Простая схема превращает осциллограф и генератор в характериограф для полевых транзисторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2018

Bill Reeve

Electronic Design

Коммерческие характериографы существуют уже много десятков лет. Разработчики, которым эти приборы недоступны, могут собрать простую схему, способную с помощью функционального генератора и осциллографа формировать графики передаточных (проходных) и выходных характеристик полевых транзисторов с p-n переходом. Кроме того, схема может управляться компьютером, чтобы программно отображать и регистрировать результаты измерений.

Используя эти графики, разработчики могут подбирать пары транзисторов, определять их крутизну и выходное сопротивление, чтобы точно установить напряжения в усилителях на полевых транзисторах. Эти кривые полезны также потому, что параметры полевых транзисторов имеют очень большой производственный разброс, даже в пределах одной партии приборов, а также потому, что в справочных материалах в одних случаях могут быть представлены комбинации типичных зависимостей, а в других графики каких-либо зависимостей могут вообще отсутствовать.

Схема формирует две кривых, описывающих поведение полевого транзистора. График передаточной характеристики отображает зависимость тока сток-исток (I_DS) от напряжения затвор исток (V_GS) при фиксированном напряжении сток-исток (V_DS), а выходная характеристика показывает зависимость тока I_DS от напряжения V_DS при фиксированном напряжении V_GS.

Схема представляет собой простой трансимпедансный усилитель, преобразующий ток I_DS проверяемого устройства (DUT) в выходное напряжение (Рисунок 1). С помощью операционного усилителя (ОУ) U1A напряжение на истоке тестируемого транзистора поддерживается равным нулю. Это происходит за счет тока I_DS проверяемого транзистора, падение напряжения от которого на резисторе R1 создает отрицательное смещение на эмиттере Q1, равное I_DS×R1. Операционный усилитель U1B инвертирует это напряжение и буферизует его для вывода на осциллограф с масштабом 1 мА или 10 мА на вольт.

Рисунок 1.	Схема характериографа представляет собой простой трансимпедансный усилитель, преобразующий ток IDS проверяемого устройства в выходное напряжение.

Скриншот экрана осциллографа на Рисунке 2 демонстрирует передаточную характеристику n-канального полевого транзистора 2N5457. На нижней половине экрана видна стандартная развертка напряжения во времени, а на верхней – те же данные, представленные в виде графика XY. На верхней осциллограмме (канал 1) напряжение V_GS – это синусоидальный сигнал с выхода функционального генератора, изменяющийся между уровнями 0 и –2.5 В.

Рисунок 2.	Пример передаточной функции n-канального полевого транзистора 2N5457 на графике XY (в верхней части рисунка). График основан на зависимости от времени напряжения VGS (канал 1) и тока IDS (канал 2). Напряжение VDS здесь поддерживается на уровне 0 В.

Выходное напряжение схемы пропорционально току I_DS (канал 2, нижняя осциллограмма), величина которого изменяется от 0 до 3 мА. В этом случае напряжение V_DS устанавливается равным 15 В. График в координатах XY представляет передаточную кривую полевого транзистора, из которой можно определить ток I_DS и напряжение отсечки, составляющие 3 мА и –1.25 В, соответственно.

Осциллограммы на Рисунке 3 показывают выходную характеристику для того же полевого транзистора. Синусоидальное напряжение V_DS, получаемое от генератора функций (канал 1, верхняя осциллограмма), изменяется между уровнями 0 и 8 В. Ток I_DS полевого транзистора (канал 2, нижняя осциллограмма), меняется в диапазоне от 0 до 3 мА. При этом напряжение V_GS остается равным 0 В.

Рисунок 3.	Здесь показан график другой характеристики транзистора – выходной. Канал 1 осциллографа отображает напряжение VDS, а канал 2 – ток IDS. В этом случае напряжение VGS остается равным 0 В.

График XY на Рисунке 3 представляет одну из выходных характеристик полевого транзистора. Точка перегиба характеристики, где кривая из почти линейной превращается в почти плоскую, соответствует напряжению отсечки V_PO. Крутизна наклона «почти плоской» части кривой обратно пропорциональна выходному сопротивлению полевого транзистора.

Область слева от V_PO называют «омической» областью, где полевой транзистор может использоваться как переменный резистор. Область справа от V_PO соответствует режиму «насыщения» транзистора, в котором ток стока управляется напряжением V_GS. Сформировать семейство выходных характеристик можно, меняя V_GS от нуля до напряжения отсечки, которое для данного устройства равно –1.25 В.

Если вы испытываете только n-канальные полевые транзисторы, между входом V_DS и землей можно включить диод Шоттки, который защитит транзистор от неправильной полярности напряжения на затворе.

Материалы по теме