Особенности задания рабочей точки и термостабилизации ПТ

В усилительных устройствах достаточно часто применяются полевые транзисторы. Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые усилительные приборы, принцип работы которых основан на использовании

 

 

подвижных носителей зарядов одного типа – либо электроны, либо дырки (рис.

 

5.10).

 

 

Рис.5.10. Обозначение и технологическая схема транзистора

 

Особенности ПТ (относительно биполярного транзистора (БТ)):

 

1) ПТ – активный элемент (АЭ), управляемый напряжением (р.т. задаётся напряжениями на выводах), в отличие от БТ, который является АЭ, управляемым током (р.т. задаётся токами). ПТ были разработаны на замену лампам – используются носители одного типа, а регулировка осуществляется потенциалом затвора, который определяет пропускную способность канала исток-сток.

 

2) К особенностям ПТ следует отнести большое входное сопротивление R _Вх по сравнению с БТ. Это обусловлено особенностями технологии создания таких транзисторов.

 

3) ПТ может работать без специальных цепей, задающих р.т. Например, рабочий режим ПТ определяется напряжением покоя сток-исток U _С и током покоя стока I _С.

 

4) Эквивалентная схема ПТ предполагает использование модели с распределенными параметрами. Это обусловлено тем, что область затвора и канала у ПТ представляют собой распределенную RC-цепь. Однако, такая модель очень сложна при использовании её в инженерных расчетах. Поэтому обычно в инженерных расчетах применяют эквивалентную схему ПТ на сосредоточенных элементах, которая с удовлетворительной для эскизного проектирования точностью аппроксимирует усилительные свойства ПТ независимо от его типа.

 

Рассмотрим схему с общим истоком (ОИ) (рис.5.11).

 

 

E П

R С

C р

C р

VT

R Н

C Н

R З

C И

R И

Рис.5.11. Схема ОИ

 

Чем больше сопротивление затвора R _З, тем больше входное сопротивление всего каскада R _Вх, поскольку входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение сопротивлений затвора и входного сопротивления ПТ:

 

R Вх R З||		.	(5.6)
Y

 

Следует отметить, что в любых схемах обязательно нужно предусматривать пути протекания постоянного входного тока. Если убрать сопротивление затвора, то схема работать не будет, поскольку не будет тока для задания рабочей точки.

 

Для задания рабочей точки необходимо задаться значениями:

 

ток истока (J _И0), ток затвора (J _З0), ток стока (J _С0).

 

При этом должно быть обеспечено требуемое значение напряжений затвор-исток и сток-исток:

U

И J И0 R И,

J

R,

U

З

З0

(5.7)

З

U

U

J

R J

R.

U

И

З

И 0

З0

ЗИ

И

З

Матрица параметров ПТ имеет вид:

Y 11	Y 12				(5.8)
Y 21	Y 22		S	yi

 

 

Из уравнений (5.7) и матрицы (5.8) следует, что входной ток ПТ очень мал,

 

поскольку входное сопротивление очень большое: J _З0 R _З J _И0 R _И. Поэтому справедливо приближенное равенство U _ЗИ J _И0 R _И. Такая схема называется схемой с автосмещением: ток истока, протекая через сопротивление истока создает на нем падение напряжения, которое прикладывается к сопротивлению затвора (задаёт рабочую точку). Кроме того, по аналогии со схемой ОЭ сопротивление истока создаёт ООС.

 

У БТ с увеличением температуры для любой рабочей точки (точки покоя)

 

все токи также увеличиваются. У ПТ ток затвора крайне мал, и связан с температурой по сложному закону. Например, при увеличении температуры на каждые 10^о С ток затвора увеличивается почти в 2, 5 раза. Температурная нестабильность тока стока ПТ при росте температуры I _С f t ^о С обусловлена

 

следующими факторами:

 

­ увеличением тока стока за счет теплового смещения проходных характеристик (как и в БТ) при малых значениях тока покоя стока I _C0;

 

­ уменьшением тока стока за счет уменьшения удельного сопротивления канала исток-сток в широком диапазоне изменения тока покоя стока I _C0.

 

Таким образом, у ПТ существует термостабильная р.т. У ПТ на сквозной характеристике существует область, где при увеличении температуры ток увеличивается, и область где при увеличении температуры ток уменьшается

 

(рис.5.12). Следовательно, существует область компенсации. При выборе рабочей точки необходимо максимально приближаться к термостабильной рабочей точке.

 

2) R И р.т. R Ит/с

 

 

Рис.5.12. Сквозные характеристики ПТ при изменении температуры

 

Ток стока зависит от температуры:

 

		dJ С	dJ	З R З dE З S		(5.9)
			.
				1 S R И
Потребуем выполнения условия:
		dJ С dJ СДоп.		(5.10)
Допустимая нестабильность тока стока определяется по нагрузочным
прямым	на	выходных	характеристиках,	либо	задаётся	–
dJ С Доп10 15 % J С0.Исходя из записанного	требования	к максимально

 

допустимому изменению тока стока определим термостабильное сопротивление истока (7.13):

R Ит/c		J	З R З E З			.	(5.11)
	J СДоп	S

Выражение (5.11) определяет величину сопротивления в цепи истока R _И,

 

необходимую для термостабилизации р.т. в заданном температурном диапазоне с учётом допустимого изменения тока стока dJ _СДоп. В результате получается

 

две величины сопротивления истока:	R Ир.т.и R Ит/с.Следовательно, возможны
два варианта:
1) R И р.т. R Ит/с – это наилучший	случай, когда при установке в схему

сопротивления R _Ир.т. обеспечивается термостабилизация лучше заданной.

 

– в этом случае придётся модифицировать схему для

 

обеспечения заданной термостабилизации (рис.5.13).

 

 

E П

R С

C р

C р

VT

R З

R И р.т.

C И

R’ И т/с

Рис.5.13. Схема ОИ с модифицированной цепью истока

Сопротивление R Ир.т. обеспечивает необходимое

для задания рабочей

точки падение напряжения на сопротивлении затвора.

Сопротивление R И'т/с

обеспечивает увеличение сопротивления истоковой цепи до необходимого для

 

обеспечения заданной термостабилизации – R _{И т/ с} R _{И р.т.} R _И'_т/с.

 

Дополнительным достоинством данной схемы (рис.5.13) является увеличенное входное сопротивление.