Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора



Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рисунке 6.8. Здесь Rвх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость Свх - емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор-исток. Паразитная емкость Спар обусловлена емкостью перекрытий затвор-сток. Выходное сопротивление Rвых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость Свых определяется емкостью р-n перехода стока. Генератор тока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе.

Рис. 6.8. Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки, так что VGS = VDS = Vпит, подано малое переменное напряжение ú = u0sin(ωt).

Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i1, равный:

(6.27)

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

(6.28)

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f = fмакс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

(6.29)

Поскольку напряжение исток-сток VDS порядка напряжения VGS - VT, то, используя определение дрейфовой скорости

(6.30)

можно видеть, что предельная частота усиления fмакс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:

(6.31)

Оценим быстродействие транзистора.

Пусть μn = 500 см2/В·с, длина канала L = 10 мкм = 10-3 см, напряжение питания Vпит = 10 В. Подставляя эти значения в (6.29), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка fмакс ≈ 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.

 

Параметры транзистора как четырехполюсника.

H-параметры

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два значения напряжения U1 и U2 (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема четырехполюсника

В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z‑параметров, y‑параметров и h‑параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.

Система z-параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника токи I1 и I2, а напряжения U1 и U2 будем определять как функции этих токов. Тогда связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:

;

.

Коэффициенты zik в этих уравнениях определяются следующим образом:

и – определяются как входное и выходное сопротивления.

и – сопротивления обратной и прямой передач.

Измерения z‑параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I1 = 0) и выходе (I2 = 0). Реализовать режим разомкнутого входа I1 = 0 для биполярного транзистора достаточно просто (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому размыкающее сопротивление в цепи эмиттера в несколько кОм уже позволяет считать I1 = 0). Реализовать режим разомкнутого выхода I2 = 0 для биполярного транзистора сложно (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и размыкающее сопротивление в цепи коллектора в силу этого должно быть порядка ГОм).

 

Система y‑параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U1 и U2, а токи I1 и I2 будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:

;

.

Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:

и – входная и выходная проводимости.

и – проводимости обратной и прямой передач.

Измерение y‑параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U1 = 0) и выходе (U2 = 0). Реализовать режим короткого замыкания на входе (U1 = 0) для биполярного транзистора достаточно сложно (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому замыкающее сопротивление в цепи эмиттера должно составлять доли Ома, что достаточно сложно). Реализовать режим короткого замыкания на выходе U2 = 0 для биполярного транзистора просто (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и замыкающие сопротивления в цепи коллектора могут быть даже сотни Ом).

 

Система h‑параметров

Система h‑параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0). Поэтому для системы h‑параметров в качестве входных параметров задаются ток I1 и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1, U2 и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом:

;

.

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

– входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

– выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

– коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

– коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Эквивалентная схема четырехполюсника с h‑параметрами приведена на рисунке 5.24а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h‑параметр.

Рис. 5.24. Эквивалентная схема четырехполюсника:

а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Рассмотрим связь h‑параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой с дифференциальными параметрами. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой биполярного транзистора на низких частотах, показанной на рисунке 5.24а, а также выражениями для вольт‑амперных характеристик транзистора в активном режиме. Получаем:

;

;

;

.

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 5.24б) выражения, описывающие связь h‑параметров с дифференциальными параметрами, будут иметь следующий вид:

;

;

;

.

Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h‑параметры связаны друг с другом. В таблице 2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h‑параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.

 

Таблица 2. Связи между h‑параметрами

h11б
h1
h21б
h22б

 

 

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h21э в зависимости от тока эмиттера. На рисунке 5.25 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) – коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.