3. Схемы включения полевых транзисторов. Схемы включения полевых транзисторов

10.4. Типовые схемы включения полевых транзисторов и их параметры

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы используются в трех основных схемах включения (рис. 10.14): с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Схемным аналогом усилительного каскада с общим эмиттером является каскад с ОИ, схема которого на транзисторе с управляющим pn-переходом приведена на рис. 10.26.
	Рис. 10.26

Входное сопротивление полевого транзистора очень велико и составляет сотни МОм. Поэтому входное сопротивление каскада с ОИ будет определяться сопротивлением резистора в цепи затвора. Сопротивлениевключается для обеспечения гальванической связи затвора с общей заземленной шиной. Сопротивлениевыбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, как можно меньше шунтировать большое входное сопротивление транзистора, а с другой – не создавать заметного падения напряжения от протекания черезтока утечки обратносмещенного управляющегоpn-перехода. Обычно выбирают. Большое входное сопротивление является достоинством каскада с ОИ на полевом транзисторе при использовании его в качестве входных каскадов усилителей напряжения, так как позволяет наиболее полно обеспечить условие значительного превосходства входного сопротивления над сопротивлениемисточника входного сигнала.

Резистор в цепи стока служит для ограничения тока стокаи обеспечения работы транзистора в рабочей области его статических характеристик. Из четырехполюсной модели полевого транзистора следует, что ток стока зависит от напряжений на электродах и внутренних параметров транзистора:. Поскольку, то после подстановок и преобразований получаем:

. (10.3)

Коэффициент усиления каскада с ОИ по напряжению равен по определению отношению напряжений или. Подставляя в это отношение выражение (10.3) и преобразуя, получим:

. (10.4)

Знак минус в правой части выражения (10.4) показывает, что выходное напряжение каскада с ОИ находится в противофазе с входным напряжением. Поскольку на пологом участке выходной статической характеристики ток стока практически не изменяется, то. В связи с этим выражение (10.4) можно упростить

. (10.5)

Наличие емкостей иобуславливает существование частотной зависимости коэффициента усиления по напряжению:

или в операторной форме

где определяется в соответствии с выражением (10.5),, а. Если, то верхняя рабочая частотаопределяется только:. Не учитываяи подставляя приведенные ранее зависимости, получим.

Выходное сопротивление каскада с ОИ находится в соответствии с выражением:

. (10.6)

Таким образом выходное сопротивление каскада определяется сопротивлением резистора в стоковой цепи полевого транзистора и составляет обычно единицы кОм при использовании транзистора с управляющимpn-переходом и МДП-транзистора с индуцированным каналом и десятки кОм для МДП-транзистора со встроенным каналом.

Коэффициент усиления по токукаскада с ОИ может быть выражен через коэффициент усиления по напряжениюи входное и выходное сопротивления каскада:. Подставляя в эту формулу приведенные ранее зависимости, получим выражение для коэффициента усиления по току:

. (10.7)

Наконец, поскольку коэффициент усиления по мощности равен, то

. (10.8)

Таким образом, каскад с ОИ обеспечивает значительное входное сопротивление ; меньшее, чем, выходное сопротивление; достаточно большое усиление по току, напряжениюи мощности.

Схемным аналогом каскада с общим коллектором (эмиттерного повторителя) на биполярных транзисторах является каскад с общим стоком (истоковый повторитель) на полевых транзисторах. Схема каскада с общим стоком (ОС) на транзисторе с управляющим pn-переходом приведена на рис. 10.27.

Рис. 10.27

Входное сопротивление каскада с ОС равно . Поскольку входное сопротивление полевого транзистораочень велико и составляет сотни Мом, то

. (10.9)

Выходное сопротивление каскада с ОС равно . Поскольку выходное сопротивление полевого транзистораравно минимальному сопротивлению канала, которое достигается при, т.е. при максимальной крутизне характеристики передачи, то. Отсюда следует, что

. (10.10)

Коэффициент усиления по напряжению определяется в соответствии с выражением

. (10.11)

При коэффициент усиления по напряжению. Это означает, что входное и выходное напряжения совпадают по фазе и приблизительно одинаковы по величине, откуда и происходит название каскада – истоковый повторитель.

Коэффициент усиления по токукаскада с ОС, следовательно, и коэффициент усиления по мощности.

Входная емкость каскада с ОС , что существенно (враз) меньше входной емкости каскада с ОИ. В связи с этимвраз и, что говорит о более широком частотном диапазоне каскада с ОС, чем каскада с ОИ.

Таким образом, каскад с ОС обеспечивает значительное входное сопротивление ; небольшое выходное сопротивление; повторение на выходе входного напряжения по величине и фазе и более широкий частотный диапазон, чем каскад с ОИ.

Каскад с ОС в основном используется как согласующий каскад (согласование сопротивлений без изменения амплитуды сигнала) в усилительных схемах, например, для согласования выхода источника входного сигнала с входом усилителя.

Схемным аналогом каскада с общей базой на биполярных транзисторах является каскад с общим затвором на полевых транзисторах. Схема каскада с общим затвором (ОЗ) на транзисторе с управляющим pn-переходом приведена на рис. 10.28.

Рис. 10.28

Каскад с ОЗ имеет входное сопротивление . Посколькудля схем с ОИ и ОС, то, что ограничивает применение каскада с ОЗ.

Так как входной ток практически равен выходному, то . Коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по мощности тоже, но.

Выходное сопротивление каскада с ОЗ .

Заканчивая рассмотрение полевых транзисторов, следует отметить, что в каждом из двух (с управляющим pn-переходом и МДП) типов помимо рассмотренных используются и другие разновидности полевых транзисторов:

- с управляющим pn-переходом и с вертикальным каналом;

- с управляющим pn-переходом и барьером Шоттки;

- с управляющим pn-переходом на арсениде галлия;

- МДП с коротким каналом на высокоомной подложке;

- МДП, изготовленные по методу двойной диффузии;

- МДП с вертикальным каналом;

- МДП на арсениде галлия.

studfiles.net

3. Схемы включения полевых транзисторов

Для анализа работы усиливающее устройство удобно представлять в виде 4–полюсника с двумя входными и двумя выходными клеммами. Полевой транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. Если представить ПТ в виде 4–полюсника, то какой-то его электрод будет использован дважды, т.е. будет общим для входной и выходной цепей. Таким образом, имеются три возможных схемы включения ПТ: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС) (рис. 4).

Схемы включения полевого транзистора с ОИ (а), ОЗ (б), ОС (в)

с ис и

UВЫХUВЫХ UВЫХ

UВХ UВХ UВХ

ии з з с с

а) б) в)

Рис.4 .

4. Усилитель на полевом транзисторе

Среди усилителей, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил усилитель, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком (ОИ). На рис. 5 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта усилительного каскада.

В данной схеме использован ПТ с р-n–переходом и каналом n–типа. Поэтому полярность "+" напряжения источника питания ЕСподается на сток, а "-" – на исток ПТ. Направления токов IСи IИуказаны на схеме. Из I закона Кирхгофа следует, что IС+ IЗ– IИ= 0, где IЗ— ток затвора. Но IЗ 0, и, следовательно, IСIИ.

Данная схема экономична, так как позволяет обходиться одним источником напряжения. Вместо второго источника ЕЗИ, в цепь истока ПТ включен резистор RИ.

Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе

Рис.5.

Этот резистор необходим, чтобы обеспечить разность потенциалов UЗИмежду затвором и истоком ПТ. Ток истока, проходя через RИ,создает на нем падение напряжения UЗИо= -IИоRИ= -IСоRИ, где IИо, IСои UЗИо— постоянные составляющие токов IИи IСи напряжения UЗИ. Причем, более высокий потенциал U "+" имеет исток ПТ. Чтобы отрицательный потенциал "–" был приложен к затвору транзистора в цепь его затвора включен резистор RЗ. Так как IЗ 0, то напряжение на RЗпрактически отсутствует. Говорят, что резистор RЗосуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т. е. потенциал затвора равен нулю. Поэтому напряжение UЗИопрактически приложено к электродам ПТ затвор–исток и называется напряжением смещения.

Помимо этой функции резистор RЗвместе с резистором RИобразуют цепь обратной связи по постоянному току. Обратной связью называют передачу части энергии сигнала с выхода некоторого устройства на его вход. В усилителях, как правило, используется отрицательная обратная связь: часть напряжения с выхода усилителя (напряжение обратной связи UОС) вычитается из входного напряжения UВХи результирующее напряжение равное разности UВХ- UОС, подается на вход транзистора. Усилители, охваченные отрицательной обратной связью, работают более устойчиво, так как стабилизируется режим покоя усилителя. Покажем это.

Предположим, что за счет каких-то внешних воздействий (повышения температуры, случайных изменений напряжения Ес, появления радиации и т.д.) ток стока ICовозрастает. Так как IСоIИо, то растет и ток истока IИо(рис. 5), увеличивается падение напряжения на резисторе RИ, уменьшается потенциал затвора ПТ относительно истока, растет сопротивление канала, что приводит к уменьшению и, следовательно, к стабилтзации токов IСои IИо. Таким образом, с помощью резисторов RИи RЗбудет поддерживаться постоянство IСои IИопри воздействиях внешних факторов.

Резистор RИобразует, кроме того, еще цепь отрицательной обратной связи по переменному току. Действительно, пусть на вход усилителя подается положительный импульс напряжения относительно общей шины схемы. Так как в данной схеме используется транзистор с каналом n–типа, то при увеличении потенциала затвора сечение канала увеличивается и токи стока IСи истока IИвозрастают. Ток истока, проходя через резистор RИ, создает на нем дополнительное падение напряжения, увеличивающее потенциал истока, и равноеIИRИ. Это напряжение и является напряжением обратной связи UОС. Следовательно, ко входу транзистора прикладывается напряжение UЗИ, представляющее разность двух напряжений UВХи UОС. Это следует из того, что в цепи, подключаемой к затвору и истоку транзистора, источники напряжения UВХи UОСвключены последовательно и навстречу друг с другом. Действительно, положительный импульс UВХповышает потенциал затвора, а напряжение обратной связи UОС, как было показано, увеличивает потенциал истока относительно общей шины схемы. Следовательно, разность потенциалов или напряжение между затвором и истоком UЗИуменьшается. К сожалению, это приводит к уменьшению модуля коэффициента усиления усилителя К, но зато другие параметры усилителя улучшаются. Если же однокаскадный усилитель должен иметь большой коэффициент усиления, то от отрицательной обратной связи по переменному току отказываются, как это сделано в данной схеме (рис. 5). Для этого достаточно параллельно резистору RИподключить конденсатор СИ, шунтирующий RИ. Цепь RИCИназывается цепью автоматического смещения рабочей точки и предназначена для обеспечения обратного напряжения на затворе транзистора.

Конденсаторы СЗи СИиграют роль разделительных конденсаторов. Конденсатор, стоящий в цепи затвора, служит для предотвращения протекания постоянной составляющей:

тока затвора через источник входного сигнала;
тока от источника входного сигнала через резистор RЗ.

Конденсатор СС, стоящий в цепи стока, необходим для предотвращения протекания постоянной составляющей тока стока через сопротивление нагрузки усилительного каскада .

Резистор RСстоящий в цепи стока, является нагрузкою транзистора. С него, через разделительный конденсатор СС, снимается выходное напряжение UВЫХ= - iСRС, iС— переменная составляющая в цепи стока, которая появляется при подаче сигнала на вход транзистора. Изменения IСприводит к изменению напряжения UСИ. UВЫХ= UСИ= - iСRС. Знак минус говорит о том, что выходное напряжение и ток стока (или выходное и входное напряжения ПТ) находятся в противофазе. Действительно, если на вход транзистора приходит отрицательный импульс напряжения —, сечение канала становится меньше, сопротивление канала возрастает, а ток стока уменьшается. На резисторе RСпадение напряженияiСRСстановится меньше, т.е. потенциал стока транзистора возрастает, что соответствует положительному импульсу напряжения на стоке —. Таким образом, если на вход транзистора поступает отрицательный импульс, то на его выходе появляется положительный импульси наоборот. Следовательно, ПТ усиливает сигнал и инвертирует его на 1800.

studfiles.net

Полевой транзистор - схема

Из всех полупроводников, используемых в радиотехнических системах, наиболее распространенным является полевой транзистор, схема которого применяется, практически во всех устройствах. Он представляет собой полупроводниковый прибор, где изменение тока происходит под действием электрического поля в направлении, перпендикулярном току.

Электрическое поле создается при помощи входного сигнала, поступающего на затвор полупроводника. Рабочий ток, протекающий в транзисторе, обусловлен носителями только однозначных зарядов, представляющих собой либо электроны, либо дырки.

Схемы включения полевых транзисторов

Все полевые транзисторы могут включаться по трем основным схемам. Это общий затвор, общий сток и общий исток. В практической деятельности, наиболее часто используется схема с общим истоком. Каскад с применением общего истока, значительно усиливает ток и мощность. Схема с общим затвором не усиливает ток, поэтому, и мощность здесь усиливается гораздо меньше. У каскада общего затвора очень низкое значение входного сопротивления, в связи с чем, его практическое применение в усилительной технике, в значительной степени ограничено.

Типы полевых транзисторов

По своим физическим качествам и механизму действия, все типы полевых транзисторов условно разделяются на две основные группы. В первую группу входят транзисторы, работающие на основе управляющего pn-перехода. Такой переход имеет дополнительное название – «металл – полупроводник». Вторая группа включает в себя транзисторы, управление которыми производит изолированный электрод, называемый затвором. Они носят название МДП – «металл – диэлектрик – полупроводник».

В полевом транзисторе с управляющим pn-переходом, произведена изоляция затвора, отделенного в электрическом отношении от канала, так называемым pn-переходом, имеющим смещение в обратном направлении. В этом транзисторе имеется два невыпрямляющих контакта, направленных к области прохождения управляемого тока, который несут основные носители заряда. Кроме того, имеются электронно-дырочные переходы, в количестве одного или двух, смещенные в обратном направлении. Когда изменяется обратное напряжение, то на pn-переходе происходит изменение его толщины, сопровождающейся изменением толщины области прохождения управляемого тока.

Полевой транзистор, схема которого МДП с изолированным от канала затвором. В качестве изоляции используется слой диэлектрика. Кристалл полупроводника имеет относительно высокое удельное сопротивление. Внутри него имеются области, где проводимость, абсолютно противоположная кристаллу. Здесь же расположение металлических электродов – истока и стока. Все МДП-транзисторы могут иметь встроенный или индуцированный канал.

electric-220.ru

Полевой транзистор: принцип работы

Среди множества полупроводниковых приборов следует отметить полевой транзистор, принцип работы которого основан на перемещающихся основных однотипных носителях заряда. Поток этих зарядов регулируется с помощью поперечного электрического поля. Источником поля является напряжение, приложенное к любому из электродов транзистора. Такой электрод получил дополнительное название затвора.

Поскольку перемещаются однотипные заряды, электроны или дырки, полевые транзисторы называются униполярными, в отличие от биполярных приборов. Они могут иметь управляющий р-п-переход или изолированный затвор. Основными параметрами устройств является входное и внутреннее (выходное) сопротивление, а также напряжение отсечки и прочие характеристики.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Данный прибор состоит из полупроводниковой пластины, на концах которой установлены электроды истока и стока. Именно при их участии происходит подключение устройства к управляемой сети. Соединение управляющей сети осуществляется с третьим электродом, выступающим в роли затвора. Поскольку у пластины и третьего электрода различные типы проводимости, то за счет этого и образуется р-п-переход.

С помощью источника питания, включенного во входную цепь, в области р-п-перехода создается обратное напряжение. Дополнительно к входной цепи производится подключение источника усиливаемых колебаний. Когда входное напряжение изменяется, то происходит изменение и обратного напряжения в районе р-п-перехода. В результате, происходит изменение п-канала, представляющего собой обедненный слой. То есть, фактически, изменяется поперечное сечение, через которое проходят основные носители заряда.

В зависимости от выполняемых функций, электроды прибора имеют следующие наименования:

Электрод исток: из него происходит вхождение в канал основных носителей зарядов.
Электрод сток: через него из канала происходит выход основных носителей зарядов.
Электрод затвор: регулирует поперечное сечение канала.

Сам канал может обладать одной из двух проводимостей. Проводимость полевых транзисторов бывает с «р» или «п» каналом. Напряжения смещения, которые подаются на эти электроды, имеют противоположную полярность.

Таким образом, принцип действия полевого транзистора очень похож на работу вакуумного триода. Триод имеет катод, анод и сетку, которые соответствуют истоку, стоку и затвору. Однако, конструкция полупроводникового прибора отличается в лучшую сторону и обладает большим набором функций.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Данная конструкция прибора отличается наличием изолирующего слоя, разделяющего затвор и канал. В качестве подложки используется полупроводниковый кристалл, имеющий высокое удельное сопротивление. В нем создаются области с проводимостью, противоположной подложке. В этих местах наносятся электроды стока и истока. Между ними, на поверхности кристалла наносится тонкий слой диэлектрического материала. В свою очередь, на этот слой производится нанесение третьего металлического электрода – затвора.

В структуру прибора входит металл, диэлектрик и полупроводник (МДП). Поэтому, данные устройства получили название МДП-транзисторов.

МДП-приборы имеют следующую классификацию:

С индуцированным каналом. В данной конструкции отсутствует проводящий канал между стоком и истоком. Поэтому, появление тока зависит от полярности стока и порогового напряжения на затворе в соответствии с истоком.
Со встроенным каналом. В этом приборе, при значении нулевого напряжения, под затвором происходит образование инверсионного слоя в виде канала, соединяющего сток и исток.

Таким образом, полевые транзисторы, имеют общий принцип работы, но отличается особенностями конструкции, что дает возможность их использования в самых разных областях.

Как работает полевой транзистор

electric-220.ru

Схемы включения полевых транзисторов

ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

4.Области применения полевых транзисторов

КМОП-структурыстроящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структурэти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой верности(Hi-Fi),где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) находят применение в устройствах большой мощности, например вустройствах плавного пуска, где успешно вытесняюттиристоры.

8 ЛИТЕРАТУРА