Характеристики и малосигнальные параметры полевых транзисторов

 

Стандартный набор ВАХ полевых транзисторов отличается от набора ВАХ биполярных транзисторов прежде всего потому, что у полевых транзисторов отсутствуют входные токи, а значит, и входные характеристики. Обычно для полевых транзисторов приводятся проходные (передаточные) характеристики – зависимость тока стока от напряжения между затвором и истоком при постоянном напряжении U _СИ и семейство выходных характеристик – зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при различных напряжениях между затвором и истоком.

На рис. 3.10 показаны передаточные характеристики транзисторов с каналом n- типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n- типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток стока I _С, что соответствует положительному напряжению между стоком и истоком U _СИ.

Характеристика полевого транзистора с управляющим p-n- переходом при нулевом напряжении на затворе имеет максимальное значение тока, которое называется начальным I _Снач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U _отс становится близким к нулю. Проходные характеристики нелинейны и описываются выражением

. (3.12)

Характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U _пор. Увеличение напряжения на затворе U _ЗИ > U _пор приводит к увеличению тока стока.

Характеристика МОП-транзистора со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет начальное значение тока I _С0. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Характеристики транзисторов с каналом p- типа имеют такой же вид. Различие лишь в полярности напряжений, прикладываемых к затвору и стоку. Для n- канала напряжения положительные, для p- канала – отрицательные.

Выходные характеристики рассмотрим на примере полевого транзистора с управляющим p-n- переходом с каналом n- типа (рис. 3.11). На ВАХ можно выделить две области:

линейную U _СИ < U _отс – | U _ЗИ| и насыщения U _СИ > U _отс – | U _ЗИ|.

В линейной области ВАХ вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе.

 

В области насыщения ВАХ идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке.

Резкое различие ВАХ в различных областях определяет и двоякое применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе. При U _ЗИ = 0 сопротивление промежутка сток-исток минимально. Для мощных МОП-транзисторов это сопротивление может быть очень малым (единицы – доли ома). При U _ЗИ = U _отс сопротивление канала сток-исток стремится к бесконечности.

В усилительном режиме полевой транзистор работает при небольшом отрицательном смещении на затворе относительно истока. Используется пологая область характеристик, на которой ток стока почти не меняется при изменении напряжения U _СИ.

Рабочая точка А, соответствующая исходному режиму транзистора до подачи на затвор управляющего сигнала, характеризуется тремя координатами:

A (I _С =I ₀, U _СИ =U ₀, U _ЗИ =U _ЗИо).

Малые приращения тока стока в окрестности рабочей точки определим как полный дифференциал функции двух переменных I _С= f (U _СИ, U _ЗИ):

. (3.13)

Приращения переменных в дальнейшем будем обозначать малыми (строчными) буквами, подразумевая под ними переменные составляющие токов и напряжений в выбранной рабочей точке. Частные производные характеризуют малосигнальные параметры усилительных элементов.

С учетом этих замечаний выражение (3.13) можно переписать в виде

(3.14)

где – крутизна характеристики;

– внутреннее сопротивление.

Знак «минус» учитывает то, что с ростом тока стока напряжение U _СИвсегда уменьшается и приращения i _си u _СИ противофазны.

Записав выражение (3.14) относительно u _СИ, получим

, (3.15)

– статический коэффициент усиления по напряжению.

где

 

 

3.10 Эквивалентные схемы замещения полевых транзисторов

 

Соотношениям (3.14) и (3.15) соответствуют эквивалентные схемы выходной цепи транзистора в виде генератора тока (рис. 3.12, а) и генератора напряжения (рис. 3.12, б). На высоких частотах в эквивалентной схеме полевого транзистора учитывают межэлектродные емкости С _ЗИ, С _ЗС, С _СИ (показаны пунктиром на рис. 3.12, а). Крутизна характеристики – величина непостоянная. С ростом отрицательного смещения на затворе полевого транзистора с управляющим p-n-переходом крутизна уменьшается, в чем можно убедиться, продифференцировав выражение (3.12):

. (3.16)

Увеличение удельного сопротивления канала при росте температуры ведет к уменьшению тока стока. С другой стороны, с ростом температуры уменьшается запирающее напряжение на p-n- переходе (примерно на 2 мВ/К), что приводит к увеличению тока стока. При правильном выборе рабочей точки ток стока остается почти постоянным в широком диапазоне температур. Рабочую точку, в которой изменение тока стока с изменением температуры имеет минимальное значение, называют термостабильной точкой. Ее ориентировочное положение можно найти из уравнения

U _ЗИт =U _отс - 0, 63 В. (3.17)

При больших U _отс крутизна характеристики в термостабильной точке невелика и от транзистора можно получить значительно меньший коэффициент усиления, чем при работе с малым напряжением U _ЗИ.

В усилительном каскаде полевой транзистор можно включить по схемам с обшим истоком, общим стоком и общим затвором. Основное достоинство усилителей на полевых транзисторах – возможность получения большого входного сопротивления, так как для их работы не требуются входные токи.