопротивление в ОВЧ для каскада ОС.

Постоянные времени входной и выходной цепей рассматриваемого каскада нетрудно представить в следующем виде:

и .

Подставив значения и в (2.10), получим и , сумма которых составит полный (дБ).

Выражение для в общем виде одинаково для усилительных каскадов на полевых транзисторах (ОИ и ОС), но в истоковом повторителе значительно меньше. Из выражений для сразу видно, что для каскада ОС ее величина значительно меньше, чем для каскада ОИ. Таким образом, изложенное выше указывает на то, что истоковый повторитель является более высокочастотным усилительным каскадом, чем каскад ОИ.

Помимо усилительных каскадов ОИ и ОС известен и каскад, в котором полевой транзистор включен по схеме с общим затвором (ОЗ). Однако такой каскад не находит практического применения прежде всего из-за своего малого входного сопротивления.

Узнать еще:

Схема усилителя с общим источником на полевом транзисторе

»Примечания по электронике

Схема усилителя на полевых транзисторах с общим истоком — одна из наиболее часто используемых, обеспечивающая усиление по току и напряжению наряду с удовлетворительным входным и выходным сопротивлением.

---

Конструкция схемы полевого транзистора, полевого транзистора Включает:
Основы проектирования схемы полевого транзистора Конфигурации схемы Общий источник Общий дренажный / истоковый повторитель Общие ворота

---

Конфигурация полевого транзистора с общим источником, вероятно, является наиболее широко используемой из всех конфигураций схемы полевого транзистора для многих приложений, обеспечивая высокий уровень универсальных характеристик.

Схема общего источника обеспечивает средние уровни входного и выходного сопротивления. Усиление по току и напряжению можно описать как среднее, но выход является обратным входному, то есть изменение фазы на 180 °. Это обеспечивает хорошую общую производительность и поэтому часто считается наиболее широко используемой конфигурацией.

Конфигурация схемы на полевом транзисторе с общим истоком

Сводка характеристик усилителя на полевом транзисторе с общим истоком

В таблице ниже приведены основные характеристики усилителя с общим источником.

Характеристики усилителя с общим источником
Параметр	Характеристики усилителя
Коэффициент усиления по напряжению	Средний
Текущая прибыль	Средний
Прирост мощности	Высокая
Соотношение фаз вход / выход	180 °
Входное сопротивление	Средний **
Выходное сопротивление	Средний

** Примечание: входное сопротивление для самого полевого транзистора очень велико, поскольку он практически не потребляет ток.

Типовая схема усилителя с общим источником

На приведенной ниже схеме показан типичный усилитель с общим источником с включенными конденсаторами смещения, а также конденсаторами связи и байпаса.

Базовый усилитель с общим источником на полевых транзисторах

Входной сигнал поступает через C! — этот конденсатор гарантирует, что на затвор не будет воздействовать какое-либо постоянное напряжение, поступающее с предыдущих каскадов. Резистор R1 удерживает затвор под потенциалом земли. Значение T обычно может составлять около 1 МОм. Резистор R2 создает напряжение на нем, удерживая источник выше потенциала земли.C2 действует как байпасный конденсатор, обеспечивая дополнительное усиление при переменном токе.

Резистор R3 создает на нем выходное напряжение, а C3 передает переменный ток на следующий каскад, блокируя постоянный ток.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

Junction Field Effect Transistor (JFET)

В этом руководстве мы узнаем об разновидности полевых транзисторов (FET), называемых Junction Field Effect Transistor или просто JFET. Мы увидим символы схемы, основное условие смещения, ВАХ, простую схему усилителя и несколько приложений.

Введение

Полевые транзисторы представляют собой устройства, управляемые напряжением, тогда как транзисторы BJT представляют собой устройства, управляемые током.Полевые транзисторы имеют в основном три вывода, такие как сток (D), исток (S) и затвор (G), которые эквивалентны выводам коллектора, эмиттера и базы в соответствующем транзисторе BJT.

В транзисторах BJT выходной ток регулируется входным током, который прикладывается к базе, но в транзисторах FET выходной ток регулируется входным напряжением, приложенным к клемме затвора.

В полевых транзисторах выходной ток проходит между выводами стока и истока, и этот путь называется каналом, и этот канал может быть выполнен из полупроводниковых материалов P-типа или N-типа.В транзисторе BJT малый входной ток воздействует на большую нагрузку, но в полевом транзисторе небольшое входное напряжение действует на большую нагрузку на выходе.

Биполярные транзисторы являются «биполярными» устройствами, поскольку они работают с обоими типами носителей заряда, такими как электроны и дырки, но полевые транзисторы являются «униполярными» устройствами, поскольку они работают с носителями заряда либо электронов (для N-канала), либо отверстия (для П-канала).

Полевые транзисторы можно сделать меньше по размеру по сравнению с BJT-транзисторами, а также они имеют меньшую рассеиваемую мощность.Благодаря такой высокой эффективности полевые транзисторы используются во многих электронных схемах, заменяя соответствующие транзисторы BJT. Эти полевые транзисторы очень полезны при проектировании микросхем из-за их низкого энергопотребления. Как и BJT, полевые транзисторы также доступны как с P-каналом, так и с N-каналом.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, тогда как у BJT относительно низкое. Из-за этого высокого импеданса полевые транзисторы очень чувствительны к небольшим входным напряжениям.Транзисторы FET в основном подразделяются на два типа; они представляют собой полевой транзистор с переходным полевым эффектом (JFET) и полевой транзистор с изолированным затвором (IG-FET) или полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET).

Обозначения полевых транзисторов

НАЗАД

Соединительный полевой транзистор (JFET)

Junction Field Effect Transistor (JFET) — это один из типов полевых транзисторов. JFET — это простейшая форма полевых транзисторов с тремя выводами.Транзисторы JFET используются в качестве переключателей с электронным управлением, резисторов с регулируемым напряжением и в качестве усилителей.

BJT-транзисторы построены с PN-переходами, но JFET-транзисторы имеют канал вместо PN-переходов. Этот канал сформирован из полупроводниковых материалов P-типа или N-типа.

Символы JFET и конструкция канала

JFET-транзисторы подразделяются на два типа; это N-канальный JFET и P-канальный JFET.В полевом транзисторе с N-каналом канал легирован донорными примесями из-за этого ток, проходящий через канал, отрицательный (т. Е. Из-за электронов), но в полевых транзисторах с P-каналом канал легирован акцепторными примесями из-за этого ток, протекающий по этому каналу, положительный (т. е. из-за дыр).

JFET с N-каналом имеет большую проводимость по току, чем JFET с P-каналом, потому что подвижность электронов больше, чем подвижность дырок. Таким образом, N-канальные JFET широко используются, чем P-канальные JFET.Небольшое напряжение на выводе затвора (G) контролирует ток в канале (между стоком и истоком) полевого транзистора.

Клеммы эмиттера и коллектора соединены с помощью PN-переходов в BJT, но в JFET клеммы стока и источника соединены с каналом. Небольшое напряжение, приложенное к выводу затвора, управляет током в канале между стоком и истоком полевого транзистора. Это напряжение затвора отрицательно в N-канальном JFET и положительно в P-канальном JFET.

Одно из основных различий между транзисторами BJT и JFET состоит в том, что, когда JFET имеет обратносмещенный переход, ток затвора может быть равен нулю, но в BJT базовый ток всегда должен быть больше нуля. Сравнение символов между BJT и JFET показано на рисунках ниже.

Символы сравнения JFET и BJT

Сравнение различных каналов BJT и JFET

НАЗАД

N-канальный JFET смещение

Внутренняя схема N-канального JFET-транзистора показана ниже.Это транзистор с каналом N-типа и с материалами P-типа области. Если затвор рассеивается в канал N-типа, то образуется обратный смещенный PN-переход, что приводит к обедненной области вокруг вывода затвора, когда на транзистор не подается внешнее питание. Обычно полевые транзисторы JFET называются устройствами режима истощения.

Цепь смещения N-канального JFET

Эта область истощения создает градиент потенциала с изменением толщины вокруг PN-перехода.Этот PN-переход препятствует прохождению тока через канал за счет уменьшения ширины канала и увеличения сопротивления канала.

Теперь канал JFET работает с нулевым напряжением смещения, подаваемым на вход. Из-за большой части обедненной области, образованной между затвором-стоком, и небольшой части обедненной области между затвором и истоком.

Если небольшое напряжение (V _DS ) приложено между стоком-истоком с нулевым напряжением затвора (V _G ), то через этот канал будет протекать ток (I _DS ).Теперь, если мы приложим небольшое количество отрицательного напряжения (-V _GS ) (то есть состояние обратного смещения), тогда ширина обедненной области увеличится, что приведет к уменьшению части длины канала и уменьшению проводимости канала.

Этот процесс называется «эффект сдавливания». Если мы увеличим отрицательное напряжение на выводе затвора, это уменьшит ширину канала до тех пор, пока через канал не перестанет течь ток. Говорят, что в этом состоянии JFET «отключен».Приложенное напряжение, при котором канал полевого транзистора закрывается, называется «напряжением отсечки (V _P )».

НАЗАД

Эффект защемления

Цепь смещения N-канального JFET-транзистора для состояния отсечки

JFET с N-канальной структурой показан выше. В первую очередь, если напряжение затвора равно нулю, тогда сопротивление канала также равно нулю и проводимость канала высокая. Если напряжение затвора (то есть отрицательное напряжение) увеличивается до значения выше нуля, тогда сопротивление канала также увеличивается, и через канал будет протекать небольшой ток.

Если мы подадим большое отрицательное напряжение на вывод затвора, то канал полностью заблокирует прохождение тока через него. В этом состоянии через канал не протекает ток, и теперь полевой транзистор действует как идеальный резистор.

Состояние JFET, в котором канал закрывается, называется «отсеченным», а напряжение, приложенное к затвору в этой ситуации, называется «отсеченным напряжением (V _P )». В состоянии отсечки напряжение на затворе (V _GS ) управляет током в канале.P-канальный JFET работает так же, как N-канальный JFET с некоторыми вариациями, например, ток канала является положительным из-за проводимости из-за отверстий, и для подачи напряжения затвора требуется обратная полярность.

НАЗАД

Характеристики V-I JFET

Вольт-амперные характеристики N-канального JFET показаны ниже. В этой N-канальной структуре JFET напряжение затвора (V _GS ) управляет током между стоком истока.JFET — это устройство, управляемое напряжением, поэтому ток через затвор не течет, тогда ток истока (I _S ) равен току стока (I _D ), то есть I _D = I _S .

В этой характеристике V-I напряжение V _GS представляет напряжение, приложенное между затвором и истоком, а напряжение V _DS представляет напряжение, приложенное между стоком и истоком.

ВАХ JFET транзистора

JFET имеет разные характеристики на разных этапах работы в зависимости от входных напряжений, а характеристики JFET в разных регионах объясняются ниже.В основном JFET работает в омических областях, областях насыщения, отсечки и пробоя.

Омическая область: Если V _GS = 0, то область обеднения канала очень мала, и в этой области JFET действует как резистор, управляемый напряжением.

Область отсечения: Это также называется областью отсечения. JFET входит в эту область, когда напряжение на затворе является большим отрицательным, тогда канал закрывается, т. Е. Через канал не течет ток.

Насыщенность или активная область: В этой области канал действует как хороший проводник, который управляется напряжением затвора (V _GS ).

Область пробоя: Если напряжение сток-исток (V _DS ) достаточно велико, то канал JFET выходит из строя, и в этой области через устройство проходит неконтролируемый максимальный ток.

ВАХ P-канального JFET-транзистора также такие же, как и для N-канального JFET, за некоторыми исключениями, например, если напряжение затвор-исток (V _GS ) увеличивается положительно, тогда ток стока уменьшается.

Ток стока I _D , протекающий через канал, равен нулю, когда приложенное напряжение V _GS равно напряжению отсечки V _P .При нормальной работе JFET приложенное напряжение затвора V _GS находится в диапазоне от 0 до V _P . В этом случае ток стока I _D , протекающий через канал, можно рассчитать следующим образом.

I _D = I _DSS (1- (V _GS / V _P )) ²

Где

I _D = Ток утечки

I _DSS = максимальный ток насыщения

В _GS = напряжение затвор-исток

В _P = отключенное напряжение

Сопротивление сток-исток равно отношению скорости изменения напряжения сток-исток и скорости изменения тока стока.

R _DS = Δ V _DS / Δ I _D = 1 / г _м

Где

R _DS = сопротивление сток-исток

В _DS = напряжение сток в исток

I _D = ток стока

G _м = Коэффициент пропускной способности

НАЗАД

Усилитель с общим истоком JFET

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы также используются при проектировании одноступенчатых усилителей класса А.Усилитель с общим истоком JFET похож на усилитель с общим эмиттером BJT-транзистора. Преимущество JFET перед BJT заключается в их высоком входном импедансе.

Схема усилителя с общим истоком с цепью смещения, образованной резисторами R ₁ и R ₂ , приведена ниже.

Схема усилителя с общим истоком JFET

Это схема усилителя с обычным источником, которая смещена в режиме класса A. Требуемое напряжение затвора рассчитывается с использованием значения R _S .Обычно напряжение на истоковом резисторе устанавливается равным четверти от V _DD , то есть V _S = V _DD /4. Нам нужно установить постоянное напряжение покоя, правильно подобрав резисторы R ₁ и R _2.

Здесь ток стока регулируется отрицательным напряжением затвора. В N-канальном транзисторе JFET затвор никогда не содержит положительного напряжения, потому что ток стока протекает через затвор, а не через исток, и приводит к повреждению полевого транзистора.

Схема усилителя P-канального JFET-транзистора также работает аналогично N-канальному JFET-транзистору при обратной полярности напряжения. Уравнения для расчета различных параметров схемы усилителя с общим источником приведены ниже.

V _S = I _D R _S = V _DD /4

V _S = V _G — V _GS

V _G = (R ₂ / (R ₁ + R ₂ )) * V _DD

I _D = V _S / R _S = (V _G — V _GS ) / R _S

Где

В _S = напряжение источника

I _D = ток стока

R _S = сопротивление источника

В _DD = напряжение питания на стоке

В _G = напряжение затвора

В _GS = напряжение затвор-исток

R ₁ и R ₂ = резисторы смещения

НАЗАД

Приложения JFET

• JFET используется в качестве переключателя.
• JFET используется в качестве прерывателя.
• Используется как усилитель.
• Используется как буфер.
• Используется в колебательных цепях из-за низкого дрейфа частоты.
• Используется в цифровых схемах, таких как компьютеры, жидкокристаллические дисплеи и схемы памяти из-за их небольшого размера.
• Используется в коммуникационном оборудовании, таком как FM- и ТВ-приемники, из-за их низкого искажения модуляции.
• Используются в качестве резисторов с регулируемым напряжением в операционных усилителях.
• JFET используются в каскадных усилителях и усилителях RF.

НАЗАД НАЗАД

ПРЕДЫДУЩАЯ — КОНФИГУРАЦИИ ТРАНЗИСТОРОВ

СЛЕДУЮЩИЙ — МОП-транзистор

The TTI

The TTI

Том 4 №2, весна 2001 г.	ISSN # 1523-9926

Двухступенчатый Транзисторный усилитель FET-BJT Experiment

Счет Хаффин
Хаффин @ uscolo.edu
Доцент, координатор программы
Электроника Технологии
Университет Южного Колорадо

---

РЕФЕРАТ

Это двухкаскадный транзистор Усилитель иллюстрирует основные принципы работы полевого транзистора с общим истоком. каскад и каскад БЮТ с общим эмиттером. Стадия JFET с общим источником, использующая самосмещение, используется в качестве первого каскада для достижения высокого входного импеданса для усилитель.Вторая ступень — это обычный эмиттер. усилитель, использующий смещение делителя напряжения для обеспечения дополнительного усиления напряжения.

Предполагается, что студент имеет некоторый опыт в основах теории транзисторных усилителей, включая использование эквивалентных схем переменного тока. После после проведения полного анализа перед лабораторией ожидается, что студент разовьет свои или ее собственная процедура проведения лабораторного эксперимента. Студент должен затем проанализируйте и вдумчиво обобщите результаты эксперимента в письменный лабораторный отчет.Использование Electronics Workbench в качестве компьютерного моделирования инструмент также настоятельно рекомендуется для улучшения процесса обучения.

ЦЕЛЬ ЭКСПЕРИМЕНТА

Цель эксперимента — изучить работа двухкаскадного усилителя на полевом и биполярном транзисторах.

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ЦЕПНЫЕ ЗАПИСИ

1. Используемый здесь полевой транзистор недорогой малосигнальный n-канальный полевой транзистор JFET; MPF102 или эквивалент может быть при желании можно заменить.

2. Для предварительной лаборатории вы можете примите некоторые типичные значения, такие как: б = 100, I _DSS = 10 мА, В _{GS c / o} = -4V, g _мес = 4,8 mmhos (вспомним g _mo = g _m при V _GS = 0), и g _m = 3,3 mmhos (мСм) в рабочей точке I _DQ .

3. Вы можете эффективно «измерить» входной импеданс усилителя Z _i , вставив большой тестовый резистор последовательно с входом усилителя, а затем измерение того, какая часть сигнала генератора появляется на входе усилитель мощности; например, если входной сигнал уменьшается вдвое, тогда Z _i = испытательное сопротивление.

4. Вы можете определить выходное сопротивление усилителя Z _o при временном размещении нагрузки резистор на выходе усилителя и определение выходной сигнал падает в результате этой нагрузки (примечание: вам нужно будет измерить как выходное напряжение без нагрузки, так и под нагрузкой для определения Z _o ). Например, если выходной сигнал падает вдвое, тогда Z _o = сопротивление нагрузки.

ЭЛЕКТРОНИКА ПАНЕЛЬ РАБОТЫ (EWB) МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ

Для более точного JFET моделирование, вам может потребоваться изменить идеальную модель n-канального JFET по умолчанию в EWB для использования следующих параметров JFET (для более точного моделирования указанный полевой транзистор, с типичным I _DSS 10 ма и V _{GS c / o} от -4 В): VTO («порог» JFET или напряжение отсечки) = -4 В, и бета (JFET «коэффициент крутизны») = 0.00063 А / В ² . (Более информацию об этих параметрах транзистора можно найти в Электронике. Справочники Workbench и Pspice).

PRELAB

1. Нарисуйте «источник напряжения, управляемый напряжением» (VCVS) модель усилителя напряжения, состоящий из зависимого источника напряжения, включенного последовательно с резистивным Z _— (выходное сопротивление) и резистивное Z _— (входное сопротивление). импеданс), подключенный к входным клеммам.Используя эту модель и некоторые основные измерения входного и выходного напряжения, вы можете определить Z _i и Z _o усилителя.

2. Конструкция (уклон) каскад JFET с использованием «смещения средней точки» (I _D = 1/2 I _DSS ), с R _S @ 1 / gmo и V _GS @ V _{GS c / o} / 3.4. Также дизайн второй ступени (рассчитать R _E ) для I _E около 2 мА. ПРИМЕЧАНИЕ : используйте ближайший стандарт 5% номиналы резисторов! Убедитесь, что вы четко указали ВСЕ для ваших расчетных расчетов. в вашем отчете!

3. Рассчитайте основные напряжения и токи постоянного тока на клеммах полевого и биполярного транзисторов, а также следующие значения переменного тока. Параметры цепи: A _v1 , A _v2 , A _{V tot} (общий коэффициент усиления по напряжению), Z _i (ckt) и Z _o (ckt).

ЛАБОРАТОРИЯ

Постройте схему, показанную на Рисунок 1. Перед подключением входного сигнала переменного тока убедитесь, что ваш измеренный Напряжения постоянного тока достаточно близки к прогнозируемым значениям (если они далеко, вам нужно будет устранить неисправность цепи, прежде чем продолжить). Затем подключите небольшой синусоидальный входной сигнал переменного тока на подходящей частоте (несколько кГц) и измерьте коэффициент усиления (я) по напряжению, а также Z _i и Z _o . Запишите формы сигналов, видимые на осциллографе (используйте связь по постоянному току, чтобы увидеть составные сигналы ) в различных точках цепи. Определите, есть ли у вас измеренные формы сигналов кажутся разумными (близкими к ожидаемым).

Предположить, как могло быть значительно увеличивает коэффициент усиления по напряжению этой схемы. Будь уверен уменьшите V _i по мере необходимости, чтобы предотвратить перегрузку усилителя!

Запишите свои результаты и сравните их с прогнозируемыми значениями (включите таблицу% ошибок в отчет).

КОММЕНТАРИИ И ВЫВОДЫ

Вдумчиво резюмируйте то, что вы узнали из этого эксперимента, обращаясь к следующие выпуски:

• Преимущества использования полевого транзистора за первую очередь

• Назначение шунтирующего конденсатора источника на полевом транзисторе

• Тип связи используется в двухкаскадном усилителе

• Ваши экспериментальные результаты по сравнению с вашими прогнозами и компьютером моделирование

Рисунок 1. FET — BJT «гибридный» 2-х ступенчатый транзисторный усилитель

ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ССЫЛКИ

1. Флойд, Томас Л., Электронные устройства , Prentice Hall

2. Флойд, Томас Л., Основы линейных схем , Merrill

3. Бойлестад, Р. и Нашельский, Л. Электронные устройства и теория схем , Prentice Hall

4. Стэнли, Уильям, Операционные усилители с линейными интегральными схемами , Prentice Hall

5. Tuinenga, Paul, SPICE A Руководство по моделированию и анализу схем с использованием PSpice , Prentice Hall

6. Рашид, Мухаммад, SPICE Для схем и электроники с использованием PSpice , Prentice Hall

7. Рабочий стол для электроники справочники и паспорта транзисторов

Вернуться к Это выпускает Домашняя страница

JFET: Новые рубежи, часть 1

Базовые схемы, на которых Эрно Борбели основывал большинство своих проектов, описаны в «JFETs: The New Frontiers, Part I and II», опубликованном в Audio Electronics AE 5/99 и 6 / 99.Автор признает, что часто ссылаясь на эти статьи, это были «строительные блоки», на которых основаны многие — если не все — его усилители. Эта статья является первой частью, изначально опубликованной в Audio Electronics, Vol. 5 1999.

Как известно большинству наших клиентов, я отстаивал преимущества полевых транзисторов в целом и полевых транзисторов в частности, особенно для схем низкого и среднего уровня. Полевые транзисторы JFET обеспечивают чрезвычайно высокое разрешение, отображая больше деталей, звучание чище, яснее и естественнее, чем лучшие биполярные транзисторы, такие как LM394, и даже лучшие лампы Telefunken.В целом, я считаю, что полевые транзисторы JFET обеспечивают лучший звук в аудиосхемах.

Я работаю с полевыми транзисторами с полевыми транзисторами с середины 70-х годов, когда я разработал в Motorola модули усилителя низкого уровня с полевыми транзисторами. Однако в то время они не конкурировали с лучшими биполярами. В начале 80-х на рынке появились первые действительно малошумные устройства м с высоким g. С тех пор я использовал эти устройства на входных этапах практически всех своих проектов. Однако я использую биполярные транзисторы на вторых ступенях, в основном потому, что они имеют довольно простую конструкцию.

Выходные каскады всегда были полевыми МОП-транзисторами из-за относительно высокого тока, необходимого на этих каскадах. В постоянном поиске лучшего звука я регулярно пересматривал свои конструкции, улучшая топологию усилителей, а также используя более совершенные компоненты, что привело к значительным улучшениям. Тем не менее, я впервые добился настоящего прорыва, когда начал использовать в усилителях в основном JFET-транзисторы. Я считаю, что лучше всего использовать только JFET на всех этапах звуковой цепи.Однако из-за их ограниченной способности управлять мощностью их практически невозможно использовать в выходных каскадах. Здесь в обозримом будущем будут править полевые МОП-транзисторы.

Несмотря на квадратичные характеристики и относительно высокую входную емкость, полевые транзисторы JFET довольно просто использовать в аудиоусилителях, и вы, как любитель, можете сами спроектировать большинство низкоуровневых каскадов в звуковой цепи. Так же, как одиночный триод или пентод на электронных лампах, одиночный полевой транзистор JFET может справиться с задачей линейного усилителя, и его значительно проще подключить.Вы также можете построить несимметричный (SE) фонокорректор, используя всего два JFET. Остальное зависит от вашего воображения. Достаточно сказать, что я надеюсь, что следующее введение в JFET разожжет ваш аппетит к «новым рубежам» в усилении звука.

JFET
Полевые транзисторы (FET) существуют уже давно; Фактически, они были изобретены, по крайней мере теоретически, до биполярных транзисторов. Основной принцип полевого транзистора был известен со времен патента Дж. Э. Лилиенфельда в США в 1930 году, а Оскар Хейл описал возможность управления сопротивлением в полупроводниковом материале с помощью электрического поля в британском патенте 1935 года.Несколько других исследователей описали аналогичные механизмы в 40-х и 50-х годах, но только в 60-х годах достижения в области полупроводниковой технологии позволили реализовать эти устройства на практике.

Переходный полевой транзистор, или JFET, состоит из канала из полупроводникового материала, по которому течет ток. Этот канал действует как резистор, и ток через него регулируется напряжением (электрическим полем), приложенным к его затвору. Затвор представляет собой pn переход, образованный вдоль канала.Это описание подразумевает основное различие между биполярным транзистором и JFET: pn переход в JFET имеет обратное смещение, поэтому ток затвора равен нулю, тогда как база биполярного транзистора смещена в прямом направлении, а база проводит базу. Текущий. Таким образом, JFET является устройством с высоким входным импедансом, а биполярный транзистор — сравнительно низким импедансом.

Рисунок 1A: Символ для N-канального JFET.
В зависимости от легирования полупроводникового материала вы получаете материал так называемого N-типа или P-типа, что приводит к N-канальному или P-канальному типу JFET.Символ для N-канального JFET показан на рис. 1A. Три «электрода» называются G, D и S, что означает затвор, сток и исток. Выходная характеристика для N-канального JFET с затвором, закороченным на исток (т.е. V _GS = 0), показана на рисунке 1B.

Характеристическое поле разделено на две области: первая «резистивная» область ниже напряжения насыщения V _SAT , где увеличение V _DS приводит к почти линейному увеличению тока стока I _D .Выше V _SAT увеличение V _DS не приводит к дальнейшему увеличению I _D , и характеристика выравнивается, указывая на область «насыщения». Иногда эти две области также называют областями «триода» и «пентода».

JFET-транзистор можно использовать как резистор, управляемый напряжением, или переключатель низкого уровня в области триода, и как усилитель в области пентода. Как видите, Nchannel JFET проводит максимальный ток I _DSS с V _GS = 0 В.Если вы приложите отрицательное напряжение к затвору, это уменьшит ток в канале, и вы получите семейство выходных характеристик, как показано на рис. 2A. Это устройство называется полевым транзистором «обедненного» типа.

Рисунок 1B: Выходная характеристика для VGS = 0 В.
Таким образом, JFET состоит из канала из полупроводникового материала, по которому может течь ток, и этот поток управляется двумя напряжениями: V _DS и V _GS . Когда V _DS больше, чем V _SAT , током управляет только V _GS , а поскольку V _GS применяется к переходу с обратным смещением, ток затвора чрезвычайно мал.В этом отношении Nchannel JFET аналогичен пентоду на электронных лампах и, как и пентод, может быть подключен как усилитель.

P-канальные полевые транзисторы ведут себя аналогичным образом, но с изменением направления тока и полярности напряжения. P-канальный JFET не имеет хорошей аналогии среди электронных ламп.

Кривая крутизны
Как упоминалось ранее, вы можете использовать JFET в качестве усилителя в области пентода или насыщения. Здесь V _DS мало влияет на выходные характеристики, а напряжение затвора управляет канальным током I _D .Из-за этого легко охарактеризовать JFET с точки зрения взаимосвязи между I _D и V _GS , то есть с кривой крутизны. На рис. 2В показаны кривые крутизны типичного малошумящего полевого транзистора _м JFET с низким уровнем шума, 2SK170.
Ток стока как функция VGS определяется по формуле:

V _P — это напряжение отсечки затвора, которое определяется как напряжение затвор-исток, которое снижает I _D до очень низкого значения, например 0.1 мкА. Формула показывает, что кривая крутизны имеет квадратичную форму. Он также показывает, что если вы знаете I _DSS и V _P , вы можете нарисовать кривую крутизны для любого JFET. Крутизна g _m , которая представляет собой наклон кривой крутизны, находится путем дифференцирования I _D относительно V _GS :

Крутизна gm становится -2I _DSS / V _P , где кривая крутизны пересекает ось y.Это значение, которое вы обычно найдете в таблицах данных. Обратите внимание, что на рис. 2B для 2SK170 приведены пять различных кривых крутизны. Это указывает на то, что существует диапазон кривых I _D для каждого JFET из-за производственных допусков.

Также обратите внимание, что кривая крутизны останавливается там, где она пересекает ось y. Это связано с тем, что pn-переход затвора будет смещен в прямом направлении, если V _GS будет сделан положительным для N-канала и отрицательным для JFET-транзисторов P-канала, и ток затвора будет течь.Это аналогично состоянию электронных ламп, когда сетка сделана положительной. Конечно, кремниевый pn-переход не проводит ток до тех пор, пока прямое напряжение не достигнет 0,6–0,7 В, поэтому вы можете приложить несколько сотен мВ в прямом направлении без вредных последствий. JFET часто работают с обеими полярностями напряжения затвора, то есть с током затвора, в ВЧ приложениях.

Изменение кривой крутизны — это не только вопрос допусков, связанных с производством, это также зависит от температуры, и это происходит из-за двух различных эффектов.При повышении температуры подвижность носителей заряда в канале уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления канала и, следовательно, снижению ID.

С другой стороны, барьерный потенциал затворного pn перехода уменьшается примерно на 2,2 мВ / ° C, что приводит к увеличению I _D . На кривой крутизны есть точка, где эти два эффекта компенсируют друг друга, и температурный коэффициент (tempco) становится равным нулю. Очевидно, что если вам нужно спроектировать с низким дрейфом, тогда JFET должен работать на этом этапе.

Вы можете рассчитать нулевую точку температуры по следующей формуле:

Типичные кривые крутизны для двух разных полевых транзисторов показаны на рис. 3A и 3B для полевого транзистора с высоким и низким VP соответственно.

Рисунок 2A: Семейство выходных характеристик для 2SK170. Рисунок 2B: Кривые крутизны для 2SK170. Рисунок 3A: Нулевая точка температуры для 2SK246. Рисунок 3B: Нулевая точка температуры для 2SK170.
Из кривых очевидно, что точка нулевой температуры возникает при более низком I _D для полевых транзисторов _P с высоким V и при более высоком I _D для полевых транзисторов _P с низким V.Если напряжение V _P близко к 0,6 В, то точка нулевой температуры близка к I _DSS .

Точка смещения
Как показано на рис. 2B, полевые транзисторы JFET имеют относительно широкий диапазон кривых крутизны. Чтобы использовать JFET как линейный усилитель, вам необходимо иметь четко определенную рабочую точку. Типичный каскад усилителя с общим источником показан на рис. 4A. Предположим, что + Vs составляет 36 В, и вы выбрали нагрузочный резистор R _L = 10 кОм. Что произойдет теперь, если вы вставите типичный JFET, такой как 2SK170, для Q1?

На рисунке 4B показаны пять кривых крутизны для 2SK170, с I _DSS между 2.1 мА и 10 мА. Если вы выберете один из них наугад и будете использовать его без R _S , фактический ток стока будет равен значению I _DSS . При 2,1 мА падение напряжения на R _L составит 21 В; то есть сток (OUT) будет находиться на уровне 36-21 = 15 В. Это может быть неоптимальным с точки зрения максимального выхода или минимального THD, но все будет работать нормально.

Однако при I _DSS = 10 мА падение напряжения должно быть 100 В, что явно невозможно при Vs = 36 В, и усилитель переходит в режим насыщения.Очевидно, что если вы хотите использовать любой или все эти JFET-транзисторы, вы должны уменьшить влияние широкого диапазона I _DSS . Решением является использование истокового резистора RS, аналогичного устройствам смещения, используемым в биполярных транзисторах или ламповых усилителях.

Рисунок 4A: Усилитель с общим источником. Рисунок 4B: Истоковый резистор Rs стабилизирует точку смещения.
Чтобы проиллюстрировать эффект, я нарисовал линию для резистора 100 Ом в характеристиках крутизны.Диапазон токов стока теперь ограничен между 1 мА для устройства IDSS = 2,1 мА и примерно 2,6 мА для устройства I _DSS = 10 мА. Напряжения стока будут 36-10 = 26В и 36-26 = 10В соответственно. Это все еще слишком большой разброс с точки зрения THD и максимального размаха выходного сигнала, но, по крайней мере, ни у одного из этих устройств нет насыщения.

К счастью, полевые транзисторы JFET продаются с гораздо более узкими диапазонами I _DSS , что упрощает жизнь с точки зрения правильного смещения. 2SK170 делится на три группы I _DSS : группа «GR» — 2.6–6,5 мА, группа «BL» — 6–12 мА, группа «V» — 10–20 мА. Если вы используете устройство «GR» с R _S = 100 Ом, I _D будет варьироваться от 1 до 2 мА, что почти приемлемо.

Лучшее решение, конечно же, — это подбор устройств для вашего конкретного приложения. Предположим, вы хотите создать несимметричный фонокорректор с полевыми транзисторами и пассивной сетью коррекции RIAA, и вы решили использовать устройства 2SK170. Чтобы свести к минимуму шум схемы, вы должны использовать 2SK170 без R _S , т.е.е., по адресу I _DSS . Кроме того, вам понадобится относительно высокий ток, чтобы иметь возможность управлять пассивной корректирующей сетью RIAA. Если вы выберете, скажем, 5 мА, вам нужно будет выбрать устройства из группы «GR». Но как? Выбор несложный.

Рисунок 5: Простое испытательное приспособление для N-канальных полевых транзисторов.
Тестирование JFET
На рисунке 5 показана простая схема, с помощью которой вы можете выбрать полевые транзисторы и при необходимости сопоставить их. Тестер подает ток в источник или соединяет источник с землей для измерения основных параметров устройства.В положении 1 (переключатель в положении против часовой стрелки) источник подключается к −10 В через резистор 1 МОм. Это питает источник током приблизительно 10 мкА, который можно считать точкой отсечки VP для JFET. (В технических данных указаны более низкие значения, но это дает вам более практическую ценность для измерений.) Вольтметр теперь показывает напряжение отсечки VP для устройства.

В следующих двух позициях измеряется V _GS для устройства при заданных токах стока. Эти позиции дают практические значения для целей проектирования, и вы можете выбрать источники постоянного тока для нужных вам значений.Кнопочный переключатель замыкает источник на землю, и измеритель измеряет ток I _DSS . Если вы хотите измерить только V _P и I _DSS , вы можете постоянно подключить источник к -10 В через резистор 1M, который дает вам V _P , а затем замкнуть источник на землю с помощью кнопки. читать я _DSS .

Если вы тестируете устройства с каналом P, вы должны поменять местами напряжения питания и диоды постоянного тока. Обычно я тестирую большую партию устройств (скажем, по 100 устройств каждого типа) и сортирую их по I _DSS .Затем разные устройства используются в разных приложениях.

Некоторые практические измерения
Как упоминалось ранее, кривая крутизны имеет квадратичную форму, и если вы хотите использовать ее для усиления аудиосигналов, она создаст гармоники. Истинная квадратичная кривая генерирует только вторую гармонику; однако трудно найти идеальные устройства, а практичные устройства также генерируют некоторые более высокие гармоники. Опять же, в этом отношении есть близкое сходство с электронными лампами.Глядя на кривую крутизны, вы можете легко увидеть, что она более линейна ближе к оси y, чем дальше вниз по кривой. Таким образом, с точки зрения линейности, использование полевого транзистора с более высоким значением I _D является преимуществом.

Рисунки 6A / 6B: Диапазон ввода / вывода для 2SK170 и 2SK246 соответственно. Рисунки 7A / 7B: Практические усилители с 2SK170 и 2SK246.
На рисунках 6A и 6B показаны характеристики крутизны для двух полевых транзисторов JFET, которые я использую во многих своих усилителях.2SK170 — это устройство с высокой крутизной и низким V _P , а 2SK246 — это полевой транзистор с низкой крутизной и более высоким V _P .

Я выбрал 2SK170 с I _DSS = 6,2 мА и 2SK246 с I _DSS = 5,6 мА, чтобы проиллюстрировать разницу в работе с очень похожими значениями I _DSS . Напряжение отсечки затвора составляет примерно 0,45 В для K170 и 2,75 В для K246. Чтобы работать с ними на наиболее линейной части характеристики, я выбрал точки смещения на V _GS = 0.1 В и ID = 3,8 мА для K170 и V _GS = 0,5 В и I _D = 4 мА для K246. Эти точки установлены с R _S = 27 Ом и 125 Ом соответственно.

Наиболее очевидное различие между двумя полевыми транзисторами JFET заключается в максимальном размахе входного сигнала, с которым вы можете управлять ими. K170 допускает пиковое значение приблизительно ± 0,1 В перед тем, как затвор станет положительным, но K246 имеет диапазон ± 0,5 В! Естественно, я мог бы переместить рабочую точку ниже по кривой крутизны, чтобы увеличить входной диапазон, но в конечном итоге я бы достиг другой предельной точки, где гейт срезается на V _P .

Здесь нужно понимать, что полевой транзистор с высоким напряжением V _P JFET имеет более широкий диапазон входного размаха, чем тот, который имеет низкое напряжение V _P . Другие очевидные различия связаны с диапазоном выходного сигнала и коэффициентом усиления. При напряжении затвора ± 0,1 В ток стока для K170 варьируется от 1,8 до 6,2 мА. С резистором стока R _L = 4,7 кОм, это дает размах выходного напряжения 29,14–8,46 В = 20,68 В пик-пик. Тогда усиление составит 20,68 / 0,2 = 103,4, что составляет 40 дБ. Выходной диапазон для K246 — 2.От 5 мА до 5,6 мА. При том же резисторе стока 4,7 кОм размах выходного напряжения будет 26,32 — 11,75 = 14,57 В пик-пик. Коэффициент усиления составляет 14,57 / 1 = 14,57 раза, что составляет 23,38 дБ. То есть устройство с высоким V _P имеет меньшее усиление, чем устройство с низким V _P .

Когда выше меньше
Конечно, это можно объяснить крутизной. Gm для K170: 2I _DSS / V _P = 27,55 мс. Прирост составляет g _m × R _L , что дает 127 раз, что немного выше, чем при графическом анализе.Объяснение этому состоит в том, что этот g _m находится в точке, где кривая пересекает ось y, которая всегда выше, чем в рабочей точке, и что кривая не является прямой линией, из-за чего выходной сигнал колеблется. меньше теоретического значения.

В любом случае этот быстрый расчет дает вам разумную отправную точку для проектирования схемы. Соответствующее значение g _m для K246 составляет 4 мс, поэтому очевидно, что коэффициент усиления также намного меньше — 19,14, то есть 25.63 дБ. Опять же, это дает более высокое значение, чем графический анализ. Теперь о некоторых реальных схемах и измерениях THD. На рисунках 7A и 7B показаны два усилителя с K170 и K246. У K170GR был I _DSS на 5,5 мА, и я сначала использовал его с RS = 0 и R _L = 3,3 кОм.

Рисунок 8: Параллельное соединение полевых транзисторов снижает шум. Таблица 1
Это дало мне коэффициент усиления 36,4 дБ и частотную характеристику более 400 кГц. THD показан в столбце 1 таблицы 1.

В столбце 2 показано то же устройство K170GR, но на этот раз с R _S = 50 Ом.Это снижает ток стока примерно до 2,5 мА, поэтому я увеличил резистор стока до 8,2 кОм, чтобы иметь те же условия постоянного тока, что и раньше. THD уменьшается примерно на 6 дБ. В столбце 3 показан усилитель K246BL, работающий при I _D = 5,1 мА, с R _S = 100 Ом и R _L = 4,7 кОм. Выходной сигнал теперь немного ниже половины напряжения питания, поэтому максимальный выход ограничен. Но THD довольно низкий, опять же примерно на 6 дБ ниже, чем в предыдущей схеме.

Схема K170GR, кажется, популярна для входных каскадов фонокорректора, и некоторые из них распространены в Интернете.R _S обычно закорачивают для достижения минимального шума. Однако даже без R _S шум одного K170 недостаточно низок для звукоснимателей MC. Чтобы снизить уровень шума, вы можете подключить несколько таких устройств параллельно. Удвоение JFET с сопоставимым g _m снижает шум примерно на 3 дБ.

Я подключил четыре K170 параллельно, чтобы посмотреть, как это работает (рис. 8). Каждое устройство имело I _DSS приблизительно 15 мА, а токи стока с R _S = 6R8 составляли 10 мА каждый.С R _L = 511 Ом сток находится при 14,8 В постоянного тока. Коэффициент усиления составляет 34 дБ, а частотная характеристика — 360 кГц. THD для этой схемы показан в столбце 4 таблицы 1. Помните, что эта схема работает на очень низких уровнях, где THD действительно низок. Эквивалентный входной шум также достаточно низок и составляет примерно 100 нВ в полосе пропускания 20 кГц. Неплохо для простой схемы. Хотите попробовать?

Рисунки 9A / 9B: Каскадирование и местная обратная связь с Rs снижает входную емкость.
Входная емкость
Как упоминалось ранее, полевые транзисторы JFET имеют относительно высокую входную емкость, что может быть важным конструктивным фактором. Подобно лампам и биполярным транзисторам, JFET также имеют межэлектродные емкости, которые влияют на частотную характеристику JFET, когда он используется в качестве усилителя. Две емкости, которые важны для использования звука, — это Ciss и Crss.

Ciss называется входной емкостью, а Crss — емкостью обратной передачи. Типичные значения Ciss составляют 30 пФ для K170 и 9 пФ для K246.Устройства с высоким g _m имеют гораздо более высокую входную емкость, чем устройства с низким gm. Crss составляет 6 пФ и 2,5 пФ соответственно. Crss кажется относительно низким, но именно он определяет входную емкость усилителя из-за эффекта Миллера.

Входная емкость нормального каскада JFET с общим истоком, как показано на рис.7, но с R _S = 0, определяется формулой: C _in = Ciss — A _v × Crss, где _В — это усиление напряжения каскада.Обратите внимание, что каскад с общим истоком инвертирует фазу, поэтому A _v имеет отрицательное значение, что делает Cin положительным числом. Поскольку A _v может быть значительно большим, входная емкость каскада может быть очень высокой.

Я измерил входную емкость усилителя, показанного на рис. 7, как с R _S , так и без него. Без R _S емкость была более 600 пФ! При R _S = 100 Ом входная емкость упала до 127 пФ из-за локальной обратной связи через R _S .Чтобы понять важность этого, предположим, что вы управляете усилителем от регулятора громкости 100 кОм. Усилитель будет видеть максимальное «сопротивление источника» 25 кОм, когда регулятор громкости находится посередине. Если вы вычислите точку 3 дБ фильтра нижних частот, сформированную регулятором громкости, и входную емкость 600 пФ, вы обнаружите, что она составляет около 10 кГц! Если вы используете K170 без RS, вам обязательно нужно использовать регулятор громкости, который меньше 100k.

Cascode to the Rescue
Есть еще один способ уменьшить входную емкость усилителя.Каскодное соединение устройств было изобретено в эпоху ламп, но также широко использовалось с биполярными транзисторами. Одним из преимуществ каскадирования, если вы помните, является уменьшение входной емкости, что упрощает создание высокочастотных усилителей.

Рисунок 10: Зависимость Ciss от напряжения для 2SK170. Рисунок 11: Зависимость Crss от напряжения для 2SK170.
Я соединил две цепи, чтобы проверить это (рис. 9). Верхнему полевому транзистору требуется напряжение смещения, и его легко получить, подключив его затвор к истоку нижнего полевого транзистора.(Конечно, вы также можете сгенерировать это смещение из напряжения питания с помощью делителя напряжения, как вы обычно делаете с ламповыми каскодами.) Я использую полевой транзистор с высоким напряжением _P для верхнего устройства, так что нижний JFET имеет Напряжение на нем достаточно, чтобы работать в области насыщения.

Входная емкость схемы на рис. 9A составляет примерно 160 пФ, поэтому каскадирование действительно снижает входную емкость. Дальнейшее снижение достигается за счет добавления локальной обратной связи с R _S (рис. 9B).Входная емкость теперь снижена до 50 пФ. При такой низкой входной емкости больше нет опасности создания фильтра нижних частот с регулятором громкости.

Как будто наличия и размера входной емкости недостаточно, она также зависит от напряжения, что может вызвать искажения в некоторых приложениях. На рисунках 10A и 10B показана зависимость Ciss и Crss от напряжения полевого транзистора K170, соответственно. В зависимости от амплитуды входного / выходного сигнала возникает емкостная модуляция, которая может вызвать искажение аудиосигнала.Это чаще всего проявляется, когда вы управляете схемой от высокого импеданса источника. Я протестировал схему, описанную в столбцах 1 и 2 таблицы 1, с различным импедансом источника и не смог измерить сколько-нибудь значительного увеличения THD до источника 50 кОм.

Однако, когда некаскодная схема была запущена от 500 кОм, THD увеличился примерно на 6 дБ. Каскодированная схема не показала значительного увеличения импеданса любого источника до 500 кОм. Чтобы избежать проблем с емкостной модуляцией, я рекомендую вам использовать регулятор громкости не более 50 кОм.(Конечно, вы, вероятно, в любом случае использовали бы не более 50 кОм из-за повышенного шума при более высоком импедансе.) Обратите внимание, что в этих схемах задействованы только два типа полевых транзисторов, тогда как их тысячи на рынке. Кроме того, я использовал их только в целях иллюстрации, и, хотя они работают, как описано, я не пытался оптимизировать их для какого-либо конкретного приложения.

Во второй части этой статьи я рассмотрю дифференциальные топологии.

Читайте также: «All-FET Line Amp» — опубликовано в audioXpress в мае 2002 г.

Благодарности
Я искренне благодарен Уолту Юнгу из Analog Devices, любезно прочитавшему рукопись и предоставившему ценные комментарии и предложения.Также благодарим наших клиентов: доктора Юргена Сайле, Германия, Резу Хабиби из Electro Concept Services, Франция, и Винфрида Эбелинга из Crystal Audio Research, Германия, за их ценные отзывы, комментарии и предложения в рамках программы разработки ALL-FET.

Эта статья изначально была опубликована в Audio Electronics, Vol 5 1999

Подробнее об авторе читайте здесь.

JFET и MOSFET

JFET и MOSFET

Elliott Sound Products

полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы

© 2017 — Род Эллиотт (ESP)
Страница опубликована в сентябре 2017 г.

Вершина

---

Указатель статей
Основной указатель

---

Содержание

---

Введение

JFET (переходные полевые транзисторы) используются нами в течение многих лет, и было время, когда было доступно много различных типов, часто с некоторыми очень желательными характеристиками.JFET стали доступны примерно через 10 лет после BJT (биполярных переходных транзисторов) и были быстро приняты для приложений, требующих входов с высоким импедансом. Для BJT требуется входной ток, а это означает, что им также требуется ток от источника сигнала для изменения своего выходного тока. Хотя ток обычно очень низкий, в некоторых случаях он вызывает проблемы. MOSFET (металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы) появились немного позже и произвели революцию в области высокоскоростной коммутации.

Полевые транзисторы (как JFET, так и MOSFET) управляются напряжением и не требуют (статического) тока от источника сигнала. Однако это применимо только к постоянному току, потому что для переменного тока необходимо учитывать емкость затвора. Все полевые транзисторы довольно уникальны как полупроводниковые устройства в том смысле, что они проводят более или менее одинаково в обоих направлениях (то есть как «нормально», так и с заменой стока и истока). Биполярный транзистор (возможно, удивительно) будет работать и с перевернутыми эмиттером и коллектором, но коэффициент усиления современных устройств в этом режиме очень низкий — иногда меньше единицы.Полевые транзисторы можно рассматривать как резисторы, управляемые напряжением, и они используются по-разному.

К сожалению, сопротивление не линейное. Оно зависит от тока, и, хотя эффективное сопротивление можно изменить, изменяя напряжение затвора, это соотношение также не является линейным. Утверждения, что полевые транзисторы более линейны, что к BJT следует относиться с подозрением, потому что в большинстве случаев это просто неправда. Аналогичные заявления делаются и в отношении клапанов (вакуумных ламп), но они также не соответствуют действительности.

МОП-транзисторы

также проводят в обоих направлениях, но у них есть внутренний диод, который будет проводить, когда обратное напряжение превышает пиковое значение примерно 600 мВ. Это означает, что они не могут работать как линейный усилитель, если сток и исток поменяны местами. Они также бесполезны в качестве резистора, управляемого напряжением, потому что основной диод будет проводить, если пиковое напряжение превышает 600 мВ. Даже если напряжение поддерживается значительно ниже 600 мВ (пиковое — около 325 мВ среднеквадратичного синусоидального сигнала), линейность очень плохая. Тем не менее, полевые МОП-транзисторы могут создавать очень хорошие звуковые переключатели , если они правильно настроены.

К сожалению, диапазон доступных JFET за последние несколько лет тревожно сократился. Большинство устройств, которые использовались для схем с очень низким уровнем шума, больше не доступны, а те, которые вы все еще можете получить от крупных поставщиков, гораздо менее полезны, чем 2SK170 и ему подобные. Хотя вы можете (предположительно) получить 2SK170 или аналогичный на ebay (в основном от китайских поставщиков), шансы на то, что они настоящие, невелики. Гораздо более вероятно, что вы получите что-то более пешеходное, но с измененной маркировкой.

Вот некоторые типичные применения полевых транзисторов …

• Усилитель с высоким входным сопротивлением
• малошумящий усилитель (но сейчас трудно найти подлинные малошумящие полевые транзисторы )
• Дифференциальный усилитель
• Источник постоянного тока
• Аналоговый переключатель или ворота
• Резистор, управляемый напряжением

Эти приложения будут рассмотрены более подробно ниже.

Большинство схем JFET и моделей, показанных здесь, основаны на BF256B — не потому, что это что-то особенное, а потому, что он все еще доступен по разумной цене.Он задуман как ВЧ-усилитель, но это никоим образом не препятствует передаче звука. Как и любое активное устройство, полевые транзисторы работают от постоянного тока до частоты, определяемой конкретными характеристиками самого устройства — будь то конструкция или случайность.

Существует также ряд сравнений между схемами FET / MOSFET и BJT. Во многих случаях это не льстит полевым транзисторам, поскольку их характеристики часто намного ниже, чем у схем с аналогичными характеристиками, основанных на обычных биполярных транзисторах.Это вовсе не предназначено для того, чтобы препятствовать использованию полевых транзисторов или предполагать, что они «хуже». Они разные, и важно понимать разницу между двумя частями. Однако, если вам не нужен очень высокий входной импеданс, BJT обычно дают лучшие результаты, чем полевые транзисторы.

Одна из причин такой популярности BJT заключается в том, что у них есть один чрезвычайно предсказуемый параметр — напряжение база-эмиттер. Обычно принимается равным 0,7 В (иногда 0,65 В), то же самое для малых сигнальных и силовых устройств, и все еще верно для PNP или NPN.Это упрощает их смещение, но, что более важно, позволяет довольно легко вычислить усиление каскада. Поскольку биполярные транзисторы обладают высокой крутизной и исключительно высоким импедансом коллектора, можно установить усиление только с помощью пары резисторов. Это невозможно с JFET, но почти возможно с MOSFET.

В следующей статье обсуждаются только N-канальные полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы. Версии с P-каналом работают таким же образом, но, естественно, требуют изменения полярности питания.Полностью комплементарные конструкции (включая линейные CMOS — дополнительные МОП-транзисторы) не показаны, потому что это довольно разные приложения. Также не показаны выходные конденсаторы связи. Они будут необходимы в большинстве случаев, но не были включены для ясности. Крышки входной муфты показаны, когда они требуются.

Есть еще одна функция, которая потенциально может быть полезна для полевых МОП-транзисторов. Из них получаются очень хорошие реле высокой мощности, и это обсуждается в статье о реле MOSFET. Этот режим работы здесь не рассматривается.

---

1 — Работа полевого транзистора

Одна из вещей, которые я не буду делать в этой статье, — это точно объяснять, как делается JFET или MOSFET. Внутренняя работа объясняется на бесчисленных веб-сайтах, и нет смысла повторять то, что доступно где-то еще. Я также не буду вдаваться в подробности того, как они работают на квантовом уровне, так как это также доступно у производителей и на сайтах физиков. Что я сделаю, так это укажу, что полевые транзисторы работают от напряжения и, помимо необходимости заряжать и разряжать емкость затвора, они не потребляют значительного тока от источника сигнала.

Постоянный ток затвора большинства полевых транзисторов обычно измеряется в наноамперах и обычно может быть измерен только тогда, когда напряжение затвор-исток (или затвор-сток) близко к максимально допустимому. Типичное значение составляет около 1 нА при 25 ° C, но, как и для многих других полупроводников, оно увеличивается при повышенных температурах. Емкость затвора среднего малосигнального полевого транзистора составляет около 5-30 пФ, в зависимости от того, как устройство было изготовлено и предполагаемого использования. Полевые транзисторы JFET для ВЧ приложений обычно имеют меньшую емкость, чем устройства, предназначенные для звука с низким уровнем шума (например).Емкость в первую очередь связана с толщиной (или иначе) P-N перехода, который отделяет затвор от канала.

Двумя наиболее важными параметрами для малосигнальных полевых транзисторов JFET являются ток сток-исток (I DSS — ток с базой, замкнутой на исток) и напряжение отсечки, при котором напряжение затвора закрывает канал проводимости, поэтому только небольшое определенные текущие потоки. Обычно это значение составляет от 10 до 100 нА, но это зависит от устройства и производителя.Это называется напряжением отсечки сток-исток (V GS (off) ). Вам также необходимо знать максимальное напряжение сток-исток (V DS ), особенно если вы собираетесь работать с напряжением питания более 15 В или около того.

Коэффициент усиления / крутизна полевого транзистора (или полевого МОП-транзистора) измеряется в Siemens, причем большинство из них имеют довольно низкий коэффициент усиления по сравнению с BJT. В некоторых таблицах крутизна крутизна также называется «допуском прямого переноса» (записывается как | Y fs |). Крутизна — это та же терминология усиления, которая используется с клапанами, которые также управляются напряжением.Может быть трудно относиться к Сименсу как к единице, и часто бывает проще преобразовать в мА / В. Ранним (в эпоху клапанов) способом определения крутизны была «mho» (ом, записанный в обратном порядке), и он до сих пор встречается в некоторых таблицах данных на полевые транзисторы. Вы также можете увидеть mho как символ — ℧ — перевернутую Омегу.

1 Сименс (1S) равен 1 амперам на вольт, поэтому 1 мс — это то же самое, что и 1000 μmhos, то есть 1 ммho или 1 мА / вольт. Крутизна полевых транзисторов JFET зависит от производственного процесса и предполагаемого применения.Типичные значения будут находиться в диапазоне от примерно 1 мс (1000 мкм солнечной энергии, 1 мм фазового сопротивления или 1 мА / В) до 22 мс (22 000 мкм фазового сопротивления, 22 мм сопротивления датчика или 22 мА / В).

Рисунок 1 — График крутизны для 2SK170

Для справки, на приведенном выше графике показана крутизна (на самом деле | Y fs |) для малошумящего полевого транзистора 2SK170. Как видите, крутизна изменяется с током стока, поэтому для получения низких искажений ток должен оставаться постоянным. Это легко достигается на практике, и эффект линеаризации при использовании нагрузки постоянного тока также наблюдается с другими полевыми транзисторами, BJT и клапанами.

Почти все полевые транзисторы JFET известны как устройства «режима истощения». Это означает, что они проводят без напряжения затвора (обычно затвор закорочен на исток или имеет тот же потенциал). Это область максимального тока, и ее обычно следует избегать при линейной работе. Полевой транзистор смещается путем приложения отрицательного напряжения к затвору относительно источника, и они могут быть смещены точно так же, как и вентиль.

Подавляющее большинство полевых МОП-транзисторов находятся в «улучшенном режиме», что означает, что на затворе требуется положительное напряжение на затворе (по отношению к источнику для устройства с N-каналом)), чтобы заставить полевой МОП-транзистор работать.Много лет назад было доступно довольно много полевых МОП-транзисторов с истощенным режимом, но сегодня они менее распространены. Они рекомендуются для источников постоянного тока и реле MOSFET, хотя их номинальная мощность обычно намного ниже, а сопротивление в открытом состоянии намного выше, чем у MOSFET в режиме улучшения. Я не буду подробно описывать МОП-транзисторы в режиме истощения, поскольку их использование, как правило, довольно специализировано. MOSFET с P-каналом также являются преимущественно режимом улучшения, но доступны типы режима истощения (хотя и довольно редко).

Как и BJT, и JFET, и MOSFET меняют многие свои характеристики в зависимости от температуры. Я не собираюсь подробно рассказывать об этом, поскольку все это доступно в таблицах данных. Однако важно помнить, что при изменении температуры любого полупроводника изменяются его нормальные рабочие условия. Прочная конструкция гарантирует, что никакие реалистичные колебания температуры не вызовут неисправности цепи, поэтому важно провести надлежащее тестирование. Вам не нужна климатическая камера, но вам нужно тщательно протестировать –.

Будьте особенно осторожны с полевыми МОП-транзисторами, потому что R _{DS (on)} увеличивается по мере того, как устройство нагревается. Хотя эта характеристика помогает принудительно разделить ток при параллельном подключении полевых МОП-транзисторов, она также увеличивает риск теплового разгона. Убедитесь, что полевые МОП-транзисторы всегда имеют радиатор подходящего размера, чтобы температура никогда не достигла опасного уровня.

---

2 — Разброс параметров

Одним из менее привлекательных атрибутов JFET является их разброс параметров.I DSS (ток сток-исток, затвор закорочен на исток) может широко варьироваться, обычно с соотношением 5: 1. Это означает, что тот же тип JFET может иметь I DSS в диапазоне от 1 до 5 мА, а некоторые имеют еще более широкий диапазон. Даже несколько почитаемый 2SK170 имеет указанный диапазон I DSS от 2,6 до 20 мА — соотношение 7,7: 1. Это означает, что простые методы смещения не обязательно работают, потому что все параметры производительности имеют одинаковые вариации. V GS (выкл.) — это напряжение, при котором ток стока снижается до заданного значения, и снова, используя в качестве примера 2SK170, это значение находится в диапазоне от -0.От 2 до -1,5 В для I D 0,1 мкА (100 нА).

В реальной схеме это означает, что правильное смещение может быть затруднено без использования обратной связи. JFET, вероятно, будет работать с без необходимости вносить изменения в схему, но он не будет смещен в наиболее линейную точку на переходной кривой. Это может ограничить динамический диапазон и / или характеристики искажения, поэтому почти всегда необходимо обеспечить хотя бы некоторую степень регулировки для обеспечения наилучшей линейности.

Крутизна также широко варьируется, хотя в большинстве случаев она не меняется так сильно, как могут предполагать таблицы данных. Поскольку усиление каскада усилителя с одним полевым транзистором намного ниже, чем у биполярного транзистора, они часто работают без локальной дегенерации (что обычно обеспечивается без обходного резистора источника). Это означает, что коэффициент усиления переменного напряжения зависит от крутизны. Теоретически, если JFET имеет крутизну (скажем) 1 ммHO (1 мс или 1 мА / В), изменение напряжения затвора на 1 В приведет к изменению тока стока на 1 мА.Аналогично, изменение на 10 мВ вызовет изменение тока стока на 10 мкА. Если сопротивление стока составляет 10 кОм, это изменение напряжения на резисторе на 100 мВ — коэффициент усиления по напряжению 10.

Если заменить другой полевой транзистор того же типа, но с другой крутизной, коэффициент усиления будет другим. Эти вариации всех важных параметров означают, что может быть трудно получить стабильный выигрыш от каскадов полевых транзисторов в процессе производства. Это не означает, что это невозможно сделать, и это не обязательно проблема в реальности, но это важно для стерео предусилителей, где ожидается хороший баланс каналов.Эти проблемы могут быть решены достаточно легко с помощью обратной связи (переменного, постоянного или обоих).

Разброс параметров не ограничивается только самим устройством. Производители часто не используют ту же терминологию, и некоторые указывают прямую крутизну, другие указывают | Y fs | вместо. Крутизна может быть выражена в мСм (миллисименс) или мкмос (иногда миллисименс), но немногие используют более понятное значение в мА / В, которое, как отмечалось выше, совпадает с мСм и ммос.

Короче говоря, все параметры полевого транзистора различаются, в некоторых случаях значительно, и разработчик должен знать об этом, если в конце процесса ожидается согласованный дизайн.Постоянные читатели знают, что в немногих проектах ESP используются дискретные полевые транзисторы. Это связано с вероятностью того, что какое-либо устройство исчезнет с рынка после публикации, или потому, что наиболее подходящий полевой транзистор просто больше не доступен. Неотъемлемая изменчивость основных параметров является последней каплей — я не люблю публиковать схемы, которые построят конструкторы, но которые не работают должным образом без изменений. Иногда альтернатив просто нет, и аудиомилливольтметр Project 16 — тому пример.Предлагается несколько альтернативных устройств, а также следует отметить, что резистор источника, вероятно, потребуется отрегулировать для настройки оптимальных условий эксплуатации.

Это все довольно утомительно, и если вам не нужна расширенная частотная характеристика, операционный усилитель на полевых транзисторах — гораздо лучший вариант, если вам нужен очень высокий входной импеданс. Также важно понимать, что, несмотря на утверждения об обратном, полевые транзисторы не обеспечивают «более высокое разрешение» аудиосигналов, они не «звучат лучше» и не улучшают каким-либо образом (возможно, волшебным образом?) Что-либо (низкие, высокие, средние частоты). , «воздух» или «власть») по сравнению с операционными усилителями или BJT.Когда они используются в качестве усилителей, они усиливают (и искажают) так же, как любое другое активное устройство, включая клапаны (которые также лишены «магии»). В зависимости от типа и использования полевого транзистора может быть разница (в любом направлении) в уровне фонового шума, но это зависит от множества факторов и не является внутренней характеристикой полевых транзисторов по сравнению с другими усилительными устройствами.

Иногда кажется, что мы работаем в какой-то параллельной вселенной, и некоторые люди часто заявляют о огромных преимуществах одного типа усилительного устройства над другими.По большей части это воображение или результат личных предубеждений, но даже крупные производители могут (и делают) постулировать, что их операционные усилители с полевым транзистором на полевых транзисторах каким-то образом «превосходят по звуку» другие. Если какое-либо усилительное устройство может усилить аудиосигнал на заданную величину, оно будет неотличимо от любого другого с таким же усилением, частотной характеристикой, шумом и искажением. Утверждать обратное — все равно, что верить в фей на дне сада. Некоторые топологии «лучше» других, но обычно только по одному или двум основным параметрам.Остальные параметры могут быть хуже.

Я протестировал псевдослучайную партию полевых транзисторов, которые были настроены как источники постоянного тока с расчетным током 4 мА. Они являются «псевдослучайными» в том смысле, что все они поступили из одной партии от поставщика, были извлечены из пакета и установлены без попытки их сортировки. Ток устанавливался с помощью подстроечного резистора для каждого полевого транзистора. Исходя из сопротивления, необходимого для их смещения, их напряжение затвор-исток может быть определено для тока стока 4 мА..

Сопротивление	В GS	Сопротивление	В GS
662 Ом	2,65 В	896 Ом	3,58 В
644 Ом	2,58 В	648 Ом	2,59 В
633 Ом	2,53 В	644 Ом	2,58 В
665 Ом	2.66 В	655 Ом	2,62 В

Таблица 1 — Разброс параметров 8 полевых транзисторов JFET

Как видите, большинство из них довольно близко, но одна (желтые ячейки) находится далеко за пределами досягаемости других. Вот почему простая схема смещения может развалиться — одно устройство, которое выходит далеко за пределы спецификаций других, также приведет к тому, что его производительность будет далеко за пределами разумных границ, поэтому без настройки правильная рабочая точка будет непредсказуемой. Даже те, которые довольно близки, создадут проблемы, если вы создаете дискретный операционный усилитель с входами JFET (например).Если вы не сопоставите полевые транзисторы, у вас может быть смещение постоянного тока до 1,05 В с двумя худшими полевыми транзисторами, показанными в таблице. Если вы используете два best two, разницы нет. Есть два с V GS на 2,58 В, но нет гарантии, что это точное совпадение будет применяться при другом токе (подсказка — вероятно, не будет).

---

3 — Усилители напряжения с полевым транзистором

Каскад усилителя напряжения на полевом транзисторе легко сделать, но, как отмечалось выше, разброс параметров может означать, что, возможно, потребуется настроить схему для получения оптимальной рабочей точки.Коэффициент усиления простого каскада усилителя JFET намного ниже, чем вы можете получить от эквивалентного каскада BJT с аналогичным количеством деталей. Конечно, JFET имеет гораздо более высокий входной импеданс, и это часто является основной причиной использования полевых транзисторов вместо BJT. Рабочая точка важна, когда требуется минимально возможное искажение, а простая нагрузка резистора ограничивает максимальный размах выходного напряжения, если искажение должно оставаться в допустимых пределах.

У полевых транзисторов и биполярных транзисторов в простых схемах преобладают искажения второй гармоники с меньшими величинами 3-й, 4-й, 5-й и т. Д.При заданном размахе и усилении на выходе полевые транзисторы почти всегда будут иметь более высокие искажения. В каскаде BJT эмиттерный резистор часто можно не шунтировать, а относительные значения сопротивления коллектора и эмиттера определяют усиление каскада. Поскольку полевые транзисторы обычно имеют гораздо меньшее усиление, чем биполярные транзисторы, резистор источника почти всегда необходимо обходить, иначе вы не сможете получить достаточное усиление от каскада усилителя.

Рисунок 2 — Базовый каскад усилителя напряжения с общим источником напряжения JFET

Показанная схема (согласно симулятору) имеет коэффициент усиления по напряжению 17.4 (24,8 дБ), входное сопротивление 1 МОм (чисто из-за значения R1) и выходное сопротивление около 8,6 кОм, что немного меньше, чем значение резистора стока. При входном сигнале 100 мВ (пиковое) выходное напряжение составляет 1,74 В, а искажения, по моделированию, составляют чуть более 1,4%. Если оставить R3 без обхода (удалить C1), коэффициент усиления упадет до 2,5 (8 дБ), но будет увеличение шума из-за теплового шума R3 (который усиливается Q1). C1 выбран таким образом, чтобы его реактивное сопротивление составляло не более 1/10 сопротивления R3 на самой низкой интересующей частоте.68 мкФ — это ближайшее доступное значение, но предпочтительнее 100 мкФ, что дает низкую частоту -3 дБ, равную 3,8 Гц.

Обратите внимание, что напряжение истока составляет + 1,51 В, поэтому затвор на отрицателен на относительно истока через R1 (который удерживает затвор под потенциалом земли). Это напряжение смещения, необходимое для установки стока примерно на половину напряжения питания. Принципы смещения для полевого транзистора в режиме обеднения идентичны принципам, используемым для клапанов. Необходимое напряжение смещения зависит от самого полевого транзистора, а не только от номера типа, но может потребоваться его настройка для отдельных полевых транзисторов.

Вы могли заметить, что частота -3 дБ выше ожидаемой. 100 мкФ и 1,5 кОм имеют частоту 1 Гц -3 дБ, поэтому можно ожидать, что это будет частота -3 дБ каскада усилителя. Однако в игру вступает импеданс источника, уменьшая кажущееся сопротивление, которое необходимо обходить, примерно до 420 Ом. Это также входной импеданс, если схема работает как общий / заземленный затвор (режим, который не рассматривается в этой статье, кроме Раздела 8 ниже).

На основе измеренного выходного импеданса эффективное сопротивление стока (которое параллельно R2) может быть рассчитано при 61 кОм. Это значение бесполезно, но я все равно подумал о нем. Рабочее напряжение постоянного тока (в состоянии покоя — нет сигнала) для схемы показано тем же цветом, что и на графике.

Рабочая точка постоянного тока не обязательно оптимальна для всех параметров. При небольшом увеличении тока искажения уменьшаются, а усиление увеличивается, но напряжение стока уменьшается, и выход будет ограничиваться асимметрично.Например, уменьшение R3 до 1k увеличивает усиление до 19,4 (25,8 дБ) и снижает искажения до 0,43%. Однако напряжение стока составляет всего 7,2 В, и отрицательные полупериоды будут отсечены задолго до положительных полупериодов. Конечно, это может не иметь значения в практической схеме, но это компромисс, о котором вам нужно знать. Другие JFET могут вести себя иначе, и единственный реальный способ узнать об этом — запустить тесты.

Хотя можно рассчитать коэффициент усиления простого каскада усилителя напряжения на полевом транзисторе с полевым транзистором, это довольно утомительно.Можно применить процесс, используемый для расчета усиления каскада клапана (см. Смещение и усиление в разделе клапанов), но таблицы данных JFET не включают «коэффициент усиления» (обычно записываемый как µ или «mu»), а также указанное эффективное сопротивление слива (эквивалентное сопротивлению тарелки клапана). Определить коэффициент усиления не так просто, как могло бы быть, потому что производители полевых транзисторов не предоставляют необходимых данных.

Хотя использование показателя крутизны для расчета усиления может показаться достаточно простым, это не так просто, как может показаться.Если полевой транзистор имеет крутизну 1 мс, это составляет 1 мА / В — это означает, что ток стока будет (теоретически) изменяться на 1 мА при каждом изменении напряжения на входе. Хотя вы можете представить, что это можно использовать для расчета усиления, обычно это не работает. В большинстве случаев необходимо измерить конкретные параметры, необходимые для расчета усиления, и если вы настроили это сделать, вы можете просто измерить усиление. Это намного проще, чем определение параметров и вычисление коэффициента усиления, а конечный результат также более точен, потому что вы измерили его с помощью устройства в нормальных условиях эксплуатации.Запомните параметр spread — это , а не ваш друг.

Чтобы расширить проблему расчета усиления, вы должны знать, что крутизна не является фиксированным значением. Он меняется в зависимости от тока стока, поэтому он будет сильно отличаться (скажем) при 100 мкА и 10 мА. Например, вы можете измерить 2 мА / В (2 мс) при токе 1 мА, но при 7 мА это может быть 5,7 мА / В (5,7 мс). С такой движущейся целью невозможно произвести осмысленные вычисления.

Из-за истокового резистора существует некоторый допуск для различных значений V GS .Рабочая точка постоянного тока (измеренная на выводе стока) будет изменяться пропорционально разнице в V GS , и может быть достаточно для , чтобы схема не работала должным образом. Это особенно верно, если рабочая точка изначально предельная. Схема, вероятно, все еще будет усиливать, но может иметь (возможно, сильно) чрезмерные искажения.

Как и все простые одиночные транзисторные (JFET, MOSFET или BJT) каскады усиления, отклонение источника питания минимально, поэтому очень важно наличие очень чистого источника постоянного тока.Гул или шум источника питания будут добавлены к выходному сигналу с очень небольшим затуханием. Отклонение источника питания обычно составляет менее 3 дБ, поэтому, если в источнике присутствует шум 100 мВ, можно ожидать, что на выходе усилителя не менее 70 мВ.

Усилители напряжения на простых полевых транзисторах являются (или были) довольно распространенными в нетребовательных приложениях, но во многих случаях требуется что-то более совершенное. Популярная конфигурация называется «мю-повторитель», которая использует второй полевой транзистор JFET как загрузочную нагрузку для усилителя.Это улучшает линейность и увеличивает усиление. Однако существует множество вариантов основной идеи, и нет единого мнения относительно того, какая версия является «истинным» последователем му. В то время как усиление значительно увеличивается в большинстве распространенных схем, увеличивается и выходное сопротивление. Это означает, что следующая схема должна иметь очень высокий входной импеданс или нужен повторитель напряжения, чтобы уменьшить Z out (выходное сопротивление) до чего-то полезного.

Рисунок 3 — Усилитель напряжения на основе Mu-повторителя

Условия работы по постоянному току при таком расположении не сильно меняются, но выигрыш значительно больше.На графиках это может выглядеть не так, но входной сигнал составляет всего 10 мВ, тогда как в предыдущем примере использовался пиковый вход 100 мВ. Теперь коэффициент усиления составляет около 67 (36,7 дБ), а искажение составляет 0,78%, когда выходной уровень увеличивается до уровня предыдущего примера (пиковое значение 1,74 В). Таким образом, несмотря на то, что усиление было значительно увеличено (в 3,8 раза), искажения уменьшились только в 1,8 раза — это стоит, но не сильно. Выходное сопротивление также увеличивается до 30 кОм. Следующий этап требует входного импеданса , по крайней мере, в 10 раз больше (300 кОм), иначе усиление будет значительно уменьшено.Частотная характеристика схемы, как показано (в точках -3 дБ), составляет от 3,1 Гц до 775 кГц — более чем достаточно для любой аудиосхемы.

Выходной импеданс можно уменьшить до чего-то более разумного, добавив повторитель на полевом транзисторе, но эмиттерный повторитель на полевом транзисторе, вероятно, даст лучшие результаты. Вы можете себе представить, что предпочтительнее использовать полевой МОП-транзистор, но это не всегда так — в то время как выходное сопротивление ниже, чем у BJT, искажения выше. Мощный МОП-транзистор разумного размера немного лучше, чем что-то вроде 2N7000 (слаботочный N-канальный МОП-транзистор), но BJT-транзистор с высоким коэффициентом усиления и малым сигналом обычно работает лучше.

---

4 — Усилители тока с полевым транзистором (повторитель источника)

Полевой транзистор имеет почти бесконечное усиление по току из-за очень высокого входного сопротивления. Единственным ограничением является тот факт, что необходим резистор, чтобы затвор был привязан к земле (или подходящему отрицательному напряжению по отношению к источнику). Нет никаких причин, по которым резистор не может быть таким высоким, как 1 ГОм или более, хотя утечка на печатной плате может стать проблемой при таких экстремальных уровнях импеданса. В большинстве случаев необходим входной конденсатор, потому что без него точка смещения полевого транзистора не может поддерживаться (затвор будет на нулевом вольт, а не на 8.4 В или -1,5 В относительно источника — зависит от полевого транзистора). Если источником является пьезоэлектрический преобразователь, конденсатор не требуется, поскольку пьезоэлемент является емкостным и не пропускает постоянный ток. Это может быть полезно, например, для пьезоакселерометров, но операционный усилитель с полевым транзистором обычно дает лучшие результаты.

Рисунок 4 — Повторитель источника JFET

Общие характеристики схемы можно улучшить, используя сток постоянного тока вместо R3. Что касается всех полупроводников, они более линейны в любой топологии, если ток поддерживается на постоянном значении.Это в равной степени относится к усилителям напряжения или тока, а также к BJT, полевым транзисторам (включая MOSFET) и клапанам. При низких уровнях сигнала усиление, вероятно, не стоит дополнительных деталей и затрат, но, очевидно, зависит от того, чего вы хотите достичь. Как показано, искажение при входном сигнале 2 В (пиковое) составляет 0,05%, но значительно уменьшается, если в качестве нагрузки используется сток на полевом транзисторе. Производительность еще больше улучшается за счет лучшего потребителя тока, но закон убывающей отдачи делает неэкономичным добавление в простую схему, которая даже не может сравниться с низким TL071 по характеристикам искажения звуковой частоты.

Входное сопротивление цепи составляет около 5 МОм, потому что R1 частично «самонастраивается», будучи соединенным с соединением R2 и R3. Входное сопротивление можно увеличить (примерно до 20 МОм), обойдя R2 с конденсатором 100 мкФ. Коэффициент усиления составляет , а не единицу — это около 0,94 из-за низкой крутизны полевого транзистора. Выходное сопротивление составляет около 400 Ом.

Рисунок 4A — Улучшенный последователь источника JFET

Как отмечалось выше, схему можно улучшить, используя второй полевой транзистор в качестве источника тока для активного полевого транзистора.Это улучшает линейность, и если R2 обходится, как показано, низкочастотный входной импеданс увеличивается примерно до 70 МОм. К тому времени, когда частота увеличится примерно до 3 кГц, входное сопротивление не изменится, вне зависимости от того, включен ли R2 в обход или нет. По данным симулятора, искажения составляют всего 0,0064%, что является очень хорошим результатом. Коэффициент усиления также улучшен, так как вышеупомянутая схема имеет коэффициент усиления 0,987. Выходное сопротивление остается неизменным и составляет примерно 400 Ом, но только , когда включен C2.Рабочий ток составляет 1,3 мА, как и моделируется, но разброс параметров означает, что R2 и R3 могут иметь разные значения, если JFET не согласованы.

---

5 — Переменный резистор JFET

По своей природе полевые транзисторы JFET представляют собой переменные резисторы. Изменяя напряжение на затворе, сопротивление можно регулировать от минимума (R DS (on) ) до нескольких сотен кОм (как минимум — некоторые намного выше). Минимально возможное сопротивление может потребовать положительного напряжения на затворе (N-канал) и не часто используется.К сожалению, сопротивление нелинейно, и, если оно используется для ослабления аудиосигнала (например), нелинейность вызывает искажения. Обычно необходимо ограничивать пиковое напряжение до уровня не более 100 мВ (70 мВ RMS), но для очень низких искажений оно должно быть ниже.

Уже много лет известно, что искажения уменьшаются, если 50% сигнала на стоке появляется на затворе. Это вызывает подавление составляющих искажения четного порядка (2-я, 4-я и т. Д. Гармоники), оставляя гармоники нечетного порядка нижнего уровня (3-я, 5-я и т. Д.).). Это показано ниже. Это может вызвать некоторые побочные эффекты, в том числе задержку, вызванную зарядкой разделительного конденсатора (C1). Это, как известно, создает (иногда неприемлемые) задержки, в частности, в ограничителях пиков, часто сопровождаемые очень навязчивыми звуковыми артефактами. Есть способы обойти это, но они усложняют схему.

Не только сопротивление сток-исток нелинейно. Сопротивление в зависимости от напряжения затвора также нелинейно, поэтому изменение (скажем) 10 мВ будет иметь большой эффект, когда оно проходит через пороговое напряжение затвор-исток, но имеет (гораздо) меньший эффект за пределами порога, поскольку напряжение становится меньше. отрицательный.Опять же, разброс параметров означает, что порог нельзя предсказать из таблиц данных, и в большинстве случаев требуется предварительная установка (подстроечный резистор), чтобы порог можно было установить точно.

Рисунок 5 — Переменный аттенюатор JFET

Наихудшие искажения полевого транзистора проявляются при высоком напряжении на устройстве и могут усиливаться при низком импедансе источника, поскольку это означает более высокий ток. Это зависит от используемого полевого транзистора — в приведенной выше схеме искажения фактически ухудшаются, если значение R1 увеличивается.Как показано, максимальное искажение составляет около 3,2%, когда пиковый выходной сигнал составляет 80 мВ (56 мВ RMS). Формы управляющих и выходных сигналов показаны ниже, но видна только огибающая сигнала, поскольку временной интервал слишком велик для того, чтобы быть видимым сигнал с частотой 1 кГц. Управляющее напряжение варьируется от -2,5 до -1,5 В по всему графику.

Эта общая схема используется в бесчисленных ограничителях звуковых пиков, но есть скрытая ловушка, которая не сразу очевидна. Представьте, что управляющее напряжение внезапно меняется с -2 В до -1 В.Напряжение на затворе полевого транзистора изначально изменится только на 0,5 В, потому что R2 и R3 образуют делитель напряжения. При 10 нФ, как показано, требуется более 80 миллисекунд, прежде чем C1 заряжается и позволяет полному изменению 1 В (фактически 990 мВ при 80 мс) достичь затвора. Это ограничивает базовую схему относительно низким временем атаки при использовании в ограничителе, поэтому многие коммерческие продукты на основе полевых транзисторов используют более сложную схему, чтобы гарантировать, что постоянная времени не вызывает проблем. Одно из решений этой проблемы состоит в том, чтобы сделать C1 намного больше , чем необходимо, чтобы его влияние больше не актуально, потому что управляющее напряжение равно , всегда , деленное на два (или, по крайней мере, на время, достаточное для того, чтобы схема управления могла скорректировать изменение ).C1 также передает небольшой сигнал управляющего напряжения на выход, причем уровень сигнала зависит от полного сопротивления цепи.

Рисунок 6 — Формы сигналов переменного аттенюатора JFET

Красный сигнал — это огибающая сигнала, а зеленый — управляющее напряжение. Совершенно очевидно, что большая часть управления осуществляется в довольно ограниченном диапазоне управляющих напряжений (от -2,35 В до -2,1 В). Когда напряжение на затворе полевого транзистора равно 0 В, сигнал снижается до пикового значения 5,1 мВ, что означает ослабление около 26 дБ.Если вентиль положительный, полевой транзистор будет включаться немного сильнее, но небольшое дополнительное затухание не стоит проблем (затухание увеличивается чуть ниже 9 дБ с + 2,5 В на затворе). Более широкий размах напряжения сложнее приспособить к простой схеме. Также труднее обеспечить минимальную сквозную подачу управляющего напряжения (где часть изменения управляющего напряжения появляется на сигнальной линии).

Искажения, создаваемые полевым транзистором, часто очень слышны, поэтому для компрессоров с низким уровнем искажений и ограничителей пиков напряжение на полевом транзисторе должно быть минимальным.Однако это создает загадку, потому что низкие напряжения сигнала означают, что после регулировки усиления требуется большее усиление, что увеличивает шум. Существует множество ограничителей на основе FET (в том числе один на странице проектов ESP), и некоторые из них достигли чего-то вроде культового статуса среди пользователей. Если аранжировка соответствует вашим потребностям, нет причин не использовать ее — компрессоры-лимитеры могут быть очень личным выбором.

Использование отрицательного управляющего напряжения не обязательно. Если напряжение источника повышено примерно до 3 В над землей, управляющее напряжение может быть в диапазоне от 0 до +1.5V, и результат идентичен показанному выше. Однако теперь на стоке присутствует постоянное напряжение, поэтому вход и выход должны иметь емкостную связь.

Рисунок 7 — Форма сигнала аттенюатора JFET Без 1/2 Напряжение на затворе

Для справки, на приведенном выше графике показана асимметрия, возникающая, если затвор не получает напряжение 1/2 сигнала. Там, где есть асимметрия, очевидно, есть значительное количество искажений четного порядка. Управляющее напряжение идентично примеру, показанному на рисунке 6, и не повторяется.Искажение достигает более 15%, когда управляющее напряжение составляет -2,3 В (850 мс на графике), так же как положительные полупериоды сигнала начинают ослабляться.

На вставке показана небольшая часть сигнала. Искажение хорошо видно с положительным пиком при 92 мВ и отрицательным пиком при 41 мВ. Это совершенно недопустимое искажение. В первую очередь, это искажения второго порядка, и, несмотря на заявления о том, что этот тип искажений звучит «хорошо», это не так. Даже не немного!

Хотя вы можете представить, что можно использовать полевой МОП-транзистор, если напряжение сигнала остается низким, это не так.МОП-транзистор будет создавать серьезные искажения, независимо от того, приложено ли к затвору напряжение 1/2 сигнала или нет. Следовательно, этот вариант не обсуждается.

---

6 — Основы MOSFET

Главное, что вам нужно знать о полевых МОП-транзисторах, — это то, что они в первую очередь предназначены для коммутации и имеют очень высокий коэффициент усиления по сравнению с полевыми транзисторами JFET. Они также имеют сравнительно высокую входную емкость, что ограничивает их частотную характеристику из-за источников сигнала с высоким импедансом.Даже типы слабых сигналов (такие как 2N7000) имеют емкость затвор-исток 20-50 пФ, что примерно в 10 раз больше, чем у «типичного» полевого транзистора. Там, где каскад усилителя напряжения JFET может быть вполне доволен импедансом источника 1 МОм, аналогично сконфигурированный полевой МОП-транзистор 2N7000 будет спадать высокие частоты с 400 Гц (-3 дБ).

Первый усилитель напряжения на МОП-транзисторе, показанный ниже, рассчитан на входной импеданс не более 10 кОм, и даже тогда он будет иметь частоту -3 дБ менее 50 кГц. По мере увеличения импеданса источника ситуация ухудшается.Этому может помочь , а не , минуя резистор истока полевого МОП-транзистора (R4 на рисунке 8), который увеличивает входную емкость и снижает ее влияние на частотную характеристику. Однако это уменьшит усиление и увеличит шум.

Поскольку полевые МОП-транзисторы предназначены для переключения, они не характеризуются линейностью или шумом. Последнее важно в схемах низкого уровня, и очень сложно найти реальную информацию об их шумовых характеристиках. В общем, я ожидал бы, что они будут намного шумнее, чем JFET и большинство BJT, поэтому использование MOSFET для усиления очень низких уровней сигнала не рекомендуется как для шума, так и для входного импеданса.

Доступны полевые МОП-транзисторы в режиме истощения, и они «включены» без напряжения затвора, так же, как и полевые транзисторы JFET. Отрицательное напряжение затвора используется для выключения полевого МОП-транзистора в обедненном режиме. Однако они относительно редки по сравнению с устройствами с расширенным режимом, и, следовательно, они не рассматриваются в нижеследующем описании.

---

7 — Усилитель напряжения MOSFET Полевые МОП-транзисторы

имеют гораздо более высокую крутизну, чем полевые транзисторы JFET, поэтому от одного каскада можно получить большее усиление.Поскольку наиболее распространенные полевые МОП-транзисторы работают в режиме улучшения, для их проведения требуется положительное напряжение на затворе, относящееся к источнику. Это означает, что необходима схема смещения, аналогичная той, что используется для биполярных транзисторов, а изначально высокий импеданс обычно недоступен из-за резисторов, необходимых для смещения, и входной емкости (которая является основным ограничивающим фактором).

Как и в случае полевых транзисторов с полевыми транзисторами, полевые МОП-транзисторы имеют довольно широкий разброс параметров, поэтому смещение снова, вероятно, будет неопределенным.Как отмечалось во введении, BJT имеют то преимущество, что их напряжение база-эмиттер (сравнительно) стабильно и предсказуемо, но это не относится к полевым транзисторам JFET или полевым МОП-транзисторам. Полевой МОП-транзистор, используемый в качестве повторителя напряжения (повторителя источника), представляет меньшую проблему, но каскады с усилителем напряжения могут быть сложными в настройке. По большей части JFET — лучший выбор для усилителя напряжения, особенно если вам нужен высокий входной импеданс.

Во многом так же, как смещение BJT, необходим делитель напряжения для установки напряжения затвора на значение, необходимое для поддержания полевого МОП-транзистора в его линейной области.Если он насыщен (полностью включен) или отключен (полностью выключен), усиление недоступно. Потенциал затвора довольно чувствителен, поскольку полевые МОП-транзисторы имеют сравнительно высокую крутизну, но непредсказуемое напряжение затвор-исток. Это делает смещение без использования обратной связи довольно сложным. Использование схемы смещения обратной связи обеспечивает достаточно стабильные условия работы, но снижает входное сопротивление. Также необходим истоковый резистор, так как он обеспечивает другой уровень обратной связи. Его можно обойти, чтобы обратная связь влияла на условия постоянного тока, но не на усиление переменного тока.

Не ожидайте низких искажений от усилителя напряжения MOSFET, если вы не добавите источник тока вместо резистора стока. Большинство полевых МОП-транзисторов оптимизированы для переключения, и линейность, как правило, хуже, чем у полевых транзисторов JFET, которые, в свою очередь, обычно хуже, чем у полевых транзисторов BJT. Это не значит, что вы не можете добиться хороших результатов, но это требует больших усилий. Когда вы сравниваете результаты любого из простых дискретных устройств с приличным операционным усилителем, нет никаких сомнений в том, что операционный усилитель превзойдет их все, кроме конкретных задач (например, радиочастотных приложений).

Здесь применены те же соглашения, что и для JFET. Напряжение затвор-исток составляет + 2,56 В (обратите внимание, что это положительное значение , а не отрицательное, как у полевых транзисторов). Входной сигнал составляет пиковое значение 10 мВ, а пиковое выходное напряжение — 2,33 В — коэффициент усиления по напряжению 233 (47,3 дБ). Однако коэффициент усиления для отрицательного выходного сигнала составляет 240 — разница является четким указанием на искажение четного порядка, измеренное на уровне 2,65%.

Рисунок 8 — Усилитель напряжения MOSFET

Неожиданным результатом использования R1, присоединенного к стоку, является создание пути отрицательной обратной связи.Это резко снижает входное сопротивление. Вместо 500 тысяч, которые вы могли ожидать, это всего 5 тысяч. Сеть смещения может быть подключена, как показано на рисунке 8A, для удаления обратной связи по переменному току. Хотя усиление впечатляет, искажения составляют более 2,6% — не так уж и впечатляюще. Хотя искажение в основном (предположительно «хорошее») 2-я гармоника, его просто слишком много. Если C2 опущен, усиление уменьшается, а входное сопротивление становится более приемлемым, равным 300 кОм.

Есть несколько вещей, которые можно сделать, чтобы сделать усилитель напряжения на МОП-транзисторе более «дружелюбным».Однако он добавляет больше деталей, чем необходимо для операционного усилителя, выполняющего ту же работу, и по-прежнему даже близко не приближается по производительности. Неважно, как показывает следующая схема, что можно сделать, чтобы сцена работала лучше. Поскольку он имеет меньшее усиление, напряжение сигнала было увеличено до пика 1 В (707 мВ RMS). От стока к затвору больше нет обратной связи по переменному току, поэтому входное сопротивление не нарушается.

Рисунок 8A — Улучшенный усилитель напряжения MOSFET

Показанная выше «улучшенная» версия имеет входное сопротивление 1 МОм, но сохраняет отрицательную обратную связь по постоянному току для стабилизации рабочих условий.C2 удаляет отрицательную обратную связь по переменному току. Поскольку R4 не обходится, усиление уменьшается (и увеличивается шум), но он частично загружает емкость затвора и может обеспечить приемлемую частотную характеристику с импедансом источника сигнала до 100 кОм (20 кГц меньше 0,5 дБ для источника 100 кОм) . Коэффициент усиления составляет всего 5,3 (14,5 дБ), а шум будет выше из-за шумового вклада R4, который усиливается Q1 … этот всегда происходит, когда резистор источника или эмиттера не шунтируется. Искажения значительно уменьшены (до менее 0.1%, даже на гораздо более высоком уровне), так что это может быть стоящим компромиссом.

Чтобы увидеть, насколько хорошо (или иначе) симуляция согласуется с реальностью, я построил схему на Рисунке 8, но оставил R4 без обхода. Условия постоянного тока были довольно близки к прогнозируемым значениям, и производительность была приемлемой. Схема не добавляла слышимого шума в мою систему мастерской, а искажения на выходе 1 В RMS были ниже 0,1%. Частота -3 дБ была выше 400 кГц при работе от генератора сигналов 50 Ом — это несколько меньше, чем утверждается в моделировании, но все же намного больше, чем необходимо для звука.

Можно использовать простой делитель напряжения для обеспечения смещения, что также позволяет избежать проблемы обратной связи. Однако это также означает, что стабильность смещения плохая из-за большого разброса напряжения затвор-исток для разных устройств — даже из одной партии. В таблице данных указано, что 2N7000 имеет пороговое напряжение V GS для тока стока 1 мА в диапазоне от 0,8 до 3 В. Большинство других похоже … снова страдает спред по параметрам.

Таким же образом (ну почти), что и с JFET, MOSFET могут использоваться в качестве мю-повторителя.Коэффициент усиления впечатляет — 64000 раз (76 дБ), а выходное искажение при пиковом сигнале 3 В составляет 0,34%. Однако есть и обратная сторона (но вы это уже знали). Входное сопротивление резко падает и для схемы, показанной ниже, составляет всего около 300 Ом. Между тем, выходной импеданс значительно увеличивается до 200 кОм — это больше, чем у многих каскадов клапана.

Рисунок 9 — Усилитель напряжения на основе Mu-повторителя MOSFET

Лучше не спрашивать про частотную характеристику. Как показано, отклик в точках -3 дБ составляет от 200 Гц до 4.8кГц — телефонное качество в лучшем случае. Без обратной связи схема не имеет практического значения, и даже с обратной связью ее полезность сомнительна. Впрочем, в чем-то ему может быть место, но я понятия не имею, что это может быть. Тем не менее, эта статья посвящена рассмотрению возможных вариантов.

---

8 — Усилители тока на полевых МОП транзисторах (повторители источника)

МОП-транзистор с малым сигналом является довольно хорошим повторителем. Выходное сопротивление низкое, и из-за относительно высокой крутизны выходное напряжение не уменьшается так сильно, как при использовании JFET-транзистора.С пиковым входом 2 В выходной сигнал будет около 1,95 В пикового, а выходное сопротивление схемы, показанной ниже, составляет всего 40 Ом, а искажения без нагрузки менее 0,001%.

Рисунок 10 — Повторитель источника полевого МОП-транзистора

К сожалению, входной импеданс намного ниже, чем у полевого транзистора JFET, из-за необходимости использования двух резисторов смещения (R1 и R2). Входное сопротивление — это их параллельная комбинация, 600 кОм, как показано. Его можно увеличить, используя схему самонастройки (или отдельный источник смещения и питающий резистор, как показано на рисунке 8A), и возможно входное сопротивление более 50 МОм, но высокочастотный отклик плохой с источниками с высоким импедансом.Если затвор напрямую соединен с предыдущим каскадом, смещение не требуется, и это позволяет легко обеспечить низкий выходной импеданс от каскадов усилителя напряжения с полевым транзистором, полевым МОП-транзистором или вентильным (вакуумным ламповым) каскадом.

Использование в качестве ведомого устройства с прямой связью, вероятно, является одним из лучших вариантов, и, хотя повторители BJT с прямым подключением являются обычным явлением, полевой МОП-транзистор является лучшим вариантом там, где требуется минимальная нагрузка на предыдущий этап. Вам необходимо учитывать разницу напряжений между затвором и истоком, но для схем, работающих с разумным напряжением питания (12 В или более), легко компенсировать ~ 2.Имеющееся смещение 5В.

Высоковольтные полевые МОП-транзисторы могут использоваться для замены триодных катодных повторителей в ламповых усилителях. Они обеспечивают гораздо более низкий выходной импеданс и превосходят катодный повторитель по всем параметрам. Однако, в отличие от катодного повторителя, добавочных искажений будет очень мало. Большая емкость затвора в значительной степени нейтрализуется локальной обратной связью, поэтому потери высоких частот не будет. Существует небольшой риск повреждения изоляции затвора, если между затвором и истоком не используется защитный стабилитрон (обычно 12 В), но в большинстве случаев это очень маловероятно.MOSFET имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что он не нуждается в токе нагревателя (в отличие от клапана) и имеет неограниченный срок службы.

Что касается силовых каскадов клапанов, можно многое сказать об использовании ведомых МОП-транзисторов для управления выпускными клапанами. Это позволяет использовать сетевые резисторы с меньшим номиналом, обеспечивая гораздо более стабильные условия работы для силовых клапанов без чрезмерной нагрузки или потери усиления от фазоделителя. Конечно, немногим «пуристам» эта идея понравится, даже если она действительно повысит производительность и надежность.IRF840 — это полевой МОП-транзистор на 500 В, который хорошо подходит для использования в качестве ведомого в конструкциях клапанов. Существуют также версии TO92, такие как ZVN0545A или SSN1N45BTA, но их рассеиваемая мощность ограничена примерно 700 мВт. STQ3N45K3-AP рассчитан на 3 Вт и имеет внутреннюю стабилитронную защиту для затвора, и при цене менее 1 доллара ни один клапан не может приблизиться. Когда МОП-транзисторы TO92 используются таким образом, ограничьте ток до не более 2 мА, чтобы сохранить низкое рассеивание (2 мА при 200 В составляет 400 мВт — при необходимости отрегулируйте напряжение на МОП-транзисторе).

Вы должны знать, что на выходе истокового ведомого МОП-транзистора произойдет скачок до полного напряжения питания при использовании после каскада лампового усилителя. Это связано с тем, что клапан не проводит ток до тех пор, пока катод не нагреется, и внезапное высокое выходное напряжение может повредить следующие ступени, если не будут приняты защитные меры. Проект 167 описывает подходящую конструкцию, включая схему защиты.

---

9 — Сигнал переключения MOSFET МОП-транзисторы

могут использоваться в качестве переключателей сигналов в конфигурации «твердотельное реле».Это хорошо работает, но следует учитывать несколько моментов. Статья Твердотельные реле MOSFET охватывает большинство приложений, но не уровень сигнала (от 100 мВ до ~ 10 В RMS, низкий ток). Есть два способа использования «твердотельного реле» MOSFET — либо замкнуть сигнал на землю, либо подключить сигнал через реле. Последний действительно работает, но остаточный сигнал при выключенном сигнале может быть выше ожидаемого и искажаться. С источником 2 В RMS и нагрузкой 2,2 кОм ожидайте выход, возможно, 2-4 мВ RMS, но очень искаженный (возможно, 10% THD или более при моделировании — реальность может быть другой).Следовательно, нормально разомкнутое (последовательное) соединение не рекомендуется, предпочтительным вариантом является замыкание сигнала на землю. Однако и здесь есть свои ограничения.

Одна из основных проблем (как для последовательной, так и для параллельной работы) заключается в том, что питание затвора должно быть плавающим. Если это не так, вы должны использовать резисторы, чтобы позволить затвору быть смещенным, и это создает нежелательные (и нежелательные) взаимодействия с сигналом. Наличие плавающего источника питания для каждого переключателя — серьезная (и дорогостоящая) проблема, которую необходимо включить в схему.Однако есть способ обойти это — использовать коммерчески доступное реле MOSFET, которое использует световую активацию. Примером может служить CPC1014 (производства IXYS) или аналогичный. Он не только выполняет функцию переключения, но и обеспечивает полную изоляцию светодиода и переключателя, рассчитанный на 1500 В постоянного тока. Есть много подобных устройств от других производителей, но они могут быть дороже электромеханических реле и обычно не работают. Неважно, насколько они интересны и полезны.

Рисунок 11 — Реле MOSFET (пример CPC1014)

Показаны последовательные и шунтирующие цепи.В каждом случае указывается CPC1014 или аналогичный. Это оптоизолированные реле на полевых МОП-транзисторах, которые можно приобрести у множества поставщиков. Они доступны с номинальным напряжением от примерно 60 В до 250 В или более, и все они используют светодиод для включения пары световых полевых МОП-транзисторов. По умолчанию область затвор-источник полностью изолирована, поэтому нет необходимости возиться с плавающим источником питания. Конечно, возможно изготавливать малосигнальные (слаботочные) MOSFET-реле с использованием дискретных компонентов, но конечный результат будет намного дороже, чем IC.

Шунтирующее соединение обычно является предпочтительным вариантом, потому что при последовательном использовании сигнал выключения может быть довольно сильно искажен. Это очень низкий уровень (в зависимости от самого устройства), но сигнал все равно может быть слышен и будет звучать не очень хорошо. Выходной уровень шунтирующей цепи во включенном состоянии (сигнал закорочен на массу) полностью зависит от сопротивления полевых МОП-транзисторов в открытом состоянии. CPC1014 имеет сопротивление в открытом состоянии 2 Ом, поэтому сигнал 1 В через резистор 2 кОм будет ослаблен до менее 1 мВ (-60 дБВ).В действительности уровень отключения может быть несколько выше 1 мВ, но это зависит от характеристик устройства. Обратите внимание, что последовательная схема обеспечивает выход, когда подача постоянного тока на светодиод включен, а шунтирующая схема обеспечивает выход, когда светодиод не горит.

Вы можете использовать эти реле в последовательной / шунтовой конфигурации, поэтому, когда последовательное реле выключено, шунтирующее реле включено. Это закорачивает любой остаточный сигнал, который может проникнуть внутрь, и должен обеспечивать изоляцию более 100 дБ.Очевидно, это дороже одного переключателя, но работать он будет хорошо. Вероятно, вам будет сложно оправдать стоимость по сравнению с электромеханическим реле, поскольку одно реле DPDT может переключать оба стереоканала одновременно менее чем за 5 долларов США или около того.

Ток светодиода должен быть ниже номинального максимума, и для большинства этих микросхем около 10 мА вполне достаточно. Светодиод инфракрасный, и они имеют типичное прямое напряжение от 1,2 до 1,4 В. Необходимо проверить сведения об устройстве, которое вы собираетесь использовать, чтобы убедиться, что соблюдаются все ограничения.R1 выбран так, чтобы обеспечить достаточный ток светодиода для обеспечения надежной работы, в зависимости от предложений в техническом описании и доступного коммутируемого напряжения питания.

Как уже отмечалось, CPC1014 — лишь одно из многих подобных устройств. ИС реле MOSFET производятся разными компаниями, но принципы работы идентичны. Они достаточно быстрые, с типичной скоростью переключения порядка 3 мс или меньше. Другой вариант — IR PVT422, которое представляет собой двойное реле (два независимых реле в одном 8-контактном DIP-корпусе).Сопротивление составляет 35 Ом, что является ограничением (но оно рассчитано на ± 400 В). Также существует Omron G3VM-351, доступный в корпусах SMD и сквозных отверстиях. Однако его сопротивление значительно выше, чем у CPC1014, потому что он рассчитан на более высокое напряжение. Типы Omron G3VM-21 имеют сопротивление во включенном состоянии всего 40 мОм — поиск поможет выбрать подходящее устройство для ваших нужд. Обратите внимание, что эти устройства очень отличаются от стандартных оптопар на светодиодах / фототранзисторах , и стандартные типы не могут использоваться в этой роли.

Эти устройства, безусловно, интересны, и вы определенно должны знать о них. В электронике самый очевидный выбор не всегда самый идеальный. В большинстве случаев обычное электромеханическое реле — лучший выбор, но всегда полезно знать, что существуют альтернативы. Цены варьируются от менее 3,00 австралийских долларов до 15 австралийских долларов или около того, в зависимости от бренда, типа и стиля упаковки.

Одно из приложений, где эти устройства могут быть очень хорошо подходящими, — это «комбо» гитарные усилители.Стандартные реле могут вызывать проблемы из-за вибрации, но на реле MOSFET это не влияет. Маловероятно, что слишком многие коммерческие усилители будут использовать реле MOSFET из-за стоимости, но усилители, изготовленные своими руками, представляют меньшую проблему, потому что их производители гораздо больше заинтересованы в том, чтобы все было правильно, чем в экономии нескольких долларов / фунтов / евро и т. Д.

---

10 — Каскодные схемы

Топология каскода редко (если вообще когда-либо) требуется для звука, но она обычна для RF и изначально использовалась с клапанами.Это, конечно, не остановило людей, использующих операцию каскода в аудио, и в некоторых особых случаях это может оказаться полезным. Повышенная производительность на высоких частотах обусловлена ​​значительным уменьшением размаха напряжения на выходном «порте» нижнего каскада усилителя, поэтому внутренняя емкость оказывает меньшее влияние. Если напряжение не изменяется (или изменяется незначительно), емкость не требует зарядки и разрядки, поэтому высокочастотный отклик больше не изменяется. По сути, усилитель с общим эмиттером (или источником) напрямую соединен с каскадом усилителя с общей базой (или затвором), что приводит к очень высокой изоляции между выходом и входом и гораздо более высокой частотной характеристике, чем можно получить от усилителя с общим эмиттером / источником .Основная причина использования каскодной схемы — это необходимость очень высокого входного импеданса наряду с расширенной высокочастотной характеристикой.

Усилители с общим затвором не рассматривались выше, потому что они довольно необычны в качестве автономных схем. Верхний полевой транзистор (Q2) в схеме ниже работает в режиме общего затвора, потому что затвор соединен с землей для переменного тока. Вы можете заметить сходство схемы каскода с мю-повторителем. Кажется (мне), что mu-последователь, возможно, был развитием каскода, но было ли это случайно или намеренно, неизвестно.Каскодные схемы (с клапанами) восходят к 1930-м годам.

Рисунок 12 — Усилитель напряжения каскадного типа с полевым транзистором JFET

(смоделированная) -3 дБ верхняя частота показанной схемы составляет 154 МГц с коэффициентом усиления 3,8 (11,6 дБ). Верхний отклик можно расширить, используя небольшую катушку индуктивности, включенную последовательно с R5, что увеличивает сопротивление нагрузки на высоких частотах. Практически нет необходимости в каскодных схемах для аудио, но все же есть люди, которые настаивают на том, что есть очевидные преимущества.Хотя я считаю это маловероятным, пока никто не заявляет о «магических» свойствах, это просто безобидное развлечение.

Каскодные усилители могут быть изготовлены с использованием любого доступного усилительного устройства, и нет причин не смешивать два разных типа, такие как вентильный и MOSFET, JFET и BJT и т. Д. Методы смещения могут измениться, но основная идея не изменено. Если вы не работаете с RF, маловероятно, что вам понадобится каскодный усилитель. Если вам нужно больше идей, в сети есть бесчисленное количество примеров.Аудио не требует отклика на несколько МГц, и это также может значительно затруднить подавление помех от передатчиков AM.

---

Заключение

Сомнительно, что эта статья ответила на все вопросы, но, надеюсь, она подтолкнет вас к поиску дополнительной информации. Есть много данных и много схем, с которыми вы можете поиграть, и теперь вы должны оценить некоторые компромиссы, которые влияют на проекты, с которыми вы можете столкнуться. Все схемы предполагают компромисс, и нет единого усилительного устройства, которое идеально подходило бы для всего.Мы избалованы выбором операционных усилителей, BJT, JFET и MOSFET, с дискретными устройствами, доступными для любой полярности, поэтому подумайте о первых разработчиках, у которых был единственный выбор — какой клапан использовать для того или иного приложения.

Обычно нет веских причин для использования дискретных компонентов вместо операционных усилителей в большинстве аудиосхем, несмотря на заявления о том, что операционные усилители почему-то звучат «плохо». Для некоторых приложений выбора может не быть, особенно когда требуется очень высокая пропускная способность. Я (в основном) показал здесь только базовые схемы схем, но для работы с радиочастотами (в частности) топология каскодных схем очень распространена, поскольку она обеспечивает широкую полосу пропускания и высокое входное сопротивление для любого данного устройства (или их комбинации).

Нет никаких рекомендаций, и обратите внимание, что схемы показаны для справки — это , а не строительные проекты , а просто демонстрация различных имеющихся схем. Все результаты и формы сигналов основаны на моделировании, но разброс параметров означает, что в реальных схемах почти наверняка потребуется настроить, чтобы получить аналогичные результаты. Однако очень важен один момент — источник питания должен быть как можно более чистым (бесшумным), потому что большинство показанных схем имеют очень плохое отклонение источника питания.

Отказ обеспечить чистое питание приведет к появлению шума в аудиотракте, включая гул, гудение и широкополосный шум. Фильтр резистор / конденсатор, следующий за 3-контактным стабилизатором, работает очень хорошо, и я бы предложил где-то между 10-100 Ом последовательно с источником питания, с заземлением не менее 1000 мкФ (а желательно больше). Показанный источник питания 20 В является всего лишь предложением. Обычно нормальным будет значение от 15 В до 30 В, а более высокие напряжения обеспечивают большую свободу действий для учета разброса параметров.

Как уже отмечалось, выбор полевых транзисторов JFET гораздо более ограничен, чем раньше. Большинство типов с очень низким уровнем шума, таких как 2SK170, ушли. LSK170 является эквивалентом, который (предположительно) доступен, но я не смог найти его в списке ни у одного крупного дистрибьютора . Многие другие все еще актуальны, но часто только в версиях SMD. Это делает их гораздо менее полезными для DIY из-за крошечного размера упаковки и необходимости значительного умения устанавливать крошечные детали. Достаточно большая часть полевых транзисторов JFET, которые вы можете легко получить (например,грамм. J105, 107, 109 и т. Д.) Предназначены в первую очередь для переключения, поэтому они не оптимизированы для линейности или шума. BF256B (TO92) является, по крайней мере, частичным исключением — это ВЧ-устройство, но все равно будет нормально работать на звуковых частотах.

---

Список литературы

1 Таблицы данных JFET и MOSFET — BF256, 2N7000, 2SK170 и т. Д.
2 Таблицы данных реле CPC1014 и других MOSFET
3 Cascode — Wikipedia
4 Поиск в Интернете схем мю-повторителя (найдено много схем, но не все полезны)

---

---

Основной индекс
Указатель статей

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2017. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана и авторские права © 01 сентября 2017 г.

FET или JFET — Работа / Работа, Строительные приложения, В качестве усилителя, MOSFET, DE-MOSFET, E-Only, Приложение

FET означает «Полевой транзистор» это трехконтактное однополярное твердотельное устройство, в котором ток регулируется электрическим полем.

FET может быть изготовлен либо с N-каналом, либо с P-каналом, для изготовления JFET с N-каналом сначала берется узкая полоса полупроводникового материала N-типа, а затем два перехода P-типа разряжаются на противоположных сторонах от него. средняя часть, называемая каналом.Эти две области внутренне соединены друг с другом сигнальным проводом, который называется клеммой затвора. Один вывод называется терминалом источника, а другой — терминалом слива.

P-Channel JFET сконструирован аналогично, за исключением того, что в нем используется стержень P-типа и два N-типа переходов.

Источник: —

Это терминал, через который большинство перевозчиков вводятся в полосу, поэтому он называется Source.

Слив: —

Это терминал, через который большинство перевозчиков подводят шину, поэтому он называется сливным терминалом.

Выход: —

Это две клеммы, которые внутренне связаны друг с другом, и сильно легированные области, которые образуют две PN-переходы.

Рабочий / рабочий полевой транзистор или полевой транзистор с полевым транзистором

Затвор всегда имеет обратное смещение, поэтому ток затвора IG практически равен нулю. Клемма истока всегда подключается к концу источника питания стока, который обеспечивает необходимую несущую, в N-канальном JFET клемма истока подключается к отрицательному концу источника напряжения стока.Начинается поток электронов от истока к стоку по каналу от D к S,

текущий ID увеличивается по мере увеличения VDS с нуля на палате. Эта связь между VDS и ID сохраняется до тех пор, пока VDS не достигнет определенного значения, называемого VPO «Pinch OFF».

Когда VDS равен нулю и VGS уменьшается с нуля, обратное смещение затвора увеличивает мысли об области, так как отрицательное значение VGS увеличивает конусы ступени, когда две области падения касаются друг друга в этой проводимости. канал считается отключенным.

JFET в качестве усилителя

Одним из применений JFET является усилитель, он усиливает слабый сигнал, подключенный к клемме затвора, вход всегда имеет обратное смещение, небольшое изменение обратного смещения на затворе вызывает большое изменение тока стока, этот факт сделать JFET способным усиливать слабые сигналы

Рабочий / Рабочий

Когда на вход усилителя подается отрицательный сигнал, смещение затвора увеличивается, слой дублирования уменьшается, сопротивление канала увеличивается, ID уменьшается, падение напряжения на резисторе нагрузки уменьшается, и положительный сигнал присутствует на выходе через C2. .
Когда на вход подается положительный сигнал, действие будет обратным.
Видно, что между входным сигналом на затворе и выходным сигналом на стоке происходит изменение фазы.

Применение JFET

JFET широко используется в схемах усилителей, аналоговых переключателях; Он также используется в системе АРУ, регуляторах напряжения, буферных усилителях.

МОП-транзистор

MOSFET делится на два типа:

1. DE-МОП-транзистор
2. E только MOSFET

DE-МОП-транзистор

Этот полевой МОП-транзистор может работать как в режиме дублирования, так и в режиме улучшения.При изменении полярности VGS, когда VGS отрицательный для N-канального DE-MOSFET, работает в режиме истощения, однако с положительным напряжением затвора он работает в режиме улучшения.

E- только MOSFET

Этот полевой МОП-транзистор работает только в режиме улучшения. Он отличается только конструкцией от DE-MOSFET тем, что в нем нет канала между стоком и истоком.

Конструкция DE-MOSFET

Как и JFET, он имеет исток, затвор и сток, однако его затвор изолирован от проводящего канала ультратонким оксидом металла.Изолирующая пленка, как правило, из диоксида кремния (SiO2), из-за этого изолирующего свойства MOSFET также известен как полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET). В DE-MOSFET мы можем подавать как положительное, так и отрицательное напряжение на вывод затвора, поскольку вывод затвора изолирован от канала.

DE-MOSFET Работа / Работа

Режим истощения

Когда VGS = 0, электроны могут свободно течь от истока к стоку через канал проводимости. Когда отрицательное напряжение прикладывается к выводу затвора, оно истощает N-канал и его электроны, индуцируя в нем положительные заряды.Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем больше уменьшается количество электронов в канале, что увеличивает проводимость. Фактически, слишком большое отрицательное напряжение затвора отключает канал, таким образом, при отрицательном напряжении затвора DE-MOSFET ведет себя как JFET, по этой причине отрицательная операция затвора DE-MOSFET называется режимом истощения.

Режим улучшения

На принципиальной схеме ток стока течет от истока к стоку даже при нулевом смещении затвора, когда на затвор подается положительное напряжение, входной конденсатор затвора может создавать преэлектроны в канале, что увеличивает ID.Предварительные электроны индуцируются в канале действием конденсатора, эти электроны добавляются к другим готовым электронам для проводимости, что увеличивает количество электронов, и эти электроны увеличивают проводимость канала.

По мере увеличения положительного напряжения затвора количество индуцированных электронов увеличивается, что увеличивает проводимость канала от истока к стоку, таким образом, увеличивается и ток. Работа положительного затвора DE-MOSFET известна как режим улучшения.

Применение полевого МОП-транзистора

MOSFET

имеет широкое применение в области электроники, некоторые из этих приложений приведены ниже.

1. В качестве входного усилителя в осциллографе, электронном вольтметре и другом измерительном и испытательном оборудовании, поскольку они имеют высокое входное сопротивление.
2. Используется в логических схемах для быстрого переключения.
3. Также используется в ТВ-приемнике.
4. Используется в компьютерных схемах.
5. В усилителях высокой частоты.

Разница между биполярными и полевыми транзисторами: работа и их характеристики

Биполярные и полевые транзисторы — это два разных типа транзисторов, также известные как активные полупроводниковые устройства. Аббревиатура BJT — Bipolar Junction Transistor, а FET — это полевой транзистор. BJTS и FETS доступны в различных пакетах в зависимости от рабочей частоты, тока, напряжения и номинальной мощности. Эти типы устройств позволяют лучше контролировать их работу. BJTS и полевые транзисторы могут использоваться в качестве переключателей и усилителей в электрических и электронных схемах.Основное различие между BJT и FET заключается в том, что в полевом транзисторе течет только основной заряд, тогда как в BJT текут как основные, так и неосновные носители заряда.

Разница между BJT и FET

Основное различие между BJT и FET обсуждается ниже, включая то, что такое BJT и FET, конструкция и работа BJT и FET.

Что такое BJT?

BJT — это один из типов транзисторов, в котором используются как основные, так и неосновные носители заряда.Эти полупроводниковые устройства доступны в двух типах, таких как PNP и NPN. Основная функция этого транзистора — усиление тока. Эти транзисторы можно использовать как переключатели и усилители. Применение BJT включает широкий спектр электронных устройств, таких как телевизоры, мобильные телефоны, компьютеры, радиопередатчики, усилители звука и промышленное управление.

Биполярный транзистор

Конструкция BJT

Биполярный транзистор состоит из двух p-n-переходов. В зависимости от структуры BJT они подразделяются на два типа, такие как PNP и NPN.В NPN-транзисторе слаболегированный полупроводник P-типа помещен между двумя сильно легированными полупроводниками N-типа. Точно так же транзистор PNP формируется путем размещения полупроводника N-типа между полупроводниками P-типа. Конструкция BJT показана ниже. Выводы эмиттера и коллектора в приведенной ниже структуре называются полупроводниками n-типа и p-типа, которые обозначаются буквами «E» и «C». В то время как оставшийся вывод коллектора называется полупроводником p-типа и обозначается буквой «B».

Конструкция BJT

Когда высокое напряжение подключено в режиме обратного смещения как к клеммам базы, так и к клеммам коллектора.Это приводит к образованию зоны с высоким обеднением, которая образуется поперек соединения BE, с сильным электрическим полем, которое останавливает отверстия от B-терминала до C-терминала. Всякий раз, когда клеммы E и B подключаются с прямым смещением, поток электронов будет направлен от клеммы эмиттера к клемме базы.

В базовом выводе некоторые электроны рекомбинируют с дырками, но электрическое поле через переход B-C притягивает электроны. Большинство электронов в конечном итоге перетекают в клемму коллектора, создавая сильный ток.Поскольку протеканием сильного тока через вывод коллектора можно управлять с помощью небольшого тока через вывод эмиттера.

Если разность потенциалов на переходе BE не велика, электроны не могут попасть в клемму коллектора, поэтому ток через клемму коллектора не протекает. По этой причине в качестве переключателя также используется биполярный переходной транзистор. Переход PNP также работает по тому же принципу, но клемма базы сделана из материала N-типа, а большинство носителей заряда в транзисторе PNP представляют собой дырки.

Области BJT

BJT могут работать в трех областях, таких как активная, отсечка и насыщение. Эти регионы обсуждаются ниже.

Транзистор включен в активной области, ток коллектора является сравнительным и управляется током базы, как IC = βIC. Он сравнительно нечувствителен к VCE. В этом регионе он работает как усилитель.

Транзистор выключен в области отсечки, поэтому нет передачи между двумя выводами, такими как коллектор и эмиттер, поэтому IB = 0, поэтому IC = 0.

Транзистор включен в области насыщения, поэтому ток коллектора изменяется в меньшей степени из-за изменения тока базы. VCE небольшой, а ток коллектора в основном зависит от VCE, в отличие от активной области.

Характеристики BJT

Характеристики BJT включают следующее.

• Сопротивление i / p BJT низкое, тогда как сопротивление o / p высокое.
• BJT представляет собой компонент с шумом из-за наличия неосновных носителей заряда
• BJT является биполярным устройством, потому что поток тока будет там из-за обоих носителей заряда.
• Теплоемкость BJT мала, потому что в противном случае выходной ток меняет на противоположный ток насыщения.
• Допирование на выводе эмиттера максимальное, тогда как на выводе базы низкое
• Площадь выводов коллектора в BJT большая по сравнению с FET

Типы BJT

Классификация BJT может быть выполнена на основе их конструкции, например PNP и NPN.

PNP-транзистор

В PNP-транзисторе между двумя полупроводниковыми слоями p-типа зажат только полупроводниковый слой n-типа.

Транзистор NPN

В транзисторе NPN между двумя полупроводниковыми слоями N-типа зажат только полупроводниковый слой p-типа.

Что такое полевой транзистор?

Термин FET означает полевой транзистор, также его называют униполярным транзистором. Полевой транзистор — это один из типов транзисторов, в котором ток в прямом эфире регулируется электрическими полями. Основной тип полевого транзистора совершенно не похож на биполярный транзистор. Полевой транзистор состоит из трех выводов: истока, стока и затвора.Носителями заряда этого транзистора являются дырки или электроны, которые текут от вывода истока к выводу стока через активный канал. Этот поток носителей заряда можно контролировать с помощью напряжения, приложенного к клеммам истока и затвора.

Полевой транзистор

Конструкция полевого транзистора

Полевые транзисторы подразделяются на два типа, такие как JFET и MOSFET. Эти два транзистора имеют схожие принципы. Конструкция p-канального JFET показана ниже. В полевом транзисторе с p-каналом большая часть носителей заряда течет от истока к стоку.Выводы истока и стока обозначены буквами S и D.

Конструкция полевого транзистора

Вывод затвора подключен в режиме обратного смещения к источнику напряжения, так что обедненный слой может быть сформирован в областях затвора и канала, по которому протекают заряды. Каждый раз, когда обратное напряжение на выводе затвора увеличивается, слой обеднения увеличивается. Таким образом, он может остановить поток тока от вывода истока к выводу стока. Таким образом, изменяя напряжение на выводе затвора, можно управлять потоком тока от вывода истока к выводу стока.

Области полевых транзисторов

полевых транзисторов работали в трех областях, таких как область отсечки, активная и омическая область.

Транзистор будет выключен в области отсечки. Таким образом, нет проводимости между истоком и стоком, когда напряжение затвор-исток выше по сравнению с напряжением отсечки. (ID = 0 для VGS> VGS, выкл.)

Активная область также известна как область насыщенности. В этой области транзистор включен. Управление током стока может быть выполнено через VGS (напряжение затвор-исток) и сравнительно нечувствительно к VDS.Итак, в этой области транзистор работает как усилитель.

Итак, ID = IDSS = (1- VGS / VGS, off) 2

Транзистор активирован в омической области; однако он работает как видеомагнитофон (резистор, управляемый напряжением). Как только VDS становится низким по сравнению с активной областью, ток стока приблизительно сравним с напряжением исток-сток и регулируется через напряжение затвора. Итак, ID = IDSS

[2 (1- VGS / VGS, off) (VDS / -VDS, off) — (VDS / -VGS, off) 2]

В этом регионе

RDS = VGS, off / 2IDss (VGS-VGS, off) = 1 / gm

Типы полевых транзисторов

Существует два основных типа переходных полевых транзисторов, подобных следующим.

JFET — полевой транзистор

IGBT — полевой транзистор с изолированным затвором, более известный как MOSFET — полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника)

Характеристики полевого транзистора

Характеристики полевого транзистора включая следующее.

• Входное сопротивление полевого транзистора высокое, например 100 МОм
• Когда полевой транзистор используется в качестве переключателя, он не имеет напряжения смещения
• Полевой транзистор сравнительно защищен от излучения
• Полевой транзистор является устройством с основной несущей.
• Это униполярный компонент, обеспечивающий высокую термическую стабильность.
• Он имеет низкий уровень шума и больше подходит для входных каскадов усилителей низкого уровня.
• Обеспечивает высокую термическую стабильность по сравнению с BJT.

Разница между BJT и FET

Разница между BJT и FET представлена ​​в следующей табличной форме.

BJT	FET
BJT обозначает биполярный переходный транзистор, поэтому это биполярный компонент	FET обозначает полевой транзистор, поэтому это уни-переход транзистор
BJT имеет три клеммы, такие как база, эмиттер и коллектор	FET имеет три клеммы, такие как Drain, Source и Gate
Работа BJT в основном зависит как от носителей заряда, таких как большинство, так и меньшинства	Работа полевого транзистора в основном зависит от большинства носителей заряда — дырок или электронов.
Входное сопротивление этого биполярного транзистора составляет от 1 кОм до 3 кОм, поэтому оно очень мало	Входное сопротивление полевого транзистора очень велико
BJT — устройство, управляемое током	FET — устройство, управляемое напряжением
BJT имеет шум	FET га s меньше шума
Изменение частоты BJT повлияет на его производительность	Его частотная характеристика высокая
Зависит от температуры	Его термостойкость лучше
Это низкая стоимость	Дорого
Размер BJT больше по сравнению с FET	Размер FET низкий
Имеет напряжение смещения	Нет напряжения смещения
Коэффициент усиления BJT больше	Коэффициент усиления FET меньше
Его выходной импеданс высокий из-за высокого усиления	Его выходной импеданс низкий из-за низкого усиления
По сравнению с выводом эмиттера, оба вывода BJT, такие как база и коллектор, более положительны.	Его вывод стока положительный, а вывод затвора отрицательный по сравнению с источником.
Его базовый вывод отрицательный по отношению к выводу эмиттера.	Его вывод затвора более отрицательный по сравнению с выводом истока.
Он имеет высокий коэффициент усиления по напряжению	Он имеет низкий коэффициент усиления по напряжению
Он имеет меньшее усиление по току	Он имеет высокий коэффициент усиления по току
Время переключения BJT среднее	Время переключения FET быстро
Смещение BJT просто	Смещение FET сложно
BJT использует меньшее количество тока	FET использует меньшее количество напряжения
BJT применимы для слаботочных приложений .	Полевые транзисторы применимы для приложений низкого напряжения.
BJT потребляют большую мощность	FETs потребляют низкую мощность
BJT имеют отрицательный температурный коэффициент	BJT имеют положительный температурный коэффициент

Ключевое различие между BJT и FET

• Биполярные переходные транзисторы: биполярные устройства, в этом транзисторе есть поток как основных, так и неосновных носителей заряда.
• Полевые транзисторы являются униполярными устройствами, в этом транзисторе протекает только основная масса носителей заряда.
• Биполярные транзисторы с управлением по току.
• Полевые транзисторы управляются напряжением.
• Во многих приложениях используются полевые транзисторы, а не биполярные переходные транзисторы.
• Транзисторы с биполярным переходом состоят из трех выводов: эмиттера, базы и коллектора. Эти выводы обозначены буквами E, B и C.
• Полевой транзистор состоит из трех выводов, а именно истока, стока и затвора.Эти клеммы обозначены буквами S, D и G.
• Входное сопротивление полевых транзисторов выше, чем у транзисторов с биполярным переходом.
• Производство полевых транзисторов может быть очень маленьким, чтобы сделать их более эффективными при проектировании коммерческих схем. В основном полевые транзисторы доступны в небольших размерах и занимают мало места на кристалле. Устройства меньшего размера удобнее и удобнее в использовании. Биполярные транзисторы больше, чем полевые транзисторы.
• Полевые транзисторы, в частности, полевые МОП-транзисторы, более дороги в разработке по сравнению с биполярными транзисторами.
• Полевые транзисторы более широко используются в различных приложениях, они могут изготавливаться небольшого размера и потреблять меньше энергии. BJT применимы в электронике для хобби, бытовой электронике и приносят большую прибыль.
• Полевые транзисторы обеспечивают ряд преимуществ для коммерческих устройств в крупных отраслях промышленности. Когда они используются в потребительских устройствах, они предпочтительнее из-за их размера, высокого импеданса i / p и других факторов.
• Одна из крупнейших компаний-разработчиков микросхем, например Intel, использует полевые транзисторы для питания миллиардов устройств по всему миру.
• BJT требуется небольшой ток для включения транзистора. Тепло, рассеиваемое при биполярном режиме, останавливает общее количество транзисторов, которые могут быть изготовлены на кристалле.
• Каждый раз, когда клемма «G» полевого транзистора заряжается, больше не требуется тока, чтобы транзистор оставался включенным.
• BJT отвечает за перегрев из-за отрицательного температурного коэффициента.
• Полевой транзистор имеет температурный коэффициент + Ve для предотвращения перегрева.
• BJT применимы для слаботочных приложений.
• полевые транзисторы применимы для приложений низкого напряжения.
• Полевые транзисторы имеют усиление от низкого до среднего.
• BJT имеют более высокую максимальную частоту и более высокую частоту среза.

Почему FET предпочтительнее BJT?

• Полевые транзисторы обеспечивают высокий входной импеданс по сравнению с BJT. Коэффициент усиления полевых транзисторов меньше, чем у биполярных транзисторов.
• Полевой транзистор генерирует меньше шума
• Эффект излучения полевого транзистора меньше.
• Напряжение смещения полевого транзистора равно нулю при нулевом токе стока, поэтому он является отличным прерывателем сигнала.
• Полевые транзисторы более устойчивы к температуре.
• Это чувствительные к напряжению устройства с высоким входным сопротивлением.
• Входное сопротивление полевого транзистора выше, поэтому его предпочтительно использовать как ступень i / p для многокаскадного усилителя.
• Один класс полевых транзисторов производит меньше шума.
• Изготовление полевого транзистора несложно.
• Полевой транзистор реагирует на крошечные значения напряжения сток-исток, как переменный резистор с регулируемым напряжением.
• Они нечувствительны к радиации.
• Полевые транзисторы мощности рассеивают большую мощность, а также могут коммутировать большие токи.

Что быстрее BJT или FET?

• Для управления маломощными светодиодами и такими же устройствами от MCU (Micro Controllers Unit), BJT очень подходят, потому что BJT могут переключаться быстрее по сравнению с MOSFET из-за низкой емкости на управляющем контакте.
• МОП-транзисторы используются в приложениях большой мощности; поскольку они могут переключаться быстрее, чем BJT.

  No related posts.