Необычный режим работы полевого транзистора. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Традиционная схемотехника линейных усилителей на полевых транзисторах с затвором в виде p-n-перехода (в дальнейшем для краткости называемом p-n-затвором) предусматривает в основном режим, когда рабочая точка находится в области обратного (закрывающего) смещения, т. е. при Uотс<Uзи<0. Вместе с тем, на сток-затворной характеристике транзистора этого класса есть область прямого смещения, при котором ток затвора еще не протекает. Несмотря на то что этот факт известен (cм. книгу П. Хоровица и У. Хил-ла "Искусство схемотехники", т. 1.- М.: Мир, 1986.), режим прямого смещения находит весьма ограниченное применение.

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.

На рис. 1 представлены обобщенные сток-затворная и входная характеристики полевого транзистора с p-n-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<Um. Более того, принципиально возможна работа усилителен на транзисторе с прямым начальным напряжением на затворе. Проведенные исследования полевых транзисторов различных типов показали, что их напряжение Um в основном зависит от типа и в значительно меньшей степени от конкретного экземпляра. Оно находится в пределах от 0,3 В для КП302ГМ до 0,55 В для КП303А.

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 схемотехнике 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 p-n-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 p-n-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 p-n-затвором значительно шире, чем с изолированным, они более доступны и имеют меньший разброс характеристик. По указанным причинам транзисторы с p-n-затвором следует считать более предпочтительными.

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<Um, поэтому дополнительное смещение не требуется. Проведенные испытания ступени на транзисторе КПЗОЗА при Io=1,1мА, Uпит=12B, Uвых=6 В и R2=5,1 кОм показали, что Кu=10.

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.

Рассмотренная выше возможность работы полевого транзистора с p-n-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 эмиттерный 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<Uи (или Uвх<Uвых) выполнялось во всем интервале входного напряжения Uвх=O...Uпит. Граничный случай - Uвх= Uвых= Uпит. однако выполнить это условие невозможно, так как из-за падения напряжения в канале транзистора всегда Uвых<Uпит. Следовательно, режим прямого смещения затвора принципиально неизбежен.

Фактически же реальные требования менее жестки, так как достаточно выполнения более простого условия: Uси<Um. Полный расчет истокового повторителя весьма громоздок, поэтому можно рекомендовать ориентировочный расчет по формуле: RиIo>Uпит (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).

Экспериментально снятые при Uпит=12B зависимости Uвых=f(Uвх) для транзисторов КПЗОЗА и КПЗОЗЕ 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.

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.

Автор: А. Межлумян, г. Москва; Публикация: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Токсичность интернета преувеличена 07.01.2026

Социальные сети нередко воспринимаются как арена постоянной агрессии, оскорблений и распространения фейковой информации. Новое исследование Стэнфордского университета показывает, что реальность значительно отличается от популярного представления: интернет гораздо менее токсичен, чем многие пользователи считают. Ученые опросили более тысячи американцев, попросив их оценить долю пользователей соцсетей, которые ведут себя агрессивно или распространяют ненависть. Оказалось, что впечатления людей сильно преувеличивают масштабы проблемы. Например, респонденты считали, что почти половина пользователей Reddit хотя бы раз оставляла оскорбительные комментарии, тогда как фактические данные платформы показывают, что таких людей не более 3%. Аналогичная ситуация наблюдается с дезинформацией. Опрос показал, что большинство участников считали почти половину аудитории Facebook распространителями фейковых новостей, однако статистика говорит об обратном: фактическая доля таких пользователей состав ...>>

Процессоры Ryzen AI 400 07.01.2026

Современные вычисления все больше ориентируются на интеграцию искусственного интеллекта и высокую производительность в компактных устройствах, таких как ноутбуки и мини-ПК. Новая линейка процессоров AMD Ryzen AI 400 демонстрирует, как разработчики объединяют мощные центральные ядра, графику и нейросетевые ускорители в одном чипе, чтобы удовлетворять растущие потребности пользователей в играх, контенте и ИИ-приложениях. AMD представила процессоры серии Gorgon Point, которые включают до 12 ядер Zen 5 и до 24 потоков вычислений. Чипы поддерживают интегрированную графику RDNA 3.5, обеспечивают максимальную тактовую частоту до 5,2 ГГц и имеют энергопотребление от 15 Вт до 54 Вт. Особое внимание уделено NPU, способному обрабатывать до 60 триллионов операций в секунду (TOPS), что делает эти процессоры эффективными для задач с искусственным интеллектом. Конструкция Ryzen AI 400 сочетает ядра Zen 5 и Zen 5c, обеспечивая высокую гибкость и производительность. Несмотря на то, что архитектур ...>>

Женщины лучше распознают признаки болезни по лицу 06.01.2026

Способность распознавать, что кто-то нездоров, часто проявляется интуитивно: бледная кожа, опущенные веки, уставшее выражение лица могут сигнализировать о недомогании. Новое исследование международной группы ученых показало, что женщины в среднем точнее мужчин улавливают такие тонкие невербальные признаки болезни, что может иметь эволюционные и социальные объяснения. В отличие от предыдущих работ, где использовались отредактированные фотографии или имитация больных лиц, ученые решили проверить, насколько люди способны распознавать естественные признаки недомогания. Такой подход позволил оценить реальную чувствительность к изменениям в лицах, возникающим при болезни. В исследовании приняли участие 280 студентов, поровну мужчин и женщин. Участникам предложили оценить 24 фотографии, на которых изображены люди как в здоровом состоянии, так и во время болезни. Это дало возможность сравнить восприятие естественных признаков недомогания в реальных лицах. Для анализа состояния каждого ...>>

Случайная новость из Архива Новое состояние света 29.05.2016 Свет помимо распространения в определенном направлении способен еще и вращаться вокруг него, что характеризуется параметром, названным полным угловым моментом. Как и другие квантовые характеристики, угловой момент дискретен и принимает только определенные допустимые значения. До сих пор считалось, что его величина в соответствии с квантовой теорией должна быть кратна постоянной Планка h - фундаментальной физической константе, которая определяет масштаб квантовых эффектов. Напомним, что, например, энергия фотона равна произведению этой константы на частоту. Соответственно, и минимально возможное изменение углового момента пропорционально h. Физики из Тринити колледжа (Дублин, Ирландия) экспериментально обнаружили, что при двумерном распространении света в специально сконструированной установке его полный угловой момент может быть кратен h/2, то есть в два раза меньшей величине. Это открытие важно как для понимания природы и поведения света, так и для его практического использования. Ведь кратность углового момента величине h делает поведение фотонов аналогичным поведению частиц с целым спином (бозонов), а пропорциональность h/2 сообщает фотонам "фермионные" свойства (напомним, что фермионы обладают полуцелым спином). Результаты исследования опубликованы в интернет-журнале Science Advances. Для понимания сути явления можно привести аналогию с телом, вращающимся вокруг своей оси. Предшествующие взгляды соответствовали тому, что скорость вращения тела могла изменяться порциями с величиной, пропорциональной h, а ирландские физики обнаружили, что шаг изменения может быть в два раза меньше. То, что названо "вращением света" вокруг направления распространения, процесс более сложный, чем вращение тела вокруг оси. Здесь можно выделить две составляющие. Первая - поворот вектора электрического поля световой волны по мере ее распространения в пространстве, называемый круговой поляризацией света и определяющий спин фотона. Вторая - закручивание фронта световой волны, характеризуемое орбитальным угловым моментом. Полный угловой момент фотона представляет собой сумму спинового и орбитального вкладов. В обычном трехмерном случае все эти величины будут пропорциональны h, или, другими словами, соответствующие квантовые числа будут целыми. Если же создать двумерную систему для распространения света, то квантовое число для углового момента может стать полуцелым, что исследователи и наблюдали в данном эксперименте.

Другие интересные новости:

▪ Монитор Samsung Odyssey 3D с объемным изображением без очков

▪ Медный магнетизм для памяти атомарного уровня

▪ Наручные электронные гаджеты почти бесполезны

▪ Искусственное зрение

▪ Марсианское затопление

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Веселые задачки. Подборка статей

▪ статья Бороду я вижу, а философа не вижу. Крылатое выражение

▪ статья Какое направление мысленной числовой линии является врожденным? Подробный ответ

▪ статья Коровий горох. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Сопряжение цифрового мультиметра с компьютером. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Узла не стало. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026