Статичні параметри польового транзистора теорія і практика - сайт інженера Задорожного з
Статичні параметри польового транзистора: теорія і практика
Інтерес до статичних параметрів польового транзистора з pn-перехід на затворі, таким як початковий струм стоку і напруга відсічення, проявляється найчастіше інженерами і радіоаматорами або як до приводиться в довідниках характеристикам для порівняння транзисторів різних типів, або в зв'язку з підбором близьких за параметрами транзисторів для диференціального каскаду. У цій статті мова піде про використання статичних параметрів при розрахунку схем на польових транзисторах.
На рис.1. наведено умовне графічне позначення польового транзистора з n-каналами і керуючим p-n-переходу на затворі:
Ріс.1Условное графічне позначення польового з n-каналом і p-n-переходом на затворі.
Позначення його висновків відповідно наступне:
G (Gate) - затвор;
S (Source) - витік;
D (Drain) - стік.
Основними статичними параметрами польового транзистора з p-n-переходу на затворі є початковий струм стоку і напруга відсічення. Початковий струм стоку польового транзистора визначається як струм, що протікає через його канал при заданому постійному напруженні втік-витік і рівному нулю напрузі затвор-витік. В англомовній технічній документації цей параметр позначають як IDSS.
Напруга відсічення - це таке порогове значення напруги затвор-витік, після досягнення якого струм через канал польового транзистора вже не змінюється і практично дорівнює нулю. Його також вимірюють при фіксованому значенні напруги стік-витік і в англомовній документації позначають як VGS (off) або рідше як Vp.
Як підсилювального елемента польовий транзистор працює при досить великій напрузі стік-витік VDS - на графіку сімейства вихідних характеристик транзистора це значення напруги розташоване в області насичення. Це означає, що величина струму через канал польового транзистора, - струм стоку ID. - залежить в основному лише від величини напруги затвор-витік VGS. Цю залежність струму стоку польового транзистора ID від вхідної напруги затвор-витік VGS описує так звана передавальна характеристика транзистора. Для транзисторів з керуючим p-n-переходу її зазвичай апроксимують наступним виразом:
Таким чином струм стоку польового транзистора зі зміною напруги на його затворі змінюється за квадратичним законом. Графічно цю залежність ілюструє наведена на рис.2 діаграма:
Ріс.2.Прімер апроксимації залежності струму стоку ID від напруги затвор-витік VGS квадратичною функцією при початковому струмі стоку IDSS = 9,5 mA і напрузі відсічення VGS (off) = -2,8 V.
У такій зміні струму стоку ID зі зміною напруги затвор-витік VGS і проявляються підсилювальні властивості польового транзистора. Кількісно ці властивості характеризують такий його параметр як крутизна, що визначається як:
Зрозуміло, що значення крутизни, виражене через статичні параметри польового транзистора IDSS і VGS (off). можна отримати диференціюючи вираз для передавальної характеристики (1) по dVGS:
Тобто для транзистора з відомими значеннями початкового струму стоку IDSS і напруги відсічення VGS (off) при заданій напрузі затвор-витік VGS крутизну передавальної характеристики можна розрахувати за формулою:
або, учітіивая рівність:
отримуємо ще один вислів для крутизни при заданому струмі стоку ID:
Установка робочої точки
На рис.3 наведено основні схеми включення польового транзистора з керуючим p-n-переходу на затворі:
а) підсилювальний каскад із загальним витоком;
б) істоковий повторювач;
в) двухполюсник - стабілізатор струму.
Ріс.3Основние схеми включення польового транзистора з керуючим p-n-переходом на затворі.
У всіх цих схемах для установки необхідного значення струму стоку ID служить включений в ланцюг витоку резистор RS. Потенціал затвора польового транзистора дорівнює потенціалу нижнього за схемою виведення цього резистора, тому струм стоку ID. напруга затвор-витік VGS і опір RS елементарно пов'язані між собою законом Ома:
Розрахунок опору RS для установки необхідного струму стоку ID для польового транзистора з відомими значеннями початкового струму стоку IDSS і напруги відсічення VGS (off) також можна зробити на підставі виразу для передавальної характеристики (1):
звідки отримуємо рівність:
Розділимо обидві частини рівності (6) на RS і, з урахуванням виразу (5). отримаємо:
Відповідно вираз для значення опору RS прийме наступний вигляд:
Теорія та практика
Виходячи з наведених математичних викладок логічно припустити, що, вимірявши значення початкового струму стоку IDSS і напруги відсічення VGS (off) - основних статичних параметрів польового транзистора з керуючим pn-перехід на затворі, - можна визначити крутизну передавальної характеристики транзистора в заданій робочій точці або встановити робочу точку транзистора так, щоб отримати необхідне значення крутизни, розрахувати параметри інших елементів схеми, тощо. Але практичні результати найчастіше виявляються далекі від расчетн их.
В [2] також наголошується, що виміряне значення напруги відсічення VGS (off). при якому величина струму стоку ID стає нульовою або рівною декільком мікроамперах, «не завжди буде задовольняти рівності (1). тому зручніше обчислювати величину як функцію VGS і екстраполювати отриману пряму лінію до значення струму ID = 0 ".
Оскільки мова йде про найбільш точному визначенні передавальної характеристики польового транзистора з керуючим p-n-переходу на затворі, то величина напруги відсічення VGS (off) конкретного транзистора важлива лише як параметр в вираженні (1). при якому цей вислів найбільш відповідає реальній передавальної характеристиці цього транзистора. Те ж саме можна сказати і про величину початкового струму стоку IDSS. Таким чином може виявитися, що пряме вимірювання статичних параметрів польового транзистора особливого практичного сенсу не має, оскільки ці параметри не описують з достатньою точністю передавальний характеристику транзистора.
На практиці при проектуванні схем каскадів на польових транзисторах з керуючим p-n-переходу на затворі режим їх роботи ніколи не вибирають таким, щоб напруга затвор-витік VGS було близьким до напруги відсічення VGS (off) або до нуля. Отже, немає ніякої необхідності описувати передавальний характеристику (1) на всій її довжині ID = 0 до ID = IDSS. досить зробити це для якогось робочого ділянки від ID1 = ID (VGS1) до ID2 = ID (VGS2). Для цього вирішимо наступну задачу.
Нехай шляхом вимірювання отримані значення струму стоку ID1 і ID2 відповідно для двох віддалених один від одного значень напруги затвор-витік VGS1 і VGS2:
Вирішивши систему рівнянь (9) щодо значень початкового струму стоку і напруги відсічення ми отримаємо більш відповідні реальної передавальної характеристиці параметри формули (1).
Спочатку визначимо значення. Для цього розділимо друге рівняння на перше щоб скоротилося і вийшло одне рівняння з одним невідомим, яке вирішуємо:
Таким чином шукане значення напруги відсічення для формули (1) визначається виразом:
А відповідне значення початкового струму стоку обчислюється шляхом підстановки отриманого за формулою (10) значення напруги відсічення в такий вираз, отримане з формули (1):
Обчислені за формулами (10) і (11) значення напруги відсічення і початкового струму стоку після підстановки в формулу (1) повинні дати більш точну відповідність цієї формули передавальної характеристиці реального польового транзистора. Щоб це перевірити були проведені контрольні вимірювання параметрів дванадцяти польових транзисторів чотирьох типів - по три транзистора кожного типу.
Порядок вимірювань для кожного транзистора був наступним. Спочатку вимірювалися початковий струм стоку IDSS і напруга відсічення VGS (off) польового транзистора. Потім були виміряні значення напруг затвор-витік VGS1 і VGS2 для двох відповідних їм значень струму стоку ID1 і ID2. кілька віддалених від нульового значення при VGS = VGS (off) і початкового струму стоку IDSS. Підстановка VGS1. VGS2. ID1 і ID2 в формули (10) і (11) давала шукані значення і. Щоб мати можливість потім порівняти, яка ж пара параметрів польового транзистора, - IDSS і VGS (off) або і, - після підстановки в формулу (1) дає більш точну відповідність цієї формули передавальної характеристиці реального польового транзистора, струм стоку польового транзистора встановлювався приблизно рівним половині виміряного значення його початкового струму стоку IDSS. тобто десь посередині передавальної характеристики транзистора, з подальшим вимірюванням відповідного цьому струму напруги затвор-витік. Отримані таким чином значення ID0 і VGS0 - це координати довільно обраної робочої точки польового транзистора на його передавальної характеристиці. Залишилося підставити тепер значення VGS0 в формулу (1) спочатку з парою параметрів IDSS і VGS (off). а потім з і, і порівняти обидва обчислених значення струму стоку з виміряним ID0.
Результати вимірювань параметрів дванадцяти польових транзисторів наведені в таблиці нижче.
Виміряні значення статичних параметрів
Виділені кольором значення похибок говорять самі за себе. Якщо ж порівнювати графіки передавальної характеристики, подібні до наведеного на рис.2. то лінія, побудована за значеннями (;), пройде набагато ближче до точки (VGS0; ID0), ніж побудована за виміряним значеннями напруги відсічення і початкового струму стоку (VGS (off); IDSS).
Результати будуть ще більш точними, якщо в якості точок (VGS1; ID1) і (VGS2; ID2) вжити заходів вужчого відрізка передавальної характеристики польового транзистора, на якому він буде працювати в реальній схемі. Особливо слід відзначити, що даний метод визначення статичних параметрів польових транзисторів незамінний для транзисторів з великим початковим струмом стоку, наприклад для таких як J310.
- Бочаров Л.Н. «Польові транзистори»; Київ, видавництво «Радио и связь», 1984;
- Титце У. Шенк К. «Напівпровідникова схемотехніка»; переклад з німецької; Київ, видавництво «Світ», 1982.