Частотные свойства полевых транзисторов.

В этой схеме С_ЗК – емкость между затвором и каналом, на заряжении которого основан сам принцип действия транзисторов, r’_K - распределенное сопротивление канала. Остальные емкости в схеме - емкость между затвором и истоком С_ЗИ, между затвором и стоком С_ЗC; стоком и подложкой С_CП. – являются паразитными. В ПТ емкости С_ЗИ, С_ЗС обусловлены боковой поверхностью затвора, в МДП-транзисторах – частичным перекрытием затвором областей стока и истока, в ПТ с затвором Шоттки эти емкости отсутствуют. R_i - выходное дифференциальное сопротивление.

Генератор тока в выходной цепи управляется напряжением с крутизной , зависящей от частоты. Сопротивление канала и ток стока не могут измениться, пока не зарядится емкость С_ЗК. Можно считать также, что генератор управляется напряжением на этой емкости с коэффициентом S₀, не зависящим от частоты. В этом случае эквивалентную схему называют физической, ее элементы не зависят от частоты. Емкость С_ЗК заряжается с постоянной времени t_S, которая и является постоянной времени крутизны:

t_S= r’_K С_ЗК (70)

Соответственно, частотная зависимость крутизны определяется выражением

, (71)

где S₀ – статическая крутизна, , – граничная частота крутизны, на которой . Постоянная времени крутизны квадратично зависит от длины канала и не зависит от его ширины.

Для ПТ с p-n-затвором , для МДП - .

Для транзисторов с n–каналом m=1400см²¤ (В×с), m_s=500см²¤ (В×с). При одинаковой длине канала L=10мкм, полагая U_ОТС=2В , U_ЗИ – U_ПОР=4В, получаемt_S одного порядка величины для обоих видов транзисторов (0,7 и 0,5нс), которой соответствует граничная частота f_S=w_S ¤ (2p)»300МГц. Современная технология позволяет изготовлять МДП-транзисторы с L<1мкм и f_S>15 ГГц, что не удается реализовать в ПТ с p-n-затвором.

Постоянная времени крутизны t_S определяет предельное быстродействие транзистора. В реальных схемах быстродействие часто ограничивается паразитными емкостями, которые определяют входную t_вх и выходную t_вых постоянные времени:

t_вх=R_ист.с×C_вх, t_вых=R_С×C_вых,

где R_ист.с – сопротивление источника входного сигнала, C_вх и C_вых – входная и выходная емкость, C_вых= C_СП+C_Н, C_Н – емкость нагрузки, R_С – сопротивление нагрузки.

Проходная емкость C_ЗС сильно влияет на частотные свойства, образуя цепь обратной связи. Ток, протекающий через эту емкость

,

где K_U – коэффициент усиления по напряжению. Таким образом C_ЗС дает вклад во входную емкость с коэффициентом 1+K_U (эффект Миллера):

C_вх=С_ЗК+ C_ЗИ+(1+ K_U:)C_ЗС (72)

Ток, протекающий через емкость С_ЗС, создает на сопротивлении R_ист.с дополнительное напряжение , пропорциональное выходному напряжению. При определенном характере нагрузки оно совпадает по фазе с входным напряжением, что может привести к самовозбуждению усилителя.

*Усилительный режим полевых транзисторов.

Так же, как в случае БТ, возможны три схемы включения полевых транзисторов в качестве усилителей. Наиболее широко применяется схема с общим истоком (ОИ), упрощенная схема которого приведена на рис.29.

В цепь затвора подается постоянное напряжение E_З и напряжение усиливаемого сигнала U_вх. Выходное напряжение складывается из постоянной составляющей и переменного напряжения U_вых.

На рис.30 приведено семейство выходных характеристик транзистора и проведена нагрузочная прямая в соответствии с уравнением U_СИ = E_С – R_С I_С (E_С =10 В, R =4 кОм ). Рабочая точка А при U_вх=0 соответствует E_З=3 В. Если на входе действует гармонический сигнал низкой частоты с амплитудой U_{m вх}, рабочая точка движется вдоль нагрузочной прямой. Крайние точки B и С определяются пересечением нагрузочной линии со статическими характеристиками, соответствующими напряжениям U′′_ЗИ=U⁰_ЗИ+U_mвх и U′_ЗИ=U⁰_ЗИ–U_{m вх}. Точки B и С определяют амплитуды выходного тока и выходного напряжения. На рис.31 показаны соответствующие точки на характеристиках передачи.

Из графика рис.30 находится коэффициент усиления по напряжению. Поскольку амплитуды положительных и отрицательных полуволн U_вых несколько отличаются (есть некоторые нелинейные искажения), нужно брать отношение разностей максимального и минимального напряжений (коэффициент усиления по первой гармонике):

В нагруженном режиме к уравнению (65), связывающему приращение тока с приращениями напряжений, добавляется еще одно:

ΔU_СИ= –R_C·ΔI_С,

Из этих двух уравнений находится связь коэффициента усиления со статическими параметрами:

(73)

Отсюда видно, что чем больше сопротивление R_C , тем больше коэффициент усиления. Однако с увеличением R_C (при E_C=const) рабочая точка смещается в сторону малых напряжений U⁰_CИ (см. штриховую линию на рис.30, соответствующую R_C =10кОм) и может попасть в крутую область выходных характеристик. Тогда крутизна, а следовательно, и коэффициент усиления снижаются. Поэтому при увеличении R_C надо одновременно повышать напряжение E_C . Максимальное значение E_C ограничено допустимой рассеиваемой мощностью и пробоем стокового перехода.

Поиск по сайту: