Необычный режим работы полевого транзистора

А. Межлумян
Радио 1991

Традиционная схемотехника линейных усилителей на полевых транзисторах с затвором в виде р-п-перехода (в дальнейшем для краткости называемом р-п-затвором) предусматривает в основном режим, когда рабочая точка находится в области обратного (закрывающего) смещения, т. е. при Uотс

Проведенные автором исследования показали, что использование режима, в котором рабочая точка может находиться в зоне открывающего смещения, позволяет существенно упростить схемы узлов на полевых транзисторах. Применение таких схем рационально в тех случаях, когда требование минимальности числа элементов оправдывает необходимость подборки некоторых из них, т. е. в радиолюбительской практике и при разработке особо миниатюрных конструкций.

Сток-завтворная характеристика, входная характеристика

На рис. 1 представлены обобщенные сток-затворная и входная характеристики полевого транзистора с р-п-затвором. На этих вольт-амперных характеристиках - Iс=f(Uвх) и Iз=f(Uвх) - можно выделить три характерных зоны: 1 - закрывающего смещения Uзи, 2 - открывающего смещения, при котором ток затвора практически отсутствует, и 3 - открывающего смещения, обусловливающего существенный ток затвора.

Четкой границы между зонами 2 и 3 нет, поэтому для определенности примем в качестве условной границы между ними ординату, соответствующую току затвора 1 мкА - при таком токе сопротивление затвора еще весьма велико, и это значение может быть сравнительно просто измерено. Обозначим также символом Im ток стока на этой границе и прямое напряжение на затворе Um. При напряжении Uзи, большем граничного, ток затвора начинает резко увеличиваться и полевой транзистор теряет свое основное достоинство - высокое входное сопротивление. Поэтому работу в зоне 3 не рассматриваем.

Из изложенного ясно, что нет необходимости полностью исключать работу полевого транзистора в зоне прямого смещения, вполне достаточно, чтобы рабочая точка не переходила в зону 3, т. е. было выполнено условие Uзи

Несмотря на то, что расширение рабочего интервала напряжения Uзи из-за добавления зоны прямого смещения по абсолютной величине невелико, оно имеет очень важное значение, поскольку позволяет несколько иначе подойти к схемо-технике полевых транзисторов.

Как видно из рис. 1, сток-затворная характеристика переходит в зону 2 плавно, без излома. Суть физических процессов в транзисторе заключается в том, что при подаче на затвор прямого напряжения смещения происходит расширение канала и проводимость его увеличивается, транзистор начинает работать в режиме обогащения. Легко заметить, что с учетом зоны прямого смещения транзистор с р-п-затвором становится аналогичным по характеристикам транзистору с изолированным затвором и встроенным каналом, который способен работать при прямом и обратном смещении на затворе.

Отличие носит лишь количественный характер - у первого из них рабочая область зоны прямого смещения короче, так как ограничивается значением Um. Поэтому полевой транзистор с р-п-затвором можно применять в режимах, которые считались возможными только для транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом.

Наличие у транзисторов с изолированным затвором серьезных недостатков - значительного разброса характеристик, малой стойкости к действию статического электричества и ряда других - резко ограничивает область практического применения этих приборов даже при допустимости их индивидуальной подборки. Номенклатура выпускаемых в настоящее время транзисторов с р-п-затвором значительно шире, чем с изолированным, они более доступны и имеют меньший разброс характеристик. По указанным причинам транзисторы с р-п-затвором следует считать более предпочтительными.

Puc.2

Рассмотрим некоторые варианты применения этих транзисторов с использованием режима прямого смещения на затворе. На рис. 2, а изображена схема линейного усилителя. Применение режима работы без начального смещения позволило исключить резистор автоматического смещения и блокировочный конденсатор в цепи истока транзистора VT1. Расчет ступени по постоянному току упрощается и сводится к определению сопротивления нагрузочного резистора R2 по формуле:

R2=(Uпит-Uвых о)/Io

где Uвых о - напряжение на выходе при отсутствии входного сигнала, a Iо - начальный ток транзистора.

При выборе Uвых o= 0,5 Uпит формула (1) упрощается и принимает вид: R2=Uпит/2Iо.

При разработке усилителей по этой схеме следует учитывать, что для транзисторов с начальным током стока в несколько десятков миллиампер возможно превышение их допустимой мощности.

Если необходимо уменьшить коэффициент усиления, в цепь истока включают резистор R3. Следует подчеркнуть, что в этом случае блокировочный конденсатор включать нельзя. Режим по переменному току рассчитывают по известным формулам; коэффициент усиления находят из выражения Кu= S • R2, где S - крутизна характеристики транзистора. Очевидно, что при Кu>10 в большинстве случаев усиление выходного сигнала по амплитуде до Uпит происходит при Uвх

При необходимости увеличить допустимую амплитуду положительных значении напряжения на входе свыше Um в цепь истока требуется вместо резистора R3 включить диод (катодом к общему проводу). Напряжение прямого смещения для кремниевых диодов может находиться в пределах 0,4...0,8 В (в большинстве случаев 0,5...0,7 В) в зависимости от типа диода и тока истока транзистора. Для германиевых диодов аналогичные значения равны 0,2...0,6 В (0,3...0,5 В). При включении диода ток стока из-за закрывающего смещения уменьшается, поэтому для обеспечения прежнего режима по постоянному току необходимо увеличить сопротивление резистора R2. Это, в свою очередь, приводит к увеличению К„, так как крутизна уменьшается незначительно. Поскольку динамическое сопротивление диода мало, шунтиро-вание его конденсатором малоэффективно. Введение диода вызывает небольшое - не более чем на 10 % - уменьшение усиления.

Режим такой ступени по постоянному току рассчитывают по формуле (1), в которую вместо Io подставляют Ioд - ток стока при включенном в цепь истока диоде. Уменьшить при необходимости Кu можно включением последовательно с диодом резистора обратной связи.

Несмотря на наличие дополнительного диода, реализация такой схемы в ряде случаев является оправданной и по той причине, что приводит к уменьшению потребления тока и увеличению коэффициента усиления. Эти свойства особенно ценны для устройств с автономным питанием.

Как видно из изложенного, по работе ступень с диодом близка к классической с резистором смещения. Основное преимущество - отсутствие блокировочного конденсатора, что приводит также к расширению снизу рабочей частотной полосы вплоть до постоянного тока. Кроме того, упрощается расчет и налаживание устройств.

При работе этой ступени с трансформатором, катушкой связи, воспроизводящей головкой магнитофона и другими подобными источниками сигнала резистор R1 утечки не требуется и схема принимает предельно простой вид, показанный на рис. 2, б.

схема принимает предельно простой вид

Рассмотренная выше возможность работы полевого транзистора с р-п-затвором при прямом смещении может быть эффективно применена и для построения другого важного класса устройств - истоковых повторителей. На рис. 3, а представлена традиционная схема истокового повторителя на транзисторе VT2. Основной недостаток этого узла - сравнительно узкие пределы выходного напряжения. От этого недостатка свободен традиционный эмит-терный повторитель (VT2, рис.3, б); кроме того, в нем меньше деталей. Но у эмиттерного повторителя сравнительно низкое входное сопротивление: Rвх=h21эRэ (h21э - статический коэффициент передачи тока транзистора; Rэ - сопротивление резистора в цепи эмиттера).

Все отмеченные противоречия полностью устраняются при прямом включении истокового повторителя, как показано на рис. 3, в. Здесь удачно сочетаются достоинства истокового и эмиттерного повторителей. Практического применения эта схема не находила, видимо, потому, что невозможно избежать прямого напряжения смещения на затворе. Но этого и не требуется, достаточно исключить работу транзистора в области прямого тока затвора (в зоне 3 на рис. 1). Эта задача решается довольно просто, что и позволяет применять такую схему на практике.

Передаточная характеристика истокового повторителя определяется общим выражением: Uвых=Uo+UвxKп, (2) где Uo - начальное выходное напряжение при Uвх=0; Kп - коэффициент передачи истокового повторителя.

Для работы повторителя в области закрывающего смещения на затворе необходимо, чтобы условие Uз

Фактически же реальные требования менее жестки, так как достаточно выполнения более простого условия: UсиUпит (Rи -сопротивление резистора в цепи истока). Учитывая ориентировочный характер расчета по этой формуле, отсутствие тока затвора при Uз=Uпит, следует проверить при макетировании узла микроамперметром с током полного отклонения стрелки не более 100 мкА. Выходное напряжение такого истокового повторителя находится в пределах Uo...(Uпит-Uси).

Puc.4

Экспериментально снятые при Uпит=12 B зависимости Uвых=f(Uвх) для транзисторов КПЗ0ЗА и КПЗ0ЗЕ при разных значениях сопротивления Rи показаны на рис. 4. Как видно из графиков, возможно обеспечить линейность передаточной характеристики в пределах от Uвыхо (при Uвх=0) до (Uпит- -1) В. Для расширения этого участка следует, в первую очередь, уменьшить Uo, для чего нужно применять транзисторы с минимальным значением Uотc, а затем подобрать оптимальное сопротивление резистора Rи (R2-на схеме рис. 3, в). Звездочкой на графиках отмечены точки, где ток Iз достигает значения 1 мкА.

В качестве примера практического применения описанного режима линейного усиления на рис. 5 изображена схема двуканального смесителя сигналов 3Ч; вообще же число каналов ничем не лимитировано и может быть любым. Сопротивление резистора R3 определяют по формуле (1), в которую вместо Io подставляют Iод n, где n - число каналов.

Puc.5

В устройстве желательно применять транзисторы с близкими значениями Uотс и Io (или Iод), однако вполне допустим разброс этих параметров до 50...100 %, так как разницу усиления по каналам легко компенсировать входными регуляторами R1, R5. Следует обязательно проверить, чтобы ни один из каналов не входил в режим амплитудного ограничения в рабочем интервале входного напряжения. При использовании кремниевого диода допустимая амплитуда положительной полуволны на затворе каждого полевого транзистора - не менее 1 В.

При работе одного канала при напряжении питания Uпит=9 В, выходном напряжении Uвых=0,1 В (действующее значение), частоте сигнала fс=0,1 кГц коэффициент усиления смесителя примерно равен 3, а по уровню нелинейных искажений он не уступает построенному по классической схемотехнике.

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

ADAR3000/3001 16-канальный формирователь диаграммы направленности для К/Ка диапазона частот от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Спасибо автору. Мои статьи, уваэаемый коллега, см. http://gen-fed.narod2.ru.
  • Что-то с 91го года, развития этой темы так и не последовало ... . :)
  • Очень хороший материал. Наткнулся при поиске нетрадиционных схем истоковых повторителей. Ну а почему тема не развивается можно угадать – его величество ОУ за последние 30 лет существенно подешевели и улучшили почти все свои характеристики. Хотя многие мои знакомые «старой школы» стараются избегать схем на ОУ, практикуя более предсказуемый дискретный подход (видимо до сих пор считая лучшим представителем УД20, возможно обоснованно).