Главная Обратная связь

Дисциплины:






Исследование усилителя на полевом транзисторе в схеме с общими истоком



Лабораторная работа № 8

Цель работы: изучение полевых транзисторов; построение статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевых транзисторов; определение параметров полевых транзисторов по построенным ВАХ; расчёт и исследование усилительного каскадов на полевом транзисторе в схеме с общим истоком.

8.1. Краткие теоретические сведения

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем (отсюда и название – полевой). Действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности, поэтому полевые транзисторы называют также униполярными.

По способу создания проводящего канала различают полевые транзисторы с управляющим -переходом, имеющие объёмный канал, и со структурой металл – диэлектрик (окисел) – полупроводник (МДП- или МОП-транзисторы), имеющие приповерхностный канал (встроенный или индуцированный). В зависимости от электропроводности полупроводника проводящий канал может быть -типа или -типа.

Полевой транзистор с управляющим переходом (ПТУП) представляет собой пластину полупроводникового материала, в центральной части которого имеется область с проводимостью противоположной проводимости проводящего канала. Электрод, подключённый к этой области, называется затвором (З). Между затвором и проводящим каналом образуется -переход, обеднённый слой которого расположен в основном в объёме проводящего канала, имеющего гораздо меньшую концентрацию примеси. На торцах проводящего канала расположены два электрода. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком (И), а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком (С). На рисунке 8.1 показаны структура ПТУП с проводящим каналом -типа и условные обозначения ПТУП с проводящими каналами разных типов.

В основе работы ПТУП лежит изменение площади поперечного сечения проводящего канала при подаче на -переход управляющего напряжения ( ), смещающего его в обратном направлении. На рис. 8.1, а показаны полярности прикладываемых напряжений и направления токов соответствующие рабочему режиму работы транзистора. При и через проводящий канал протекает ток стока, называемый начальным: При увеличении обратного напряжения увеличивается ширина -перехода и соответственно уменьшается площадь поперечного сечения проводящего канала. Уменьшение площади поперечного сечения проводящего канала влечёт увеличение его сопротивления, что приводит к уменьшению тока стока при неизменном и отличном нуля напряжении между стоком и истоком . В цепи затвора при этом протекает малый обратный ток (входное сопротивление до ). При некотором обратном напряжении, называемом напряжением отсечки ( ) канал может быть полностью перекрыт, и в цепях стока и истока начнут протекать малые обратные токи. При напряжении , площадь поперечного сечения проводящего канала максимальна, а его сопротивление минимально. Прямое напряжение на -переход не подают, так как в этом случае теряется возможность управления током стока, появляется входной ток, что приводит к значительному уменьшению входного сопротивления.



Рис.8.1 Структура (а) и УГО ПТУП с каналом - (б) и -типа (в)
Рис.8.2 Структура (а) и УГО ПТИЗ с индуцированным каналом - (б) и -типа (в)
Рис.8.3 Структура (а) и УГО ПТИЗ со встроенным каналом - (б) и -типа (в)
МОП-транзисторы. В МОП-транзисторах электрод затвора изолирован от канала слоем диэлектрика (обычно это окисел – ), поэтому эти транзисторы называют также полевыми транзисторами с изолированным затвором (ПТИЗ). Благодаря такой структуре входное сопротивление ПТИЗ достигает . Различают две разновидности ПТИЗ – с индуцированным (наведённым полем) и со встроенным каналом.

ПТИЗ с индуцированным каналом -типа (рис. 8.2, а) содержит две сильно легированные -области истока (И) и стока (С), созданные в исходной полупроводниковой пластине кремния -типа, которая называется подложкой (П). Поверхность подложки покрыта слоем диэлектрика, поверх которого нанесена тонкая металлическая плёнка (обычно из алюминия), служащая затвором (З).

Так как высоколегированные -области истока и стока с полупроводником подложки -типа образуют -переходы, то при любой полярности напряжения сток – исток один из этих переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока канала, следовательно, между истоком и стоком отсутствует токопроводящий канал. При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения к поверхности полупроводника притягиваются дополнительные электроны а дырки выталкиваются из этой области – подзатворная область обогащается электронами. При некотором положительном пороговом напряжении на затворе относительно истока ( ) в приповерхностной области подложки -типа образуется (индуцируется) слой с инверсным типом проводимости (на рис. 8.2, а показан штриховой линией). Это слой соединяет -области истока и стока и формирует между ними токопроводящий канал -типа.

ПТИЗ со встроенным каналом конструктивно отличается от транзистора с индуцированным каналом тем, что канал формируется на этапе изготовления транзистора путём легирования транзистора. На рис.8.3, а показана структура ПТИЗ с каналом -типа. По принципу действия этот транзистор аналогичен ПТИЗ с индуцированным каналом. Однако, ввиду наличия проводящего канала через транзистор будет протекать ток и при нулевой разности потенциалов между истоком и затвором. При отрицательном напряжении между истоком и затвором ( ) поле затвора выталкивает электроны из канала в подложку -типа. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается и ток стока уменьшается. Такой режим называют режимом обеднения. Если на затвор подано напряжение , то подзатворная область обогащается электронами и ток стока увеличивается.

Подобно биполярным транзисторам полевой транзистор можно включить по одной из трёх схем: с общим истоком (ОИ – аналогична схеме с ОЭ), с общим стоком (ОС – аналогична схеме с ОК) и общим затвором (ОЗ – аналогична схеме с ОБ). Последняя схема (ОЗ) в усилительных устройствах практически не используется ввиду малости входного сопротивления и отсутствия усиления тока. Наибольшее усиление мощности обеспечивает схема с ОИ. Схема с ОС обладает повышенным входным сопротивлением и чаще всего применяется в качестве буферного каскада.

Статические вольт-амперные характеристики полевого транзистора.

Для анализа работы полевых транзисторов используют следующие характеристики:

– ­проходные (стоко-затворные) – зависимость выходного тока ( ) от входного напряжения ( ): при заданном напряжении между стоком и истоком;

выходные­ – зависимость выходного тока ( ) от выходного напряжения ( ): при заданном напряжении между затвором и истоком.

Рис.8.4 Стоко-затворная (а) и выходные (б) характеристики ПТ различных типов с -каналом
На рис.8.4 приведены примерный вид вольт-амперных характеристик полевых транзисторов с различными структурами с проводящим каналом -типа. Из рисунка 8.4, а видно, что ПТУП может работать только в режиме обеднения проводящего канала носителями заряда, ПТИЗ с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения, а ПТИЗ со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Выходные ВАХ (рис.8.4, б) полевых транзисторов различных типов по форме подобны. Отличие состоит в том, что для ПТУП , а ; для ПТИЗ со встроенным каналом , , ; для ПТИЗ с индуцированным каналом ,

В выходных ВАХ (рис.8.4б) можно выделить две рабочие области слева (I) и справа (II) от штриховой линии. Область I называют крутой областью характеристики; область II – пологой, или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управляемое напряжением сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики.

С помощью ВАХ можно определить дифференциальные параметры ПТ:

крутизну характеристики, характеризующую управляющее действие затвора:

;

дифференциальное внутреннее сопротивление проводящего канала полевого транзистора:

;

коэффициент усиления, характеризующий усилительные свойства ПТ:

,

который связан с крутизной характеристики и дифференциальным внутренним сопротивлением проводящего канала полевого транзистора соотношением

а) б) Рис.8.5 Стоко-затворная (а) и выходные (б) ВАХ ПТУП

.

На рис. 8.5 показано, как определяются дифференциальные параметры ПТ с помощью ВАХ (на примере полевого транзистора с управляющим -переходом).

Стоко-затворная характеристика (рис.8.5а) ПТУП достаточно хорошо описывается выражением

,

где – начальный ток стока при ; – напряжение, при котором перекрывается проводящий канал. Дифференцируя в соответствии с выражение , получаем

,

где – начальное значение крутизны характеристики, которое можно определить по графику стокозатворной характеристики. Для этого в точке к стокозатворной характеристике проводят касательную, отсекающую на оси напряжений отрезок , а на оси токов – отрезок (рис.8.5а). Тогда

.

Напряжение, при котором транзистор переходит в режим насыщения, называется напряжением насыщения ( .). При напряжении напряжение насыщения (на рис.8.5б – т. ) численно равно напряжению отсечки, при других напряжениях

.

Дифференциальное внутреннее сопротивление проводящего канала полевого транзистора можно определить графическим способом, используя выходные ВАХ. Для этого на ветви выходной ВАХ, соответствующей заданному напряжению , строят прямоугольный треугольник (рис. 8.5б) и определяют разность напряжений ( ) и токов ( ), откуда

.

Рис. 8.6 Схема усилительного каскада с общим истоком
Усилители на полевых транзисторах.

Достоинства усилительных каскадов на полевых транзисторах по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах обеспечиваются следующими преимуществами полевых транзисторов перед биполярными:

– полевой транзистор управляется электрическим полем, что предполагает отсутствие тока во входной цепи, поэтому он имеет большое входное сопротивление, что упрощает согласование усилительного каскада с высокоомным источником сигнала;

– ПТ имеет, как правило, меньший коэффициент шума, что делает его более предпочтительным при усилении слабых сигналов;

– ПТ обладает большей собственной температурной стабильностью режима покоя.

Недостатком можно считать то, что усилительные каскады на ПТ обычно обеспечивают меньший коэффициент усиления по напряжению.

Принцип построения усилительных каскадов на ПТ тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, в усилительных каскадах различают три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Наиболее широкое применение на практике получила схема с ОИ. На рис. 8.6 представлена схема такого усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом с каналом n-типа. В этой схеме, называемой схемой с автоматическим смещением, за счёт протекания через резистор истокового тока автоматически создаётся обратное смещение pn-перехода ПТ:

,

где – ток истока, причём в ПТ ток истока равен току стока ; – потенциал истока; – потенциал затвора. Так как резистор обеспечивает связь затвора с общим проводом, то при бесконечно малом входном токе и отсутствии резистора можно считать . Поэтому

,

а) б) Рис. 8.7 К расчёту рабочей точки (РТ) полевого транзистора с управляющим p–n-переходом: а –стоко-затворная ВАХ, б – выходные ВАХ

Помимо функции автоматического смещения потенциала истока резистор выполняет также функцию термостабилизации режима работы усилителя по постоянному току (аналогично схеме с эмиттерной стабилизацией на БТ). Для повышения термостабильности и уменьшения зависимости начального режима работы усилительного каскада от разброса параметров ПТ в цепь затвора включают резистор . Для исключения проявления отрицательной обратной связи по переменному сигналу резистор шунтируют конденсатором , в диапазоне рабочих частот сопротивление которого . Динамический режим работы полевого транзистора обеспечивается резистором в цепи стока, с которого снимается переменный выходной сигнал при наличии входного усиливаемого сигнала. Назначение разделительных конденсаторов и такое же, как и в усилительном каскаде на биполярном транзисторе.

Начальный режим работы полевого транзистора обеспечивается постоянным током стока и соответствующим ему постоянным напряжением между стоком и истоком (см. рис. 8.7), которые устанавливаются с помощью источника питания и начального напряжения смещения на затворе .

Коэффициент усиления усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком можно определить при отсутствии шунтирующего конденсатора в цепи истока по формуле

,

а при его наличии – по формуле

,

где крутизна и дифференциальное внутреннее сопротивление проводящего канала полевого транзистораопределяются в рабочей точке.

Значения ёмкостей конденсаторов можно рассчитать по формулам:

; ; ,

где – нижняя граничная частота.

8.2. Порядок выполнения работы

Задание 1:

Рис. 8.8
Получение статических вольт-амперных характеристик полевых транзисторов

а) собрать схему (рис. 8.8) для получения статических ВАХ заданного типа полевого транзистора;

б)

Рис. 8.9 Окно параметров моделирования для получения стокозатворной ВАХ

получить стоко-затворную ВАХ транзистора, для этого выбрать команду меню Analysis/DC…, на экран будет выведено окно параметров моделирования, в котором следует задать необходимые параметры моделирования в соответствии с рис. 8.9;

в) получить выходные ВАХ транзистора, для этого выбрать команду меню Analysis/DC…, на экран будет выведено окно параметров моделирования, в котором следует задать необходимые параметры моделирования в соответствии с рис. 8.10;

г)

Рис. 8.10 Окно параметров моделирования для получения выходных ВАХ
по полученным ВАХ рассчитать крутизну , дифференциальное сопротивление и коэффициент усиления полевого транзистора.

Задание 2:Расчёт однокаскадного транзисторного усилителя с общим истоком

а) построить статическую линию нагрузки на выходной ВАХ (рис.8.7б) и отметить положение рабочей точки , принимая ;

б) используя стоко-затворную ВАХ (рис.8.7а) определить значение напряжения ;

в) через рабочую точку на стоко-затворной ВАХ (рис.8.7а) провести касательную и определить крутизну , сравнить полученное значение с теоретиче­ским, рассчитанным по формуле ;

г) рассчитать значения резисторов и ;

д) рассчитать значения ёмкостей конденсаторов , и по формулам , приняв значения сопротивлений резистора и нагрузки ;

е) рассчитать коэффициенты усиления по напряжению по формулам и соответств3енно при отсутствии и наличии в цепи истока конденсатора .

ж) построить динамическую линию нагрузки и оценить максимальную неискажённую амплитуду выходного напряжения на нагрузке;

з) определить при наличии конденсатора ;

Задание 3:Исследование однокаскадного транзисторного усилителя с общим истоком

а) собрать схему усилительного каскада в соответствии с рис. 8.6;

б) сравнить экспериментальные и расчётные токи и напряжения, соответствующие заданной исходной рабочей точке;

в) подать на вход усилителя сигнал с амплитудой , и частотой ; принять сопротивление источника сигнала ;

г) построить эпюры входных и выходных токов и напряжений(Analysis/Transient...) при отсутствии и наличии конденсатора ;

д) получить ЛАЧХ и ЛФЧХ исследуемой схемы в диапазоне частот (Analysis/AC...) при отсутствии и наличии конденсатора ;

е) при наличии конденсатора , изменяя значения входного напряжения от до , измерить выходное напряжение .

Задание 4:Обработка результатов измерений

а) по полученным ЛАЧХ определить нижние и верхние граничные частоты (по уровню ) и полосу пропускания усилителя;

б) определить по ЛАЧХ коэффициент усиления на частоте (см. Л.р. № 6), сделать выводы;

в) по полученным эпюрам входных и выходных напряжений определить коэффициенты усилений по напряжению; сравнить полученные значения с теоретическими, полученными в п. е) Задания 1; сделать выводы;

г) по результатам измерений (Задание 2, п. д)) построить передаточную характеристику усилителя ; по полученной характеристике определить ;

д) рассчитать коэффициент усиления по мощности и к.п.д. усилителя .

8.3. Контрольные вопросы

1.Что такое полевой транзистор?

2.Перечислите типы полевых транзисторов и поясните их принцип действия?

3.В чём отличие статических характеристик полевых транзисторов различных типов?

4.Перечислите схемы включения полевого транзистора, укажите особенности использования этих схем.

5.Какие достоинства и недостатки имеют усилительные каскады на полевых транзисторах по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах?

6.Какие характеристики и параметры полевых транзисторов используются при расчёте усилителя?

7.Как задаётся рабочий режим полевых транзисторов различных типов по постоянному току?

8.Как осуществляется температурная стабилизация в усилителях на полевых транзисторах?

9.Пояснить назначение резисторов и конденсаторов в схеме усилителя (рис. 8.6).

10.Какое влияние оказывает шунтирующий конденсатор СИ на параметры усилителя?

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...