69023

Підсилювальні властивості польового транзистора

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Відповідні схеми наведено на рис. а б в Рис. Робота ПТ в режимі підсилення На схемах рис.1 напруга Езм що подається на затвор є напругою зміщення яка необхідна для вибору положення робочої точки на статичних характеристиках рис.

Украинкский

2014-09-28

394 KB

1 чел.

13. Підсилювальні властивості польового транзистора

13.1.Схема підключення ПТ

Польові транзистори аналогічно біполярним в каскадах електричної апаратури можуть бути підключені в залежності від того, який електрод  є  спільним  для вхідного та вихідного контуру за трьома варіантами – зі  спільним витоком  (СВ), зі спільним стоком (СС)  та спільним затвором (СЗ). Відповідні схеми наведено на рис.13.1.

            

а                                              б                                              в

Рис.13.1. Схема підключення польових транзисторів з p-n переходом

та  n- каналом:

   а)- зі СВ;  б)- зі СС;   в)- зі СЗ 

13.2. Робота ПТ в режимі підсилення

На схемах рис.13.1 напруга Езм , що подається на затвор є напругою зміщення,  яка необхідна для вибору положення робочої точки на статичних характеристиках (рис.13.2)

          

                                                             

Рис.13.2. Статичні характеристики ПТ :

а- передаточна; б-вихідна

Для забезпечення напруги зміщення може бути застосована подільник напруги  Ес .  В цьому випадку відпадає потреба в застосуванні джерела живлен-    ня Езм  (рис. 13.3 ).

Рис.13.3. Схема підсилювача на ПТ із СВ з індукованим n- каналом

В цій схемі подільник напруги утворюється резисторами R1 та R2 . Струм від джерела  Ес  проходе через резистори R1 та R2. Падіння напруги на резисторі R2  і є напругою зміщення Uзм .

Для її знаходження застосуємо такі формули

Iд =              Uзм = UR2 = ,

де  Iд – струм дільника.

Зміщення на затвор  транзистора можна забезпечити і без резистора  R1 .  В цьому випадку застосовується  падіння напруги на резисторі  R3  від струму Іс 

Uзм = Іс R3        Iд =               Uзм =

Змінна напруга, яку треба підсилити подається на затвор транзистора. Під- силена напруга знімається з резистора навантаження Rн . Конденсатори С2 та С3 потрібні для недопущення проходженню постійної складової напруги в джерело змінної напруги Um вх  та на вихід підсилювача Um вих відповідно.

Для стокового ланцюга  виконується співвідношення ( рівняння стокового ланцюга )

Uсв = ЕсІсRн .

Це рівняння визначає  положення лінії навантаження.

 Розрахунок статичного та робочого режиму транзистора

Розрахунок підсилювача має за мету забезпечити режим неспотвореного підсилення гармонічних коливань. Це забезпечується вибором статичного робочого режиму.

Для цього необхідно щоб робоча точка була на середині лінійної частини передаточної характеристики ( точка А на рис.13.2а ), а також провести лінію навантаження з таким положенням, щоб вона відсікала на вихідних характеристиках однакові відрізки ( АВ=АС рис.13. 2б )  або переходила  через перегін верхньої вихідної характеристики ( рис.13. 2).

Таким чином, в статичному режимі знаходяться  :

- напруга зміщення Езм = Езв А ;

- струм стоку Іс = Іс А ;

- напруга на стоці Uсв = Uсв А ;

У робочому режимі знаходять :

- амплітуду вхідної напруги  Um вх = Um зв ;

- амплітуда стуму стока Іmc ;

- амплітуда вихідної напруги  Um св ;  

Статичні характеристики транзистора нелінійні, тому в підсилювачі можуть з’явитися спотворення форми сигналу.

На спотворення впливають Езм , Ес , Um вх , Rн  . Їх значення необхідно виби-рати такими, щоб уникнути спотворень.

Параметри польових транзисторів

Параметри ПТ застосовують при проектуванні вузлів апаратури, аналізу їх роботи , при визначенні придатності транзисторів до застосування.

Параметри    ПТ   наведено   в   довідниках   та   в  технічній  документації.

Параметри ПТ поділяються на групи : параметри режиму, часові параметри, максимально допустимі параметри, частотні параметри та інші. Окрему групу складають диференційні параметри або параметри малого сигналу .

Для  ПТ використовують Y- параметри чотирьохполюсників

  І1 = Y11 U1 + Y12 U2

  І2 = Y21 U1 + Y22 U2  

Y11 =               - вхідна провідність при короткому замиканні (КЗ) на                                                             

Y21 =                 - провідність прямої передачі при КЗ на виході;

 

Y12 =                      - провідність зворотної передачі при КЗ на вході;                    

Y22 =                     - вихідна провідність при КЗ на вході.

Як відомо ПТ  мають високий вхідний опір, тому і параметри  Y11 та  Y12  будуть дуже малими.

 Провідність прямої передачі Y21  визначає крутість передаточної  характеристики  ПТ  Іс = f (Uзв )                       і   позначається  літерою S.

Y21 = S =

 Вихідна провідність Y22=Gi  знаходиться за вихідною характеристикою

 Іс = f (Uсв )                        

Y22 = Gi =      Ri =

Добуток        SRi = •=      має фізичний сенс коефіцієнта підсилення ПТ, який позначається .

 Таким чином можна записати

                             = SRi .

Для ПТ параметр h21 або α чи β застосовувати не можна оскільки струм затвору ( вхідний струм ) практично відсутній.

Вхідна провідність ПТ Y11 на низьких частотах дорівнює нулю, але із зростанням частоти буде зростати завдяки впливу небажаної ємності Сзв .

Так само на низьких частотах дорівнює нулю і прохідна провідність  Y12 . Із зростанням частоти вона буде зростати завдяки впливу ємності Ссз .

Вихідна провідність Y22 також практично відсутня.

 Розглянемо більш детально диференційні параметри ПТ.

Таким чином до диференційних параметрів  ПТ відносяться крутість S, внутрішній опір Ri та коефіцієнт підсилення

Диференційні параметри ПТ можна знайти і іншим шляхом. Для цього застосуємо зрозуміле співвідношення

Іс = f ( Uзв ,Uсв)

Запишемо повний диференціал струму стоку

dI1 = dUзв + dUcв

Позначивши  постійні коефіцієнти

= S,               a  = Gі

 

можна записати         dI1 =  S dUзв + Gі dUcв

Замінивши малі прирости змінних dUзв та dUcв малими гармонічними коливаннями з амплітудами, Um зв і  Um св ,запишемо для гармонічного струму

                     Im с =  SUm зв  + Gі Um св                                                             ( 2 )

 Крутість передаточної характеристики ПТ визначає властивість затвору управляти струмом стоку Іс . Вона чисельно дорівнює зміні струму Іс в мА при зміні напруги на затворі на 1В і вимірюється в мА/В.

Для ПТ існує співвідношення

Іс = Іс макс (1 - ) 2 ,

тому для крутості можна записати

S =  = (1 - ) ,

де Іс макс =  ,

Rк – опір  каналу.   

Тоді  S = (1 - ) ,

тобто крутість залежить від опору каналу. Для збільшення крутості ( зменшення опору каналу ) необхідно зменшувати відношення довжини каналу l до його ширини W , тобто мати короткий та широкий канал.

Максимальна ширина каналу відповідає максимальній крутості і буде при

Uзв = 0                  Sмакс =

 

Крутість можна знайти з вихідних статичних характеристик ( рис.13.4)

Рис.13.4. Знаходження параметра S з вихідних характеристик

                   

               S =                            ;

               де Uзв = Uзв2Uзв1,

    Іс – приріст струму  Іс

 Вихідна провідність Gi  визначає вплив напруги стоку Uсв  на струм стоку Іс . Вона чисельно дорівнює зміні струму стока на 1В.

Може бути знайдена  із вихідних статичних характеристик ( рис.13.5)

Рис.13.5. Знаходження вихідної провідності ПТ з вихідної характеристики

                     Gi =                       ,

                де   Uсв – приріст напруги Ucв,

                            Іс – приріст струму Іс 

 

При навантаженні транзистора його параметри S,Ri  та  змінюються і позначаються Sн, Rнi  та н. З формули ( 2 ) можна записати

 

 Sн =  , а н = KU =        =  Sн Rн   

Поділимо складові формули ( 2 ) на Um зв

= S + • Gі

Тоді отримуємо

 

Sн = S + KU  = S + Sн  

Sн - Sн  = S              Sн =  ,

а   KU = Sн Rн = • = -

Якщо Rн<  Ri , то Sн S , а   KU  <  

Таким  чином, крутість S при навантаженні не змінюється, а коефіцієнт підсилення  за напругою KU   буде менше параметра .

Визначимо параметри ПТ, які забезпечують  максимальну потужність вихідного сигналу

Рm вих = Іm с Um св                         =  І 2m с Rн                                   =

=                       =                    =  =

= S 2н  R 2н U 2m зв                 = Sн  KU U 2m зв .

Висновок: для підвищення вихідної потужності і коефіцієнта підсилення необхідно вибирати транзистор з великою крутістю S, збільшувати опір наванта-ження Rн  на затворі Um зв .

Втім, треба памятати, що значення опору Rн необхідно вибирати за умов відсутності спотворення. З тієї ж причини напруга зміщення не повинна бути більшою за Uзв відс , а амплітуда вхідної напруги  Um вх не більше значення Uзм .

13.3 Частотні властивості польових транзисторів

Зі зростанням частоти параметри польових транзисторів ( ПТ ) погіршує- ться : зменшується вихідна потужність  Pm вих , вхідний Rвх і вихідний Rвих

опір , коефіцієнт підсилення за напругою KU ,може зявитися  самозбудження.                                                                                            

Це обумовлюється головним чином впливом небажаних розподільних ємностей :   затвор-витік Сзв, - стік-затвор Ссз ,  - затвор-канал Сзк

і опорів не перекритої rк та перекритою Rі частини каналу

                                                                                                                   

                                                                                            б

                                                                                                

                                                                                                   в

           а

Рис.13.6. Моделі польового транзистора:

а- фізична;  б- повна схема заміщення;   в- спрощена схема заміщення

Ємності Сзв  і  Ссз шунтують вихідний опір попереднього каскаду. Крім  того, ємність Сзк обумовлює появу в ланцюгу затвор-канал-витік вхідного струму, який призводить до падіння напруги на опорі каналу   rк . Це знижує ефективність управління затвора вхідною напругою Uзв .

Ємність Сзс є прохідною. Вона обумовлює зворотній зв’язок між вихідним та вхідним ланцюгами.

 

Вплив ємності Сзк враховують збільшенням ємності затвор-витік

Сзв=+ Сзк   .

Повна схема зміщення  ПТ ( рис. 13.6, б)  має крім вказаних елементів, ще його внутрішній опір Rі і джерело струму SU1, яке враховує підсилювальні влас- тивості транзистора. На схемі   ( рис.13.6, б)  струм джерела SU1  визначається  не повною вхідною напругою Uзв, а напругою U1 між затвором і каналом, яка відрізняється від напруги Uзв падінням на опорі області каналу rк  

U1 =  =

Зі зростанням частоти напруга U1 зменшується , тому зменшується і ам- плітуда змінної складової вихідного струму ImC .

Зменшення вихідного струму транзистора на високих частотах враховують введенням частотної залежності крутості

                              S ( j ) = .                              ( 1 )

 Якщо прийняти, що U1 = Uзв , то можна перейти до спрощеної схеми

( рис. 13.6. в).

Параметрами польових транзисторів є :

С11 – вхідна ємність при короткому замкнені КЗ на виході;

С22 – вхідна ємність при КЗ на вході ;

С12 – прохідна ємність при КЗ на вході ;

 

Ці параметри можна виразити через ємності схеми заміщення (рис.12. 1, в) і навпаки

 С11 = Сзв + Ссз                            Сзв = С11 - С12

 С22 = Ссв + Ссз                             Ссв = С 22 -  С12

 С12 = Ссз                                           Ссз = С 12  ,

Використовуючи схему заміщення ( рис.12.1, в) можна знайти Y- параметри тран- зистора

Y11 = i ( Cзв + Ссз )          Y21                   (2)

Y12 = -jCсв                         Y22 =  +j( Ccв + Ссз)

Як виходе з (12.2), пряма провідність Y21 є крутістю S(  j ) і залежить від опору rк  і ємності Сзк

  До частотних параметрів ПТ є відносяться:

  •  межова частота прямої передачі ;
  •  верхня межова частота

Y21 =  ,

якщо s =  .    

s = 2π fs     де         fs =

Частоту fs  називають межовою частотою прямої провідності. На ній пряма провідності зменшується в  разів відносно крутості на нульовій частоті S0 (рис.13.7, а).

                            а                                                        б

Рис.13.7. Частотні залежності параметрів ПТ:

   а- Y21 =  ( f );  б- КU = ( f )

 Одначе необхідно памятати , що значення fs , яке визначається пара-метром Y21  знаходиться при короткому замкнені на виході , при якому значен-ням ємності Ссв нехтують. Тому в реальних схемах коефіцієнт передачі буде меншим завдяки наявності ємності Ссв1 , яка шунтує резистор навантаження Rн . Крім того, цей резистор шунтує і вхідну ємність Сзв2  наступного                 каскаду ( рис.13.8)

 

Рис.13.8.  Вплив небажаних ємностей  на вихід каскаду 1 підсилювача

З урахуванням цього, високочастотні властивості транзистора оцінюють верхню межовою частотою в . Для її знаходження запишемо формулу вихідного опору транзисторного каскаду за схемою  рис.13.8.

Z = =

 

Коефіцієнт підсилення визначиться за формулою

КU =S|Z|,

де             |Z|= .

Ця формула дозволяє знайти верхню частоту підсилення fв, на якій коефіцієнт підсилення за напругою КU  

КU =

зменшується в  раз відносно його значення при w = 0, К0 =S0Rн ( рис.13.7).

в=  ;  в = 2πfв

                                 fв =                                   (5)

З формули виходе, що для покращення частотних властивостей польових транзисторів необхідно зменшувати ємності Ссв1 , Сзв2 і опір  навантаження RН . Однак при зменшенні опору RН зменшується коефіцієнт КU .

Тому для визначення частотних властивостей підсилювача зручно використовувати добуток верхньої  частоти  fв на коефіцієнт на підсилення КU , який зветься коефіцієнтом широкосмуговості

КU fв =

Він залежить тільки від параметрів польового транзистора Сзв , Ссв , S0 .

Значний вплив на роботу транзистора на високих частотах має прохідна ємність Ссз1 , яка утворює зворотній звязок вихід-вхід за напругою. При збіганні фази цієї напруги з фазою вхідної напруги може виникати самозбудження. Ймовірність його зростає зі збільшенням частоти і коефіцієнта КU .

Для запобігання самозбудження підсилювача, частота вхідного сигналу не повинна перевищувати частоти сталого підсилення

f = 0.028 

Наприклад, для транзистора  2П306А, який має частоту  fs = 300 мГц, межова частота  fв  = 16 мГц, а частота самозбудження 60 мГц.  

11


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24193. ГИПОКСИЯ 222.5 KB
  Схема 1 Патогенез экзогенной гипоксии Первичное снижение рО2гипервентиляцияснижение рСО2дыхательный каротидный и  алкалоз аортальный повышение чувстви рефлекс тельности дыхатель снижение дис ного центра к СО2 социации НвО2 Компенсаторный  эритропоэз...
24194. ОБЩИЙ АДАПТАЦИОННЫЙ СИНДРОМ (СТРЕСС) 63 KB
  ОБЩИЙ АДАПТАЦИОННЫЙ СИНДРОМ СТРЕСС Стадии стресса центральные механизмы стресса метаболизм стресса адаптивная и патогенная роль стресса; оксидативный клеточный стресс реакции тренировки и активации. – общее учение о стадиях адаптации реакции активации и реакция тренировки с длительным сохранением состояния повышенной адаптации. Антиоксиданты АО подавляют АФКпатогенные реакции на мембране клеток. Стадия истощения: снижение холестерина в надпочечниках атрофия надпочечников; снижение гликогена в печени развивается...
24195. ОПУХОЛИ 95 KB
  ОПУХОЛИ Особенности предопухолевых состояний и доброкачественных опухолей классификации опухолей биологические свойства опухолей особенности метаболизма опухолей общая реакция организма на опухоли канцерогены теории патогенеза опухолей этапы опухолевого роста иммунитет к опухолям генетика опухолей. В последние годы найдены новые способы лечения опухолей даже 4й стадии с отдаленными метастазами но частота опухолей увеличивается видимо не только в связи с экологией но и в связи с увеличением СПЖ опухоли –...
24196. МЕХАНИЗМЫ СТАРЕНИЯ и ВОЗРАСТНАЯ РЕАКТИВНОСТЬ 433.5 KB
  ОБЩАЯ ГЕРОНТОЛОГИЯ МЕХАНИЗМЫ СТАРЕНИЯ и ВОЗРАСТНАЯ РЕАКТИВНОСТЬ Сущность старения как всеобщего биологического явления общая причина и общие признаки старения соотношение старения и самообновления определение старения организма количественное вычисление старения популяции – закон Гомперца индивидуально – биовозраст маркеры биовозрастагероморфология изменения обмена веществ при старении изменения функций при старении принципы международной герополитики геропрофилактика. СУЩНОСТЬ ЯВЛЕНИЯ СТАРЕНИЯ Старение это всеобщее...
24197. ЧАСТНАЯ ГЕРОНТОЛОГИЯ ВОЗРАСТНЫЕ ФИЗИОЛОГИЯ и БИОХИМИЯ 350.5 KB
  ОБЩАЯ ГЕРОМОРФОЛОГИЯ Для целостного организма человека характерны следующие общие проявления: уменьшение роста старческий кифоз уменьшение массы органов отложение пигментов в коже и тканях; старческий фиброз органов снижение содержания воды; удлинение аорты и резкий изгиб ее дуги извитость плотность хрупкость сосудов бедность капиллярного русла недостаточность сфинктеров сосудов варикоз застой циркуляторная гипоксия; старческий остеопороз у женщин с начала климакса и ранее; тугоподвижность суставов атрофия синовии и фиброз...
24198. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПАТОФИЗИОЛОГИИ 124.5 KB
  Важнейшие составляющие ПФ: ЭТИОЛОГИЯ – причины и условия возникновения болезни ПАТОГЕНЕЗ – механизмы заболевания и САНОГЕНЕЗ ему противостоящий – механизмы выздоровления и поддержания здоровья. ЛОКАЛИЗАЦИИ болезни сердца печени ВОЗРАСТ болезни новорожденных ПРИНЦИП ЛЕЧЕНИЯ хирургические терапевтические. Органические и функциональные без видимых структурных повреждений болезни. Болезнь имеет ДИНАМИКУ: ПЕРИОДЫ БОЛЕЗНИ: ПРЕДБОЛЕЗНЬ перенапряжение ослабленность защитных механизмов фон предрасположенность к собственно...
24199. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 160 KB
  ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ Виды клеток пути транспорта патогенного агента в клетку законы системности клетки стадии парабиоза клетки защитные системы клеток лизосомы ксенобиотики АО главные причины и общие механизмы повреждения клеток главные механизмы клеточной адаптации к повреждению виды клеточных дистрофий активные формы кислорода АФК хлора азота – патологические и физиологические эффекты антиоксиданты; типовые реакции при повреждении клеточных органелл стадии повреждения клетки некробиоз гипоксический некробиоз...
24200. РАССТРОЙСТВА МЕСТНОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ 138.5 KB
  Кровоток области: от диаметра сосуда скорости пропорциональна артериовенознной разнице давления вязкости крови. АРТЕРИАЛЬНАЯ ГИПЕРЕМИЯ активная: повышенное кровонаполнение органов тканей и их частей в результате усиленного притока крови по артериям. Признаки: расширение артериальных сосудов увеличение количества функционирующих сосудов данной области ускорение кровотока в данном регионе уменьшение артериовенозной разницы по кислороду при сохранении и увеличении кислородной доставки в ткани покраснение гиперемия области...
24201. ВОСПАЛЕНИЕ. МЕХАНИЗМЫ ВОСПАЛЕНИЯ 259.5 KB
  ВОСПАЛЕНИЕ Сущность воспаления кардинальные признаки адаптивная роль воспаления виды местные и общие процессы при воспалении причины воспаления механизмы альтерации динамика сосудистой реакции в очаге воспаления механизмы экссудации медиаторы воспаления стадии фагоцитоза значение незавершенного фагоцитоза. ФОРМЫ ВИДЫ ВОСПАЛЕНИЯ – Альтеративное В. МЕХАНИЗМЫ ВОСПАЛЕНИЯ: АЛЬТЕРАЦИЯ: пусковой механизм В. Ферменты лизосом ведут к дегрануляции тучных клеток и выходу гистамина важнейший медиатор воспаления –...