О расчете ступенейета ступеней на полевом транзисторе. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

расчете ступенейет различных ступеней на полевом транзисторе будет заметно проще, если использовать линейную аппроксимацию его характеристики, предложенную автором этой статьи. Если напряжение отсечки и начальный ток стока конкретного экземпляра транзистора известны, то такой расчете ступенейет дает неплохое совпадение с практикой.

Известно, что почти все литературные источники описывают расчете ступенейет усилительных ступеней с полевым транзистором только в режиме малого сигнала переменного тока. Непросто найти даже рекомендации по выбору начального режима транзистора. Между тем для большинства практических случаев нужнее расчете ступенейет ступени на постоянном токе.

Предлагаемая в статье методика позволяет провести расчете ступенейет наиболее часто встречающихся на практике узлов - усилителей постоянного тока, стабилизаторов тока и т. д. При этом расчете ступенейет по переменному току в режиме малого сигнала для низко- и средне-частотных сигналов будет лишь частным случаем более общего расчете ступенейета по постоянному току.

Для определенности ограничимся рассмотрением n-канальных транзисторов со встроенным каналом; для р-канальных нужно только изменить полярность напряжения.

Принято переходные характеристики lc=f(Uзи) транзистора аппроксимировать квадратичной функцией. Это в значительной степени справедливо для транзисторов с одиночным каналом, но их давно уже не выпускают. В настоящее время даже маломощные полевые транзисторы представляют собой сборку из нескольких включенных параллельно каналов-ячеек, а мощные содержат их до нескольких сотен, иногда и тысяч.

В силу этого и некоторых других факторов реальная переходная характеристика таких транзисторов лежит между линейной и квадратичной функциями. Аппроксимация реальной характеристики квадратичной функцией способна привести лишь к усложнению расчете ступенейетов, не оправданному соответствующим повышением точности. Целесообразнее для расчете ступенейетов использовать линейную аппроксимацию.

На переходной характеристике транзистора есть две характерные точки - начальный ток стока Iсо транзистора, определяемый при Uзи = 0.

и так называемое напряжение отсечки Uotc (рис. 1,а). И если с первом все ясно, то со второй вопрос сложнее.

Дело в том, что переходная характеристика асимптотически стремится к оси Uзи, из-за чего указать определенно напряжение, при котором ток стока будет равен 0 (т. е. истинное напряжение отсечки), невозможно. Поэтому и было принято условное значение U - напряжение, при котором ток стока равен 10 мкА, т, е. легко измеряемому значению.

Однако именно вблизи этой точки характеристика имеет особенно резкий изгиб, что и дает наибольшую составляющую погрешности при линейной аппроксимации. Правильнее было бы определять вторую точку в начале участка изгиба, например, по критерию уменьшения дифференциального значения крутизны или по определенному значению тока стока. К сожалению, отсутствие надежной статистики по переходным характеристикам современных полевых транзисторов не позволяет четко решить этот вопрос.

Поэтому приходится принять линейную аппроксимацию по двум стандартным точкам - lсo и Uotc. Сопутствующая ей погрешность в большинстве случаев не превышает 15%, что вполне достаточно для практики. На рис. 1, а жирной прямой показана линейная аппроксимация реальной характеристики транзистора.

На рис. 2 в качестве примера изображена схема истокового повторителя. При Uвх = 0 (если замкнуть вход повторителя на общий провод) рабочая точка А находится на пересечении переходной характеристики и нагрузочной прямой Rи (рис. 1). Реальная рабочая точка находится на пересечении действительной переходной характеристики и нагрузочной прямой - это точка Б. Рисунок иллюстрирует характер погрешности из-за линейной аппроксимации.

Начальное положение рабочей точки А по току Iнач, определяет выражение: Iнач = Iсо/(S·Rи+1). а по напряжению его можно выразить, как Uнач·Rи = lco·Rи Rn/(S · Rи+1). где S=lco/Uоtc - усредненная крутизна характеристики, a Rи - сопротивление резистора Rи (рис. 2).

При соединении затвора с общим проводом повторитель становится токостабилизирующим двуполюсником (стабилизатором тока). По первой формуле можно вычислить ток стабилизации.

Минимальное напряжение, при котором устройство входит в режим стабилизации тока, равно . Падение напряжения на канале транзистора UCи определяют либо по семейству выходных характеристик, либо экспериментально. Если Rи = 0. ток стабилизации максимален и равен Iсo, выходное сопротивление минимально и практически равно выходному сопротивлению транзистора.

С подачей на вход истокового повторителя постоянного (например, плюсового) напряжения Uвх, рабочая точка смещается в положение А, и ее новая координата по току I, соответствует выражению: Iт = Iнач + ΔI =(Iсо+Uвх·S)/(S·Rи+1). Значение закрывающего транзистор напряжения определится при It=0 - оно равно Uotc.

По напряжению новое положение рабочей точки можно выразить соотношением: Ut=lt · Rи=Rи(lco+ Uвх. · S)/(S · Rи+1).

Пределы входного напряжения в области плюсовых значений в общем виде описывает формула: Uвх=[Imax(S·Rи+1)-lco]/S, где Imax - максимальный ток транзистора. Максимальное значение тока Imax. ограничивают несколько факторов. Так. для транзисторов с затвором в виде р-n перехода оно не должно превышать Iс0, иначе затвор перейдет в режим прямого смещения и входное сопротивление транзистора резко уменьшится. С учетом этого последняя формула упрощается: Uвх=lCо·Rи.

Граница рабочего интервала со стороны минусового напряжения не зависит от начального режима работы транзистора и всегда начинается с Uotc. Из сказанного следует, что для расширения рабочего интервала следует выбирать транзистор с большим значением Uоtс.

Для транзистора с изолированным затвором значение ограничивается только предельно допустимым для прибора током или допустимой мощностью рассеивания. В любом случае 1max. не может превышать Uпит/Rи. При проведении расчете ступенейетов для конкретной ступени находят значение I определяемое каждым из рассмотренных выше факторов, выбирают наименьшее, и именно его подставляют в формулы.

Преобразуя выражение для Ut, получим Ut = Ico· Rи/(S · Rи+1 )+Uвх · S · Rи/ (S·Rи+1). Эта формула явно показывает, что характеристика Uвых = f(Uвх,) для потокового повторителя линейна.

Крутизна преобразования Kns исто-кового повторителя равна: Кns = ΔImax/ ΔUвх = S/(S·Rи + 1). Соответственно коэффициент передачи по напряжению Knu = Knl·Rи = S·Rи/(S·Rи+1).

На рис. 1,б показана характеристика Iс = f(Uвх) истокового повторителя. Передаточная характеристика Uвых = f(Uвх) имеет аналогичный вид. поскольку Uвых = Ic·Ки.

На рис. 3 изображена схема типичной усилительной ступени, в которой транзистор собран по схеме с общим истоком и резистором Rи автоматического смещения.

ачальный режим транзистора определен сопротивлением этого резистора. При задании режима транзистора по току (в отсутствие входного сигнала) сопротивление резистора можно определить по формуле:

Rи = (Iсo"Iнач)/Iнач ·S.

Обычно рабочую точку выбирают на середине характеристики, т. е. Iнач =Iсо/2 и Uнач = Uotc/2, и эта формула упрощается: Rи = I/S = Uotc/Ico.

Если начальное положение рабочей точки на характеристике должно быть несимметричным (например, в случае несимметричного входного сигнала), сопротивление резистора Rи при заданном значении Uнач, начального смещения определяют по формуле: Rи = Uнач/(lco-Uнач·S). Напряжение на стоке транзистора будет равно Uc=Uпит - Iнач ·Rc.

При симметричном сигнале сопротивление резистора Rc, обеспечивающее максимальный размах выходного напряжения при отсутствии искажений, находят по формуле: Rc=(Uпит - Uнач)/2I. Если же рабочую точку выбирают в середине передаточной характеристики транзистора, то Rc=(Uпит - 0.5Uotc)lco.

Резистор Rи является элементом отрицательной ОС. уменьшающей коэффициент передачи ступени. Для устранения действия ОС по переменному напряжению обычно включают блокировочный конденсатор Сбл показанный на рис. 3 штриховыми линиями. С этим конденсатором амплитуда отрицательных полуволн входного сигнала не должна превышать значения, равного напряжению отсечки транзистора.

Устранить действие ОС по переменному напряжению можно и другим путем - включением в цепь истока транзистора вместо резистора элемента, напряжение на котором мало зависит от протекающего через него тока, например, диода в прямом включении, стабистора и т. п. Однако такое схемотехническое решение возможно лишь в том случае, когда напряжение на этом элементе будет равно Uнач. Если же напряжение на элементе будет несколько меньше, то последовательно с ним включают добавочный резистор небольшого сопротивления.

Коэффициент передачи Knu ступени, собранной по схеме с общим истоком, определен известным выражением: Knu=S·Rc. При наличии резистора в цепи истока Кnu уменьшается: Кnu=S·Rc/ (S · Rи+1 )=lco · Rc/(lco · Rи+Uotc).

Сигнал на стоке транзистора VT1 (выход 1) находится в противофазе со входным, а сигнал на истоке (выход 2) - в фазе, что позволяет применять эту ступень в качестве фазорасщепителя. Обычно от фазорасщепителей требуется, чтобы значения амплитуды сигналов по обоим выходам были равными: Uвых1 = Uвых2 или lc·Rc=lи·Rи. Поскольку lc=lи условие равенства амплитуд выглядит так: Rc = Rи. При этом будут равны и значения коэффициента передачи по обоим выходам. Коэффициент передачи, сопротивление резисторов Rc и Rи. а также другие необходимые параметры могут быть рассчитаны по представленным выше формулам.

Рассмотрим, например, условия, при которых ступень по схеме на рис. 3 превращается по выходу 1 в линейный инвертор с Кnu = 1. Приравняв единице Кnu в последней формуле, получим

Rc - Rи = 1/S = Uоtc/Ico.

Такая ступень по аналогии с подобной на биполярном транзисторе может быть названа стоковым повторителем.

Автор: А.Межлумян, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Бактерии как источник энергии 01.08.2025 Идея использовать живые организмы для выработки энергии уже давно занимает умы ученых, однако лишь в последние годы технологии приблизились к практической реализации таких решений. Одним из самых перспективных направлений в этой области являются биобатареи, способные производить электричество благодаря жизнедеятельности бактерий. Новое исследование, проведенное в Университете Бингемтона, представляет собой значительный шаг вперед в развитии подобных энергетических систем. В центре работы - инновационный подход к созданию компонентов биобатарей с помощью лазерного послойного спекания (LPBF), метода 3D-печати, примененного для обработки нержавеющей стали. Именно этот метод позволил создать аноды с увеличенной площадью поверхности, что благоприятствует росту бактериальных колоний и повышает эффективность генерации тока. Исследование объединило опыт профессора Сокхена "Шона" Чоя, который более десяти лет занимается биобатареями, и экспертизу профессора Дехао Лю в области 3D-печати металлов. Уникальность метода заключается не только в точности и масштабируемости печати анодов, но и в возможности быстрой сборки батарей из модулей, как из деталей конструктора. Благодаря такой архитектуре, разработка может быть адаптирована под различные задачи - от питания миниатюрной электроники до использования в сложных системах автономного энергоснабжения. Экспериментальная установка, собранная командой, включала шесть миниатюрных биобатарей, суммарно выдававших почти 1 милливатт мощности. Этого оказалось достаточно для питания небольшого жидкокристаллического дисплея. Такие показатели делают возможным применение биобатарей в устройствах с низким энергопотреблением, особенно в условиях, где традиционные источники энергии ограничены или нежелательны. Примечательно, что нержавеющие стальные аноды продемонстрировали высокую долговечность. Даже после очистки от бактерий и повторного использования они сохраняли свои электрические характеристики, что говорит о потенциале многократного применения таких батарей без потери эффективности. Это особенно важно в контексте экологичности и экономической целесообразности подобных систем. Проект стал логическим продолжением докторской диссертации одного из участников команды - Анвара Эльхадада. В ближайших планах исследователей - создание интегрированной технологии, которая позволит печатать не только аноды, но и другие компоненты батареи в рамках единого производственного цикла. Кроме того, планируется разработать систему управления зарядом, аналогичную тем, что применяются в солнечных панелях. Разработка ученых из Университета Бингемтона демонстрирует, как симбиоз биотехнологий и передовых инженерных решений может привести к появлению эффективных и устойчивых источников энергии будущего. Хотя пока речь идет о лабораторных образцах, потенциал таких биобатарей открывает широкие горизонты для их практического применения в самых разных сферах - от медицинских имплантов до экологичных датчиков в труднодоступных зонах.

Другие интересные новости:

▪ Взрывчатка повысит безопасность электрокаров

▪ Профессиональные графические планшеты Wacom

▪ Трансиверы RS-485/RS-422 MAX33072E/MAX33073E от Maxim

▪ Смартфон Ekoore Ocean X Pro

▪ Умный гранатомет XM25

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта И тут появился изобретатель (ТРИЗ). Подборка статей

▪ статья Владелец заводов, газет, пароходов. Крылатое выражение

▪ статья Почему архипелаг Огненная Земля так называется? Подробный ответ

▪ статья Выполнение копировальных офсетных процессов. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Последовательное соединение элементов цепи. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Выбор балластного конденсатора. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025