Студопедия — Физические ограничения предельной частоты полевого транзистора
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Физические ограничения предельной частоты полевого транзистора






В полевых транзисторах ток через канал и процесс управления этим током связаны с перемещением основных носителей заряда. Поэтому быстродействие полевых транзисторов ограничивается лишь временем процессов перераспределения основных носителей заряда в объеме полупроводника и временем их пролета через области пространственного заряда.

Из анализа работы транзистора следует, что значение крутизны связано с сопротивлением канала

S = 1 / rк0. (1)

Граничная частота может быть выражена, как

. (2)

Физический смысл этого выражения заключается в том, что быстродействие транзистора связывается с перезарядкой емкости СЗК через сопротивление канала, происходящей с постоянной времени rК0СЗК.

Эквивалентная схема полевого транзистора на ВЧ

Эквивалентная схема полевого транзистора, используемая для описания его свойств на ВЧ (на частоте до 300-400 MГц) показана на рис.1.

Цепь из последовательно соединенных сопротивления канала и емкости между затвором и каналом отражает инерционность транзистора. Управляющее генератором тока стока SUЗ нaпряжение UЗ не совпадает с входным напряжением UВХ, а меньше его на величину падения напряжения на rК. По мере повышения частоты напряжение UЗ уменьшается, а фазовый сдвиг между UВХ и UЗ увеличивается. Отражение инерционности транзистора цепочкой из сосредоточенных емкости и сопротивления является приближенным. Более точно свойства транзистора можно представить с помощью цепи из распределенных вдоль канала емкости и сопротивления.

Но это представление более сложно для проведения расчетов. Для диапазона частот, меньших fГР/2, приближенная аппроксимация фазо-частотной характеристики полевого транзистора цепью rКCЗК дает достаточную для расчетов точность.

Крутизна S является параметром, определяющим усилительные свойства транзистора. На эквивалентной схеме рис.1 крутизна показана как частотонезависимый, безинерционный элемент.

Резистор r22 представляет активную составляющую выходной проводимости транзистора (g22 = 1 / r22). Обычно эта проводимость мала и может не учитываться при расчетах усилительных схем на ВЧ.

Элементы СЗС и CЗИ представляют емкости затвора относительно электродов стока и истока. Эти емкости определяются конструктивно - технологическими особенностями транзистора.

Емкость СЗС наиболее существенно влияет на работу усилительных схем на ВЧ, так как она определяет уровень внутренней обратной связи в полевом транзисторе. Через СЗС сигнал с выхода усилителя (стока) поступает на вход (затвор). В зависимости от конкретной схемы включения транзистора обратная связь может быть отрицательной или положительной, искажать частотную характеристику усилителя, вызывать его неустойчивую работу или самовозбуждение.

Элементы С1, С2, С3 представляют емкости между выводами транзистора, обусловленные конструкцией корпуса, длиной и расположением внешних и внутренних выводов.

Элемент ССИ представляет емкость между стоком и истоком транзистора. Обычно, в транзисторах с управляющим переходом она незначительна. Напротив, в МДП-транзисторах она велика и включает емкость контактной площадки стока относительно подложки (соединенной с истоком) и емкость перехода, образованного диффузионной р+ областью стока в n-подложке (в транзисторах с каналом р-типа).

Диоды ДС и ДИ включаются в эквивалентную схему МДП-транзисторов и представляют переходы, образованные диффузионными областями стока и истока в подложке. В некоторых МДП-транзистоpax подложка соединяется с истоком внутри корпуса; в других имеется отдельный вывод от подложки. Обычно, подложка соединяется с истоком и поэтому диод ДИ на эквивалентной схеме оказывается закороченным.

Кроме отмеченных выше ограничений эквивалентная схема рис.1 не учитывает распределенные сопротивления стоковой и истоковой областей, индуктивности внутренних и внешних выводов и корпуса транзистора. Эти элементы приходится учитывать при анализе работы полевых транзисторов в диапазоне СВЧ, или ВЧ транзисторов, обладающих большой крутизной (свыше 30-50 мА/В).

 

Связь параметров эквивалентной схемы с параметрами транзистора

как четырехполюсника

Как правило, полевые транзисторы как четырехполюсники, работающие на малом сигнале, описываются системой y – параметров (параметров проводимости). На рис. 2 показано представление транзистора в виде четырехполюсника, обозначены входные и выходные напряжения, токи и их направления.

Уравнения четырехполюсника в системе y - параметров имеют вид

iВХ = y11UВХ + y12UВЫХ (3)

iВЫХ = y21UВХ + y22UВЫХ (4)

Если положить поочередно UВХ или UВЫХ равными нулю (короткое замыкание - КЗ - по переменному току на входе или выходе), то y - параметры имеют следующий смысл:

y11 - входная проводимость (при КЗ на выходе);

y12 - проводимость обратной связи (при КЗ на входе);

y21 - проводимость прямой передачи (крутизна) (при КЗ на выходе);

y22 - выходная проводимость (при КЗ на входе).

В принципе возможны три схемы включения полевых транзисто­ров: с общим истоком, с общим стоком и общим затвором. Обычно применяется схема с общим истоком или схема с общим стоком (истоковый повторитель). Для включения транзистора с общим истоком на частоте < fГР/3 приближенные выражения для yU – параметров имеют вид:

y11U» iw(CЗИ+ C2 + CЗС + C1 + CЗК) (5)

y12U» - iw(CЗС + C1) (6)

y21U» S - iw(CЗС + C1) (7)

y22U» iw(CЗC+ C3 + CCИ + C1) (8)

Из (5), (6) и (8) следует, что входная, выходная прово­димости и проводимость обратной связи могут быть выражены следующим образом:

y11U = iwС11U (9)

С11U = СЗИ + С2 + СЗС + С1 + СЗК (9а)

y12U = - iwС12U (10)

С12U = СЗС + С1 (10а)

y22U = iwС22U (11)

С22U = С3 + СЗС + С1 + ССИ (11а)

В этих выражениях С11U, С12U, С22U представляют собой входную, проходную и выходную емкости полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком. Входная емкость С11U - емкость между выводом затвора и выводами истока и стока, соединенными вместе (по переменному току). Выходная емкость С22U - емкость между выводом стока и выводами затвора и истока, соеди­ненными вместе (по переменному току). Проходная емкость С12U - емкость между выводами стока и затвора при заземленном выводе истока.

Таким образом, крутизна, входная, проходная и выходная ем­кости являются параметрами, с помощью которых можно представлять свойства полевого транзистора как четырехполюсника на ВЧ.

 

III. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Метод и аппаратура для измерения крутизны

Измерение крутизны полевых высокочастотных транзисторов производится методом, изложенным в ГОСТ 20398.3-74. Схема измерения крутизны показана на рис.3.

На испытуемый транзистор ИТ подается напряжение ЕЗ затвора и напряжение ЕС стока. Путем регулировки ЕЗ, устанавливается нужное значение тока стока. На затворе транзистора от генератора подается ВЧ напряжение с небольшой амплитудой. Сопротивлением нагрузки для ВЧ в цепи стока служит конденсатор С2, представляющий так называемую конструктивную емкость (емкость, образованную элементами конструкции колодки, к которой подключается испытуемый транзистор). Сопротивление емкости С2 на всех рабочих частотах очень мало и обеспечивает условия короткого замыкания по переменному току в цепи стока. Переменное ВЧ напряжение на С2, пропорциональное току стока через разделительный конденсатор С3 подается на измерительный приемник. После усиления и детектирования измеряемый сигнал подается на индикатор, который проградуирован в значениях крутизны испытуемого транзистора. Калибровка измерителя производится подключением эталонного резистора R2 переключателем BI вместо измеряемого транзистора. Это соответствует включению транзистора с крутизной I/R2.

Измерение крутизны высокочастотных полевых транзисторов производится прибором Л2-38. Этот прибор обеспечивает измерение крутизны в диапазоне значений от 0,5 до 30 мА/В на частотах 100, 250, 400 МГц. Основная погрешность измерения не превышает ±15% от измеряемой величины.

Метод и аппаратура для измерения емкостей полевых транзисторов

Измерение емкостей полевых транзисторов производится по методу, изложенному в ГОСТ 20398.5-74. Измерения проводятся при включении транзистора с общим истоком по принципу емкостно-омического делителя. Он поясняется схемой рис.4.

Напряжение от ВЧ генератора U1 (его амплитуда не превышает 50 мВ) подается на цепь из последовательно соединенных измеряемой емкости СХ и резистора R1 (это и есть емкостно-омический делитель). За счет протекающего высокочастотного тока на резисторе r1 выделяется переменное напряжение U2. Это напряжение усиливается и детектируется измерительным усилителем, на выходе которого включен индикатор.

Величина модуля ½U2½ измеряемого напряжения равна:

, (12)

где f - частота напряжения генератора.

Сопротивление R1 и частота выбираются такими, что для всех значений измеряемой емкости выполняется условие: 1/2pfCX>>R1, означающее, что ток через СХ и R1 определяется практически лишь величиной СХ. Из последнего условия следует, что

. (13)

Таким образом, напряжение U2, измеряемое усилителем, пропорционально значению неизвестной емкости. Шкала индикатора измерительного усилителя получается линейной относительно СХ.

Схемы включения полевого транзистора при измерении емкостей показаны на рис. 5. Во всех схемах генератор ВЧ подключается к стоку испытуемого транзистора. Резистор R1, на котором измеряется переменное напряжение, пропорциональное емкости, подключен к затвору. Через дроссель ДР1 на сток транзистора подается необходимое постоянное напряжение. При этом дроссель имеет очень малое сопротивление постоянному току, и в то же время, большое сопротивление переменному, что исключает ответвление тока генератора ВЧ в источник питания транзистора.

Конденсатор С1 является разделительным и препятствует протеканию постоянного тока от электрода стока через ВЧ генератор. В то же время, сопротивление R1, на частоте f должно быть малым и не влиять на ток в измерительной цепи.

На затвор испытуемого транзистора через резистор R1 подается необходимое постоянное смещение. Конденсатор С2 является разделительным и препятствует попаданию постоянного напряжения на вход измерительного усилителя.

Конденсатор С4 кратчайшим путем соединяет нижний конец резистора R1 с "землей" измерительного усилителя. Тем самым, между входом и "землей" измерительного усилителя приложено лишь то переменное ВЧ напряжение, которое выделяется непосредственно на резисторе R1.

Схемы включения транзистора при измерении С11U, С12U, С22U отличаются лишь способом подключения конденсатора С3. На рис. 5,а при измерении С11U конденсатор С3 соединяет по переменному току сток и исток транзистора. В схеме рис.5,б при измерении С12U соединяет с "землей" исток транзистора. Наконец, в схеме рис.5,в при измерении С22U им соединяются между собой затвор и исток транзистора. Во всех случаях сопротивление С3 на частоте f должно быть незначительным, чтобы с достаточной точностью можно было считать переменные напряжения на соединяемых конденсатором электродах одинаковыми.

Для измерения емкостей полевых транзисторов используется прибор Л2-34. В приборе имеется генератор, от которого напряжение с частотой 10 МГц ±10% поступает на измеряемую емкость. Амплитуда переменного напряжения на испытуемом транзисторе не превышает 300 мВ. Диапазоны измерения входной и выходной емкости - 0,3¸30 пФ, проходной от 0,03 до 30 пф. Основная погрешность измерения составляет ±10%.







Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 5055. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

Репродуктивное здоровье, как составляющая часть здоровья человека и общества   Репродуктивное здоровье – это состояние полного физического, умственного и социального благополучия при отсутствии заболеваний репродуктивной системы на всех этапах жизни человека...

Случайной величины Плотностью распределения вероятностей непрерывной случайной величины Х называют функцию f(x) – первую производную от функции распределения F(x): Понятие плотность распределения вероятностей случайной величины Х для дискретной величины неприменима...

Схема рефлекторной дуги условного слюноотделительного рефлекса При неоднократном сочетании действия предупреждающего сигнала и безусловного пищевого раздражителя формируются...

СИНТАКСИЧЕСКАЯ РАБОТА В СИСТЕМЕ РАЗВИТИЯ РЕЧИ УЧАЩИХСЯ В языке различаются уровни — уровень слова (лексический), уровень словосочетания и предложения (синтаксический) и уровень Словосочетание в этом смысле может рассматриваться как переходное звено от лексического уровня к синтаксическому...

Плейотропное действие генов. Примеры. Плейотропное действие генов - это зависимость нескольких признаков от одного гена, то есть множественное действие одного гена...

Методика обучения письму и письменной речи на иностранном языке в средней школе. Различают письмо и письменную речь. Письмо – объект овладения графической и орфографической системами иностранного языка для фиксации языкового и речевого материала...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.014 сек.) русская версия | украинская версия