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:

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 Гель для контрацепции мужчин 09.07.2012 Нанесение на кожу экспериментального контрацептивного геля, содержащего комбинацию двух половых гормонов (тестостерона и прогестина), снижает количество сперматозоидов в эякуляте 89% мужчин до очень низких значений. В мужском организме прогестины (синтетические аналоги женского полового гормона прогестерона) усиливают контрацептивное действие тестостерона. В комбинации эти два гормона подавляют продукцию других гормонов, регулирующих формирование сперматозоидов. Более ранние версии методов мужской гормональной контрацепции на основе этой гормональной комбинации подразумевали применение таблеток, имплантатов или инъекций, содержащих прогестин. Новый противозачаточный препарат, разработанный исследователями Лос-Анджелесского института биомедицинских исследований, представляет собой гель для нанесения на кожу, содержащий мужской половой гормон тестостерон и недавно разработанный прогестин, получивший название несторон. Помимо удобства применения геля, его серьезное достоинство заключается в том, что несторон не имеет андрогенногой (присущей мужским половым гормонам) активности, которая может оказывать побочные эффекты, такие как появление угрей или изменения уровней хорошего и плохого холестерина в крови. В рамках первичного клинического исследования ученые случайным образом разделили 99 здоровых мужчин на 3 группы, каждая из которых ежедневно в течение 6 месяцев пользовалась одним из 3 неидентифицированных гелей. Тестируемые препараты представляли собой гель, содержащий 10 мг тестостерона, либо такой же гель в комбинации с гелем, содержащим 8 или 12 мг нестостерона. 56 мужчин придерживались протокола исследования в течение, по крайней мере, 20 недель. При этом только у 23% участников, пользовавшихся тестостероновым гелем, концентрация сперматозоидов снижалась до 1 миллиона на миллилитр - уровня, считающегося снижающим вероятность зачатия практически до нуля. Применение комбинированного геля обеспечивало аналогичный результат у 88-89% мужчин, в зависимости от дозы прогестина. При этом полное отсутствие сперматозоидов наблюдалось у 78% и 69% участников, применявших гели, содержащие 8 и 12 мг прогестина, соответственно. Для группы контроля, применявшей только тестостероновый гель, этот показатель составил лишь 23%. Отсутствие нежелательных побочных реакций при применении экспериментального геля указывает на целесообразность его дальнейшего тестирования в клинических исследованиях.

Другие интересные новости:

▪ Видеокарта MSI Radeon R9 290X Lightning

▪ Термоядерный синтез с намагниченной мишенью

▪ Новые программируемые многоканальные 16-/14-битные АЦП

▪ Снег земной и марсианский

▪ Капсула SpaceX впервые использована повторно

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Заземление и зануление. Подборка статей

▪ статья Огюст Ренуар. Знаменитые афоризмы

▪ статья Какие обстоятельства победы на Олимпиаде закрепились в австралийской идиоме? Подробный ответ

▪ статья Электромонтажник судовой. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Расчет транзисторных усилителей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Тракт АМ ЧМ на микросхеме СХА1238. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025