Файл: Конспект лекций по дисциплине Эц и МСХТ.doc

6. Полевые транзисторы

Полевым (униполярным) транзистором называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинается движение носителей заряда, называется истоком, а электрод, к которому они движутся, – стоком. Электрод, создающий управляющее электрическое поле называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p–n-пере­хо­дом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы). По типу электропроводности полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналами "p" и "n" типов.

Транзистор с управляющим p­–n-переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которого сделаны два вывода – исток и сток. Вдоль пластины выполнен p–­n-переход, от которого сделан третий вывод – затвор (рис. 26) [5].

Рис. 26. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом (а)

и его условное обозначение (б)

Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком и истоком будет протекать ток. Сопротивление канала, а следовательно, и ток, проходящий через канал, зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимален, называется напряжением отсечки . Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стока также будет изменяться по тому же закону. Статические характеристики транзистора с управляющим р–n-пере­хо­дом приведены на рис. 27.

Рис. 27. Входная (а) и выходная (б) характеристики полевого транзистора

с управляющим p–n-переходом

Максимальный ток стока будет при нулевом напряжении на затворе. При уменьшении напряжения на затворе ток стока уменьшается и при он становится равным 0.

Полевые транзисторы характеризуются следующими параметрами:

• крутизной характеристики при;

• ^{коэффициентом усиления по напряжению} при;

• выходным сопротивлением при;

• входным сопротивлением ;

• напряжением отсечки ;

• максимальным током стока .

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы), в отличие от рассмотренных выше, имеют затвор, изолированный от канала слоем диэлектрика. Поэтому они имеют очень большое входное сопротивление до (10¹²…10¹⁴) Ом.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля.

МДП-транзисторы делятся на транзисторы с встроенным каналом и на транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы имеют четвертый электрод, называемый подложкой, который выполняет вспомогательную роль. МДП-транзисторы могут быть с каналами n- или р-типа. На рис. 28 приведены конструкция и характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа [5].

Рис. 28. Конструкция (а), условные обозначения (б), входная (в) и выходная (г)

характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

В МДП-транзисторах со встроенным каналом токопроводящий канал создается технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя. Поэтому при = 0 канал существует.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом отличаются тем, что проводящий канал здесь не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины при приложении к затвору напряжения положительной (отрицательной) полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое возникает токопроводящий канал, соединяющий области стока и истока. При изменении напряжения на затворе изменяется сопротивление канала. На рис. 29 приведены конструкция и статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом [5].

Рис. 29. Конструкция (а), условные обозначения (б), входная (в) и выходная (г) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Особенностью данного транзистора является то, что управляющий сигнал имеет ту же полярность, что и напряжение .

Полевые транзисторы так же, как и биполярные, могут быть включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС).

Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение. Полевые транзисторы успешно применяются в различных усилительных и переключающих устройствах, они часто используются в сочетании с биполярными транзисторами. На базе полевых транзисторов построены многие интегральные микросхемы.

7. Устройство и принцип работы дифференциального усилителя Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Дифференциальный усилитель представляет собой мостовые усилительные каскады параллельного типа [5]. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Усилитель состоит из двух каскадов, у которых имеется общий эмиттерный резистор (рис. 30).

Рис. 30. Дифференциальный усилительный каскад (а) и его эквивалентная схема (б)

Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания , а в другую – сопротивление нагрузки . Для балансировки моста необходимо, чтобы выполнялось условие:

,

или

,

где и–выходные сопротивления транзисторов VT1 и VT2.

Таким образом, можно утверждать, что если элементы схемы будут полностью идентичны, то выходное напряжение будет оставаться постоянным:

Дифференциальный усилитель имеет два входа и два выхода, поэтому для выходного напряжения можно записать:

,

где и– соответственно коэффициенты усиления каскадов на транзисторах VT1 и VT2.

В случае когда входные сигналы равны по амплитуде и противофазны, и. При этом выходной сигнал будет равен

где – коэффициент усиления дифференциального усилителя.

В отличие от полезного сигнала, который поступает на входы дифференциального усилителя в противофазе, на входы усилителя могут действовать сигналы, совпадающие по фазе. Такие сигналы называются синфазными. Появление данных сигналов обусловлено действием различных дестабилизирующих факторов, например, изменением температуры окружающей среды, изменением питающих напряжений наводками внешних электромагнитных полей. Для идеального дифференциального усилителя синфазные сигналы полностью подавляются, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен нулю.

В реальных усилителях из-за неидентичности каскадов подавление будет неполным, и поэтому величина будет больше нуля.

Параметром качества дифференциального усилителя является отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала. Оно называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала, обычно измеряемым в дБ:

.

Величина в современных дифференциальных усилителях достигает величины (–80…–130) дБ [4]. Значение характеризует дрейф нуля усилителя, т.е. изменение выходного напряжения при постоянном входном сигнале. Для снижения дрейфа нуля производят подбор пар транзисторов с одинаковыми параметрами и увеличивают . Для увеличения в эмиттерную цепь устанавливается не пассивный резистор, а источник тока на биполярном или полевом транзисторе [2, 3]. Эти схемы при небольшом статическом сопротивлении обладают большим дифференциальным сопротивлением.

Для увеличения коэффициента усиления в современных дифференциальных усилителях вместо резисторов используют активную нагрузку, выполненную на транзисторах [2, 3].