logo

Главная Цепи смещения транзисторных каскадов Обеспечение устойчивости РТ Стабилизация в каскадах на ПТ с УП

Обеспечение устойчивости рабочей точки: Стабилизация режимов работы каскадов на полевых транзисторах с управляющим переходом

Печать
Схемотехника - Схемотехника и конструирование схем

 

У полевых транзисторов с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом изменения температуры приводят к изменениям контактной разности потенциалов на \(p\)-\(n\)-переходе, обратного тока через переход, а также подвижности основных носителей заряда. Эти процессы имеют различное, иногда противоположное, влияние на характеристики транзистора в целом. Так, например, контактная разность потенциалов уменьшается при увеличении температуры, что приводит к уменьшению сопротивления управляющего перехода, увеличению напряжения отсечки и, соответственно, к росту тока через канал. Но с другой стороны, при увеличении температуры подвижность основных носителей заряда в полупроводнике уменьшается, т.е. сопротивление канала будет расти, а ток через него будет падать. При определенных условиях действие нескольких противоположных физических явлений может взаимно компенсироваться, и ток в канале полевого транзистора с управляющим переходом окажется неподвержен влиянию температурных колебаний. Точку на сток-затворных (передаточных) характеристиках полевого транзистора, в которой ток не зависит от температуры, называют термостабильной точкой.

На рис. 2-2.16 показаны передаточные характеристики \(n\)-канального полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом для различных значений температуры. Из этих характеристик видно, что с ростом температуры напряжение отсечки полевого транзистора увеличивается (по модулю), ток через канал с одной стороны от термостабильной точки растет, а с другой — падает, крутизна характеристики передачи уменьшается на всем ее протяжении (заметим, что уменьшение крутизны характеристики передачи транзистора приводит к заметному падению с ростом температуры общего коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе, компенсация такого падения возможна с помощью цепей обратной связи).

 

Влияние температуры на сток-затворные (передаточные) характеристики полевого транзистора с управляющим переходом

Рис. 2-2.16. Влияние температуры на сток-затворные (передаточные) характеристики полевого транзистора с управляющим переходом

 

Обычно рабочую точку каскада на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом выбирают несколько выше термостабильной точки. Так что при повышении температуры ток стока транзистора незначительно падает, предотвращая саморазогрев, характерный для биполярных транзисторов при повышении температуры коллекторного перехода.

Важной, но достаточно редко упоминаемой, особенностью полевых транзисторов с управляющим переходом является большое влияние температуры на входные характеристики. Обычно говорится, что сопротивление обратносмещенного управляющего \(p\)-\(n\)-перехода очень велико, а это позволяет строить высокочувствительные схемы, в которых величина входного тока лежит в пикоамперном диапазоне. Все это так лишь до тех пор, пока температура перехода не превышает комнатную (15...25 °C). Обратный ток управляющего перехода резко (фактически экспоненциально) нарастает с ростом температуры (грубо говоря можно считать, что он удваивается на каждые 10 °C). Это приводит к тому, что входной ток (ток затвора в схемах с ОИ и с ОС) усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом при температуре 50...60 °C может превысить входной ток аналогичного каскада на биполярном транзисторе (напомним, что ток утечки базы биполярного транзистора с ростом температуры имеет даже незначительную тенденцию к понижению). Дополнительное негативное влияние оказывает снижение общего коэффициента усиления каскада с ОИ или с ОС, обусловленное уменьшением входного сопротивления. Гораздо меньшее значение указанные эффекты имеют для схемы с общим затвором.

Учитывая все описанные выше физические процессы, легко понять, какое влияние оказывают изменения температуры на стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (рис. 2-2.17). Очевидно, что снижение крутизны характеристики передачи с ростом температуры будет приводить к смещению стоковых характеристик в область более низих величин тока стока, а также к их более плотному расположению в этой области.

 

СВлияние температуры на стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с p-n-переходом

Рис. 2-2.17. Влияние температуры на стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с \(p\)-\(n\)-переходом

 

На практике, для компенсации температурных изменений характеристик полевых транзисторов в схемы смещения в большинстве случаев вообще не приходится вносить каких-либо изменений. Обусловлено это, во-первых, меньшей температурной зависимостью этих параметров по сравнению с биполярными транзисторами, во-вторых, как уже было указано, правильным выбором исходной рабочей точки по постоянному току (в районе термостабильной точки транзистора) и эти незначительные зависимости можно свести к минимуму. И наконец, в представленных на рис. 2-2.6, 2-2.9, 2-2.13, 2-2.15 цепях смещения для полевых транзисторов с управляющим переходом уже присутствует элемент, обеспечивающий отрицательную обратную связь, стабилизирующую рабочую точку каскада. Таким элементом является сопротивление \(R_И\) в цепи протекания тока истока. Его роль совершенно аналогична роли сопротивления в цепи протекания эмиттерного тока в каскадах на биполярных транзисторах. Остановимся на этом несколько подробнее.

Во всех указанных схемах (рис. 2-2.6, 2-2.9, 2-2.13, 2-2.15) падение напряжения на резисторе \(R_И\) при протекании через него тока истока \(I_И\) оказывает определяющее влияние на напряжение на управляющем переходе транзистора \(U_{ЗИ}\). Причем падение тока истока \(I_И\) (а соответственно и тока стока \(I_С\)) приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе \(R_И\). Это, в свою очередь, означает, что уменьшится абсолютная величина напряжения обратного смещения, приложенного к управляющему переходу \(U_{ЗИ}\), т.е. увеличится электропроводность канала транзистора, и ток через него возрастет, вернувшись на прежний уровень. При увеличении тока истока имеют место аналогичные процессы, но в противоположном направлении.

Очевидно, что наличие отрицательной обратной связи в каскаде усиления оказывает влияние не только на его параметры по постоянному току. В рабочей полосе частот это приводит к понижению общего коэффициента усиления, понижению уровня нелинейных искажений и расширению динамического диапазона каскада. Иногда эти воздействия оказываются полезны, а иногда от них стремятся избавиться. Самым простым и распространенным методом является шунтирование истокового резистора конденсатором, чье сопротивление в рабочей полосе частот усилителя оказывается пренебрежимо малым по сравнению с сопротивлением резистора \(R_И\). Пример такой схемы приведен на рис. 2-2.18. Заметим, что данный метод во всем аналогичен тому, как устраняют влияние резистора в цепи эмиттера в каскадах на биполярных транзисторах.

 

Шунтирование истокового резистора конденсатором для устранения его влияния на коэффициент усиления в рабочей полосе частот каскада

Рис. 2-2.18. Шунтирование истокового резистора конденсатором для устранения его влияния на коэффициент усиления в рабочей полосе частот каскада

 

Условия эксплуатации и предъявляемые требования к стабильности рабочей точки усилительного каскада могут быть очень разнообразными. Поэтому обратная связь по току, реализуемая с помощью резистора в цепи протекания тока истока, хотя и является универсальным средством, но не всегда может быть достаточна для надежной и стабильной работы каскада. Особенно в тех случаях, когда принятая рабочая точка транзистора значительно отклоняется от его термостабильной точки (это часто имеет место в каскадах, рассчитанных на высокие, близкие к предельно допустимым, уровни сигналов, например, в выходных каскадах усилителей низкой частоты или в усилителях мощности). В таких ситуациях в дополнение к ООС по току для компенсации температурных и иных воздействий в каскадах на полевых транзисторах могут применятся все те же решения, которые были разработаны для схем на биполярных транзисторах. В первую очередь, это, конечно, параметрическая компенсация с помощью терморезисторов с правильно подобранным температурным коэффициентом сопротивления.

Но терморезисторы никак не могут защитить от нетемпературных внешних воздействий, например, от изменения питающих напряжений. Поэтому не редким является и применение параллельной ООС по напряжению, реализуемой за счет подключения одного из резисторов входного делителя напряжения не напрямую к источнику питания, а через контур протекания тока стока (рис. 2-2.19). При таком включении увеличение тока через канал транзистора вызывает уменьшение напряжения, подаваемого на затвор, и, как следствие, увеличение обратного смещения на управляющем переходе затвор—исток — ток через канал падает, возвращаясь к своему прежнему уровню.

 

Использование ООС по напряжению в схеме смещения полевого транзистора с управляющим переходом

Рис. 2-2.19. Использование ООС по напряжению в схеме смещения полевого транзистора с управляющим переходом

 

Чтобы устранить влияние ООС по напряжению на сигналы в рабочем диапазоне частот в рассматриваемом случае, так же, как и в схеме с ООС по току, используют шунтирующие конденсаторы (рис. 2-2.20).

 

Устранение влияния ООС по напряжению и току на сигналы в рабочем диапазоне частот усилителя с помощью шунтирующих конденсаторов

Рис. 2-2.20. Устранение влияния ООС по напряжению и току на сигналы в рабочем диапазоне частот усилителя с помощью шунтирующих конденсаторов

 

Для достижения оптимальных характеристик на практике чаще всего применяются разнообразные комбинированные схемы, в которых в зависимости от условий эксплуатации и назначения конкретного каскада подбирается глубина и устанавливается разумный баланс между разными видами ООС (рис. 2-2.21).

 

Пример комбинированной схемы смещения полевого транзистора с управляющим переходом (здесь глубина ООС по напряжению зависит от соотношения номиналов резисторов Rc1, Rc2

Рис. 2-2.21. Пример комбинированной схемы смещения полевого транзистора с управляющим переходом (здесь глубина ООС по напряжению зависит от соотношения номиналов резисторов \(R_{С1}\), \(R_{С2}\)

 

Особенности физических процессов, протекающих в полевых транзисторах при колебаниях температуры, как правило позволяют обеспечить стабильность рабочей точки по постоянному току гораздо легче, чем это имеет место в каскадах на биполярных транзисторах. Однако здесь преобладает проблема иного характера. Крутизна характеристики передачи в полевых транзисторах значительно изменяется при колебаниях температуры (уменьшается при разогреве). В большей степени этот эффект выражен у МДП приборов, но и у полевых транзисторов с управляющим переходом он достаточно заметен.

В конечном счете крутизна характеристики передачи непосредственно определяет общий коэффициент усиления каскада. Иногда его колебания могут оказаться вредны и приводить к общей неустойчивости усилителя в определенных внешних условиях. Поэтому в схемах с полевыми транзисторами часто приходится применять специальные методы, компенсации температурного изменения крутизны характеристики передачи. Самым простым и эффективным решением является охват усилителя цепями обратной связи. Это могут быть как цепи обратной связи, охватывающие сразу весь многокаскадный усилитель, так и отдельные цепочки внутрикаскадных обратных связей. Более подробно возможные способы введения обратных связей в различные усилительные каскады на полевых транзисторах мы будем рассматривать позднее. Однако здесь мы опишем одну важную возможность.

Существуют (хотя и достаточно редки) полевые транзисторы с управляющим переходом, в которых выполнен отдельный вывод от подложки кристаллической структуры (от той части полупроводника, в которой располагается канал). В таких транзисторах возможно очень эффективное управление крутизной передаточной характеристики путем подачи управляющего напряжения между истоком и подложкой. Фактически подложка играет роль второго затвора, напряжение на котором оказывает такое же влияние на ток в канале, как и напряжение на первом (основном) затворе. Описанная конструкция полевого транзистора позволяет вводить в каскад цепи коррекции коэффициента усиления, которые в случае его падения (например, при повышении температуры) обеспечивают изменение (в нашем случае уменьшение) напряжения между подложкой и истоком, что приводит к обратному процессу — увеличению коэффициента усиления каскада. Такой метод удобен для нейтрализации не только температурных влияний, но и любых других внешних факторов, способных оказать воздействие на коэффициент усиления каскада.

На рис. 2-2.22 приведен пример усилительного каскада на \(n\)-канальном полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и отдельным выводом подложки (например, это может быть транзистор КПС315 или КПС316). В данной схеме включена цепочка, которая обеспечивает коррекцию напряжения \({U_{ПИ}}_0\) между подложкой и истоком в случае изменения температуры. Используется метод параметрической стабилизации на основе прямосмещенного диода \(VD1\). При увеличении температуры падение напряжения на прямосмещенном диоде \(VD1\) уменьшается, увеличивается ток через делитель напряжения \(R3\), \(R4\), а следовательно, увеличивается напряжение между подложкой и корпусом схемы. Таким образом, отрицательное относительно истока напряжение на подложке по абсолютной величине уменьшается, что приводит к росту крутизны передаточной характеристики транзистора и возвращению коэффициента усиления каскада к необходимому уровню. Конденсаторы \(C1\), \(C2\) предотвращают влияние цепей смещения на сигналы в рабочем диапазоне частот усилительного каскада.

 

Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом и отдельным выводом от подложки с цепью коррекции температурных колебаний коэффициента усиления

Рис. 2-2.22. Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и отдельным выводом от подложки с цепью коррекции температурных колебаний коэффициента усиления

 

Следует понимать, что описанный метод коррекции становится возможным только при условии некоторого резервирования усилительной способности транзистора за счет работы при ненулевом напряжении между подложкой и истоком. Когда требуется обеспечить максимально возможный коэффициент усиления каскада не взирая на прочие условия, все приведенные цепи коррекции оказываются вредны, а единственно возможным решением является соединение выводов подложки и истока.

Полевые транзисторы известны как приборы с невероятно большим числом разновидностей. Выше мы рассмотрели только наиболее распространенные виды транзисторов с управляющими \(p\)-\(n\)-переходами. Схемы задания смещения для полевых транзисторов с управляющими переходами Шоттки или гетеропереходами в большинстве случаев идентичны приведенным схемам. Упомянем также еще один достаточно редкий подвид — двухзатворные транзисторы с управляющими переходами. В них имеется два управляющих перехода, каждый из которых выполняет ту же функцию, что и единственный управляющий переход обычного транзистора. Т.е. мы можем управлять характеристиками транзистора аналогично тому, как это было описано для транзистора с отдельным выводом от подложки. Если кто-то еще не догадался, уточним: конечно же есть транзисторы с двумя затворами и отдельным выводом от подложки (например, КП322). Ясно, что с характеристиками таких приборов мы можем делать практически все что угодно.

 

 

 

Конструирование схем




Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники