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:

Глазные капли, возвращающие молодость зрению 05.10.2025

С возрастом человеческий глаз постепенно теряет способность четко видеть на близком расстоянии - развивается пресбиопия, или возрастная дальнозоркость. Этот естественный процесс связан с утратой эластичности хрусталика и ослаблением цилиарной мышцы, отвечающей за фокусировку. Миллионы людей по всему миру сталкиваются с необходимостью носить очки для чтения или прибегают к хирургическим методам коррекции. Однако исследователи из Центра передовых исследований пресбиопии в Буэнос-Айресе представили решение, которое может стать удобной и неинвазивной альтернативой - специальные глазные капли, способные улучшать зрение на длительный срок. Разработку возглавила Джованна Беноцци, директор Центра. По ее словам, цель исследования состояла в том, чтобы предоставить пациентам с пресбиопией эффективный и безопасный способ коррекции зрения без хирургического вмешательства. Новые капли, созданные на основе пилокарпина и диклофенака, показали убедительные результаты: уже через час после первого пр ...>>

Цифровая рация Xiaomi Digital Walkie Talkie 05.10.2025

Компания Xiaomi представила современное устройство, объединившее классические принципы радиосвязи с возможностями цифровых технологий. Новинка под названием Xiaomi Digital Walkie Talkie демонстрирует, как привычные рации могут быть переосмыслены в духе времени. Устройство оснащено цветным дисплеем диагональю 1,57 дюйма, который отображает список контактов, параметры соединения и даже примерное местоположение собеседника. Такой подход превращает стандартную рацию в компактное средство связи, сочетающее функциональность смартфона и устойчивость профессиональной техники. Одним из ключевых преимуществ стала высокая автономность. Встроенный аккумулятор емкостью 2500 мА·ч обеспечивает до 100 часов работы в режиме ожидания и около 14 часов непрерывных разговоров, что особенно важно в экспедициях, на дальних маршрутах или в зонах, где подзарядка невозможна. Согласно данным портала unionrayo.com, такое время работы выгодно отличает устройство от большинства аналогов. По дальности дейст ...>>

Открыт обращаемый драйвер старения 04.10.2025

Недавняя работа ученых из Сямэньского университета в Китае показала, что в гипоталамусе, главном регуляторе внутренних функций организма, кроется один из ключей к продлению молодости. Команда под руководством Лиге Ленга обнаружила, что снижение уровня белка менина в гипоталамусе связано с ускорением процессов старения. Менин, как выяснилось, играет важную роль в предотвращении воспаления и поддержании нормальной работы нейронов. Когда его уровень снижается, в мозге возрастает активность воспалительных сигналов, что запускает цепную реакцию возрастных изменений во всем организме - от ослабления когнитивных функций до потери плотности костей и истончения кожи. Чтобы понять, как именно менин влияет на старение, ученые вывели генномодифицированных мышей, у которых этот белок можно было выборочно отключить. Даже у молодых животных такое вмешательство быстро привело к ухудшению памяти, снижению прочности костей и эластичности кожи, а также к укорочению жизни. Эти результаты убедительно ...>>

Случайная новость из Архива Электрический мотоцикл для спецназа 25.06.2013 Компания Zero Motorcycles представила особо прочный и надежный электромотоцикл предназначенный для спецназа. Новый электрический транспорт, мотоцикл Zero MMX, разработан по заказу американских сил специальных операций и отличается от аналогов способностью работать в самых суровых условиях. Мотоциклы использовались в армии США и ранее, например это штатная единица разведывательного варианта боевой машины пехоты Брэдли M3. С помощью мотоцикла разведчик может быстро передвигаться по пересеченной местности, мотоцикл легко транспортировать на вертолете, легко прятать и т.д. Однако мотоциклы имеют и недостатки, которые на поле боя чреваты крупными неприятностями для ездока: сильный шум и недостаточная надежность, особенно в сложных погодных условиях. Полностью электрический мотоцикл Zero MMX лишен этих недостатков: он может передвигаться практически бесшумно, выделяет очень мало тепла, а силовая установка работает, даже если мотоцикл полностью погружен под воду. Литий-ионные аккумуляторные батареи Zero MMX являются модульными, то есть в зависимости от требований можно использовать одну ячейку емкостью около 2,8 кВт*ч или две общей емкостью более 5,6 кВт*ч. В последнем случае можно ехать на одной подзарядке в течение 2 часов. Возможна быстрая зарядка, за 1 час, через специальный разъем CHAdeMO. Мотоцикл оснащен двигателем с крутящим моментом 92 Нм и может развить максимальную скорость 137 км/ч, что позволяет ему быстро оторваться от любой другой военной техники, скорость которой по пересеченной местности редко превышает 40-60 км/ч. Электрический транспорт все больше интересует военных, которые в последние годы все больше ориентируются на молниеносные спецоперации, в ходе которых небольшие группы коммандос наводят авиацию на важные цели противника или самостоятельно разрушают инфраструктуру. Обычно такие группы не действуют продолжительное время - в среднем 1-2 суток, а потом их подбирают вертолеты. Для таких групп могли бы пригодиться прочные легкие мотоциклы с запасом батарей. В отличие от квадроциклов и багги, мотоциклы можно перевозить даже на легких вертолетах.

Другие интересные новости:

▪ Водородные генераторы Rolls-Royce

▪ Инсулиновый пластырь

▪ Беспроводные наушники Blue Satellite

▪ Рекорд скорости вакуумного поезда

▪ Космический аппарат полетит на Солнце

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Аудио и видеонаблюдение. Подборка статей

▪ статья Макс Штирнер. Знаменитые афоризмы

▪ статья Какую традицию нарушили при оформлении сувениров для свадьбы принца Уильяма и Кейт Миддлтон? Подробный ответ

▪ статья Оказание первой медицинской помощи при отравлении. Медицинская помощь

▪ статья Модуль имитатора большого барабана для электронной ударной установки. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Усилитель ПЧ на основе ПБС. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025