Источник тока на полевом транзисторе. Генераторы тока на транзисторах и операционных усилителях: схемы, принцип работы, расчет

Что такое источник тока. Как работают простейшие генераторы тока на биполярных и полевых транзисторах. Какие схемы токовых зеркал существуют. Как рассчитать элементы источников тока на биполярных транзисторах. Какие преимущества имеют источники тока на операционных усилителях.

Что такое источник тока и для чего он нужен

Источник тока (генератор тока) — это электронное устройство, обеспечивающее постоянную силу тока в нагрузке независимо от ее сопротивления. В отличие от источника напряжения, генератор тока поддерживает заданную величину тока при изменении сопротивления нагрузки.

Основные характеристики источника тока:

• Величина выходного тока
• Выходное сопротивление (определяет стабильность тока при изменении нагрузки)
• Диапазон допустимых выходных напряжений
• Температурная стабильность
• Зависимость от колебаний напряжения питания

Источники тока применяются там, где требуется обеспечить постоянство протекающего тока, например:

• Питание светодиодов
• Питание газоразрядных ламп
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Измерительное оборудование

Простейшие схемы генераторов тока

Рассмотрим базовые схемы источников тока на транзисторах и операционных усилителях:

Генератор тока на биполярном транзисторе

Это самая простая, но и самая несовершенная схема. Она имеет следующие недостатки:

• Температурная нестабильность
• Зависимость тока от напряжения питания
• Влияние эффекта Эрли

Выходной ток приблизительно равен: I_н = I_к ≈ β × I_б, где β — коэффициент усиления транзистора.

Генератор тока на полевом транзисторе

Данная схема менее чувствительна к нестабильности питания, но имеет существенный недостаток — сложность предварительного расчета выходного тока из-за большого разброса параметров полевых транзисторов.

Генераторы тока на операционных усилителях

Схемы на ОУ являются наиболее совершенными и близки к идеальным источникам тока. Их основной недостаток — «плавающая» нагрузка, не связанная с общим проводом.

Ток через нагрузку с высокой точностью определяется формулой: I_н = U_вх/R1

Улучшенные схемы стабилизаторов тока

Для устранения недостатков простейших схем применяются более сложные стабилизаторы тока:

Стабилизатор тока с температурной компенсацией

Принцип работы: при увеличении тока нагрузки растет падение напряжения на резисторе R1. При достижении ≈0.6В открывается транзистор T1, уменьшая ток базы T2 и, соответственно, ток нагрузки.

Выходной ток рассчитывается по формуле: I_н ≈ 0.6/R1

Температурный дрейф составляет ≈0.3% на 1°C.

Токовое зеркало

Базовая схема источника тока с улучшенной температурной стабильностью. Резисторы в эмиттерных цепях создают отрицательную обратную связь по току.

Ток нагрузки определяется формулой: I_н ≈ R_э1 × (E_п — 0.7) / (R1 × R_э2 + R_э1 × R_э2)

Двойное токовое зеркало

Схема обеспечивает снижение зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания.

Токовое зеркало Уилсона

Обеспечивает высокую стабильность выходного тока за счет подавления эффекта Эрли.

Каскодный генератор тока

Обладает очень высоким выходным сопротивлением (несколько МОм) и значительным ослаблением эффекта Эрли.

Как рассчитать элементы источника тока на биполярных транзисторах

Для всех рассмотренных схем токовых зеркал на биполярных транзисторах формула расчета выходного тока примерно одинакова:

I_н ≈ R_э1 × (E_п — 0.7) / (R1 × R_э2 + R_э1 × R_э2)

Эта формула дает погрешность не более 5-7% и позволяет рассчитать номиналы токозадающих резисторов.

Для упрощения расчетов можно воспользоваться онлайн-калькулятором:

«` import React, { useState } from ‘react’; import { Card, CardContent, CardHeader } from ‘@/components/ui/card’; import { Input } from ‘@/components/ui/input’; import { Button } from ‘@/components/ui/button’; export default function CurrentSourceCalculator() { const [r1, setR1] = useState(»); const [re1, setRe1] = useState(»); const [re2, setRe2] = useState(»); const [vcc, setVcc] = useState(»); const [result, setResult] = useState({ in: 0, ik1: 0 }); const calculate = () => { const r1Value = parseFloat(r1); const re1Value = parseFloat(re1); const re2Value = parseFloat(re2); const vccValue = parseFloat(vcc); if (r1Value && re1Value && re2Value && vccValue) { const in_ = re1Value * (vccValue — 0.7) / (r1Value * re2Value + re1Value * re2Value); const ik1 = (vccValue — 1.4) / (r1Value + re1Value); setResult({ in: in_.toFixed(3), ik1: ik1.toFixed(3) }); } }; return ( Калькулятор источника тока

setR1(e.target.value)} /> setRe1(e.target.value)} /> setRe2(e.target.value)} /> setVcc(e.target.value)} /> Рассчитать {result.in !== 0 && (

Выходной ток In: {result.in} мА

Задающий ток Ik1: {result.ik1} мА

)}

); } «`

Этот калькулятор позволяет быстро рассчитать выходной и задающий токи для схем источников тока на биполярных транзисторах.

Источники тока на полевых транзисторах

Источники тока на дискретных полевых транзисторах имеют ограниченное применение из-за значительного разброса параметров. Однако существуют специальные полупроводниковые приборы — токостабилизирующие диоды (CRD), основанные на полевых транзисторах с каналом n-типа.

Преимущества CRD:

• Имеют только два вывода
• Оптимизированы по вольт-амперным характеристикам
• Могут иметь нулевой температурный коэффициент
• Доступны в широком диапазоне токов и рабочих напряжений

Источники тока на операционных усилителях

Источники тока на ОУ обладают рядом преимуществ:

• Высокая точность и стабильность выходного тока
• Низкая зависимость от температуры и напряжения питания
• Возможность легко регулировать выходной ток
• Высокое выходное сопротивление

Основной недостаток — необходимость двухполярного питания для ОУ.

Преобразователи напряжение-ток

Преобразователи напряжение-ток позволяют управлять выходным током с помощью входного напряжения. Они могут быть построены как на операционных усилителях, так и на транзисторах.

Основные применения:

• Измерительные системы
• Управление технологическими процессами
• Аналоговые вычислительные устройства

Выбор оптимальной схемы источника тока

При выборе схемы источника тока следует учитывать следующие факторы:

• Требуемая точность и стабильность выходного тока
• Диапазон рабочих напряжений и токов
• Температурный диапазон работы устройства
• Допустимая сложность схемы
• Стоимость компонентов

Для большинства практических применений оптимальным выбором являются схемы на операционных усилителях или специализированные интегральные стабилизаторы тока. Они обеспечивают высокую точность и стабильность при относительно низкой стоимости.

Для простых устройств с невысокими требованиями к стабильности тока можно использовать базовые схемы на биполярных или полевых транзисторах. В специфических применениях, требующих минимальных габаритов или работы при высоких напряжениях, могут быть полезны токостабилизирующие диоды.

3.06. Источники тока на ПТ с p-n

Полевые транзисторы

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ

ПТ используется в качестве источников тока в составе интегральных схем (в частности, в ОУ), а также иногда и в схемах на дискретных элементах. Простейший источник тока на ПТ показан на рис. 3.16:

Рис. 3.16.

мы выбрали ПТ с p-n — переходом, а не МОП — транзистор, поскольку ему не требуется смещения затвора (режим с обеднением). Из стоковых характеристик ПТ (рис. 3.17) видно, что ток будет приблизительно постоянным при U

си больше 2 В. Однако в силу разброса I_Синач величина этого тока непредсказуема. Например, устройство 2N5484 (типичный n- канальный транзистор с p-n — переходом) имеет паспортную величину I_Снач от 1 до 5 мА. И все же эта схема привлекает своей простотой двухвыводного устройства, дающего постоянный ток. Существуют дешевые серийные «диодные стабилизаторы тока», представляющие собой всего лишь отобранные по току ПТ с p-n — переходом, у которых затвор соединен со стоком. Это токовые аналоги стабилитронов (стабилизаторов напряжения). Приведем характеристики таких приборов из серии 1N5283-1N5314:

Номинальный ток стабилизации от 0,22 до 4,7 мА

Допуск 10%

Температурный коэффициент ± 0,4%/°С

Диапазон напряжений 1 — 2,5 В мин., 100 В макс.

Стабильность тока 5% тип.

Динамическое (дифференциальное) сопротивление 1 МОм (тип.) для устройств с током 1 мА

Рис. 3.16.

Рис. 3.17. Семейство выходных характеристик n- канального ПТ с p-n — переходом типа 2N5484: зависимость I_c (U_си) при различных значениях U_зи при полном масштабе изменений параметров (а) и на начальном участке (б).

Рис. 3.18. «Диод — регулятор тока» 1N5294. а — полный масштаб изменения напряжения; б — начальный участок.

Мы построили график вольт-амперной характеристики устройства 1N5294, имеющего номинальный ток стабилизации 0.75 мА: рис. 3.18, а демонстрирует хорошее постоянство тока вплоть до напряжения пробоя (140В для данного конкретного образца), тогда как из рис. 3.18. б видно, что полный ток данного устройства достигается при падении напряжения на нем несколько меньше 1.5 В. В разд. 5.13 мы покажем, как можно использовать такого рода устройство для создания генератора пилообразного напряжения с острыми вершинами сигнала.

Источник тока с автоматическим смещением.

Вариация предыдущей схемы дает регулируемый источник тока (рис. 3.19). Резистор автоматического смещения R задает обратное смещение затвора I_сR, уменьшая I_с и приводя ПТ с p-n — переходом в состояние, близкое к отсечке. Можно рассчитать значение R по выходным характеристикам для конкретного ПТ. Эта схема не только дает возможность устанавливать ток (который должен быть меньше I_Снач), но и сделать это более предсказуемым образом. Кроме того, эта схема является лучшим источником тока (с более высоким динамическим сопротивлением) в силу того, что истоковый резистор обеспечивает обратную связь по току (которую мы рассмотрим в разд. 4.07), а также потому, что характеристики ПТ с p-n-переходом как источника тока при обратном смещении затвора всегда улучшаются, как это видно из приведенных на рис. 3.2 и 3.17 характеристик, где чем ниже кривая зависимости I_с от U_зи, тем она ближе к горизонтали. Однако, конечно, надо помнить, что значение I_с, полученное при каком-то значении U_зи для данного конкретного ПТ, может отличаться от взятого из характеристики на значительную величину ввиду технологического разброса. Если надо получить строго заданный ток. то можно использовать в цепи истока подстроечный резистор.

Упражнение 3.1. Подберите значение R для получения тока 1 мА в схеме источника тока на ПТ с p-n — переходом 2N5484, используя полученные измерениями кривые, представленные на рис. 3.17. Теперь оцените, к чему приводит тот факт, что паспортные данные I_Снач для 2N5484 имеют разброс от 1 до 5 мА.

Источник тока на ПТ с p-n — переходом. даже с резистором в цепи истока, дает несколько изменяющийся ток при изменении напряжения, т. е. он имеет конечное выходное сопротивление, а не желаемое бесконечное значение Z_вых. Кривые рис. 3.17 показывают, например, что у транзистора 2N5484 при изменении напряжения стока в рабочем диапазоне от 5 до 20 В ток стока при замкнутых накоротко истоке и затворе (т.е. I_Снач) изменяется на 5%. Эту вариацию можно уменьшить до 2% или около того, включив в цепь истока резистор Тот же прием, который был использован в схеме рис. 2.24 можно использовать и для источников тока на ПТ с p-n — переходом, как это и сделано на рис. 3.20. Идея (как и в случае с биполярными транзисторами) состоит в том. чтобы использовать второй ПТ с p-n — переходом для поддержания постоянным напряжения сток-исток в источнике тока. Т₁ в этом случае является обычным источником тока на ПТ с p-n — переходом с истоковым резистором.

Т₂ — ПТ с p-n — переходом с большим значением I_Снач, включенный «последовательно» с источником тока. Он пропускает постоянный ток стока Т₁ в нагрузку, удерживая в то же время напряжение на стоке Т₁ неизменным, а тем самым и напряжение затвор-исток, что вынуждает Т₂ работать с тем же током, что и Т₁. Таким образом, Т₂ «экранирует» Т₁ от колебаний напряжения на выходе; поскольку Т₁ не подвержен вариациям напряжения стока, он «сидит на месте» и обеспечивает постоянный ток. Если вернуться к схеме зеркала Вилсона (рис. 2.48). то мы увидим, что здесь используется та же идея фиксации напряжения.

Вы можете распознать в этой схеме на ПТ с p-n — переходом «каскодную» схему, которая обычно используется для преодоления эффекта Миллера (разд. 2.19). Каскодная схема на ПТ с p-n — переходом проще, чем на биполярных транзисторах, поскольку здесь не требуется напряжения смешения на затворе верхнего ПТ ввиду того, что он работает в режиме с обеднением, можно просто заземлить его затвор (сравните с рис. 2.74).

Упражнение 3.2. Объясните, почему верхний ПТ с p-n — переходом в каскодной схеме должен иметь более высокое значение I_Снач, чем нижний ПТ. Помочь в этом может рассмотрение каскодной схемы на ПТ с p-n — переходом без истокового резистора.

Важно осознавать, что источник тока на хороших биполярных транзисторах обеспечит намного лучшие предсказуемость и стабильность, чем источник тока на ПТ с p-n — переходом. Более того, построенные на ОУ источники тока, которые мы увидим в следующей главе, еще лучше. Например, источник тока на ПТ в типичном диапазоне температур и вариаций напряжения нагрузки может давать ток с отклонениями на 5%, даже если подгонкой истокового резистора установить желаемый ток; в то же время источник тока на ОУ из биполярных или полевых транзисторов даст без особых усилий со стороны разработчика предсказуемость и стабильность лучше 0,5%.

Ключи на ПТ

Генератор тока на полевом транзисторе.

5 614

Генератор тока на полевом транзисторе.

     Простой генератор тока на полевом транзисторе. Применение генератора тока на полевом транзисторе на практике. Дополнительный материал к статье «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения»

     ***

     Часто на мою предыдущую статью о генераторах тока посетители приходят по запросу «генератор тока на полевом транзисторе». Так как там ничего об этом не говорится я решил восполнить этот пробел данной статьёй.

     Здесь расскажу об одной, но очень привлекательной схеме генератора тока на полевом транзисторе КП303. Но сначала рассмотрим, что из себя представляет этот транзистор.

     Полевые транзисторы серии КП303(А-И) это кремниевые эпитаксиально-планарные полевые транзисторы с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа. Или их ещё называют полевыми транзисторами со встроенным n-каналом.

     Буква n означает что управление током через канал, то есть током протекающем от стока к истоку, осуществляется подачей отрицательного напряжения на затвор относительно истока, Рис. 1(а).

Рис. 1

     В этом смысле принцип работы эпитаксиально-планарных полевых транзисторов, т.е. полевых транзисторов со встроенным каналом аналогично работе электронной (радио) лампе, Рис. 1(б)

     Приблизительная зависимость тока стока (Iс) от Uзи для транзистора КП303И показана на графике, Рис. 2.

Рис. 2

     Для простоты ток Iси буду обозначать как ток стока Iс, так как это одно и тоже.

     Из графика видно, что при Uзи = 0, Iс = max.

     Минимума ток стока достигает при Uзи равном приблизительно минус 1,4В. На самом деле из-за большого разброса характеристик график лишь приблизительно отображает зависимость Ic от Uзи.

     Подавать положительный потенциал на затвор бессмысленно так как при Uзи = 0 транзистор, итак, открыт полностью.

     Вообще эквивалентную схему транзистора КП303 можно представить так как это показано на Рис. 3. Сопротивление переменного резистора R1 — десятки МОм, резистора R2 около 1кОм,.

Рис. 3

     Тогда, когда напряжение Uзи = 0 ползунок резистора R1 находится в нижнем положении, ток Iс будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / R2.

     То есть ток будет максимальным, но не бесконечным.

     Тогда, когда отрицательное напряжение на затворе достигнет некоторого максимума, ползунок резистора R1 окажется в верхнем положении и ток стока будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / (R1 + R2).

     То есть ток будет минимальным, но не нулевым.

     Такая зависимость тока стока от напряжения на затворе позволяет сделать очень простой генератор тока на полевом транзисторе КП303. Соберём такую схему, Рис. 4.

Рис. 4

     Подключим к клеммам 1-2 регулируемый источник напряжения. Начнём увеличивать напряжение от нуля. Изначально ток стока и ток через резистор равны нулю. Падение напряжения на резисторе также равно нулю, Uзи = 0. Транзистор полностью открыт.

     Повышение напряжения на клеммах приведёт к протеканию тока через транзистор и резистор. Появится некоторое падение напряжения на резисторе, при этом минус этого напряжения приложен к затвору, а плюс к истоку. Чем больше будет величина тока протекающего через резистор, тем больший запирающий потенциал будет на затворе.

     В конце концов схема войдёт в режим стабилизации тока так как попытка увеличения тока приводит к увеличению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к уменьшению тока. А попытка уменьшения тока к уменьшению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к увеличению тока. Изменяя величину резистора, можно изменять величину стабилизируемого тока.

     Схема собранная на транзисторе КП303И имеет максимальное рабочее напряжение 30В. Ток стабилизации единицы миллиампер. Недостаток схемы в том, что из-за большого разброса характеристик транзисторов невозможен какой-либо осмысленный расчёт.

     Но в этом нет большой беды. Зачастую расчёт и не нужен. Там, где нужен просто простой и стабильный источник тока, генератор тока. К тому же такой генератор тока не требует дополнительного источника питания. Такая схема очень хороша в генераторах пилообразного напряжения для получения высокой линейности пилы.

     Дело в том, что в обычных, не лабораторных генераторах пилообразного или треугольного напряжения используется принцип заряда-разряда конденсатора. Если этот самый заряд-разряд производить через резистор, то напряжение на конденсаторе будет изменяться по экспоненте. Если вместо резистора включить источник (генератор) тока, то напряжение будет изменяться строго по прямой линии.

     Есть у этой схемы ещё одно достоинство. Её можно использовать для стабилизации тока в цепи переменного напряжения, для этого схему изображённую на Рис. 4 нужно включить в диагональ диодного моста, Рис 5.

Рис. 5

     В этой схеме полярность приложенного напряжения не важна. Именно такую схему генератора тока я применил в двухканальном прецизионном генераторе треугольного напряжения ШИМ-модулятора электронной нагрузки, описанной в статье «Импульсная электронная нагрузка».

Регулируемый источник тока схема

Схемы генераторов тока, разновидности токовых зеркал, Онлайн калькулятор
расчёта элементов источников тока.

На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию «Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования», поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока.
– Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! – начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин.
– Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц – как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков.
«Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?» – станет темой нашего научного коллоквиума.

Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:

«Источник тока – элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока. » – учит нас Википедия.

Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.

Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока.
Первой и основной из них является величина выходного тока.
Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.
Третья спецификация – это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме.
В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.

Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.

Рис.1

Схема источника тока на биполярном транзисторе – самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков – и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк≈β×Iб.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток – практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников.
Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.

Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) – вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Единственное, но существенное в отдельных случаях «но» состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой никаким боком к земле.
Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой I_н= U_вх/R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.

Рис.2

Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока.
За примерами далеко ходить не надо – источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока.
Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку.
Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб .
Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать – максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы.
Выходной ток рассчитывается по простой формуле I_н≈0,6/ R1 .
В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.

Рис.3

Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока.
Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2.

Здесь ток I_k1 , задаваемый резистором R1:
I_к1≈(E_п-0,7)/(R1+ R_э1) ,
а ток, протекающий в нагрузке:
I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2) .

Рис.4

Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые двойным зеркалом тока.
Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние.

I_к1≈(E_п-1,4)/(R1+ R_э1) ,
I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2) .

Рис.5

Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток.

Все формулы аналогичны предыдущему описанию:
I_к1≈(E_п-1,4)/(R1+ R_э1) ,
I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2) .

Рис.6

Каскодный генератор тока, изображённый на Рис. 6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в несколько МОм.

Легко заметить, что для всех типов приведённых токовых зеркал формула для расчёта выходного тока – одна и та же. Формула приблизительная, не учитывающая влияние на расчётные показатели незначительных величин базовых токов транзисторов, однако дающая возможность с погрешностью, не превышающей 5-7%, рассчитать величины токозадающих элементов.
При необходимости сгенерить ток обратного направления, следует перевернуть схему вверх ногами и заменить n-p-n транзисторы на полупроводники обратной проводимости.

И по традиции приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.

РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Выбор схемы источника тока&nbsp Сопротивление резистора R1 (кОм) Сопротивление резистора Rэ1 (кОм) Сопротивление резистора Rэ2 (кОм) Напряжение питания (В) Выходной ток I_н Задающий ток I_k1

Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников, практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем. При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.

Рис.6

Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах – занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное.
Другое дело – специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа.

Рис.7

Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент.
Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.

А на следующей странице продолжим тему – посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

Для всех, кто ищет действительно качественную и серьёзную схему лабораторного БП, могу предложить недавно собранную мной схемку на полевых транзисторах и операционнике LM358 из журнала РАДИО №7, 2008г. Выдаёт максимально 30V, 5A – работает нормально. Далее описание от автора конструкции: лабораторный БП имеет интервал регулировки выходного напряжения 2.5-30 В при токе до 5 А. Он снабжен узлом защиты от перегрузки по току, который может работать в двух режимах: ограничителя тока и отключения выходного напряжения. Ток срабатывания можно установить в пределах 0.15. 5 А. В состав БП входят также узлы управления вентилятором и защиты от перегрева.

Схема принципиальная ЛБП

Выпрямитель собран на диодном мосте VDI и сглаживающем конденсаторе С1, на микросхеме DA1 собран вспомогательный стабилизатор напряжения 12 В, от которого питаются некоторые узлы. В качестве регулирующего транзистора VT5 применен мощный полевой переключательный п-канальный транзистор, включенный в минусовую линию выходного напряжения, благодаря чему обеспечивается минимальная разность входного и выходного напряжения. Этот транзистор общий для узлов стабилизации напряжения и тока, его сток через переключатель SA3 может быть подключен к минусовой клемме розетки XS1. которая является выходом стабилизированного напряжения, или через диод VD5 к плюсовой клемме розетки XS2. которая является входом узла стабилизации тока (входом эквивалента нагрузки). Выключателем SA4 можно подключить стабилизатор напряжения (тока) к выходу (входу) ИП, при этом будет светить светодиод HL5.

Узел стабилизации выходного напряжения содержит микросхему параллельного стабилизатора САЗ, согласующий каскад на транзисторе VT3 и управляющий транзистор VT4. Переменный резистор R18 совместно с резистором R19 образует делитель напряжения, поступающего на управляющий вход стабилизатора DA3. В состав этой микросхемы входит источник эталонно! о напряжения 2,5 В, что и определяет минимальное выходное напряжение ИП. После включения питания выключателем SAI «Сеть» выпрямленное напряжение (32. 35 В) с выпрямителя поступает на регулирующий транзистор VT5. Одновременно с выхода стабилизатора DAI напряжение питания поступит на ОУ DA2.2. и на его выходе установится напряжение около 11 В, которое через резистор R8 поступит на затвор транзистора VT5, открывая его, в результате выходное напряжение увеличивается. Станет увеличиваться и напряжение на управляющем входе стабилизатора DA3. и когда оно превысит 2.5 В, ток через стабилизатор DA3 возрастет, транзисторы VT3, VT4 откроются, а транзистор VT5 станет закрываться, уменьшая выходное напряжение. Его установку осуществляют переменным резистором R18, микроамперметр РА1 совместно с резисторами R15 и R16 используется как вольтметр.

Узел защиты от перегрузки по току состоит из резистивного датчика тока R4, ОУ DA2.2 и тиристорной оптопары U1. Переменным резистором R3. входящим в состав делителя R2R3. устанавливают ток срабатывания защиты, а режим ее работы устанавливают выключателем SA2 «Защита по току». В показанном на схеме положении этого выключателя происходит ограничение (стабилизация) выходного тока, при замкнутых контактах выходное напряжение отключается. Выходной ток протекает через резистор R4 и создает на нем падение напряжения; пока оно меньше напряжения на резисторе R3, на выходе ОУ DA2.2 будет напряжение, которое через резистор R8 поступает на коллектор транзистора VT4 и затвор транзистора VT5. поэтому стабилизатор выходною напряжения работает в нормальном режиме.

При увеличении выходного тока увеличится напряжение на резисторе R4, и когда оно превысит напряжение на резисторе R3. на выходе ОУ DA2.2 оно уменьшится, транзистор VT5 закроется и ИП перейдет в режим ограничения выходного тока, при этом выходное напряжение станет меньше установленного и не регулируется. Светодиод HL3 будет включен, сигнализируя, что происходит ограничение тока в нагрузке. При уменьшении выходного тока ИП автоматически перейдет в режим стабилизации напряжения.

При замкнутых контактах выключателя SA2 при превышении выходным током заранее установленного значения начнет протекать ток через излучающий диод оптопары U1 и фототринистор откроется. Напряжение на затворе транзистора VT5 станет меньше напряжения открывания, и выходное напряжение источника питания уменьшится практически до нуля. Светодиод HL4 загорится, сигнализируя о том. что произошло отключение выходного напряжения по причине превышения тока в нагрузке. Вывести устройство из этого состояния можно отключением его от сети и последующим включением, а также разомкнув контакты выключателя SA2.

В положении переключателя SA3 «Экв. нагр.» устройство может работать как эквивалент нагрузки (I). При этом отключается узел стабилизации напряжения и ОУ DA2.2 совместно с транзистором VT5 образуют стабилизатор тока. К гнезду XS2 подключают проверяемый блок питания или аккумулятор, а ток устанавливают резистором R3. Диод VD5 служит для защиты от неправильного подключения внешних источников напряжения.

Поскольку у ИП большой интервал регулирования выходною напряжения при токе до 5 А, при определенных условиях, например, при малом выходном напряжении и большом токе, на регулирующем транзисторе VT5 рассеивается значительная мощность (100 Вт и более). Это требует как его защиты от перeгрева, так и эффективного охлаждения теплоотвода за счет принудительного обдува вентилятором. Узел защиты от nepef рева собран на терморезисторе RK1 и ОУ DA2.1. который работает как компаратор. Датчик температуры на терморезисторе RKI с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления установлен на теплоотводе в непосредственной близости от транзистора VT5.

Когда температура теплоотвода меньше аварийной, напряжение на входе (вывод 3) ОУ DA2.1 больше, чем на инвертирующем (вывод 2). и на ею выходе (вывод1) напряжение — около 11 В. Диод VD4 закрыт, светодиод HL2 не включен, и узел защиты от перегрева не влияет на работу стабилизатора напряжения. По мере разогрева теплоотвода, приблизительно до 80С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается и напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 станет меньше, чем на инвертирующем — на его выходе будет напряжение, близкое к нулю. Транзистор VT5 закроется, а напряжение на выходе источника питания станет также близко к нулю. Светодиод HL2 включится, указывая на перегрев транзистора VT5. Поскольку нагрев (охлаждение) теплоотвода процесс инерционный, включение ИП произойдет через некоторое время после остывания теплоотвода, этим обеспечивается гистерезис в работе узла защиты от nepeгрева.

Для эффективного охлаждения теплоотвода в устройстве применен вентилятор. В узел управления вентилятором входит регулируемый источник напряжения с ограничением его максимального значения (13. 14 В), собранный на составном транзисторе VT1. стабилитроне VD2 и резисторе R5, а также управляющий полевой транзистор VT2. Ограничение напряжения необходимо, поскольку номинальное напряжение питания вентилятора — 12 В. Входное сопротивление транзистора VT2, подключенного к терморезистору RK1 велико и поэтому не влияет на работу узла защиты. Когда теплоотвод холодный, сопротивление терморезистора RK1 велико и напряжения на нем достаточно для открывания транзистора VT2. В результате транзистор V11 закрыт и напряжение питания на вентилятор не поступает. При нагреве теплоотвода до 40С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается, транзистор VT2 закрывается, a VT1 открывается и напряжение поступает на вентилятор — он начинает вращаться. Чем выше температура теплоотвода, тем быстрее вращается вентилятор. При остывании теплоотвода происходит обратный процесс.

Настройка блока питания

Налаживание ИП начинают с калибровки вольтметра подстроечным резистором R16 по образцовому цифровому вольтметру. Если применен терморезистор с другим номиналом (не менее 4,7 кОм). подбором резистора R7 устанавливают температуру включения вентилятора, а подбором резистора R9 — температуру включения защиты от перегрева. В положениях «Ист. пит.» переключателя SA3 и «Ограничение» выключателя SA2 подключают к выходу ИП последовательно соединенные образцовый амперметр и резистор сопротивлением 2 Ом мощностью рассеивания 50 Вт и градуируют шкалу переменного резистора R3.

С помощью ИП можно заряжать различные типы аккумуляторных батарей. Для этого батарею с соблюдением полярности подключают к выходу ИП, переключатель SA2 при этом должен быть в положении «Ограничение», a SA4 — в положении «Выкл». Устанавливают выходное напряжение блока питания соответствующее напряжению полностью заряженной батареи, а резистором R3 устанавливают ток зарядки. Выключателем SA4 включают процесс зарядки, при этом включится индикатор «Ограничение», а напряжение на выходе, то есть на батарее, уменьшится в зависимости от ее состояния. В процессе зарядки напряжение на ней возрастает, что контролируют вольтметром ИП, и когда оно достигнет заранее установленного значения, индикатор «Ограничение» выключится и ИП перейдет в режим стабилизации напряжения. В таком состоянии ток зарядки плавно уменьшается и перезарядка батареи исключена.

Для проверки блоков питания и разрядки аккумуляторных батарей их подключают к гнезду XS2 в положении переключателя SA3 «Экв. нагр.». резистором R3 устанавливают ток разрядки, а напряжение контролируют внешним вольтметром. Не следует допускать глубокой разрядки батареи. Возможно, что при зарядке или разрядке батареи станет срабатывать защита от перегрева, тогда эти процессы будут временно прерываться, но после охлаждения теплоотвода возобновятся.

Выше смотрите фото готового устройства и если есть желание посмотреть более подробно – скачайте этот архив. Автор схемы А. КУЗНЕЦОВ, г. Кадников Вологодской обл., сборка – sterc.

Обсудить статью РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Жучки GSM из мобильников – модернизация и несколько советов о переделках.

УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ FM МОДУЛЯТОРА

Принципиальная схема усилителя мощности ВЧ сигнала для ФМ модуляторов.

СВЕТОДИОД 5 ВТ

Эксперименты с мощным светодиодом на 5 ватт, заказанным в одной китайской фирме.

КАК СДЕЛАТЬ СВЕТОДИОДНУЮ ЛАМПУ

Три примера изготовления самодельных ламп с применением светодиодов, на различную мощность. Для ночника, настольного светильника и в прихожую.

Предлагаю схему регулируемого источника тока и напряжения на базе ИМС LM317.

Особенность данного варианта схемы заключается в повышенной точности регулировки стабилизации по току (практически от 1mA до 1А).

При необходимости пределы регулировок можно изменить.

Дальше будет приведена электрическая принципиальная схема устройства, рекомендации по настройке и пояснения. В качестве первоисточников использовались данные на радиоэлементы согласно спецификации производителей и базовые схемотехнические решения.
Существует и ряд решений получения аналогичных параметров от других авторов, но их схемы не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым мной к данному устройству:

• Малый коэффициент пульсаций
• Широкий диапазон регулировки напряжения и тока с малой (задаваемой) дискретностью
• Использование легкодоступных и недорогих компонентов, имеющих много аналогов
• Работа на импульсную нагрузку
• Возможность работы как с цифровыми так и стрелочными (электромеханическими) приборами измерения напряжения и тока
• Минимализация количества радиоэлементов электронной схемы
• Автоматический переход в режим стабилизации тока при аварийном снижении сопротивления нагрузки и обратно в режим стабилизации напряжения при нормализации
• Возможность использования только одной обмотки понижающего трансформатора для одного источника
• Гальваническая развязка между несколькими источниками (в случае применения нескольких стабилизаторов в одном устройстве без необходимости объединения питания отдельных модулей) .
• Высокий коэффициент стабилизации как напряжения так и тока
• Легкая повторяемость
• Недопустимость импульсов напряжения на нагрузке выше установленных, при регулировке и коммутации напряжения и тока из-за переходных процессов в радиоэлементах регулировки и коммутации
• Исключение сбоев стабилизации тока и напряжения из-за импульсного характера нагрузки
• Снижение тепловых потерь в регулирующем элементе свойственных схемам с непрерывной стабилизацией (коммутированием диапазона регулировки по напряжению с целью снижения падения напряжения на регулирующем элементе)
• Зависимость линейности регулировок напряжения и тока только от характеристики регулирующего элемента (переменных резисторов регулировки (группы А или Б))

С целью заполнения этого пробела, мной было разработано и изготовлено данное устройство.

Сокращения:
БП – блок питания
ОУ – операционный усилитель
ИМС – интегральная микросхема

Т1 – трансформатор
S1 – переключатель диапазона регулировки напряжения (0..7V и 6. 12V граничные значения подстраиваются R4, R14. R15)»
S2 – кнопка с самовозвратом* (контроль ограничения по току)
D1-D4 – диодный мост (тип диодов или сборки определяется желаемым выходным током устройства)**
С6-С7 – 0.1 мкф на напряжение выше чем между выводами 1 и 3 трансформатора T1 без нагрузки
DA1 – LM317 или аналогичная ИМС регулируемого стабилизатора напряжения
С1 – 4700 . 10000мкф на 35V (возможно использование нескольких конденсаторов в параллельном включении 🙂
С2, С4, С11, С12, С14, С16, С17 – 0,1мкф
D5-D7 – любые выпрямительные диоды средней мощности (например 1N4007)
С5 -1,0 мкф (на любое напряжение)
СЗ, С9 – 100мкф на 16V и 35V соответственно
R1 – 0.05. 0.08R (медная проволока в эмалевой иззоляции 0.6mm длинной около 60 сантиметров, сопротивление подбирается исходя из падения напряжения выше напряжения смещения DA3 при токе 1-2 mА (для DA3- К140УД17 это около 80. 100 микровольт)
R2 – 470R, R3 – 10кОм (переменное)
С8 – 1000 мкф на 35V, С10 – 10мкф на 10V
R5 – 1кОм (нагрузочный, необходим для получения тока нагрузки стабилизатора в 6mA. согласно спецификации DA2)
R6 -100R. R7- 26kOm». R8 – 68kOm*. R9-51kOm, R10-2kOm. R11 – 1МОм. R12 – 12кОм». R13 – 10кОм (переменное)
С12, С15 – 68. 100 пикофарад. С13 – 1мкф на 50 и более вольт
R16 – 1 . 5R 5W (используется для удобства выбора установки граничного значения тока при нажатии на кнопку S2)
D8 – АЛ107 (или любой другой светодиод но желательно с малым падением напряжения в открытом состоянии
(около 1.6V при токе 2mA))
DA2 – LM7906 (или аналогичная ИМС стабилизатора напряжения на минус 6 вольт)
DA3 – К140УД17 (любой маломощный прецезионный усилитель с напряжением смещения меньше милливольта и питанием 30 и более вольт)
DA4 – К140УД7 (любой усилитель средней мощности (с током нагрузки до 2mA при выбранном диапазоне напряжений)
Цифровые вольтметры использованы для получения большей точности установки напряжения и тока.
но их применение необязательно, и могут быть заменены стрелочными индикаторами с ухудшением
точности измерения в последнем случае.
*должны быть рассчитаны на коммутацию максимального тока
**желательно использовать диоды или диодный мост с 50. 100% запасом по граничному значению тока

Типичные осциллограммы пульсаций на нагрузке при максимальном токе:
Нагрузка резистивная 10 mV / 5mS на деление:

Нагрузка импульсная (электродвигатель) 20mV / 5mS на деление:

Для удобства восприятия схема разделена на функциональные блоки.
Краткое описание назначения блоков:

• Выпрямитель – преобразование переменного напряжения снимаемого с двухсекционной обмотки трансформатора Т1 в постоянное не стабилизированное напряжение
• Стабилизатор, регулятор напряжения – стабилизация и регулировка выходного напряжения со встроенным датчиком тока на сопротивлении R1
• Источник -6V – стабилизированный источник отрицательного напряжения 6 вольт для питания ОУ DA3 , DA4 и обеспечения необходимого смещения для регулировки выходного напряжения от 0 V
• Усилитель напряжения – инвертирующий усилитель напряжения выделяемого на измерительном сопротивлении R1 при наличии тока нагрузки, которое пропорционально значению этого тока, для измерения электронным вольтметром и для работы регулятора тока
• Регулятор тока – сравнение напряжений снимаемых с усилителя напряжения и резистора R13 – регулятора ограничения выходного тока устройства для управления ОУ DA1 в режиме стабилизации тока
• Цифровые вольтметры – отдельные устройства и их параметры на работу схемы влияния не оказывают, предъявляемые к ним требования зависят от желаемой точности контроля выходного тока и напряжения

Описание работы устройства и назначения элементов:

С вторичной обмотки понижающего трансформатора Т1 через первую группу контактов переключателя S1 переменное напряжение выбранной величины (9 и 16 вольт соответственно без нагрузки) подается на диодный мост D1 – D4 где преобразуется в не стабилизированное постоянное напряжение. Конденсаторы С6 и С7 снижают уровень импульсных помех проникающих из электросети.
Далее это напряжение сглаживается конденсатором С1 и фильтруется С2 после чего подается на вход основного регулирующего элемента – DA1 .
Для управления выходным напряжением DA1 используется источник отрицательного напряжения -6 V а так-же сопротивления R2 – R4 , R14 , R15 и вторая группа контактов переключателя S1 для коммутации выбранного диапазона напряжений.
Назначение этих сопротивлений такое:
R2 – обратная связь по напряжению ОУ DA1 , его значение выбирается из отношения к сумме сопротивлений R3,R4,R14,R5 и определяет значение выходного напряжения.
Его значение выбрано вдвое больше обычного (240 Ом) с целью снижения выходного тока ОУ DA4 (в режиме стабилизации тока через светодиод индикации включения режима ограничения тока D8 ток составляет около 2 mA при минимальном выходном токе источника питания).
R15 – отвечает за нулевое значение выходного напряжения БП при выбранном диапазоне регулировки выходного напряжения от 0 до 6 . 7 вольт и выкрученном в минимум (в 0 Ом) сопротивлении R3 регулировки выходного напряжения.
R4 – определяет максимальное выходное напряжение обоих диапазонов.
R14 – устанавливает минимальное напряжение для диапазона 6 . 12 V.
Изменение этих сопротивление вызывает некоторое взаимное влияние на выходные значения напряжений и для полной калибровки процедуру подбора этих сопротивлений следует повторить несколько раз, используя подстроечные резисторы на момент калибровки.
Накопительный конденсатор С3 и фильтрующий С4 используются для снижения уровня выходных пульсаций БП.
Если заменить R1 и С5 перемычкой и исключить блоки усилителя напряжения и регулятора тока получится обычный стабилизатор напряжения без регулировки и контроля выходного тока, для его регулировки и ограничения и введены данные элементы. *
Сопротивление R1 является токоизмерительным, выделяемое на нем напряжение пропорционально выходному току устройства. Конденсатор С5 служит для шунтирования переменной составляющей выделяемой на сопротивлении R1 в процессе регулирования напряжения при большом токе нагрузки и ее импульсном характере, поскольку источник опорного напряжения привязан к входу этого резистора а не выходу, как предлагается делать в ряде решений других авторов. Такое включение выбрано из соображений получения минимума пульсаций выделяемых на R1 при работе стабилизатора DA1 .
В противном случае напряжения пульсаций на входе ОУ DA3 составит около 10 милливольт, что после усиления с выбранным коэффициентом усиления около 200 – 250 раз (подбирается R7 в зависимости от реального значения сопротивления R1 с целью получить 10 вольт напряжения на выходе DA3 при выходном токе БП в 1 A с последующим выводом на цифровой вольтметр) на выходе DA3 мы получим 2 . 2,5 вольта пульсаций, что сказывается на точности измерений и позволяет осуществлять только грубую регулировку стабилизации тока. Даже шунтирование обратной связи через R7 конденсатором C13 и тем самым снижение коэффициента усиления DA3 по переменной составляющей до 1 раза оставляет эти пульсации на выходе DA3 и делает невозможным поддерживать точность измерения и регулировки выходного тока лучше чем с точностью определяемой уровнем этих пульсаций. **
Итак соотношение сопротивлений R6 и R7 определяет коэффициент усиления инвертирующего ОУ DA2 по постоянному напряжению. Поскольку неизбежен разброс параметров сопротивления R1 , то следует подобрать значение R7 согласно вышеуказанным соображениям. При этом чем ниже будет сопротивление R1 , тем меньшее влияние оно будет оказывать на стабильность выходного напряжения, на стабильность выходного напряжения в режиме стабилизации тока оно влияет еще в меньшей степени. Минимальное значение этого сопротивления определяется исходя из того, с какой точностью необходимо поддерживать и измерять минимальный выходной ток и в этом плане зависит от возможностей применяемого ОУ DA3 , а именно параметром минимального напряжения смещения нуля . Для выбранной ИМС оно составляет 75 микровольт.
Далее усиленное напряжение подается на цифровой вольтметр и на делитель R8 , R9 опорой которого служит источник – 6 V. Сопротивление R8 подбирается из цели получить нулевое напряжение на фильтрующем конденсаторе C16 при необходимом ограничении максимального тока (в данном схеме это +10 вольт на выходе DA3).***
На DA4 собран регулятор тока, напряжение снимаемое с делителя R8 , R9 сравнивается с опорным регулируемым посредством R13 напряжением и усиленная разность этих напряжений через светодиод D8 прикладывается к входу управления ОУ DA1 таким образом, что при увеличении выходного тока БП выше выбранного значения, напряжение на управляющем входе DA1 начинает снижаться, при этом начинает светиться светодиод D8 , сигнализируя о переходе БП в режим стабилизации тока. Яркость его свечения обратнопропорциональна выходному току БП.
R10 и R11 определяют коэффициент усиления ОУ DA4 , при этом R11 подключен не к выходу DA4 а к управляющему входу DA1 что бы уменьшить влияние падения напряжения на D8 на работу устройства, коэффициент усиления по переменной составляющей близок к единице благодаря наличию конденсатора C14 . Светодиод D8 целесообразно подобрать с минимальным падением напряжения в открытом состоянии, в противном случае может потребоваться изменение напряжения источника – 6V до – 7 и более вольт или заменить его обычным выпрямительным диодом отказавшись от индикации режима стабилизации тока.
R12 служит для установки минимального тока нагрузки.
С12 и С15 устраняют самовозбуждение ОУ.
Источник – 6V работает следующим образом.
Переменное напряжение с контакта 3 (противоположного от не коммутируемого 1 ) выпрямляется цепочкой С8 , D6 , D7 включенной по схеме умножителя напряжения и заряжает конденсатор C9 , на котором образуется около -32 вольт не стабилизированного напряжения.
Далее это не стабилизированное напряжение подается на вход ИМС стабилизатора отрицательного фиксированного напряжения -6V DA2 LM7906 , на выходе которого формируется стабилизированное напряжение – 6V . Для правильной работы DA2 требуется наличие нагрузки с током не менее 5mA согласно спецификации производителя, для этой цели установлен R5 , кроме того необходимо наличие конденсаторов C11 , C12 согласно все тех же рекомендаций производителя во избежание входа ИМС в режим самовозбуждения. Важно разместить эти конденсаторы как можно ближе к выводам DA2 , иначе их применение окажется неэффективным.

Разумеется необходимо установить DA1 и диодный мост на теплоотвод, выделяемая на них тепловая мощность зависит от выбранного напряжения нагрузке и в худшем случае составляет около 8. 10 ватт для данной схемы.
Как лучше всего соединять блоки и отдельные элементы показано на схеме, при несоблюдении этих рекомендаций возможно повышение уровня пульсаций.
Усилитель напряжения целесообразно экранировать в случае применения пластикового корпуса устройства, корпуса переменных резисторов нужно заземлить на вход R1 (общую точку всех токов устройства).

Примечания:
* Ток в этом случае будет определяться значением сопротивления нагрузки и максимально возможным значением тока для ОУ DA1 , что составляет около 2 ампер при падении напряжения на DA1 не более 15 вольт согласно рекомендациям производителя.
Таким образом данная схема потенциально способна выдерживать и регулировать токи до 2 ампер, но значение в 1 ампер выбрано мной их соображений тепловыделения на регулирующем элементе, точностью поддержания выходного тока с разницей в 1 – 2 mA и отсутствия необходимости в токах более 1 А.
По моему убеждению на бОльшие токи целесообразней применять импульсные стабилизаторы напряжения, а данное устройство призвано заменить гальванические элементы питания переносимых устройств на время их наладки.
** В случае применения цифрового вольтметра о наличии значительного уровня этих пульсаций будет говорить хаотичное ‘скакание’ цифр в последних разрядах. Поэтому применение цифровых вольтметров целесообразно и для контроля за уровнем пульсаций как самого БП так вызванных работой питаемых устройств.
*** Применение этого делителя вызвано целью упростить схему, но имеет побочный эффект в виде снижения выходного напряжения при выкрученном регуляторе тока на минимальное его значение даже в отсутствие нагрузки. Но это не влияет на возможность регулировки тока начиная с единиц миллиампер и на точность поддержания этих значений. В противном случае необходимо заменить этот делитель еще одним инвертирующим усилителем, что представляется нецелесообразным. А для тех, кому не требуется повышенная точность поддержания выходного тока на нагрузке БП, вообще можно исключить блок усилителя напряжения оставив только регулятор тока на DA4 подключив его вход к R1 и увеличив сопротивление последнего, но данная статья направлена на противоположные цели.

Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

Добавлено 4 января 2020 в 22:18

Сохранить или поделиться

Рассмотрим простую версию схемы, которая имеет важное значение в разработке аналоговых интегральных микросхем.

Вспомогательная информация

Что за источник тока?

Источники стабилизированного тока занимают видное место в заданиях по анализу цепей и теориях цепей, а затем, кажется, они более или менее исчезают… если вы не разработчик микросхем. Хотя источники тока редко встречаются в типовых проектах печатных плат, они широко распространены в мире аналоговых микросхем. Это потому, что они используются 1) для смещения и 2) в качестве активных нагрузок.

1. Смещение: транзисторы, работающие как усилители в линейном режиме, должны быть смещены так, чтобы они работали в нужной части своей передаточной характеристики. Лучший способ реализовать это в контексте разработки микросхем – это заставить заданный ток течь через сток транзистора (для MOSFET) или коллектора (для биполярного транзистора). Этот заранее определенный ток должен быть стабильным и независимым от напряжения на компоненте источника тока. Конечно, ни одна реальная схема никогда не будет абсолютно стабильной или абсолютно невосприимчивой к изменениям напряжения, но, как это обычно бывает в инженерном деле, совершенство не совсем необходимо.
2. Активные нагрузки: В схемах усилителей вместо коллекторных/стоковых резисторов могут использоваться источники тока. Эти «активные нагрузки» обеспечивают более высокий коэффициент усиления по напряжению и позволяют цепи работать должным образом при более низком напряжении питания. Кроме того, технология изготовления микросхем отдает предпочтение транзисторам по сравнению с резисторами.

В данной статье я буду ссылаться на выход источника тока как на «ток смещения» или I_смещ, потому что я считаю, что использование в качестве смещения является более простым средством для изучения основных функций этой схемы.

Схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

Ниже показана базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах:

Рисунок 1 – Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

На мой взгляд, она удивительно проста – два NMOS-транзистора и один резистор. Давайте посмотрим, как она работает.

Как видите, сток Q₁ накоротко замкнут с затвором. Это означает, что V_затвор = V_сток (V_G = V_D), и, следовательно, V_{затвор-сток} = 0 В (V_GD = 0 В). Итак, Q₁ находится в области отсечки, области триода или области насыщения? Он не может быть заперт, потому что, если ток не протекает через канал, напряжение на затворе будет равно напряжению питания (V_DD), и, следовательно, V_{затвор-исток} (V_GS) будет больше, чем пороговое напряжение V_порог (можно смело предположить, что V_DD выше, чем V_порог). Это означает, что Q₁ всегда будет в режиме насыщения (также называемом «активным» режимом), потому что V_{затвор-сток} = 0 В, и одним из способов выражения условия насыщения MOSFET транзистора является то, что V_{затвор-сток} должно быть меньше, чем V_порог.

Если вспомнить, что через затвор полевого MOSFET транзистора не течет устойчивый ток, мы можем увидеть, что опорный ток I_опор будет равен току стока Q₁.2\]

На данный момент мы игнорируем модуляцию длины канала; следовательно, как показывает формула, ток стока не зависит от напряжения сток-исток. Теперь обратите внимание, что истоки у обоих полевых транзисторов подключены к земле, и что их затворы замкнуты вместе – иными словами, оба имеют одинаковое напряжение затвор-исток. Таким образом, если предположить, что оба устройства имеют одинаковые размеры канала, их токи стока будут одинаковыми, независимо от напряжения на стоке Q₂. Это напряжение обозначено как V_ит, что означает напряжение на компоненте источника тока; это помогает напомнить нам, что Q₂, как и любой хорошо работающий источник тока, генерирует ток смещения, который не зависит от напряжения на его клеммах. Еще один способ сказать это – Q₂ имеет бесконечное выходное сопротивление:

Рисунок 2 – Q₂ имеет бесконечное выходное сопротивление

В этих условиях ток никогда не протекает через выходное сопротивление R_вых, даже если V_ит очень велико. Это означает, что ток смещения всегда в точности равен опорному току.

Распространенным названием для этой схемы является «токовое зеркало». Вы, вероятно, можете понять, почему – ток, генерируемый правым транзистором является зеркальным отражением (т.е. равным) опорному току, протекающему через левый транзистор. Это название особенно подходит, когда вы принимаете во внимание визуальную симметрию, демонстрируемую представлением типовой схемы.

Кстати, для старых микросхем часто требовался внешний резистор для R_настр. Однако в настоящее время производители используют встроенные резисторы, которые обрезаются при производстве для достижения достаточной точности.

Важность пребывания транзистора в режиме насыщения

Первым серьезным вызовом этому идеализированному анализу данной схемы является тот факт, что всё разваливается, когда транзистор не находится в режиме насыщения. Если Q₂ находится в области триода (т.е. в линейной), ток стока будет сильно зависеть от V_{сток-исток} (V_DS). Другими словами, у нас больше нет источника тока, потому что на ток смещения влияет V_ит. Мы знаем, что напряжение затвор-сток Q₂, чтобы поддерживать насыщение, должно быть меньше порогового напряжения.

Другой способ сказать это: Q₂ покинет область насыщения, когда напряжение стока станет на V_порог вольт ниже, чем напряжение затвора. Мы не можем указать точное число, потому что и напряжение на затворе, и пороговое напряжение будут варьироваться от одной реализации к другой.

Пример: напряжение затвора, необходимое для генерации требуемого тока смещения, составляет около 0,9 В, а пороговое напряжение составляет 0,6 В; это означает, что мы можем поддерживать насыщение до тех пор, пока V_ит остается выше ~ 0,3 В.

Модуляция длины канала

К сожалению, даже когда проект нашей итоговой схемы гарантирует, что Q₂ всегда будет в насыщении, наш источник тока на MOSFET транзисторах будет не совсем идеален. Виновником является модуляция длины канала.

Суть области насыщения заключается в «отсечке» канала, который существует, когда напряжение затвор-сток не превышает пороговое напряжение.

Рисунок 3 – Отсечка канала

Идея состоит в том, что ток стока становится независимым от V_ит после того, как канал отсекается, потому что дальнейшее увеличение напряжения стока не влияет на форму канала. Однако в действительности увеличение V_ит заставляет «точку отсечки» перемещаться к истоку, и это позволяет напряжению стока оказывать небольшое влияние на ток стока, даже когда полевой транзистор находится в насыщении. Результат можно представить следующим образом:

 

Рисунок 4 – Влияние перемещения «точки отсечки»

I_смещ теперь является суммой I_опор (определяется R_настр) и I_ошибки (ток, протекающий через выходное сопротивление). I_ошибки подчиняется закону Ома: более высокое V_ит означает больший I_ошибки и, следовательно, больший I_смещ, и, таким образом, источник тока больше не независим от напряжения на его клеммах.2\]

Ток стока прямо пропорционален отношению ширины к длине, и, таким образом, мы можем увеличить или уменьшить I_смещ, просто сделав отношение W/L в Q₂ выше или ниже, чем в Q₁. Например, если мы хотим, чтобы ток смещения был в два раза больше опорного тока, все, что нам нужно сделать, это сохранить длины каналов одинаковыми и увеличить ширину канала в Q₂ в два раза. (Это может показаться не таким простым, если вы привыкли работать с дискретными полевыми транзисторами, но указание размеров канала является стандартной практикой при проектировании микросхем).

Также очень просто использовать эту схему для «токового управления». Следующая схема иллюстрирует концепцию токового управления:

Рисунок 5 – Токовое управление

Это включение MOSFET транзисторов позволяет генерировать множество токов смещения от одного опорного тока. Более того, каждый из этих токов может быть разным – их можно индивидуально изменять, просто регулируя соотношения ширины канала к его длине.

Заключение

Мы рассмотрели работу и возможности базовой схемы источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах, а также обсудили ее ограничения. Как следует из прилагательного «базовый», существуют лучшие схемы. Но базовая схема – хорошая отправная точка, потому что двухтранзисторное токовое зеркало остается основным ядром схем с более высокой производительностью.

Оригинал статьи:

Теги

MOSFET / МОП транзисторИсточник токаМодуляция длины каналаСтабилизатор токаТоковое зеркало

Сохранить или поделиться

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Современного человека в быту и на производстве окружает большое количество электротехнических приборов и оборудования. Для устойчивой, стабильной работы всей этой техники требуется бесперебойная подача электроэнергии. Однако из-за скачков сетевого напряжения, приборы довольно часто выходят из строя. Во избежание подобных ситуаций, применяются специальные устройства, в том числе и стабилизатор тока на полевом транзисторе. Его использование гарантирует нормальную работу электротехники, предотвращает аварии и поломки.

Работа стабилизаторов тока

Качественное питание всех электротехнических устройств можно гарантированно обеспечить лишь, используя стабилизатор тока. С его помощью компенсируются скачки и перепады в сети, увеличивается срок эксплуатации приборов и оборудования.

Основной функцией стабилизатора является автоматическая поддержка тока потребителя с точно заданными параметрами. Кроме скачков тока, удается компенсировать изменяющуюся мощность нагрузки и температуру окружающей среды. Например, с увеличением мощности, потребляемой оборудованием, произойдет соответствующее изменение потребляемого тока. В результате, произойдет падение напряжения на сопротивлении проводки и источника тока. То есть, с увеличением внутреннего сопротивления, будут более заметны изменения напряжения при увеличении токовой нагрузки.

В состав компенсационного стабилизатора тока с автоматической регулировкой входит цепь отрицательной обратной связи. Изменение соответствующих параметров регулирующего элемента позволяет достичь необходимой стабилизации. На элемент оказывает воздействие импульс обратной связи. Данное явление известно, как функция выходного тока. В зависимости от регулировок, стабилизаторы разделяются на непрерывные, импульсные и смешанные.

Среди множества стабилизаторов очень популярны стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Подключение транзистора в данной схеме осуществляется последовательно сопротивлению нагрузки. Это приводит к незначительным изменениям тока нагрузки, в то время, как входное напряжение подвержено существенным изменениям.

Устройство и работа полевого транзистора

Управление полевыми транзисторами осуществляется посредством электрического поля, отсюда и появилось их название. В свою очередь электрическое поле создается под действием напряжения. Таким образом, все полевые транзисторы относятся к полупроводниковым приборам, управляемым напряжением.

Канал этих устройств открывается только с помощью напряжения. При этом, ток не протекает через входные электроды. Исключение составляет лишь незначительный ток утечки. Отсюда следует, что какие-либо затраты мощности на управление отсутствуют. Однако на практике не всегда используется статический режим, в процессе переключения транзисторов задействована некоторая частота.

В конструкцию полевого транзистора входит внутренняя переходная емкость, через которую протекает некоторое количество тока во время переключения. Поэтому для управления затрачивается незначительное количество мощности.

В состав полевого транзистора входит три электрода. Каждый из них имеет собственное название: исток, сток и затвор. На английском языке эти наименования соответственно будут выглядеть, как source, drain и gate. Канал можно сравнить с трубой, по которой движется водяной поток, соответствующий заряженным частицам. Вход потока происходит через исток. Выход заряженного потока происходит через сток. Для закрытия или открытия потока существует затвор, выполняющий функцию крана. Течение заряженных частиц возможно лишь при условии напряжения, прилагаемого между стоком и истоком. При отсутствии напряжения тока в канале также не будет.

Таким образом, чем больше значение подаваемого напряжения, тем сильнее открывается кран. Это приводит к увеличению тока в канале на участке сток-исток и уменьшению сопротивления канала. В источниках питания применяется ключевой режим работы полевых транзисторов, позволяющий полностью закрывать или открывать канал.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

Стабилизаторы тока предназначены для поддержания параметров тока на определенном уровне. Благодаря этим свойствам, данные приборы успешно используются во многих электронных схемах. Чтобы понять принцип действия, следует рассмотреть некоторые теоретические вопросы. Известно, что в идеальном источнике тока присутствует ЭДС, стремящаяся к бесконечности и бесконечно большое внутреннее сопротивление. За счет этого удается получить ток с требуемыми параметрами, независимо от сопротивления нагрузки.

Идеальный источник способен создавать ток, остающийся на одном уровне, несмотря на изменяющееся сопротивление нагрузки в диапазоне от короткого замыкания до бесконечности. Для поддержания значения тока на неизменном уровне, величина ЭДС должна изменяться, начиная от величины больше нуля и до бесконечности. Основным свойством источника, позволяющим получать стабильное значение тока, является изменение сопротивления нагрузки и ЭДС таким образом, чтобы значение тока оставалось на одном и том же уровне.

Но, на практике поддержка источником требуемого уровня тока происходит в ограниченном диапазоне напряжения, возникающего на нагрузке. Реальные источники тока используются вместе с источниками напряжения. К таким источникам относится обычная сеть на 220 вольт, а также аккумуляторы, блоки питания, генераторы, солнечные батареи, поставляющие потребителям электрическую энергию. С каждым из них может быть последовательно включен стабилизатор тока на полевом транзисторе, выход которого выполняет функцию источника тока.

Простейшая конструкция стабилизатора состоит из двухвыводного компонента, с помощью которого происходит ограничение протекающего через него тока, до необходимых параметров, устанавливаемых изготовителем. Своим внешним видом он напоминает диод малой мощности, поэтому данные приборы известны как диодные стабилизаторы тока.

Стабилизатор тока на оу

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой I_н≈ U_вх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину I_н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×β/[R1(1+β)] .
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: I_н≈ (Еп-U_вх)/R1 .
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости I_н≈ U_вх/R1 , а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассматривал RC генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний на ОУ. В данной статье я рассмотрю стабилизаторы напряжения, в основе которых лежат операционные усилители. Основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления (несколько десятков тысяч). Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %.

Основная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Большинство современной силовой электроники представлено импульсными источниками питания, которые обладают высоким КПД и небольшими габаритными размерами. Однако линейные стабилизаторы напряжения также находят своё применение, прежде всего в устройствах небольшой мощности, а также в схемах, где не желательны импульсные помехи.

Как известно линейные источники питания разделяются на последовательные и параллельные в зависимости от схемы подсоединения регулирующего элемента относительно выхода. Наибольшее распространение получили последовательные стабилизаторы, так как могут обеспечить КПД и стабилизацию больше чем параллельные, из основных достоинств которых является возможность перегрузки по току и способность выдерживать короткое замыкание.

Кроме схемы подключения регулирующего элемента, стабилизаторы напряжения классифицируются по способу регулирования выходного напряжения: параметрические и компенсационные. Работа параметрических стабилизаторов основана на нелинейных свойствах регулирующих элементах, то есть при значительном изменении тока протекающего через него падение напряжения на регулирующем элементе мало изменяется. Такие стабилизаторы применяются в схемах небольшой мощности до нескольких ватт. Наибольшее распространение получили схемы последовательных стабилизаторов компенсационного типа, структурная схема, которого представлена ниже

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа.

В одной из статей я рассказывал о компенсационных стабилизаторах напряжения, выполненных на транзисторах, поэтому напомню принцип его работы. Схема состоит из чётырёх основных частей: источник образцового напряжения И, элемента сравнения ЭС, усилительного элемента У и регулирующего элемента Р. Элемент сравнения сравнивает выходное напряжение U1 с напряжение вырабатываемым источником образцового напряжения и выдаёт ошибку сравнения на усилительный элемент, где происходит усиление ошибки сравнения и вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Довольно часто в простых схемах происходит объединение элемента сравнения и усилителя (а иногда и регулирующего элемента в слаботочных схемах) в одно устройство. В современных схемах функции элемента сравнения и усилителя выполняют на ОУ.

Схема стабилизатора напряжения на ОУ

Для построения стабилизатора напряжения используется масштабирующий усилитель на ОУ в неивертирующем включении. Схема такого стабилизатора напряжения показана ниже

Схема стабилизатора напряжения на ОУ.

Схема состоит из ОУ DA1, резисторов обратной связи R1 и R2 и источника опорного напряжения U_ОП. Выходное напряжение будет определяться известной формулой для неинвертирующего усилителя

Таким образом, качество стабилизатора напряжения будет определяться качеством источника опорного напряжения, так как ОУ даже с очень хорошими параметрами и высоким коэффициентом усиления не может обеспечить стабильность выходного напряжения.

Существует несколько видов источников опорного напряжения: стабилитрон, источник опорного напряжения со стабилизатором тока и интегральные стабилизаторы напряжения. Рассмотрим их по отдельности.

Использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения

Стабилитрон широко используется практически во всех стабилизаторах напряжения, так как имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет при широком изменении тока нагрузки практически оставаться стабильным выходному напряжению. Схема стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона в качестве источника опорного напряжения показана ниже

Схема, иллюстрирующая использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения.

На данной схеме опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором напряжения R1VD1, что даёт удовлетворительные результаты в большинстве практических случаях. При этом величина опорного напряжения соответствует величине напряжения стабилизации стабилитрона VD1, а разность между входным напряжением стабилизатора и опорным рассеивается на резисторе R1. Номиналы элементов параметрического стабилизатора выбираются из следующих соотношений

где U_CT – напряжение стабилизации стабилитрона,

I_СТ – номинальный ток стабилизации стабилитрона.

Схема с использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения обеспечивает умеренный уровень стабилизации, составляющий доли процента (обычно 0,1…0,05%), значительно лучшие показатели обеспечиваются, если вместо гасящего резистора R1 применить стабилизатор тока.

Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения

Достаточно часто стабилизаторы напряжения используются в схемах, где входящие нестабилизированное напряжение может изменяться в пределах нескольких вольт, а иногда и выше. Данное условие приводит к тому, что в схеме параметрического стабилизатора R1VD1, показанного на рисунке выше, приводит к изменению тока проходящего через стабилитрон, тем самым изменяя его напряжение стабилизации в пределах долей вольта. Для недопущения таких изменений в схему источника опорного напряжения вводят стабилизатор тока. Схема стабилизатора напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения приведена ниже

Стабилизатор напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения.

В данной схеме вместо гасящего резистора параметрического стабилизатора введён стабилизатор тока R1VD1VT1R2, что позволяет свести колебания тока стабилизации стабилитрона VD2 к нескольким процентам, при колебании входящего нестабилизированного напряжения в пределах десятков процентов. В итоге коэффициент стабилизации источника опорного напряжения достигнет нескольких сотен, в то время как стабилизации обычного параметрического стабилизатора напряжения едва достигает нескольких десятков.

Ещё одним применение данной схемы является регулируемый источник опорного напряжения. Для этого достаточно заменить стабилитрон VD2 переменным резистором, что позволяет при постоянном токе, задаваемым стабилизатором тока, изменяя сопротивление переменного резистора в широких пределах регулировать опорное напряжение, тем самым регулирую выходное напряжение стабилизатора тока.

Регулируемый стабилизатор напряжения на ОУ.

Однако данная схема не может обеспечить такой же стабильности, как схемы на стабилитронах описанные выше, поэтому она применяется крайне редко.

Наибольшую стабильность позволяют получить схемы, где в качестве источников опорного напряжения применяются интегральные стабилизаторы напряжения.

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источников опорного напряжения

Интегральные стабилизаторы напряжения, выпускаемые промышленностью в настоящее время, имеет широкую номенклатуру изделий, и характеризуются высокими техническими параметрами. Так, например, широко применяемая микросхема стабилизатора напряжений серии КР142ЕН выпускаются на различные стабилизируемые напряжения от 5 до 30 В, имеют коэффициент нестабильности по напряжения не менее 0,1 %/В, а коэффициент сглаживания пульсаций не менее 30 дБ. Поэтому они наилучшим образом подходят в качестве источников опорного напряжения в мощных линейных стабилизаторах напряжения. Схема использования их в качестве опорных источников напряжения показана ниже

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источника опорного напряжения.

Согласно технической документации микросхемы типа КР142ЕНхх на вход и выход необходимо включить конденсаторы: С1 ≥ 2,2 мкФ, С2 ≥ 1 мкФ.

При использовании интегральных стабилизаторов достаточно просто реализовать регулируемый стабилизатор напряжения, для этого достаточно поставить на выходе источника опорного напряжения переменный резистор, со среднего отвода которого снимать напряжение на операционный усилитель

Регулируемый стабилизатор напряжения с интегральным стабилизатором в качестве опорного напряжения.

Вышеописанные схемы стабилизаторов напряжения на ОУ позволяют получить очень хорошие показатели стабильности выходного напряжения. Однако ОУ не могут обеспечить достаточно большой выходной ток (обычно несколько десятков мА), поэтому выходная мощность ограничена долями ваттами, в зависимости от выходного напряжения.

Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора.

Увеличение выходной мощности стабилизатора напряжения

Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора или нескольких параллельно-последовательных транзисторов, который иногда называют бустером выходного тока. Простейшая схема стабилизатора напряжения на ОУ с бустерным каскадом показана ниже

Стабилизатор напряжения на ОУ с выходным бустерным каскадом.

В схеме стабилизатора напряжения для увеличения выходной мощности включён бустерный каскад на транзисторе VT1. Для ограничения максимального выходного тока ОУ введён резистор R2, который может быть определён по следующему выражению

где U_КЭнас – напряжение насыщения коллектор-эмиттер бустерного транзистора,

I_{ВЫХ.МАХ} – предельный выходной ток ОУ.

Иногда возникает ситуация когда усиления одного транзистора не хватает для требуемой выходной мощности, поэтому применяют составные транзисторы по схеме Дарлингтона или Шиклаи для увеличения коэффициента усиления по току.

Схемы с одним бустерным транзистором или транзистором Дарлингтона обычно используют для получения выходных токов стабилизатора до нескольких ампер. При необходимости выходного тока большего значения выходной транзистор составляют из нескольких параллельных для увеличения отдаваемой мощности.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Стабилизаторы тока

Бывают случаи, когда необходимо пропускать стабильный ток через светодиоды, ограничить ток зарядки аккумуляторов или испытать источник питания, а реостата под рукой нет. В этом, и не только, случае помогут специальные схемотехнические решения ограничивающие, регулирующие и стабилизирующие ток. Далее подробно рассмотрены схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Источники тока, в отличие от источников напряжения, стабилизируют выходной ток, изменяя выходное напряжение так, чтобы ток через нагрузку всегда оставался одинаковым.
Таким образом, источник тока отличается от источника напряжения, как вода отличается от суши. Типичное применение источников тока – питание светодиодов, зарядка аккумуляторов и т.п.
Внимание! Не путайте стабилизатор тока со стабилизатором напряжения! Это может плохо кончиться =)

Простой стабилизатор тока на КРЕНке

Для этого стабилизатора тока достаточно применить КР142ЕН12 или LM317. Это регулируемые стабилизаторы напряжения способные работать с токами до 1,5А, входными напряжениями до 40В и рассеивают мощность до 10Вт (при соблюдении теплового режима).
Схема и применение показаны на рисунках ниже

Стабилизатор тока на КР142ЕН12 (LM317)

Стабилизатор тока на КРЕН в качестве зярядного устройства

Собственное потребление данных микросхем относительно невелико – около 8мА и это потребление практически не меняется при изменении тока протекающего через крен или изменения входного напряжения. Как видим, в вышеприведенных схемах, стабилизатор LM317 работает как стабилизатор напряжения, удерживая на резисторе R3 постоянное напряжение, которое можно регулировать в некоторых пределах построечным резистором R2. В данном случае R3 называется токозадающим резистором. Поскольку сопротивление R3 неизменно, то ток через него будет стабильным. Ток на входе крен будет примерно на 8мА больше.

Таким образом, мы получили простой как веник стабилизатор тока, который может применяться как электронная нагрузка, источник тока для заряда аккумуляторов и т.п.

Интегральные стабилизаторы достаточно шустро реагируют на изменение входного напряжения. Недостаток же такого регулятора тока – весьма большое сопротивление токозадающего резистора R3 и как следствие необходимость применять более мощные и более дорогие резисторы.

Простой стабилизатор тока на двух транзисторах

Достаточно широкое распространение получили простенькие стабилизаторы тока на двух транзисторах. Основной минус данной схемы – не очень хорошая стабильность тока в нагрузке при изменении питающего напряжения. Впрочем, для многих применений сгодятся и такие характеристики.

Далее показана схема стабилизатора тока на транзисторе. В данной схеме токозадающим резистором является R2. При увеличении тока через VT2, увеличится напряжение на токозадающем резисторе R2, которое при величине примерно 0,5…0,6В начинает открывать транзистор VT1. Транзистор VT1 открываясь начинает закрывать транзистор VT2 и ток через VT2 уменьшается.

Стабилизатор тока на транзисторах

Вместо биполярного транзистора VT2, можно применить MOSFET – полевой транзистор.

Стабилитрон VD1 выбирается на напряжение 8…15В и необходим в случаях, когда напряжение источника питания достаточно велико и может пробить затвор полевого транзистора. Для мощных MOSFET это напряжение составляет порядка 20В. Далее показана схема стабилизатора тока с использованием MOSFET.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Нужно учитывать, что MOSFET открываются при напряжении на затворе не менее 2В, соответственно увеличивается и напряжение, необходимое для нормальной работы схемы стабилизатора тока. При зарядке аккумуляторов и некоторых других задачах вполне достаточно будет включить транзистор VT1 с резистором R1 непосредственно к источнику питания так, как это показано на рисунке:

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В схемах стабилизатора тока на транзисторах необходимое значение токозадающего резистора для заданного значения тока примерно в два раза меньше, чем в схемах со стабилизатором на КР142ЕН12 или LM317. Это позволяет применить токозадающий резистор меньшей мощности.

Стабилизатор тока на операционном усилителе (на ОУ)

Если необходимо собрать регулируемый в широких пределах стабилизатор тока или стабилизатор тока с токозадающим резистором на порядок или даже два ниже, чем на схемах, показанных ранее, можно применить схему с усилителем ошибки на ОУ (операционном усилителе). Схема такого стабилизатора тока показана на рис:

Стабилизатор тока на операционном усилителе

В данной схеме токозадающим является резистор R7. ОУ DA2.2 усиливает напряжение токозадающего резистора R7 – это усиленное напряжение ошибки. ОУ DA2.1 сравнивает опорное напряжение и напряжение ошибки и регулирует состояние полевого транзистора VT1.

Обратите внимание, что схема требует отдельного питания, подаваемого на разъем XP2. Напряжение питания должно быть достаточным для работы компонентов схемы и не превышать значения напряжения пробоя затвора MOSFET VT1.

В качестве генератора опорного напряжения в схеме на рис. 7 применена микросхема DA1 REF198 с выходным напряжением 4,096В. Это достаточно дорогая микросхема, поэтому ее можно заменить обычной кренкой, а если напряжение питания схемы (+U) является стабильным, то и вовсе обойтись без стабилизатора напряжения в данной схеме. В этом случае переменный резистор R подсоединяется не к REF, а к +U. В случае электронного управления схемой вывод 3 DA2.1 можно подключить непосредственно к выходу ЦАП.

Для настройки схемы необходимо выставить ползунок переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение, подстроечным резистором R3 установить необходимое значение тока – это значение будет максимальным. Теперь резистором R1 можно регулировать ток через VT1 от 0 до установленного при настройке максимального тока. Элементы R2, C2, R4 необходимы для предотвращения возбуждения схемы. Из-за этих элементов временные характеристики не являются идеальными, что видно по осциллограмме

Осциллограмма стабилизатора тока на ОУ

На осциллограмме луч 1 ( желтый ) показывает напряжение нагружаемого ИП (источника питания), луч 2 ( голубой ) показывает напряжение на токозадающем резисторе R7. Как видно, в течение 80 мкс через схему протекает ток в несколько раз больше установленного.

Стабилизатор тока на микросхеме импульсного стабилизатора напряжения

Иногда от стабилизатора тока требуется не только работать в широком диапазоне питающих напряжений и нагрузок, но и иметь высокий КПД. В этих случаях компенсационные стабилизаторы не годятся и на смену им приходят стабилизаторы импульсные (ключевые). Кроме того, импульсные стабилизаторы могут при небольшом входном напряжении получать высокое напряжение на нагрузке.

Далее предлагается к рассмотрению широко распространенная микросхема MAX771. Основные характеристики MAX771:

• Напряжение питяния 2…16,5В
• Собственное потребление 110uA
• Выходная мощность до 15W
• КПД при токе нагрузки 10mA…1A достигает 90%
• Опорное напряжение 1,5V

На рисунке показан один из вариантов включения микросхемы, именно его мы и возьмем за основу нашей схемы.

MAX771 включен как повышающий стабилизатор напряжения

Упрощенно процесс стабилизации выглядит следующим образом. Резисторы R1 и R2 являются делителями выходного напряжения микросхемы, как только делимое напряжение, поступающее на вывод FB микросхемы MAX771, больше опорного напряжения (1,5V) микросхема уменьшает выходное напряжение и наоборот — если напряжение на выводе FB меньше 1,5V, микросхема увеличивает входное напряжение.

Очевидно, что если контрольные цепи изменить так, чтобы MAX771 реагировала (и соответственно регулировала) выходной ток, то мы полчим стабилизированный источник тока.
Ниже показаны модифицированная схема с ограничением выходного напряжения и вариант нагрузки.

При небольшой нагрузке, пока падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 меньше 1,5V, схема на Рис.10a работает как стабилизатор напряжения, стабилизируя напряжение на уровне стабилитрона VD2 + 1,5V. Как только ток нагрузки становится достаточно большим, на R3 падение напряжения увеличивается и схема переходит в режим стабилизации тока.

Резистор R8 устанавливается в том случае, если напряжение стабилизации может быть большим — больше 16,5V. Резистор R3 является токозадающим и рассчитывается по формуле: R3 = 1,5/Iст.
Недостатком схемы является достаточно большое падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3. Данный недостаток устраняется применением операционного усилителя (ОУ) для усиления сигнала с резистора R3. Например, если резистор требуется уменьшить в 10 раз при заданном токе, то усилитель на ОУ должен усилить напряжение падающее на R3 тоже в 10 раз.

Заключение

Итак, было рассмотрено несколько схем выполняющих функцию стабилизации тока. Конечно же, эти схемы можно улучшать, увеличивая быстродействие, точность и т.д. Можно применять в качестве датчика тока специализированные микросхемы и делать сверхмощные регулирующие элементы, но эти схемы идеально подходят в тех случаях, когда требуется быстро создать инструмент для облегчения своей работы или решения определенного круга задач.

Прецизионный регулятор тока на полевом транзисторе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРЕЦИЗИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР ТОКА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Рахматов Ахмад Зайнидинович, д-р техн. наук, директор по производству АО «FOTON». Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Гиясова Феруза Абдиазизовна, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Приборостроение в области электроники, оптоэлектроники и фотоники», ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Кулиев Шукурулло Мастафаевич, младший научный сотрудник лаборатории «Приборостроение в области электроники, оптоэлектроники и фотоники», ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Закиров Руслан Гильмуллаевич, инженер АиРЭО, авиапредприятие «Uzbekistan Airways Technics». Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Аннотация. Приведены результаты исследования на основе микросхемы — каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе, который можно использовать в качестве прецизионного регулятора тока для снятия вольтамперных характеристик выпрямительно-ограничительных диодов и полупроводниковых приборов с резко нарастающим током.

Ключевые слова: ограничитель тока, полевой транзистор, затвор, сток, исток, стабилизатор тока, сопротивление, регулятор тока, динамическая нагрузка, характеристика, микросхема.

В настоящее время для надежной работы элементов ин-фокоммуникационной системы, мобильной связи и компьютерной технологии требуются стабилизированные источники питания.

В случае, когда имеющийся источник тока дает превышенные значения рабочего тока, то срок службы, потребителя тока может существенно сократиться и выйти из строя преждевременно. Также в случае меньших значений тока пульт управления окажется в неоптимальном режиме. Кроме того, излучатели одного типономинала имеют определенный разброс значений рабочего тока [1], что требует корректировки рабочих токов их источников питания.

В известных ограничителях тока, созданных соединением двух каналов полевого транзистора последовательно с общим затвором, а также с помощью диодного ограничителя, в которых задаются фиксированные значения рабочего тока проблематичным является их использование для проведения исследований параметров и питания полупроводниковых светодиодов и лазеров с различными рабочими токами.

Следует отметить, что известные ограничители тока, созданные соединением двух каналов полевого транзистора последовательно с общим затвором, а также с помощью диодного ограничителя с фиксированными рабочими токами [2]

практически непригодны для определения параметров и питания полупроводниковых приборов (светодиодов и лазеров) с различными рабочими токами.

Решение этих проблем, то есть для питания мобильных устройств и излучателей с различным рабочим током, а также при измерении параметров приборов с резко нарастающим током для получения в одном порядке нескольких точек необходим прецизионный регулятор тока.

В настоящей работе рассматриваются вопросы создания прецизионного регулятора тока на основе полевого транзистора в режиме автоматического смещения и каскада с динамической нагрузкой.

Стабилизатор тока в режиме автоматического смещения с высоким выходным сопротивлением

Как было экспериментально показано возможность получения высокого динамического сопротивления в режиме автоматического смещения [3] в отличие от режима включения с общим истоком. Это свойство нами реализовано в кремниевых полевых транзисторах с квадратичной зависимостью передаточной характеристики (рис. 1).

пт

ПгЬ

а

= ов

У. = -0,2 в

и* = -0,4 В

и* = -0,6 В

У™ = -0,8 В

«ш = -1,0 В

Um = -1,4 В

иж = -2,0 В

= -2,4 В

ю и„, в

о Язи = О

о Язи = 100 Ом Язи = 200 Ом Язи = 400 Ом

Язи = 700 Ом Я311 = 1000 Ом Язи = 2000 Ом Язи = 4000 Ом

10 U™, В

в

Рис. 1. Стоковая вольтамперная характеристика кремниевого полевого транзистора КП103:

а — электронная схема регулятора тока на полевом транзисторе [3]; б — от запирающего напряжения; в — от сопротивления затвор-исток

Рахматов А.З., Гиясова Ф.А., Кулиев Ш.М., Закиров Р.Г.

Необходимый рабочий ток, согласованный с нагрузкой, подбирается с помощью потенциометра (подстроечного резистора), подключенного к истоку и минусу блока питания. Регулятор тока может быть изготовлен на основе полевого транзистора не только с каналом л-типа, но и с каналом р-типа проводимости.

Для создания рабочего режима на полевой транзистор (рис. 1а), от батареи 2 подается постоянное напряжение, например, 4,5 вольта. При этом в цепи нагрузки и канала полевого транзистора при максимальном значении сопротивления потенциометра потечет минимальный ток. Его значение регулируется переменным потенциометром. В нем стабильность тока задается выходным динамическим сопротивлением на участке насыщения тока стока.

Высокое выходное динамическое сопротивление полевого транзистора, охватывающее от напряжения насыщения до пробойного участка, позволяет сохранить заданные токи стока от напряжения затвора и внешнего сопротивления, соединяющего вывод истока к выводу затвора, при снижении напряжения питания до уровня напряжения насыщения (рис. 16).

Увеличение величины сопротивления от нуля до 4000 Ом приводит к уменьшению тока стока. Максимальная величина тока равна максимальному току насыщения полевого транзистора при нулевом смещении, стоковая вольтам-перная характеристика которого приведена на рис. 16. На рис. 1е приведена зависимость тока сток-затвор при различных значениях управляющего сопротивления. Видно, что при нулевом значении сопротивления ток стабилизации равен максимальному току полевого транзистора. По мере увеличения величины сопротивления ток стабилизации уменьшается. Например, при сопротивлении равном 200 Ом получаем ток (3,3 мА) создаваемый запирающим напряжением -0 8 В или для сопротивления 400 Ом имеем ток соответствующий -1,0 В.

Здесь наблюдаемую зависимость тока от сопротивления можно объяснить тем, что управляющее сопротивление совместно с каналом полевого транзистора как бы создает делитель напряжения, который запирает канал (рис. 2). В результате на сопротивлении пропорционально его величине будет падать напряжение, и ток стока становится прецизи-онно управляемым от величины сопротивления, задающим соответствующие значения напряжения (рис. 2а).

Известно, что в области насыщения тока стока зависимость тока стока от напряжения затвора определяется выражением [4]:

I = I

си си тах

1 — Ци

иг,г

1000 2000 3000 4000 5000 /?и, Ом б

Рис. (1 — .

(8)

Отметим, что в полевых транзисторах с управляющим р-л-переходом в зависимости от технологии получения полевого транзистора значение может принимать от 1,5 до 2,2 [4]. Оценка показателя степени из зависимости

1П1 от 1п I Я

(9)

дает значение 1,78 и 1,84, что близко к квадратичной зависимости. Соответственно, на основании полученной

т

тах

т

си

тах

си тах

зависимости для задаваемого значения тока стабилизации можно определить значение требуемого сопротивления. Расчетные данные, проведенные в предположении квадратичной зависимости тока от напряжения, как видно из рис. 26, находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными зависимости сопротивления истока от тока стабилизации.

Таким образом, результаты исследования полевого транзистора в режиме смещения переменным сопротивлением позволяют расширить диапазон стабильных рабочих токов. Такие источники тока представляют интерес для использования в цепи питания интегральных схем и полупроводниковых светодиодов (лазеров).

Регулятор тока с расширенными функциональными возможностями на основе каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе

Для повышения стабильности и точности регулирования значения тока предлагается использовать универсальную микросхему на основе каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе или двухтранзисторные ячейки [5].

Использование микросхемы с динамической нагрузкой в качестве регулятора тока расширяет его функциональные возможности. В частности, в отличие от известного каскада [6] в микросхеме вывод затвора дополнительного транзистора разъединяется от вывода истока, а вывод затвора основного транзистора соединяется к истоку дополнительного транзистора. В результате при изменении тока стока одновременно будут модулироваться оба канала, способствуя выполнению функции регулятора тока.

Схема регулятора тока на основе каскада с динамической нагрузкой приведена на (рис. 3). Микросхема в качестве регулятора тока подключается выводом стока основного транзистора к объекту, на который подается заданной величины ток, фиксируемый цифровым амперметром и падающее на нем напряжение, измеряется ламповым вольтметром.

Рис. 3. Схема регулятора тока на основе микросхемы каскада с динамической нагрузкой

Регулировка тока осуществляется с помощью последовательно соединенных переменных потенциометров и Я2, которые соединены к источнику питания. Микросхема позволяет управлять током через структуру с шагом не менее десяти точек на каждом порядке (мкА с шагом 1-10, 10-100 и мА с шагом 1-10), что обеспечивает высокую точность измерения вольтамперных характеристик стабилитронов, лавинных диодов, тиристоров и диодов с резким подъемом тока или S-образной вольтамперной характеристикой, (рис. 4), где приведена снятая с помощью каскада с динами-чекской нагрузкой вольтамперная характеристика кремневой р+-лл+-структуры с различным напряжением пробоя.

Рис. 4. Пробойные характеристики кремниевой выпрямительно-ограничительной р+-пп+-структуры

Заключение

Таким образом, прецизионный регулятор тока на полевом транзисторе, а также на основе предлагаемой микросхемы — каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе можно использовать в качестве прецизионного регулятора тока для снятия вольтамперных характеристик выпрямительно-ограничительных диодов и полупроводниковых приборов с резко нарастающим током, а использование данного подхода получения каскада с динамической нагрузкой позволяет расширить функциональные возможности схемы с динамической нагрузкой и обогащает основу технологии и конструирования микросхем.

Литература

1. Сокольников А.В., Игошев С.О., Траксова В.В. Определение температуры перехода в гетероструктуре сверхяркого светодиода // Электроника и информационные технологии, 2010. № 2. С. 1-4.

2. Источники тока на ПТ с р-п-переходом. http://www.skilldiagram. com/gl3-6a.html

3. Едгорова Д.М. Механизм насыщения тока стока полевого транзистора // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. Одесса, 2006. № 5 (65). С. 58-61.

4. Милехин А.Г. Радиотехнические схемы на полевых транзисторах. М.: Энергия, 1976. С. 29-31.

5. Патент на изобретение № IAP 05540 «Универсальная микросхема» / Лутпуллаев С.Л., Сайдумаров М.А., Каримов А.В., Рахма-тов А.З., Едгорова Д.М., Абдулхаев О.А., Кулиев Ш.М. Бюл. № 2 от 28.02.2018 г.

6. Патент России. № 2024111. 30.11.1994. Истоковый повторитель. Мац Илья Леонтьевич.

Rahmatov Ah.Z., Giyasova F.A., Kuliev Sh.M., Zakirov R.G.

PRECISION REGULATOR OF CURRENT BASED ON THE FIELD TRANSISTOR

Rahmatov Ahmad Z., doctor of technical sciences, production director of JSC «FOTON». Tashkent, Uzbekistan. E-mail: [email protected]

Giyasova Feruza A., physics-mathematics science PhD, senior scientist of laboratory «Instrumentation Engineering in the field of Electronics, Optoelectronics and Photonics» Physical-Technical Institute of Uzbekistan Academy of sciences. Tashkent, Uzbekistan. E -mail: [email protected]

Kuliev Shukurullo M., junior researcher of the laboratory «Instrument-making in the field of electronics, optoelectronics and photonics» of Physical-Technical Institute, Uzbekistan Academy of sciences. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: kuliyev. [email protected]

Zakirov Ruslan G., engineer-avionic of «Uzbekistan Airways technics» aircraft maintenance center. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: [email protected]

Abstract. The results of research based on a cascade type microcircuit with a dynamic load on a field-effect transistor (FET), which can be used as a precision current regulator for removing the current-voltage characteristics of rectifier-limiting diodes and semiconductor devices with a sharply increasing current are presented.

Keywords: current limiter, field effect transistor, gate, drain, source, current stabilizer, resistance, current regulator, dynamic load, characteristic, microcircuit.

Currently, reliable operation of the elements of the digital communication system, mobile communications and computer technology requires stabilized power supplies.

In the case where the current source provides higher operating current values, the service life of the current consumer can be substantially reduced and it is premature to fail. Also, in the case of lower values of current, the control panel will be in a non-optimal mode. In addition, the emitters of the same type have a certain variation in the values of the operating current [1], which requires adjusting the operating currents of their power supplies.

In known current limiters created by connecting two channels of a FET in series with a common gate, and also using a diode limiter, in which fixed values of the operating current are set, it is problematic to use them to conduct research on the parameters and power of semiconductor light-emitting diodes and lasers with different operating currents.

It should be noted that the known current limiters created by connecting two channels of the FET in series with the common gate, and also using a diode limiter with fixed working currents [2] are practically unsuitable for determining the parameters and power of semiconductor devices (LEDs and lasers) with different operating currents.

The solution of these problems, that is, for supplying mobile devices and emitters with different operating currents, as well as for measuring the parameters of devices with a sharply increasing current, in order to obtain several points in the same order, requires a precision current controller.

In this paper, we consider the creation of a precision current controller based on a field-effect transistor in the automatic displacement mode and a cascade with dynamic load.

Current stabilizer in the mode

of automatic bias with high output resistance

As was shown experimentally, the possibility of obtaining a high dynamic resistance in the mode of automatic bias in an arsenide-gallium field-effect transistor, unlike the mode of inclusion with a common source [3]. We realized this property in silicon field-effect transistors with a quadratic dependence of the transfer characteristic (Fig. 1).

The required operating current, matched to the load, is selected using a potentiometer (trimmer resistor) connected to the source and minus the power supply. The current regulator can be manufactured on the basis of a field effect transistor not only with an n-type channel, but also with a p-type conduction channel.

FED

f drain

be

gate

0 fi

-o -0,2

-0,4 5

-0,6 < E 4

-> -0,8

-< -1,0 f> i

->-1,4 E 2

1

■c-2,0

t-2,4 0

^source-drain’ ^

Fig. 1. The current-voltage characteristic of silicon field effect transistor KP103:

a — electronic current controller circuit on the field effect transistor [3]; b — from the closing voltage; c — from gate-source resistance

To create the operating mode for a field effect transistor (Fig. 1a), a constant voltage is applied from battery 2, for example, 4.5 volts. In this case, the minimal current flows in the load circuit and the channel of the FET at the maximum value of the potentiometer resistance. Its value is controlled by an alternating potentiometer. In it, the stability of the current is set by the output dynamic resistance in the saturation section of drainage current.

The high output impedance of the FET, spanning from the saturation voltage to the breakdown portion, allows the specified drain currents to be maintained from the gate voltage and external resistance connecting the source terminal to the gate terminal, with the supply voltage dropping to the saturation voltage (Fig. 1b)

Increasing the resistance value from zero to 4000 Q results in a decrease in the drain current. The maximum value of the current is equal to the maximum saturation current of the field-effect transistor at zero bias, the current-voltage characteristic of which is shown in Fig. 1b. Fig. 1c shows the dependence of the drain-gate current for different values of the control resistance. It is seen that at zero resistance value the stabilizing current is equal to the maximum current of the field-effect transistor. As the resistance value increases, the stabilizing current decreases. For example, at a resistance of 200 Q, we obtain a current (3.3 mA) produced by a closing voltage of -0.8 V or for a resistance of 400 Q, we have a current corresponding to -1.0 V.

Here the observed dependence of the current on the resistance can be explained by the fact that the control resistance together with the channel of the field-effect transistor creates a voltage divider that locks the channel (Fig. 2). As a result, the voltage will be proportional to its magnitude, and the drain current becomes precisely controlled from the resistance value, which gives the corresponding values of the voltage, (Fig. 2a).

It is known that in the saturation region of the drain current the dependence of the drain current on the gate voltage is determined [4] by the

I = I I 1__

ds gd max

that is, a power law. Respectively

1 — Us

From where

.= 1 — Ul

Regarding the gate voltage, we have

U„,

— = 1 —

uotc V’dsmax

L.

(1)

(2)

(3)

(4)

Since the current flowing through the channel also flows through the resistance

U = U L R ,

gs R.. ds m’

(5)

Rh ds h’

then expressing it through the current and the resistance we get

‘dSR M

— = 1 —

ds

(6)

rain-gate ® ^

0,8 V = 1,0V

Experiment Calculation

Fig. 2. Dependence of drain current and stabilization from displacement conditions:

a — from voltage and resistance value; b — from control resistance value

From where it is possible to determine the dependence of the stabilization current on the gate-source resistance

Or in relative units

U,

‘ds maxuotc

( — ihs).

(7)

(8)

Note that in field effect transistors with control p-n-junction, depending on the technology of obtaining the field-effect transistor, the value can take from 1.5 to 2.2 [4]. Evaluation of the exponent of dependence

In1 from In I R

(9)

gives a value of 1.78 and 1.84, which is close to the quadratic dependence. Accordingly, based on the obtained dependence for the set value of the stabilization current, it is possible to determine the value of the required resistance. The calculated data based on the assumption of a quadratic dependence of the current on the voltage, as seen in Fig. 2b, are in good agreement with the experimental data on the dependence of the source resistance on the stabilization current.

Thus, the results of the field-effect transistor investigation in the mode of displacement with variable resistance allow us to extend the range of stable operating currents. Such current

m

R

M

ds

dsmax

R

m

I

M

ds

ds

gs max

dsmax

U

dsmax

sources are of interest for use in the supply circuit of integrated circuits and semiconductor light-emitting diodes (lasers).

Current controller with extended functionality based on the cascade with dynamic load on the field effect transistor

To increase the stability and accuracy of current regulation, it is proposed to use a universal IC based on a cascade with dynamic load on a field-effect transistor or two-transistor cells [5].

Using a chip with dynamic load as a current regulator extends its functionality. In particular, unlike the known cascade [6] in the microcircuit, the output of the gate of the additional transistor is disconnected from the source terminal, and the gate terminal of the main transistor is connected to the source of the additional transistor. As a result, when the drain current varies, both channels will simultaneously be modulated, facilitating the current regulator

The current regulator circuit based on the cascade with dynamic load is shown in Fig. 3. The microcircuit as a current regulator is connected by the drain terminal of the main transistor to the object to which the current supplied by the digital ammeter and the voltage that is incident on it is supplied with a predetermined value, measured by a tube voltmeter.

Fig. 3. Current regulator circuit based on a cascade type chip with dynamic load

The current is controlled by the series-connected variable potentiometers R and R2, which are connected to the power supply. The chip allows you to control the current through the structure in steps of at least ten points in each order

Rahmatov Ah.Z., Giyasova F.A., Kuliev Sh.M., Zakirov R.G.

(|A in steps of 1-10, 10-100 and mA in steps of 1-10), which provides high accuracy of measuring the volt-ampere characteristics of zener diodes, avalanche diodes, thyristors and diodes with a sharp current rise or an S-shaped current-voltage characteristic (Fig. 4), where the volt-ampere characteristic of a silicon p+-nn+-structure taken with the aid of a dynamical load cascade with different breakdown voltages

Fig. 4. Breakdown characteristics of silicon rectification-bounding p+-nn+-structure

Conclusion

Thus, the precision current controller in the field-effect transistor, and also on the basis of the proposed microcircuit-a cascade with dynamic load on a field-effect transistor-can be used as a precision current regulator to remove the current-voltage characteristics of rectifier-limiting diodes and semiconductor devices with a sharply increasing current, and the use of this approach to obtaining a cascade with dynamic load allows you to extend the functionality of the circuit with dynamic load and enriches the basis of technology and design of microcircuits.

References

1. Sokolnikov A.V., Igoshev S.O., Traksova V.V. Determination of the transition temperature in the super-bright LED heterostructure // Electronics and Information Technology, 2010. № 2. Pp. 1-4.

2. Sources of current on the FET with p-n-junction. http://www.skilldi-agram.com/gl3-6a.html

3. Yodgorova, D.M. Mechanism of saturation of the drain current of a field-effect transistor // Technology and design in electronic equipment. Odessa, 2006. №5 (65). Pp. 58-61.

4. Milekhin A.G. Radio engineering circuits on field-effect transistors. M.: Energy, 1976. Pp. 29-31.

5. Patent for invention No. IAP 05540 «Universal microcircuit» / Lutpul-laev S.L., Saydumarov M.A., Karimov A.V., Rakhmatov A.Z., Yodgorova D.M., Abdulkhaev O.A., Kuliev Sh.M. Bul. No. 2 of 28.02.2018.

6. The patent of Russia No. 2024111. 30.11.1994. Source Repeater. Matz Ilya Leontievich.

Применение

JFET | Источник постоянного тока | Чоппер

Привет, ученики, добро пожаловать в еще один эксперимент Proteus на Инженерные проекты. Ранее мы видели, что такое переходные полевые транзисторы. Сегодня мы узнаем о некоторых применениях переходных полевых транзисторов.

Непосредственно перед экспериментом полезно уточнить следующее:

Транзисторы — это трехполюсные униполярные устройства. Клеммы Junction Field Effect Transistor имеют следующие названия:

. Клеммы затвора являются общими как для источника, так и для стока.

Перед тем, как начать, давайте проясним некоторые понятия о переходных полевых транзисторах.

Резистор

Резистор — это электрическое устройство. Мы определяем резисторы как:

«Резистор — это двухконтактное пассивное электрическое устройство, которое показывает электрическое сопротивление и используется почти в каждой цепи.

Резисторы могут использоваться для уменьшения или управления потоком тока, завершения переходных линий и других подобных функций.

Напряжение отсечки

Основное определение напряжения отсечки:

«Напряжение, приложенное между стоком и источником, при котором текущий максимальный ток протекает через цепь, при условии, что напряжение затвора равно нулю, называется. P дюймовое напряжение. –

, когда значение напряжений меньше, чем область отсечки, напряжение поступает в другую область, называемую омической областью полевого транзистора, и транзистор действует как резистор в этой области.

Управляющее напряжение

Управляющее напряжение переходного полевого транзистора определяется как:

«Управляющее напряжение — это напряжение транзисторов от затвора к истоку. Чтобы установить его значение, напряжение от затвора до источника делается отрицательным и обозначается как Vgs ».

Полевые транзисторы широко используются в мире электроники из-за их размера и производительности. Мы применим полевые транзисторы JFET при создании двух схем:

1. Источник постоянного тока.
2. Чоппер.

Во время реализации схем мы будем использовать полевой транзистор N-типа из-за лучшего потока электронов в этом виде полевого транзистора. В JFET N-типа основными носителями заряда являются электроны.

Я объясню это одно за другим.

Источник постоянного тока

Полевой транзистор можно использовать в качестве источника постоянного тока. Это означает, что если JFET спроектированы таким образом, они могут обеспечивать постоянный ток через нагрузочный резистор, независимо от того, какой ток подается на его вход.Такая возможность обусловлена ​​почти горизонтальной линией на характеристиках стока полевого транзистора.

Напомним, что резистор — это устройство с двумя выводами, которое уменьшает ток, делит напряжение или регулирует сигнальные линии. Но тщательно контролируемый полевой транзистор можно использовать для преодоления сопротивления через резистор, который находится между полевым транзистором и источником напряжения.

В цепи, когда Vgs больше, чем напряжение отсечки. математически

V-IR> | V |

Реализация в Proteus ISIS

Чтобы создать схему для источника постоянного тока, нам понадобятся следующие компоненты:

Требуемый компонент:

1. Переходный полевой транзистор
2. Резистор
3. Наземный терминал
4. Источник постоянного тока
5. Подключение проводов

Процедура

• Запустите программу Proteus.
• Выберите JFET и резистор из библиотеки Pick с помощью кнопки «P».
• Возьмите наземный терминал из библиотеки терминалов на самой левой вкладке.
• Вывести источник постоянного тока из «Генераторного режима».
• Для измерения силы тока мы добавим амперметр постоянного тока из «Режима виртуальных приборов».

Это шаг, на котором схема должна быть устроена так, чтобы получить требуемый выход.

• Подключите источник к сливу через провод.
• Присоединитесь к клемме заземления с проводом, соединяющим источник и ворота.
• Подключите компоненты в рабочей области в соответствии со схемой:

• Дважды щелкните аккумулятор и присвойте ему значение 9 вольт .
• Дважды щелкните вольтметр и измените диапазон дисплея на миллиампер.
• Точно так же дважды коснитесь резистора и присвойте ему значение 1 кОм Ом.

ПРИМЕЧАНИЕ: вы также можете использовать переменный резистор.

• Запишите значения амперметра.
• При первых наблюдениях измените номинал резистора на 1 кОм.
• Нажмите кнопку воспроизведения.

Амперметр показывает значение 0,40 милиампер .

• Снимите семь отсчетов, изменив номинал резистора, и составьте таблицу.
  

  Сопротивление	Ток
  1 кОм	0,40 * 10 -3
  2 кОм	0.40 * 10 -3
  3 кОм	0,40 * 10 -3
  4 кОм	0,40 * 10 -3
  5 кОм2	5 кОм2 3
  6 кОм	0,40 * 10 -3
  7 кОм	0,40 * 10 -3

  0 901 значение батареи и запись значений.

  Прерыватель

  Прерыватель — это применение транзистора, которое показывает нам выходной сигнал в виде прямоугольной волны. Мы определяем прерыватель как:

  «Прерыватель — это электронная схема, используемая для приема усиленного постоянного тока с использованием какого-либо типа транзистора или другого устройства».

  Для создания цепи прерывателя можно использовать любой тип транзистора, например, биполярный переходной транзистор. Но полевые транзисторы с переходным эффектом лучше подходят для этой цели из-за полевого управления полевыми транзисторами.

  В чопперах полевой транзистор действует как переменное сопротивление.

  Давайте поспешим к Proteus, чтобы применить схему.

  Реализация прерывателей в Proteus ISIS

  • Запустите свой Proteus ISIS.

  Необходимый материал

  1. Соединительный полевой транзистор
  2. Резистор
  3. Источник переменного тока
  4. Земля
  5. Осциллограф
  • Выберите Vsine, Resistor и JFET из библиотеки Pick с помощью кнопки «P».
  • Возьмите форму осциллографа «Режим виртуального прибора» и закрепите его прямо над контуром.
  • Подключите канал A сразу после источника переменного тока, а канал B — с источником.
  • Поместите клемму заземления под схемой, выбрав ее в «Терминале».
  • Измените значение сопротивления, подключенного к переменному току, на 100 Ом .
  • Измените значение сопротивления, подключенного к источнику, на 200 Ом.
  • Задайте частоту 1000 Гц и амплитуду 12 В по синусоиде.
  • Присоединитесь к цепи в соответствии с изображением, приведенным ниже:

  Похоже, что наша схема завершена.

  • Нажмите кнопку Play, чтобы смоделировать график.
  • Установите значение канала A на 1 В .
  • Установите канал B на 20V .

  Выход схемы:

  Это преобразование важно в некоторых схемах. Выходной сигнал Chopper имеет форму прямоугольных волн.

  Таким образом, сегодня мы узнали о JFET вместе с приложениями JFET в качестве постоянного тока и прерывателя и увидели их реализацию в Proteus.

  Соединительный полевой транзистор (JFET) в качестве переключателя | Переходные полевые транзисторы

  Как и его биполярный собрат, полевой транзистор может использоваться в качестве переключателя включения / выключения, управляющего подачей электроэнергии на нагрузку. Давайте начнем наше исследование JFET как переключателя с нашей знакомой схемы переключатель / лампа:

  Помня, что управляемый ток в полевом транзисторе JFET течет между истоком и стоком, мы заменяем соединения истока и стока полевого транзистора на два конца переключателя в приведенной выше схеме:

  Если вы еще не заметили, соединения истока и стока на полевом транзисторе JFET выглядят одинаково на условном обозначении.В отличие от транзистора с биполярным переходом, где эмиттер четко отделен от коллектора стрелкой, линии истока и стока полевого транзистора проходят перпендикулярно полосе, представляющей канал полупроводника. Это не случайно, так как линии истока и стока полевого транзистора на практике часто взаимозаменяемы! Другими словами, полевые транзисторы JFET обычно способны обрабатывать ток в канале в любом направлении, от истока к стоку или от стока к истоку.

  JFET как разомкнутый переключатель

  Теперь все, что нам нужно в схеме, — это способ контролировать проводимость полевого транзистора.Если между затвором и истоком приложено нулевое напряжение, канал полевого транзистора будет «открыт», пропуская полный ток к лампе. Чтобы выключить лампу, нам нужно будет подключить другой источник постоянного напряжения между затвором и истоком полевого транзистора, например:

  JFET как закрытый переключатель

  Замыкание этого переключателя приведет к «защемлению» канала JFET, заставляя его отключаться и выключая лампу:

  Обратите внимание, что через ворота не проходит ток.Как PN-переход с обратным смещением, он препятствует прохождению через него тока. Как устройство, управляемое напряжением, JFET требует незначительного входного тока. Это преимущество JFET по сравнению с биполярным транзистором: управляющий сигнал практически не требует мощности.

  Повторное открытие управляющего переключателя должно отключать обратное смещение постоянного напряжения от затвора, тем самым позволяя транзистору снова включиться. Во всяком случае, в идеале это работает так. На практике это может вообще не работать:

  Почему это? Почему канал JFET не открывается снова и не пропускает ток лампы, как это было раньше, без напряжения между затвором и истоком? Ответ кроется в работе перехода затвор-исток с обратным смещением.Область истощения внутри этого перехода действует как изолирующий барьер, отделяющий затвор от источника. Таким образом, он обладает определенной емкостью , способной сохранять потенциал электрического заряда. После того, как этот переход был принудительно смещен в обратном направлении посредством приложения внешнего напряжения, он будет иметь тенденцию удерживать это напряжение обратного смещения в качестве накопленного заряда даже после того, как источник этого напряжения был отключен. Чтобы снова включить полевой транзистор, необходимо сбросить накопленный заряд между затвором и истоком через резистор:

  Кровоточащий резистор

  Значение этого резистора не имеет большого значения.Емкость перехода затвор-исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно большой резистор утечки создает быструю постоянную времени RC, позволяя транзистору возобновлять проводимость с небольшой задержкой после размыкания переключателя.

  Как и биполярный транзистор, не имеет значения, откуда и какое управляющее напряжение исходит. Мы могли бы использовать солнечную батарею, термопару или любое другое устройство, генерирующее напряжение, для подачи напряжения, контролирующего проводимость полевого транзистора. Все, что требуется от источника напряжения для работы переключателя JFET, — это достаточного напряжения , чтобы обеспечить отсечку канала JFET.Этот уровень обычно находится в области нескольких вольт постоянного тока и называется напряжением отсечки или отсечкой напряжением . Точное напряжение отсечки для любого данного JFET зависит от его уникальной конструкции и не является универсальной величиной, например 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого BJT.

  ОБЗОР:

  • Полевые транзисторы регулируют ток между соединениями истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В полевом транзисторе с переходом (JFET) есть PN переход между затвором и истоком, который обычно имеет обратное смещение для управления током исток-сток.
  • JFET — это нормально включенные (нормально насыщенные) устройства. Приложение напряжения обратного смещения между затвором и истоком вызывает расширение обедненной области этого перехода, тем самым «зажимая» канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.
  • Может потребоваться установить «отводящий» резистор между затвором и истоком, чтобы разрядить накопленный заряд, накопленный на естественной емкости перехода, когда управляющее напряжение снимается.В противном случае может остаться заряд, чтобы JFET оставался в режиме отсечки даже после отключения источника напряжения.

  СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

  А источник тока на основе JFET 9000 1 А источник тока на основе JFET

  Источник тока на базе JFET

  В лекции 1 мы представили идею источника тока и упомянули, что их было немного сложнее реализовать, чем, возможно, более знакомые источник напряжения.

  Теперь мы можем изучить практический способ реализации текущих источники. Схема ниже (которая была введена в pSpice схемотехнический симулятор) показывает простой способ сделать это с помощью JFET (см. Лекцию Примечания стр. 86). Обратите внимание, что символ, используемый для JFET, типа 2N3819, является не совсем то же самое, что и более широко распространенный вариант, с которым мы столкнулись!

  Отрицательная клемма источника питания V1 (символ батареи) подключена к Земля, также известная как Узел 0, представляет собой точку отсчета для любого измерения, которые мы можем сделать.Хотя напряжение аккумулятора указано как 5 В, pSpice позволит нам экспериментально варьировать это значение в любом требуемом диапазоне. Ток, вырабатываемый цепью, протекает в цепи стока и фактически составляет Я _Д . Для этого приложения светодиодный индикатор отображается как нагрузка, в которой протекает постоянный ток. Это очень типичный использование для такой схемы; светодиод работает наиболее стабильно (давая стабильный световой поток), если ток, проходящий через него, может поддерживаться постоянным, даже при изменении напряжения питания — например, как аккумулятор разряды.

  Схема может быть описана как полевой транзистор с самосмещением: истоковый резистор R определяет напряжение затвора истока через соотношение V _GS = -V _S0 = -I _D R

  Это позволяет достичь диапазона токов, так как рабочий условия JFET могут быть выбраны путем выбора значения R, которое определяет относительные значения I _D и V _GS . В анализ разработан в лекции 7.

  Использование pSpice для прогнозирования поведения схемы

  pSpice может помочь нам предсказать многие аспекты поведения схемотехники. прежде чем мы его построим. Чтобы смоделировать напряжение-ток характеристика нелинейного устройства, такого как полевой транзистор, pSpice может использовать ряд различные математические модели. Для этого приложения моделируется JFET. используя выражение, основанное на биномиальном приближении, для зависимости I _D на V _DS и V _GS .Для различных типов JFET требуется различные коэффициенты, которые будут использоваться в выражении, и они могут быть включены.

  Здесь симулятор pSpice использовался для прогнозирования производительности цепи, поскольку напряжение питания изменяется в диапазоне. Если дизайн работая правильно, мы ожидаем, что ток не будет зависеть от V1. pSpice использовался для прогнозирования поведения схемы с различными значениями R, от 0 Ом до 1000 Ом. Мы ожидаем увидеть текущее изменение как вводятся разные значения R.

  Семейство кривых, показанных выше, представляет выходные данные pSpice. В ожидаемое значение I _D (ток светодиода) отображается в зависимости от напряжение питания V1, для различных значений R.

  Мы видим, что при условии, что напряжение питания V1 находится в пределах 5 вольт. примерно до 25 вольт, ток практически не меняется с V1: это эффективно постоянный. Однако, когда V1 падает ниже примерно 5 вольт, цепь видна. выйти из строя, так как ток быстро падает.

  Если бы мы использовали отдельный резистор, чтобы попытаться контролировать ток через LED, ток сильно зависел бы от V1 для всех значений.

  Видно, что выбор значения R оказывает значительное влияние на постоянный ток получается. При соответствующем выборе R постоянный ток может быть получен в любом месте в диапазоне 2–12 мА. Глядя на кривой для R = 0, мы можем видеть, как схема на странице 85 примечаний будет вести себя.При этих условиях мы знаем из передачи charact eristic что JFET будет работать с током стока, равным I _DSS (см. Конспект лекций, стр. 85). Недостатком этой очень простой схемы является что вы застряли со значением I _DSS для конкретного выбранный вами транзистор, и это может значительно отличаться от транзистора к транзистор. Включение R делает схему гораздо более универсальной.

  Хотя JFET может обеспечить простое решение для проектирования тока источник, это не лучшее возможное решение.Гораздо лучший дизайн может быть достигается с помощью биполярных транзисторов (которые вы встретите на втором курсе), или с помощью операционных усилителей (с которыми вы познакомитесь в лекциях 17-18 настоящей курс). Используя подходящие математические модели для этих компонентов, pSpice также может прогнозировать производительность этих различных подходов и является поэтому мощный союзник разработчика электронных схем. Однако это важно помнить, что полученные результаты настолько точны, насколько точны числовые модели, используемые для представления моделируемых устройств.В реальном схема, производственные допуски и другие переменные (например, температура) могут заставляют реальную схему работать совершенно иначе, чем симуляция. А хороший дизайнер всегда учтет эти возможности.

  ---

  Дэвид Холберн Октябрь 2005 г.

  Лаборатория 4 — Схемы JFET I

  JFET Транзисторы

  Существует два основных типа транзисторов: биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET).Физические механизмы, лежащие в основе работы этих двух типов транзисторов, совершенно разные. Мы ограничим наше исследование полевыми транзисторами, потому что их физический механизм проще. Полевые транзисторы подразделяются на два основных класса: переходные полевые транзисторы (JFET) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET). (Чтобы быть полными, каждый тип полевых транзисторов подразделяется на полевые транзисторы с n и p-каналами, а для полевых МОП-транзисторов — на полевые МОП-транзисторы с расширением и истощением, но мы не будем рассматривать это сейчас.)

  Статическое электричество легко разрушает полевые МОП-транзисторы; Их можно сжечь, просто пройдя по комнате в сухой день, неся их в руке.Однако после пайки в схему полевые МОП-транзисторы становятся довольно прочными. Хотя полевые МОП-транзисторы встречаются намного чаще, чем полевые транзисторы, мы будем работать с полевыми транзисторами, поскольку полевые МОП-транзисторы так легко перегорают. JFET-транзисторы дадут нам хорошее представление о том, как работают транзисторные схемы.

  
  Транзисторы усилители; слабый сигнал используется для управления большим сигналом. Типичные транзисторы имеют три вывода; в случае JFET напряжение на одном выводе (называемом затвором) используется для управления током между двумя другими выводами (называемыми истоком и стоком).Конечно, напряжение затвора нужно привязать к какому-то другому потенциалу. По соглашению это ссылка на источник. Полевые транзисторы JFET нарисованы, как показано справа, где метки затвора, стока и истока (G, D, S, соответственно) обычно опускаются. Напряжения и токи транзисторов обозначены индексами, указывающими на соответствующий вывод. Таким образом, $ V_ {GS} $ относится к напряжению между затвором и истоком, $ V_ {DS} $ — это напряжение между стоком и истоком, $ I_D $ — ток в сток, а $ I_S $ — ток из источника.В нормальных условиях эксплуатации , ток не течет в вентиль . Следовательно, $ I_S = I_D $.

  Характеристики JFET и модель крутизны

  Затвор и сток-исток JFET образуют диод с pn переходом; справа показана очень простая модель JFET. В этой модели сопротивление истока и стока зависит от смещения затвора. В нормальных условиях работы затвор JFET всегда имеет отрицательное смещение относительно источника, т.е.е. $ V_ {GS} <0 $. Следовательно, диод имеет обратное смещение, и ток затвора незначителен, тем самым доказывая, что $ I_S = I_D $. JFET может сгореть, если затвор смещен положительно . Эта простая картинка — происхождение названий отведений. Электроны входят в устройство через Источник, выходят через Дренаж и управляются Вратами. Но по соглашению мы всегда говорим о положительном течении тока; таким образом, хотя электроны проходят через Источник и уходят в Сток, положительный ток течет от стока к Источнику. Проверка внутреннего диода между затвором и стоком-истоком с помощью цифрового мультиметра — хороший и быстрый способ определить, работает ли полевой транзистор; диод обычно перегорает в перегоревших полевых транзисторах.

  Рисунок 1: Модель простого полевого транзистора

  Более полезная модель JFET заменяет переменный резистор на источник переменного тока, ток которого зависит от напряжения затвора $ V_ {GS} $ и напряжения сток-исток $ V_ {DS} $, как показано на рис.2. Ток сток-исток максимален, когда напряжение затвор-исток $ V_ {GS} $ равно нулю, обычно около $ 50 \, \ mathrm {mA} $. Когда $ V_ {GS} $ становится отрицательным, ток уменьшается. Когда напряжение затвор-исток $ V_ {GS} $ достигает критического значения, называемого напряжением отсечки затвор-исток $ V_P $, ток стока $ I_D $ полностью отключается; нет тока. (Напряжение отсечки иногда называют напряжением отсечки.) Значение $ V_P $ зависит от конкретного типа полевого транзистора (и даже существенно варьируется между полевыми транзисторами одного типа), но обычно составляет от $ -4 до $ -10 \, \ mathrm {V} $.Таким образом, когда $ V_ {GS} $ поднимается в направлении $ 0 \, \ mathrm {V} $ из-за напряжения отсечки, ток $ I_D $ начинает течь. Типичный график зависимости тока от напряжения затвора показан на рис. 3 слева внизу. Простые модели производительности JFET предсказывают, что кривая будет параболической, особенно вблизи напряжения отсечки, но реальные устройства могут существенно отличаться от этого предсказания. Текущее значение $ I_D $ также будет зависеть от $ V_ {DS} $, как показано на рис. 4 справа внизу. На рисунке видны два режима: «линейный» режим низкого напряжения, где выходной ток линейно связан с $ V_ {DS} $, и область «насыщения», где ток почти не зависит от $ V_ {DS} $.JFET обычно, но не всегда, используются в области насыщения, и следующие две модели моделируют только этот режим.

  Рисунок 2: Крутизна JFET модели

  Рисунок 3: Передаточная характеристика затвора JFET

  Рисунок 4: Выходная характеристика полевого транзистора.

  Крутизна малых сигналов Модель

  Схемы, использующие полевые транзисторы в режиме насыщения, обычно поддерживают напряжение затвора-истока $ V_ {GS} $ относительно постоянным около некоторого среднего значения $ \ left $. В этих обстоятельствах полезно рассмотреть модель JFET, которая линеаризуется вокруг небольших вариаций $ v_ {gs} $ около $ \ left $, т.е. $ v_ {gs} = V_ {GS } — \ left $. Условно термин «большие сигналы» относится к приложенному полному общему напряжению, в то время как термин «малые сигналы» относится к небольшим отклонениям от этих больших сигналов.Обычно мы используем заглавные буквы для больших количеств сигналов (например, $ V_ {GS} $) и маленькие буквы для малых количеств сигналов (например, $ v_ {gs} $).

  Простейшая модель малого сигнала для JFET показана на рис. 5 внизу слева и связывает линеаризованный ток стока $ i_d = I_D- \ left $ с $ v_ {gs} $ посредством линейной зависимости $ i_d = g_mv_ {gs} $. Пропорциональность $ g_m $ называется «крутизной»; «Транс», потому что напряжение затвора передается току источника, и «проводимость», потому что $ g_m $ имеет единицы проводимости.

  В любых обстоятельствах крутизна рассчитывается путем взятия производной $ g_m = dI_d / dV_ {GS} $ при фиксированном значении $ V_ {DS} $. Если передаточная характеристика JFET представляет собой чистую параболу, подобную показанной на рис. 3, то крутизна будет прямой линией, подобной показанной на рис. 6. Наклон линии будет зависеть от $ V_ {DS} $, таким образом, конкретное значение крутизны для использования в $ i_d = g_mv_ {gs} $ зависит как от $ \ left $, так и от $ \ left $.

  Рисунок 5: Модель крутизны

  Рисунок 6: Transcounductance

  Модель сопротивления источника слабого сигнала

  Полезным вариантом модели крутизны является модель сопротивления источника. Эта модель состоит из идеального полевого транзистора, подключенного к истоковому резистору $ r_s $, как показано на рис.7 внизу слева. Значение резистора истока составляет $ r_s = 1 / g_m $, и для типичного полевого транзистора JFET оно показано на рисунке 8 справа внизу.

  Идеальный полевой транзистор пропускает любой ток, необходимый для поддержания одинакового потенциала затвора и источника, отсюда и обозначение $ 0 \, \ mathrm {V} $ на чертеже модели. Вы можете представить это так, как будто есть крошечный демон Максвелла, который постоянно измеряет напряжение истока затвора идеального полевого транзистора и регулирует ток через полевой транзистор так, чтобы это напряжение оставалось равным нулю. Не волнуйтесь, это скорее антропоморфный рисунок, он действительно очень полезен.

  Мы называем полевой транзистор в этой модели идеальным, потому что мы делаем вид, что его крутизна бесконечна. Тогда любой желаемый ток может быть получен с бесконечно малым $ v_ {gs} $, следовательно, $ v_ {gs} \ ок0 $. Идеальные полевые транзисторы не могут быть изготовлены сами по себе, в этой модели идеальный полевой транзистор и исходный резистор $ r_s $ образуют неделимый корпус. Источник идеального полевого транзистора находится внутри корпуса и недоступен для внешней схемы. Как обозначено меткой «S», вывод «истока», доступный для внешней цепи, является нижним концом резистора истока $ r_s $.Не волнуйтесь, что внутренний идеальный JFET имеет бесконечную крутизну, все устройство, включая резистор источника, не будет иметь бесконечной крутизны.

  Рисунок 7: Модель сопротивления источника

  Рисунок 8: Сопротивление источника

  Эквивалентность модели

  Модель крутизны и модель сопротивления источника являются малосигнальными, т.е.е. линеаризованные модели. Хотя это может быть не сразу очевидно, формально они эквивалентны. Эту эквивалентность лучше всего установить на примере.

  • Рассмотрим реальный полевой транзистор с крутизной $ g_m = 0,01 \, \ mathrm {S} $ и управляемый напряжением $ v_ {gs} = + 0,1 \, \ mathrm {V} $. [Единица $ \ mathrm {S} $ — это единица проводимости, сименс. Иногда вы увидите архаичную, но гораздо более забавную единицу, mho (ом назад) для проводимости.] Ясно, что $ i_d = g_mv_ {gs} = 0,01 \ times 0.1 = 0,001 \, \ mathrm {A} $ для модели крутизны.
  • Каким образом идеальный полевой транзистор JFET в модели резистора истока поддерживает на затворе и истоке тот же потенциал, который требуется в модели сопротивления источника? Он должен пропускать через резистор источника $ r_s $ достаточный ток, чтобы поднять идеальное напряжение источника (напряжение на нижнем выводе недоступного идеального полевого транзистора, предположительно находящегося внутри реального полевого транзистора) до $ + 0,1 \, \ mathrm {V} $ . Поскольку сопротивление источника составляет $ r_s = 1 / 0.01 = 100 \, \ Omega $, для этого требуется ток $ v_ {gs} / r_s = 0.1/100 = 0,001 \, \ mathrm {A} $.

  Таким образом, обе модели предсказывают один и тот же текущий $ i_d $. Поскольку модели эквивалентны, они дадут одинаковые результаты в любой схеме. Лично я (JF) считаю, что модель сопротивления источника проще в использовании.

  Повторюсь, все постоянные смещения напряжения и постоянные токи игнорируются в моделях малых сигналов, за исключением начального расчета крутизны. В частности, игнорируется смещение $ V_ {GS} $, необходимое для получения желаемого $ I_D $; $ v_ {gs} $ центрируется вокруг нуля.$ V_ {GS} $ всегда отрицательно; $ v_ {gs} $ может быть положительным или отрицательным. Суммарный ток $ I_D $ всегда положительный; $ i_d $ может быть положительным или отрицательным.

  Источники тока с самосмещением

  Источники тока очень важны в современной схемотехнике. Типичный операционный усилитель (операционный усилитель), очень распространенная схема, которую мы будем тщательно изучать, может содержать дюжину источников тока. JFET, работающий в режиме насыщения, функционирует как источник тока; как видно на рис.4, ток стока $ I_D $ увеличивается только медленно, когда увеличивается напряжение источника стока $ V_ {DS} $. Однако изолированный полевой транзистор JFET не является достаточно жестким ($ I_D $ недостаточно независим от $ V_ {DS} $) для большинства приложений. Более того, $ I_D $ будет существенно меняться в зависимости от температуры.

  Источник тока с самосмещением, изображенный справа, является гораздо более жестким источником. Как и в любом источнике тока, ток через источник, здесь вниз через JFET $ I_D $, почти не зависит от напряжения $ + V $ в цепи.(В идеальном бесконечно жестком источнике ток был бы полностью независим от $ + V $.) Величину тока можно запрограммировать, изменив номинал резистора $ R $. Поведение этой схемы неочевидно. Схема зависит от обратной связи: выход схемы управляет ее входом. Обратная связь — чрезвычайно полезный и универсальный метод проектирования схем, обладающий почти волшебной силой. Этот источник тока с самосмещением — первая из многих схем обратной связи, которые мы будем изучать в этом курсе.

  Давайте рассмотрим, как вышеупомянутый источник тока может запускаться при первом включении питания. Представьте, что источник $ + V $ внезапно включается, а ток через JFET еще не течет. Тогда падение напряжения на резисторе будет равно нулю, и напряжение затвора истока $ V_ {GS} $ также будет равно нулю. Но при нулевом значении $ V_ {GS} $ через JFET проходят большие токи, поэтому ток будет увеличиваться. По мере увеличения тока на резисторе будет возникать падение напряжения, и верхний конец резистора станет положительно смещенным относительно земли. Это означает, что затвор станет отрицательно смещенным относительно источника. Отрицательные значения $ V_ {GS} $ начнут отключать JFET. В конце концов, устойчивое равновесие будет достигнуто, где $ V_ {GS} $ как раз подходит для желаемого тока, протекающего через JFET.

  При достижении равновесия, если ток увеличится, падение напряжения на резисторе увеличится, источник JFET станет более положительным, $ V_ {GS} $ станет более отрицательным, а JFET слегка отключится.Если бы ток уменьшился, падение на резисторе уменьшилось бы, источник JFET стал бы менее положительным, $ V_ {GS} $ стал бы менее отрицательным, а JFET включился бы немного больше.

  Таким образом, схема регулирует свой выход, возвращая сигнал, пропорциональный его выходу (в данном случае, напряжению на резисторе), на свой вход. В свою очередь, эта обратная связь с входом регулирует выход.

  Равновесный ток через JFET, т.е.е. текущий ток источника можно предсказать с помощью анализа линии нагрузки. График справа отображает передаточную характеристику затвора красным цветом. Он также отображает линию нагрузки $ I_D = -V_ {GS} / R $. Почему график линии нагрузки имеет отрицательный наклон? Тщательно продумайте схему; для положительного тока, протекающего через $ R $, напряжение на $ R $ является обратным значению $ V_ {GS} $. Отсюда отрицательный знак. По аналогии с анализом линии нагрузки диода, характеристика JFET и линия нагрузки должны выполняться одновременно.Это произойдет только на пересечении двух кривых; это пересечение, таким образом, дает равновесный ток. Почему этот источник тока жесткий? Рассмотрим варианты $ + V $ и соответствующие варианты $ V_ {DS} $. Эти изменения $ V_ {DS} $ вызовут изменения характеристической кривой JFET, упрощенно изменяя коэффициент параболической зависимости и сдвигая кривую вверх или вниз. Однако эти изменения будут небольшими, если JFET находится в режиме насыщения, когда $ I_D $ относительно не зависит от $ V_ {DS} $.Затем подумайте, как меняется точка равновесия. Если линия нагрузки имеет небольшой уклон, изменения характеристической кривой в первую очередь будут перемещать точку пересечения по горизонтали. Текущий $ I_D $ практически не изменится. Следовательно, источник будет жестким.

  Последователи источника

  Повторитель — это цепь, выходное напряжение которой равно входному напряжению. Поскольку последователи не имеют усиления по напряжению, может показаться, что они бесполезны.Однако последователи могут иметь большое усиление по току , что может быть более важным, чем усиление по напряжению для источников с высоким входным импедансом. 4 $.

  Конкретный тип повторителя, повторитель источника, может быть сконструирован путем небольшой модификации источника тока с самосмещением. Вместо заземления затвора, как это делается в источнике тока, затвор приводится в действие источником входного сигнала, как показано справа. Вывод снимается с истокового резистора $ R_S $. Обозначения здесь сбивают с толку; этот резистор с заглавной буквы $ R $ представляет собой физический резистор, подключенный к источнику JFET. Он отличается от $ r_s $ небольшим $ r $, воображаемым внутренним резистором источника, используемым в модели сопротивления источника слабого сигнала. Поведение схемы мало отличается от поведения источника тока. Предположим, что при $ V_ {in} = 0 $ ток в цепи равен $ I_ {D0} $. Тогда напряжение затвора истока будет $ V_ {GS0} = — R_SI_ {D0} $. Если $ V_ {in} $ станет положительным, а $ I_D $ не изменится с $ I_ {D0} $, напряжение затвора-истока $ V_ {GS} $ увеличится, возможно, существенно. Это привело бы к тому, что JFET захотел бы увеличить $ I_D $, что, в свою очередь, увеличило бы падение напряжения на $ R_S $, тем самым уменьшив $ V_ {GS} $.Вскоре мы увидим, что в равновесии ток $ I_D $ увеличится ровно настолько, чтобы напряжение затвора-истока едва увеличилось со своего значения $ V_ {GS0} $. Точно так же, если $ V_ {in} $ станет отрицательным, равновесный ток уменьшится ровно настолько, чтобы значение напряжения затвора-истока едва уменьшилось от его значения $ V_ {GS0} $. Поскольку $ V_ {GS} $ практически не изменяется, выходное напряжение $ V_ {out} $ должно отслеживать $ V_ {in} $, и схема действует как ведомый. Обратите внимание, что трек не означает равный; таким образом, в то время как большой сигнал $ V_ {out} \ ne V_ {in} $, меньший сигнал $ v_ {out} = v_ {in} $. Помните, что $ V_ {GS} $ всегда остается отрицательным; затвор JFET всегда имеет обратное смещение.

  Поведение слабого сигнала ведомого можно описать более точно, заменив JFET его моделью сопротивления источника, как показано справа. Помните, что в этой модели идеальный полевой транзистор JFET поддерживает внутренний источник с таким же потенциалом, что и затвор. Модель сводится к делителю напряжения, управляемому источником напряжения, управляемым напряжением, как показано справа. Таким образом, на выходе схемы . $ \ displaystyle v_ {out} = \ frac {R_S} {r_s + R_S} v_ {in} $. (1) Пока $ r_s $ намного меньше $ R_S $ , выходное напряжение будет точно соответствовать входному напряжению. Используя модель справа, мы можем легко вычислить выходное сопротивление повторителя. Если мы заземлим $ v_ {in} $ и посмотрим назад на схему от $ v_ {out} $, мы увидим два параллельных резистора. Таким образом, выходное сопротивление $ \ displaystyle z_ {out} = \ frac {r_sR_S} {r_s + R_S} $.(2) Пока $ r_s $ мало по сравнению с $ R_S $, выходное сопротивление будет приблизительно $ r_s $, а поскольку $ r_s $ обычно мало, выходное сопротивление ведомого устройства будет небольшим.

  Для получения дополнительной информации о предвзятых последователях см. Sedra & Smith, 2-е издание, страницы с 282 по 287.

  Упаковка и товары

  Транзисторы производятся во многих различных корпусах и размерах.Наши полевые транзисторы 2N4392 JFET поставляются в металлической банке. (Устройства, начинающиеся с 1N, всегда являются диодами; устройства, начинающиеся с 2N, всегда являются транзисторами.) Как и во многих других устройствах, диаграмма отведений зависит от вида. Вид снизу (сразу справа) показывает устройство со стороны вывода. Вид сверху (в центре справа) смотрит на устройство со стороны без вывода выводов. Выводы 2N4392 расположены треугольником; если смотреть сверху, то вывод затвора — это первый вывод по часовой стрелке от выступа. При вставке полевого транзистора в макетную плату нет необходимости раздавливать выводы по горизонтали. Фактически, это может привести к случайному замыканию выводов JFET на металлический корпус. Вместо того, чтобы сжимать выводы, просто осторожно согните их так, чтобы они образовали треугольный узор и находились в разных столбцах на макете. Может быть полезно, чтобы один из выводов перекрывал узкую область без гнезда на макетной плате.

  2N4392 Вид снизу

  Вид сверху

  Многие полевые транзисторы JFET, включая 2N4392, имеют симметричную конструкцию.Исток и сток можно поменять местами без изменения поведения устройства. Но для простоты при использовании, как правило, следует использовать правильные выводы истока и стока. Асимметричные полевые транзисторы, в которых нельзя поменять местами исток и сток, обычно рисуются со смещенным выводом затвора, как показано справа.

  В лаборатории

  Свойства полевых транзисторов JFET существенно различаются от образца к образцу. Если не указано иное, используйте тот же JFET для всех измерений в этой лаборатории и в некоторых лабораториях на следующей неделе.Убедитесь, что вы держите JFET отдельно. Создавайте аккуратные цепи с короткими проводами, чтобы минимизировать проблемы с шумом.

  Проблема 4.1 — Базовые проверки JFET

  ---

  Проверьте , что ваш JFET работает, выполнив тесты диодов цифрового мультиметра между различными контактами. Опишите результаты всех ваших измерений.

  Проблема 4.2 — Переключатель JFET

  ---

  JFET могут использоваться как электронные переключатели. Создайте схему справа, которая включает и выключает светодиод. Коснитесь выводом затвора на массу, чтобы включить светодиод, и коснитесь его до –12 В, чтобы выключить светодиод. Пока что этот переключатель не очень впечатляет; мы могли бы с таким же успехом включать и выключать светодиод, перемещая его собственный вывод, а не вывод затвора JFET. Поместите резистор $ 22 \, \ mathrm {M} \ Omega $ последовательно с выводом затвора. Можно еще включить светодиод? Из 3.12 вы знаете, что светодиод не загорится, если его подключить к резистору $ 22 \, \ mathrm {M} \ Omega $.JFET позволяет нам контролировать значительный ток светодиода с помощью очень слабого сигнала, доступного через резистор $ 22 \, \ mathrm {M} \ Omega $, тем самым демонстрируя усиление тока.

  Проблема 4.3 — память JFET

  ---

  Вы могли заметить, что переключатель JFET запоминает свою последнюю настройку. Прикоснитесь к воротам на –12 В на мгновение, и светодиод на некоторое время погаснет; коснитесь ворот к земле, и светодиод останется включенным.Эта память является результатом внутренней емкости затвора JFET $ C_ {iss} $ и очень высокого сопротивления затвора $ R_g $. $ C_ {iss} $ — это емкость, которая является результатом конечных физических размеров полевого транзистора. Эта внутренняя емкость недоступна снаружи устройства и будет варьироваться от устройства к устройству. Точно так же сопротивление затвора $ R_g $ — это сопротивление затворного диода с обратным смещением, которое также недоступно извне и будет варьироваться от устройства к устройству. Когда конденсатор затвора разряжен, $ V_ {GS} $ равен нулю, и переключатель JFET будет включен.Но когда конденсатор заряжен отрицательно, переключатель JFET будет оставаться выключенным до тех пор, пока конденсатор не разрядится, то есть в течение времени порядка $ R_gC_ {iss} $. Схема может быть перерисована с помощью модели JFET (показанной справа, обведенной красным), которая включает эти эффекты.

  Время памяти можно увеличить, добавив внешний конденсатор. Измерьте время «забывания» с внешним конденсатором $ 100 \, \ mathrm {pF} $ и без него. Используйте секундомер сотового телефона для измерения времени.По этим двум временам определите приблизительные значения $ C_ {iss} $ и $ R_g $. Обратите внимание, что сопротивление $ R_g $ очень велико. Время памяти с конденсатором может составлять несколько минут; если время непрактично велико, используйте $ 25 \, \ mathrm {pF} $ или $ 50 \, \ mathrm {pF} $ вместо конденсатора $ 100 \, \ mathrm {pF} $. Обратите внимание, что связующая емкость и сопротивление утечки самой макетной платы будут влиять на ваши измеренные значения, уменьшая эффективное сопротивление затвора и увеличивая эффективную емкость затвора. Этот эффект памяти является основой динамического ОЗУ (оперативной памяти) в компьютерах. Компьютеры используют два типа памяти. Статическая RAM (SRAM) запоминает информацию навсегда, но она относительно дорога и не может быть плотно упакована на кристалле. Динамическая оперативная память (DRAM) дешевле и меньше по размеру и очень похожа на ячейки памяти. Практически вся память компьютера, часто $ 4–16 \, \ mathrm {GB} $ (2016), — это DRAM. Емкость затвора очень мала для полевых транзисторов, используемых в DRAM.Компьютер должен напоминать или обновлять память о своем состоянии каждые несколько миллисекунд; сначала он должен прочитать каждый бит памяти, чтобы узнать, в каком состоянии он находится, а затем компьютер обновляет бит памяти, эквивалентно прикосновению к вентилю бита до соответствующего потенциала. Скрытый от пользователя, компьютер должен циклически перебирать всю свою память каждые несколько миллисекунд.

  Проблема 4.4 — Передаточная характеристика затвора JFET

  ---

  Соберите схему, показанную справа. Проверьте свою электрическую цепь перед включением питания; JFET легко сжечь! Перед тем, как присоединить сумматор смещения к полевому транзистору, убедитесь, что он полностью отрицательно повернут, чтобы избежать перегорания полевого транзистора. Используйте осциллограф или другой цифровой мультиметр для измерения напряжения затвора. Конденсатор $ 1 \, \ mathrm {nF} $ включен в цепь для подавления паразитных колебаний. Паразитные колебания — это высокочастотные колебания, которые иногда возникают спонтанно. Они вызваны непреднамеренными паразитными емкостями.Эти емкости могут быть внутренними по отношению к устройству или возникать в результате подключения проводов и проводов к устройству. В лабораторной работе 5 паразитные колебания будут рассмотрены далее. $ 100 \, \ Omega $ ограничивает ток, чтобы предохранитель цифрового мультиметра не перегорел. Сначала найдите наиболее отрицательное напряжение, при котором ток стока протекает через полевой транзистор: напряжение отсечки. Пусть вас не обманывают токи порядка самого низкого разрешения, измеряемого цифровым мультиметром. Если ток не зависит от напряжения затвора, эти базовые показания взяты из минимального уровня шума цифрового мультиметра.Найдите напряжение затвора, которое только начинает увеличивать ток. Затем примерно определяют взаимосвязь между током и напряжением затвора, увеличивая напряжение затвора до нуля, записывая ток примерно в пяти точках.

  Проблема 4.5 — Передаточная характеристика затвора JFET: Curve Tracer

  ---

  Получите подробную передаточную характеристику вашего JFET с помощью компьютеризированной опции JFET Transfer Tracer на измерителе кривой.Подключите JFET к клеммной колодке, поставляемой с измерителем кривой. Вы обнаружите, что порядок выводов на JFET является обратным по отношению к порядку выводов на клеммной колодке. Казалось бы, это потребует скрутки выводов JFET. Вероятно, это не лучший вариант; вы будете использовать этот JFET неоднократно в этой лабораторной работе, и вы не хотите искажать выводы JFET. Трассирующее устройство можно использовать без повреждения выводов, используя одно или оба из следующих решений:

  1. 2N4392 JFET — это симметричный полевой транзистор; Источник и сток технически взаимозаменяемы (хотя мы обычно не советуем вам это делать).Если вы подключите источник JFET к сливу клеммной колодки и наоборот, вы получите те же кривые характеристик, как если бы вы правильно подключили JFET, даже если выводы были фактически перевернуты с точки зрения Tracer.
  2. Если вы поменяете местами провода, как в решении 1 непосредственно выше, вы можете повернуть клеммную колодку на 180 градусов, чтобы источник клеммной колодки был подключен к сливу Tracer, и наоборот. С точки зрения Tracer, это снова поменяет местами отведения; это один из тех редких случаев, когда две ошибки (два обмена) действительно приводят к правильному (нет чистого обмена).

  Используйте опцию анализа Tracer, чтобы подогнать передаточную характеристику к параболе, а для найдите крутизну $ g_m $ и сопротивление источника $ r_s $ как функцию $ V_ {GS} $. Насколько близка характеристика к параболе? По крайней мере, это парабола в некотором ограниченном диапазоне?

  Постройте всех ваших данных, а добавьте точек, которые вы взяли вручную, к кривой передаточной характеристики. Для напряжения затвора $ -1 \, \ mathrm {V} $, найдите крутизну напрямую, дифференцируя кривую передаточной характеристики, и убедитесь, что ваше значение согласуется со значением, автоматически вычисленным Curve Tracer.JFET 2N4392 предназначен для работы в качестве переключателя, и его передаточная характеристика далека от идеальной.

  Наконец, , найдите полную выходную характеристику для вашего JFET с опцией JFET Output Tracer. Сканируйте как в линейном, так и в насыщенном режиме.

  Сохраните этот JFET для многих оставшихся упражнений.

  Curve Tracer, информация

  Проблема 4.6 — Характеристики передачи затвора JFET: Curve Tracer для 2N3819

  ---

  Используйте Curve Tracer, чтобы найти передаточные характеристики 2N3819 JFET. Постройте крутизны этого полевого транзистора. 2N3819 является более типичным и идеальным JFET, чем 2N4392; ближе ли его передаточная характеристика к параболе (то есть его крутизна ближе к линейной)? Обратите внимание, что 2N3819 использует вывод, показанный слева. Технические характеристики 2N3819 JFET доступны на веб-сайте курса.

  Проблема 4.7 — Тепловые свойства JFET

  ---

  Купите новый JFET только для этого упражнения. Вы могли заметить в упражнении 4.4, что более высокие токи стока $ I_D $ смещаются вниз со временем, когда $ V_ {GS} $ удерживается фиксированным. Исследуйте этот эффект: перестройте 4.4 с новым JFET, установите напряжение затвора для $ I_D $, равное $ 1 \, \ mathrm {mA} $, и посмотрите за током в течение минуты. Дрейфует? Затем устанавливает значение тока примерно на $ 15 \, \ mathrm {mA} $. Теперь он дрейфует?

  Сколько мощности рассеивается полевым транзистором? JFET горячий? (Будьте осторожны, осторожно дотрагивайтесь до JFET!) Возьмите банку с контурным охладителем. Распылите на JFET в течение двух секунд и следите за током. Как это изменится?

  Перегретые компоненты — частая причина отказа цепи. Распространенный метод диагностики — обработать подозрительный компонент или цепь охладителем цепи и посмотреть, не заработает ли цепь снова.

  Обратите внимание, что охладитель контура работает, выделяя сжатый газ, часто 1,1,1,2-тетрафторэтан. При расширении газ охлаждается, и его можно использовать для охлаждения JFET. Раньше мы использовали фреон для газа; Фреон обладает некоторыми замечательными свойствами, но он разрушает озоновый слой (вопреки утверждениям Дональда Трампа).Используемые в настоящее время газы не так уж вредны для озонового слоя, но вызывают глобальное потепление. Слишком много, и Голландия и несколько островов Тихого океана окажутся под водой через двадцать лет. Кроме того, контурный радиатор стоит дорого. ve. Следовательно, минимизируйте использование. Sp ray всего на секунду или две. Не так много требуется . Не распыляйте кулер в глаза или на тело.

  Задача 4.8 — Источник тока с самосмещением на полевом транзисторе

  ---

  Создайте схему справа, с ноль, один или два источника питания $ + 12 \, \ mathrm {V} $ последовательно с землей выхода сумматора смещения. Используйте JFET, характеристики которого вы измерили. Убедитесь, что база резистора и затвор JFET подключены к твердой земле, связанной с источником питания $ + 5 \, \ mathrm {V} $. Обратите внимание, что ввод сумматора смещения должен плавать; к нему ничего не должно быть подключено.На схеме справа метка «BNC Ground» обозначает внешний провод выходного разъема BNC, который НЕ ЗАЗЕМЛЕН в этой проблеме (Внешний провод разъема BNC часто заземляется, поэтому он называется «BNC Ground». ). Отрегулируйте сумматора смещения до нуля, чтобы получить общее напряжение $ + 15 \, \ mathrm {V} $ (в пределах нескольких процентов) на полевом транзисторе и резисторе. (Это, вероятно, лучше всего выполнить, используя только один из источников $ + 12 \, \ mathrm {V} $.) Измерьте ток, проходящий через JFET. Отрегулируйте номинал резистора до тех пор, пока ток не станет примерно между $ 2.7 \, \ mathrm {mA} $ и $ 3.3 \, \ mathrm {mA} $. Чем ближе вы подойдете к $ 3.0 \, \ mathrm {mA} $, тем лучше, но вам не нужно быть навязчивым. Возможно, вам придется использовать несколько резисторов последовательно или параллельно. Измерить и построить график зависимости тока через JFET $ I_D $ от напряжения на JFET и резисторе. Используйте комбинации настроек сумматора смещения и нуля, одного или двух из источников $ + 12 \, \ mathrm {V} $ для исследования положительных потенциалов в диапазоне от $ + 0 \, \ mathrm {V} $ до примерно $ +35 \, \ mathrm {V} $.Вы должны обнаружить, что после $ + 3 \, \ mathrm {V} $ через JFET и резистор ток почти постоянный; эта схема является хорошим источником тока. Наконец, установил сумматора смещения и подает обратно, чтобы получить общее напряжение $ + 15 \, \ mathrm {V} $. Кратко распылите JFET с охладителем контура. Насколько изменится $ I_D $?

  Задача 4.9 — Регулируемый самосмещенный источник тока

  ---

  Для контура в 4.8, и с общим напряжением $ + 15 \, \ mathrm {V} $ на JFET и резисторе, измеряет и записывает выходной ток для резистора, который вы использовали в 4.8, и для значений резистора $ 100 \, \ Омега $, $ 390 \, \ Omega $, $ 3.3 \, \ mathrm {k} \ Omega $ и $ 10 \, \ mathrm {k} \ Omega $. Соответствуют ли измеренные токи значениям значениям, предсказанным анализом линии нагрузки на основе данных из 4.5?

  Проблема 4.10 Характеристики выхода исток-сток JFET: источник тока с внешним смещением

  ---

  Как обсуждалось в справочном материале, источник тока с самосмещением лучше, чем источник тока с полевым транзистором со смещением.Докажите это, построив , построив источник тока смещенного полевого транзистора справа. Она очень похожа на схему в 4.8; снова используйте ноль, один или два источника питания $ + 12 \, \ mathrm {V} $ последовательно с землей выхода сумматора смещения. Убедитесь, что источник JFET подключен к твердому заземлению, связанному с источником питания $ + 5 \, \ mathrm {V} $. Используйте генератор сигналов Tektronix в качестве переменного источника постоянного тока. (На генераторе используйте кнопку More Button на передней панели -> More Screen Button -> DC, чтобы установить уровень постоянного тока.) Перед подачей питания на JFET устанавливает для этого уровня на $ -3 \, \ mathrm {V} $ и проверяет и видит, что значение $ V_ {GS} $ действительно отрицательное. Затем подайте питание на вашу схему и отрегулируйте уровень постоянного тока до тех пор, пока вы не увидите тот же ток, что и в 4.8 для $ I_D $. Опять же, измеряет и строит график зависимости тока через JFET $ I_D $ от напряжения на JFET и резисторе. Используйте комбинации настроек сумматора смещения и нуля, одного или двух из источников $ + 12 \, \ mathrm {V} $ для исследования положительных потенциалов в диапазоне от $ + 0 \, \ mathrm {V} $ до примерно $ +35 \, \ mathrm {V} $.Ток должен быть приблизительно постоянным, но не таким почти постоянным, как в 4.8. Наконец, установил сумматора смещения и подает обратно, чтобы получить общее напряжение $ + 15 \, \ mathrm {V} $. Кратко распылите JFET с охладителем контура. Насколько изменится $ I_D $?

  Проблема 4.11 — Сравнение источников тока

  ---

  График зависимости тока от напряжения для упражнения 4.8 и 4.10. Рассчитайте жесткость для обоих типов источников тока: в соответствующем рабочем режиме найдите $ \ Delta I_D $ для некоторого подходящего размера $ \ Delta V_ {D} $. Жесткость составляет $ \ Delta V_D / \ Delta I_D $.

  ---

  Вы должны были доказать в 4.10, что ток JFET с внешним смещением приблизительно постоянен в режиме насыщения. Работу источника с внешним смещением, не использующего обратную связь, легче понять, чем работу источника с самосмещением.Почему бы не использовать схему источника тока с внешним смещением вместо источника с самосмещением 4,8?

  1. Самосмещенный источник более жесткий. При фиксированном $ V_ {GS} $ ток JFET в 4.10 слабо увеличивается с $ V_D $. Следовательно, источник не совсем жесткий. Но в схеме с самосмещением увеличение тока, вызванное $ V_D $, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе, делая затвор JFET более отрицательным по отношению к источнику JFET, тем самым уменьшая увеличение тока.Хотя самосмещенный источник и не идеален, он будет намного жестче.

  2. Самосмещенный источник гораздо меньше зависит от температуры. Полевые транзисторы , как и диоды, сильно зависят от температуры, но обратная связь стабилизирует ток с помощью того же механизма, который описан в предыдущем пункте.

  3. Источник с самосмещением не имеет внешней сети смещения. Схема с самосмещением проще схемы внешнего смещения, поскольку не требует источника питания с отрицательным смещением и, таким образом, полностью независима от изменений таких напряжений питания смещения.Следовательно, схема может питаться от широкого диапазона питающих напряжений. Большинство операционных усилителей в значительной степени зависят от источников тока с самосмещением и работают от источников питания от $ \ pm5 \, \ mathrm {V} $ до $ \ pm 18 \, \ mathrm {V} $.

  ---

  Проблема 4.12 — Последователи источника

  ---

  Создайте простого повторителя, показанного справа. Управляйте повторителем с генератором сигналов и сумматором смещения.Поиграйте с разными значениями смещения, амплитуды сигнала и частоты сигнала и сравните $ V_ {out} $ с $ V_ {in} $. Обратите внимание, что выходная амплитуда $ V_ {out} $ немного меньше входной амплитуды $ V_ {in} $ и также смещена на постоянное напряжение. Вы можете объяснить происхождение постоянного смещения?

  Проблема 4.13 — Усиление последователя источника

  ---

  Удалите сумматор смещения из 4.12, и управляйте схемой напрямую с помощью генератора сигналов. Тщательно измерьте прироста последователя $ G = v_ {out} / v_ {in} $. Поскольку $ v_ {in} $ и $ v_ {out} $ почти одинакового размера, усиление может быть определено наиболее точно путем измерения разницы $ \ Delta v = v_ {out} -v_ {in} $ непосредственно на прицеле. и вычисляем выигрыш от $ G = 1 + \ Delta v / v_ {in} $. Обратите внимание, что здесь нас интересуют только слабые компоненты сигналов: $ v_ {out} $, а не $ V_ {out} $. Компоненты слабого сигнала не включают никаких постоянных сдвигов постоянного тока; эти сдвиги могут быть легко устранены на вашем прицеле с помощью настройки переменного тока. Определите сопротивление источника по данным 4.5 . Согласуется ли усиление с прогнозируемым усилением по формуле. (1)?

  Проблема 4.14

  ---

  Изучите влияние нагрузочного резистора на повторитель с помощью схемы MultiSim Desktop \ Mulitisim \ Lab 4 \ Follower, показанной справа. Значение приращения потенциометра по умолчанию (5%) слишком велико; установить на 0.1%, щелкнув правой кнопкой мыши по горшку, перейдя на вкладку «Значение» и изменив приращение. Дважды щелкните на осциллографе, чтобы открыть график осциллографа, и запустите симуляцию (щелкнув кнопку запуска с зеленой стрелкой или перейдя в меню «Моделирование» и выбрав «Выполнить»). Изучите влияние нагрузочного резистора, перетащив ползунок рядом с потенциометром или нажав «a» и «Shift + a». (Убедитесь, что схема реагирует на клавиши, щелкнув по ней, прежде чем пробовать горячие клавиши.) Как меняется вывод? Вам придется перейти к значениям ниже 10%, чтобы увидеть большой эффект. Когда значение потенциометра равно выходному сопротивлению повторителя, выходной сигнал упадет примерно в два раза. Примерно каков выходной импеданс повторителя? Из уравнения. (2), спрогнозируйте значение внутреннего резистора источника $ r_s $ и крутизну $ g_m $.

  Задача 4.15 — Соответствующие полевые транзисторы

  ---

  Транзисторы с одним и тем же номером детали могут значительно отличаться из-за производственных различий. Рассмотрим, например, ток стока насыщения $ I_ {DSS} $, который определяется как ток между стоком и истоком, когда напряжение затвора-истока равно нулю. Для 2N4392 этот ток задан в диапазоне от $ 25 \, \ mathrm {mA} $ до $ 75 \, \ mathrm {mA} $; для этого параметра не указано типичное или среднее значение.

  Многие схемы, использующие несколько транзисторов, работают лучше всего, если транзисторы почти идентичны.Таким образом, важно разработать методы выбора почти идентичных транзисторов из большого запаса; набор почти идентичных транзисторов называется согласованной парой.

  Есть много параметров, которые могут быть сопоставлены, и нет гарантии, что сопоставление одного параметра, скажем, $ I_ {DSS} $, будет соответствовать другим параметрам, скажем, $ V_P $. Тем не менее, обычно достаточно сопоставить только один параметр и предположить, что остальные параметры будут близкими. На первый взгляд, $ I_ {DSS} $ был бы привлекательным параметром для сопоставления, но на практике это не лучший выбор из-за большой мощности, рассеиваемой в полевом транзисторе, когда $ V_ {GS} = 0 $.Вместо этого мы выберем измерение тока $ I_D $ источника тока с фиксированным резистором.

  Build текущий источник справа. Получите по крайней мере пять дополнительных 2N4392 JFET и измерьте текущего $ I_D $ через каждый. Оставьте JFET, чья $ I_D $ как можно ближе к $ I_D $ вашего откалиброванного JFET (того, характеристики которого вы измерили). Ваше совпадение должно быть в пределах 10%. Верните другие полевые транзисторы. Сохраните подобранную пару для последующих упражнений в этой лабораторной работе и в лабораторной работе 5. Обратите внимание, что ручной выбор совпадающих пар нецелесообразен для коммерческого оборудования. К счастью, в этом нет необходимости, потому что полевые транзисторы JFET, построенные на одном и том же куске кремния, например, в интегральной схеме, очень хорошо согласованы. В редких случаях, когда требуется дискретная согласованная пара, доступны очень простые интегральные схемы, содержащие только согласованную пару JFET.

  Проблема 4.16 — Улучшенный ведомый I

  ---

  Коэффициент усиления простого ведомого, изученного в 4.12–4.13, меньше единицы.

  Наивно, уравнение. (1) предполагает, что коэффициент усиления можно улучшить, просто увеличив резистор источника $ R_S $ 330 $ \ Omega $. К сожалению, это также сделало бы $ V_ {GS} $ более отрицательным, тем самым уменьшив ток стока $ I_D $ и крутизну, а также увеличив $ r_s $, поэтому улучшение усиления может быть незначительным.Более того, выходной импеданс повторителя также увеличится (уравнение 2).

  Нам нужен способ эффективного увеличения $ R_S $ без изменения $ V_ {GS} $. Это можно сделать, заменив $ R_S $ текущим источником. Поскольку источник тока жесткий, его эффективный $ R_S $ может быть очень большим, но поскольку $ I_D $ остается конечным, из передаточной характеристики затвора JFET (рис. 3) ясно, что $ V_ {GS} $ остается в области где крутизна большая (рис. 6).

  Используя вашу согласованную пару, создайте ведомый, управляемый источником тока, показанный на диаграмме справа. Сравните вход и выход для различных входных сигналов. Измерьте прирост. Есть ли заметная разница между входной и выходной амплитудами? Используя жесткость источника тока, рассчитанную в 4.11 для $ R_S $, измеренный ток $ I_D $ и внутреннее сопротивление источника $ r_s $, найденное путем объединения измеренных кривых на рис. 3 и рис. 8 для вашего JFET, вычислите прирост. Это согласуется с вашими наблюдениями?

  Задача 4.17 — Улучшенный последователь II

  Выход повторителя в 4.16 смещен относительно входа на постоянное напряжение. Покажите , что смещение в значительной степени исчезнет, ​​если вы вставите резистор, как показано справа. Прирост останется очень близким к единице. Почему устраняет смещение при добавлении второго резистора? Подсказка: визуализируйте схему с $ V_ {in} = V_ {out} = 0 $. Если бы это было буквально правдой, как бы вы могли перерисовать принципиальную схему? Даже со вторым резистором может остаться небольшое смещение.Это оставшееся смещение, вероятно, связано с несовершенным согласованием полевых транзисторов с небольшим вкладом из-за несовершенного согласования резисторов.

  ---

  Анализ:

  Проблема 4.18 — Обратная связь ведомого

  ---

  Последователи JFET остаются линейными в широком диапазоне входных напряжений $ V_ {in} $, но коэффициент усиления зависит от крутизны $ g_m $, которая, в свою очередь, зависит от $ V_ {GS} $. Объясните , как обратная связь поддерживает линейность ведомого.

  ---

  Пожалуйста, заполните

  Полевые транзисторы (полевые транзисторы) [часть 1]

  ---

  ---

  ОБЗОР:

  1. JFET

  2. Характеристики и параметры полевого транзистора

  3. Смещение JFET

  4. Омическая область

  5. МОП-транзистор

  6. Характеристики и параметры полевого МОП-транзистора

  7. Смещение MOSFET

  8. БТИЗ

  9.Поиск и устранение неисправностей

  Действия приложения

  ЦЕЛИ:

  — Обсудите JFET и его отличия от BJT

  — Обсуждение, определение и применение характеристик и параметров JFET

  — Обсудить и проанализировать смещение JFET

  — Обсудите омическую область на характеристической кривой JFET

  — Объясните работу полевых МОП-транзисторов

  — Обсудить и применить параметры MOSFET

  — Описание и анализ схем смещения MOSFET

  — Обсудить IGBT

  — Диагностика цепей полевых транзисторов

  ТЕРМИНОЛОГИЯ:

  — JFET

  — Слив

  — Источник

  — Выход

  — Напряжение отсечки

  — Крутизна

  — Омическая область

  — МОП-транзистор

  — Истощение

  — Улучшение

  — БТИЗ

  ВВЕДЕНИЕ

  BJT (транзисторы с биполярным переходом) были рассмотрены в предыдущих разделах.Теперь мы обсудим второй основной тип транзисторов, полевые транзисторы (полевые транзисторы). транзистор). Полевые транзисторы являются униполярными устройствами, потому что, в отличие от BJT, в которых используются оба электронный и дырочный ток, они работают только с одним типом носителей заряда.

  Двумя основными типами полевых транзисторов являются полевые транзисторы (JFET). и металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET). В термин полевой эффект относится к обедненной области, сформированной в канале. полевого транзистора в результате подачи напряжения на один из его выводов (затвор).

  Напомним, что BJT — это устройство, управляемое током; то есть базовый ток контролирует величину тока коллектора. Полевой транзистор отличается. Это управляемый напряжением устройство, где напряжение между двумя выводами (затвор и исток) контролирует ток через устройство. Основным преимуществом полевых транзисторов является их очень высокое входное сопротивление. Из-за их нелинейных характеристик они, как правило, не так широко используются в усилителях, как BJT, за исключением тех случаев, когда требуются очень высокие входные сопротивления.Однако предпочтительнее использовать полевые транзисторы. устройство в низковольтных коммутационных устройствах, потому что они обычно быстрее, чем BJT при включении и выключении. IGBT обычно используется в высоковольтные коммутационные приложения.

  1. JFET

  JFET (соединительный полевой транзистор) — это тип полевого транзистора, который работает с обратносмещенным pn переходом для управления током в канале. В зависимости от по своей структуре полевые транзисторы JFET делятся на две категории: n-канальные. или канал p.

  Прочитав этот раздел, вы сможете:

  — Обсудите JFET и его отличия от BJT

  — Опишите базовую структуру n-канальных и p-канальных полевых транзисторов

  — Назовите терминалы? Объясните канал

  — Объясните основную работу JFET

  — Идентификация условных обозначений на схеме JFET

  Базовая структура

  РИС. 1 (а) показана базовая структура n-канального JFET (полевой эффект перехода транзистор).К каждому концу n-канала подключаются выводы проводов; в сток находится на верхнем конце, а исток — на нижнем. Два р-типа области рассеиваются в материале n-типа, образуя канал, и оба Области p-типа подключаются к выводу затвора. Для простоты ворота свинец показан подключенным только к одной из p областей. P-канальный JFET показан на фиг. 1 (б).

  
  РИС. 1 Представление базовой структуры двух типов JFET.

  
  РИС. 2 Смещенный n-канальный полевой транзистор.

  Основные операции

  Чтобы проиллюстрировать работу JFET, на фиг. 2 показаны приложенные напряжения смещения постоянного тока. к n-канальному устройству. VDD обеспечивает напряжение сток-исток и подает ток от стока к истоку. VGG устанавливает напряжение обратного смещения между ворота и источник, как показано.

  JFET всегда работает с pn переходом затвор-исток с обратным смещением.Обратное смещение перехода затвор-исток с отрицательным напряжением затвора образует обедненную область вдоль pn перехода, которая простирается в n канал и, таким образом, увеличивает его сопротивление, ограничивая канал ширина.

  Ширину канала и, следовательно, сопротивление канала можно регулировать с помощью изменяя напряжение затвора, тем самым контролируя величину тока стока, Я БЫ. ИНЖИР. 3 иллюстрирует эту концепцию. Белые области представляют истощение регион создан обратным смещением.Он шире к сливному концу канал, потому что напряжение обратного смещения между затвором и стоком больше, чем между затвором и источником. Мы обсудим JFET характеристические кривые и некоторые параметры в разделе 2.

  
  РИС. 3 Влияние VGS на ширину канала, сопротивление и ток стока (VGG = VGS).

  (a) JFET смещен на проводимость (b) Большой VGG сужает канал (между белые области), что увеличивает сопротивление канала и уменьшает Я БЫ.

  (c) Меньше VGG расширяет канал (между белыми областями), который уменьшает сопротивление канала и увеличивает ID.

  
  РИС. 4 условных обозначения JFET.

  Символы JFET

  Показаны условные обозначения для n-канальных и p-канальных полевых транзисторов. на фиг. 4.

  Обратите внимание, что стрелка на затворе указывает «внутрь» для n канала. и «out» для канала p.

  РАЗДЕЛ 1 ПРОВЕРКА

  1.Назовите три терминала JFET.

  2. Требуется ли для n-канального JFET положительное или отрицательное значение для VGS?

  3. Как регулируется ток стока в полевом транзисторе JFET?

  
  РИС. 5 Кривая характеристики стока JFET для VGS 0, показывающая отсечение Напряжение.

  2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ JFET

  JFET работает как устройство постоянного тока, управляемое напряжением. Отрезать и характеристики передачи JFET покрыты в этом раздел.

  После заполнения этого раздела вы сможете:

  — Обсуждение, определение и применение характеристик и параметров JFET

  — Обсудите кривую дренажной характеристики

  — Определите омические, активные и пробивные области кривой

  — Определить напряжение отсечки

  — Обсудить поломку

  — Объясните, как напряжение затвор-исток управляет током стока

  — Обсуди напряжение отсечки

  — Сравните отсечку и отсечку

  — Объясните универсальную передаточную характеристику JFET

  — Рассчитайте ток стока, используя уравнение передаточной характеристики

  — Интерпретация таблицы данных JFET

  — Обсудить прямую крутизну JFET

  — Определить крутизну

  — Расчет прямой крутизны

  — Обсудите входное сопротивление и емкость полевого транзистора

  — Определить сопротивление сток-исток переменного тока

  Кривая характеристик дренажа

  Рассмотрим случай, когда напряжение затвор-исток равно нулю (VGS = 0 В).Это происходит путем замыкания затвора на источник, как на фиг. 5 (а) где оба заземлены. Когда VDD (и, следовательно, VDS) увеличивается с 0 В, ID будет пропорционально увеличиваются, как показано на графике фиг. 5 (б) между точками A и B. В этой области сопротивление канала практически постоянно, потому что область истощения недостаточно велика, чтобы иметь значительный эффект. Этот называется омической областью, потому что VDS и ID связаны законом Ома. (Омическая область обсуждается далее в разделе 4.) В точке B на фиг. 5 (б), кривая выравнивается и входит в активную область, где ID становится существенно постоянный. Когда VDS увеличивается от точки B к точке C, напряжение обратного смещения от затвора к стоку (VGD) образует область истощения, достаточно большую, чтобы смещать увеличение VDS, таким образом сохраняя ID относительно постоянным.

  Напряжение отсечки

  Для VGS 0 В значение VDS, при котором ID становится существенно постоянная (точка B на кривой на фиг.5 (б)) — напряжение отсечки, ВП. Для данного JFET VP имеет фиксированное значение. Как видите, продолжение увеличение VDS выше напряжения отсечки дает почти постоянное ток стока. Это значение тока стока — IDSS (ток стока в источник). с закороченным вентилем) и всегда указывается в таблицах данных JFET.

  IDSS — это максимальный ток стока, который может производить конкретный JFET независимо от внешней цепи, и он всегда указывается для условия, ВГС = 0 В.

  Разбивка

  Как показано на графике на фиг. 5 (б), пробой происходит в точке C, когда ID начинает очень быстро увеличиваться при дальнейшем увеличении VDS. Поломка может привести к необратимому повреждению устройства, поэтому JFET всегда работают ниже пробоя и в активной области (постоянная текущий) (между точками B и C на графике). Действие JFET, которое строит кривую дренажной характеристики до точки пробоя для ВГС 0 В проиллюстрировано на фиг.6.

  VGS Controls ID

  Давайте подключим напряжение смещения VGG от затвора к истоку, как показано на фиг. 7 (а). Поскольку VGS устанавливается на все более отрицательные значения путем регулировки VGG, создается семейство характеристических кривых стока, как показано на фиг. 7 (б). Обратите внимание, что ID уменьшается по мере увеличения величины VGS до большего отрицательные значения из-за сужения канала.

  Также обратите внимание, что при каждом увеличении VGS JFET достигает отсечки. (где начинается постоянный ток) при значениях VDS меньше VP.Срок напряжение отсечки — это не то же самое, что напряжение отсечки, Vp. Таким образом, сумма тока стока управляется VGS, как показано на фиг. 8.

  
  РИС. 5 Кривая характеристики стока JFET для VGS 0, показывающая отсечение Напряжение. _ (b) Характеристики стока (a) JFET с VGS = 0 В и переменной VDS (VDD)

  
  РИС. 6 Действие JFET, которое создает характеристическую кривую для VGS = 0 V. _

  
  РИС. 7 Отщипывание происходит при более низком VDS, поскольку VGS увеличивается до более отрицательного ценности.

  
  РИС. 8 Идентификатор элементов управления VGS.

  
  РИС. 9 JFET на отсечке.

  Напряжение отключения

  Значение VGS, которое делает ID приблизительно равным нулю, является напряжением отсечки, VGS (выключено), как показано на фиг. 8 (г). JFET должен работать между VGS = 0 В и VGS (выключено). Для этого диапазона напряжений затвор-исток ID будет варьироваться. от максимума IDSS до минимума почти нуля.

  Как вы видели, для n-канального JFET чем больше отрицательный VGS, тем меньший ID будет в активной области.Когда VGS имеет достаточно большой отрицательное значение, ID уменьшается до нуля. Этот эффект отсечки вызван расширение области истощения до точки, где она полностью закрывается канал, как показано на фиг. 9.

  Основная работа p-канального JFET такая же, как и для n-канального устройства, за исключением того, что для p-канального JFET требуется отрицательный VDD и положительный VGS, как показано на фиг. 10.

  Сравнение напряжения отсечки и отсечки

  Как вы видели, существует разница между напряжениями отсечки и отсечки.Также есть связь. Напряжение отсечки VP равно значению VDS. при котором ток стока становится постоянным и равным IDSS и всегда измеряется при VGS = 0 В. Однако отсечение происходит при значениях VDS менее VP, когда VGS отличен от нуля. Итак, хотя VP является константой, минимальное значение VDS, при котором ID становится постоянным, меняется в зависимости от VGS.

  VGS (выкл.) И VP всегда равны по величине, но противоположны по знаку. А в таблице данных обычно указывается либо VGS (выкл.), либо VP, но не то и другое одновременно.Тем не мение, когда вы знаете одно, у вас есть другое. Например, если тогда VP 5 В, как показанный на фиг. 7 (б). + = VGS (выкл.) = -5В,

  
  РИС. 12 Универсальная передаточная характеристика JFET (n-канальный).

  Универсальная передаточная характеристика JFET

  Вы узнали, что диапазон значений VGS от нуля до VGS (выкл.) Контролирует величина тока стока. Для n-канального JFET VGS (выкл.) Отрицателен, а для p-канального JFET VGS (выкл.) положительный.Поскольку VGS контролирует ID, соотношение между этими двумя величинами очень важно. ИНЖИР. 12 — общая кривая передаточной характеристики, которая графически иллюстрирует взаимосвязь между VGS и ID. Эта кривая также известна как крутизна изгиб.

  Обратите внимание, что нижний конец кривой находится в точке на оси VGS. равно VGS (выключено), а верхний конец кривой находится в точке на ID ось равна IDSS. Эта кривая показывает, что:

  Кривая передаточной характеристики также может быть построена со стока. характеристические кривые путем построения значений ID для взятых значений VGS из семейства дренажных кривых при отсечке, как показано на фиг.13 для определенного набора кривых. Каждая точка на передаточной характеристике кривая соответствует конкретным значениям VGS и ID на дренажных кривых. Например, когда также для этого конкретного JFET и IDSS = 12 мА. ВГС (выкл.) = -5В VGS = -2В, ID = 4,32 мА.

  
  РИС. 13 Пример развития передаточной характеристики n-канального JFET кривая (синяя) от характеристических кривых стока JFET (зеленая).

  Кривая передаточной характеристики полевого транзистора выражается приблизительно как

  
  Уравнение 1

  С помощью уравнения 1 ID может быть определен для любого VGS, если VGS (выкл.) И IDSS известны.Эти количества обычно доступны в таблице данных для данный JFET. Обратите внимание на квадрат в уравнении. Из-за своей формы параболическая зависимость известна как квадратичный закон, и, следовательно, полевые транзисторы JFET и полевые МОП-транзисторы часто называют квадратичными устройствами.

  Таблица данных типичной серии JFET показана на фиг. 14.

  
  РИС. 14

  JFET частичный лист данных. Авторское право Fairchild Semiconductor Corporation.

  Прямая трансдуктивность JFET

  Прямая крутизна (передаточная проводимость), г, представляет собой изменение в токе стока (delta_ID) для заданного изменения напряжения затвор-исток (delta_VGS) с постоянным напряжением сток-исток.Выражается как отношение и имеет единицу измерения сименс (S).

  гм = delta_ID / delta_VGS

  Другие общие обозначения этого параметра — gfs и yfs (вперед допуск трансфера). Как вы увидите в разделе 9, gm — важная фактор при определении коэффициента усиления по напряжению усилителя на полевых транзисторах.

  Поскольку передаточная характеристика полевого транзистора нелинейна, gm варьируется по значению в зависимости от местоположения на кривой, установленного VGS.В значение для gm больше в верхней части кривой (около VGS = 0), чем это находится около дна (около VGS (выключено)), как показано на фиг. 15.

  
  РИС. 15 г варьируется в зависимости от точки смещения (VGS).

  В таблице данных обычно указывается значение gm, измеренное при VGS = 0 В (gm0). Например, в таблице данных для JFET 2N5457 указано минимальное значение gm0 (gfs) (mho — та же единица, что и siemens (S)) с VDS = 15 В.

  Учитывая gm0, вы можете рассчитать приблизительное значение gm в любой точке на кривой передаточной характеристики по следующей формуле:

  1000 ммhos

  
  Уравнение 2

  Если значение gm0 недоступно, вы можете рассчитать его, используя значения IDSS и VGS (выкл.).Вертикальные линии указывают абсолютное значение (нет подписать).

  
  Уравнение 3

  Входное сопротивление и емкость

  Как вы знаете, JFET работает с обратным смещением на переходе затвор-исток, что делает входное сопротивление на затворе очень высоким. Этот высокий вклад сопротивление — одно из преимуществ JFET над BJT. (Напомним, что биполярный Переходный транзистор работает с переходом база-эмиттер с прямым смещением.) В таблицах данных JFET часто указывается входное сопротивление, задавая значение для обратный ток затвора, IGSS, при определенном напряжении затвор-исток.В входное сопротивление затем можно определить с помощью следующего уравнения, где вертикальные линии указывают абсолютное значение (без знака):

  RIN = VGS / IGSS

  Например, таблица данных 2N5457 на фиг. 14 перечисляет максимальное значение IGSS, равное -1,0. нА для VGS = -15 В при 25 ° C. IGSS увеличивается с температурой, поэтому вход сопротивление снижается.

  Входная емкость Ciss является результатом работы JFET с обратносмещенный pn переход.Напомним, что обратносмещенный pn переход действует как конденсатор, емкость которого зависит от величины обратного напряжения. Например, 2N5457 имеет максимальное значение Ciss 7 пФ для VGS = 0.

  Сопротивление сток-исток переменного тока

  Из кривой характеристики стока вы узнали, что выше отсечки ток стока относительно постоянен в диапазоне от стока к истоку. напряжения. Следовательно, большое изменение в VDS приводит только к очень маленькому изменению. в ID.Соотношение этих изменений и есть сопротивление сток по переменному току к истоку. аппарата,

  r ‘ds

  r ’ds = delta_VDS / delta_ID

  В таблицах данных

  этот параметр часто указывается в терминах выходной проводимости, gos, или выходная проводимость, yos, для VGS = 0 В.

  РАЗДЕЛ 2 ПРОВЕРКА

  1. Напряжение сток-исток в точке отсечки конкретного JFET составляет 7 В. Если напряжение затвор-исток равно нулю, что такое VP?

  2.VGS определенного n-канального JFET увеличивается отрицательно. Есть ли увеличение или уменьшение тока стока?

  3. Какое значение должно иметь VGS, чтобы обеспечить отсечку в p-канальном JFET с а Vp = 3 В?

  3. Смещение JFET

  Используя некоторые параметры JFET, обсуждавшиеся ранее, вы теперь увидите как смещать постоянным током JFET. Как и в случае с BJT, цель смещения состоит в том, чтобы выберите правильное напряжение постоянного тока затвор-исток, чтобы установить желаемое значение тока стока и, таким образом, правильной точки добротности.Три типа предвзятости — это предвзятость, смещение делителя напряжения и смещение источника тока.

  После заполнения этого раздела вы сможете:

  — Обсудить и проанализировать смещение JFET

  — Опишите самоискажение

  — Расчет токов и напряжений полевого транзистора

  — Опишите, как установить точку Q самосмещенного полевого транзистора

  .

  — Определить смещение средней точки

  — Графический анализ самосмещенного JFET

  — Обсудить смещение делителя напряжения

  — Расчет токов и напряжений полевого транзистора

  — Графический анализ полевого транзистора JFET

  со смещением делителя напряжения

  — Обсудить стабильность точки Q

  — Опишите смещение источника тока

  Самостоятельное смещение

  Самосмещение — наиболее распространенный тип смещения полевого транзистора.Напомним, что JFET должен работать так, чтобы переход затвор-исток всегда был смещен в обратном направлении. Это условие требует отрицательного VGS для n-канального JFET и положительного VGS для p-канального JFET. Это может быть достигнуто с помощью устройств самосмещения. показанный на фиг. 16. Резистор затвора RG не влияет на смещение, потому что на нем практически отсутствует падение напряжения; и поэтому ворота повторно напряжение сети 0 В. RG необходимо только для принудительного включения затвора на 0 В и изолировать сигнал переменного тока от земли в усилителях, как вы увидим позже.

  
  РИС. 16 самосмещенных полевых транзисторов (IS = ID во всех полевых транзисторах).

  Для n-канального JFET на фиг. 16 (а), IS вызывает падение напряжения на RS и делает источник положительным по отношению к земле. Поскольку IS = ID и VG = 0, тогда VS = IDRS.

  Напряжение затвор-исток:

  VGS = + IDRS VGS = -IDRS

  Таким образом,

  Для p-канального JFET, показанного на фиг. 16 (б), ток через RS дает отрицательное напряжение на источнике, что делает затвор положительным относительно к источнику.Следовательно, поскольку IS = ID,

  В следующем примере n-канальный JFET на фиг. 16 (а) используется для иллюстрация.

  Имейте в виду, что анализ полевого транзистора с р-каналом такой же, за исключением напряжения противоположной полярности. Напряжение стока относительно земли равно определяется следующим образом:

  VD = VDD —

  IDRD

  Поскольку VS = IDRS, напряжение сток-исток составляет:

  VDS = VD — VS = VDD — ID (RD + RS)

  VGS = VG — VS = 0 — IDRS = -IDRS

  Установка точки Q самосмещенного полевого транзистора

  Базовый подход к установлению точки смещения JFET заключается в определении ID для желаемого значения VGS или наоборот.Затем рассчитайте необходимое значение RS, используя следующую связь. Вертикальные линии обозначают абсолютная величина.

  RS = | VGS / ID |

  Для желаемого значения VGS идентификатор может быть определен одним из двух способов: от кривой передаточной характеристики для конкретного JFET или более практически, из уравнения 1 с использованием IDSS и VGS (выключено) из таблицы данных JFET. Следующие два примера иллюстрируют эти процедуры.

  Смещение средней точки

  Обычно желательно смещать JFET около середины его передачи. характеристическая кривая, где ID = IDSS_2.В условиях сигнала средняя точка смещение обеспечивает максимальное колебание тока стока между IDSS и 0. Для уравнения 1 можно показать, что ID составляет примерно половину от IDSS при VGS = VGS (выкл.) _3.4. Вывод приведен в разделе «Выводы. избранных уравнений ».

  Итак, выбрав VGS = VGS (off) /3.4, вы должны получить смещение средней точки. с точки зрения ID.

  Чтобы установить напряжение стока в средней точке (VD = VDD / 2), выберите значение RD. для получения желаемого падения напряжения.Выберите произвольно большой размер RG, чтобы предотвратить нагрузка на каскад в каскадной схеме усилителя. Пример 9 иллюстрирует эти концепции.

  Графический анализ самосмещенного полевого транзистора

  Вы можете использовать кривую передаточной характеристики полевого транзистора и определенные параметры. для определения точки Q (ID и VGS) схемы с самосмещением. Схема показан на фиг. 20 (а), а кривая передаточной характеристики показана на ИНЖИР. 20 (б).Если кривая недоступна в таблице, вы можете построить это из уравнения 1 с использованием значений таблицы данных для IDSS и VGS (выкл.).

  
  РИС. 20 Полевой транзистор с самосмещением и его передаточная характеристика.

  Для определения точки Q схемы на фиг. 20 (а), самосмещение постоянного тока Линия нагрузки устанавливается на графике в части (b) следующим образом. Сначала вычислим VGS, когда ID равен нулю.

  VGS = -IDRS = (0) (470 Ом) = 0 В

  Устанавливает точку в начале координат на графике (ID 0, VGS 0).Следующий, вычислить VGS при IDSS. Из кривой на фиг. 20 (б), IDSS = 10 мА.

  VGS = -IDRS = — (10 мА) (470 Ом) = -4,7 В

  Это устанавливает вторую точку на графике (ID = 10 мА, VGS = -4,7 В). Теперь по двум точкам можно провести линию нагрузки на передаточной характеристике. кривая, показанная на фиг. 21. Точка, где линия нагрузки пересекает Кривая передаточной характеристики представляет собой точку Q схемы, как показано, где ID = 5,07 мА и VGS = -2.3 В.

  
  РИС. 21 Пересечение линии нагрузки постоянного тока самосмещения и передаточной характеристическая кривая — Q-точка.

  Для повышения стабильности точки Q значение RS в цепи самосмещения увеличивается и подключается к отрицательному напряжению питания. Это иногда называется смещением двойного питания.

  Смещение делителя напряжения

  n-канальный полевой транзистор JFET со смещением делителя напряжения показан на фиг. 23. Напряжение на истоке JFET должно быть более положительным, чем напряжение на затвор, чтобы поддерживать обратное смещение в переходе затвор-исток.

  
  РИС. 23 n-канальный полевой транзистор со смещением делителя напряжения (IS ID). _

  Источник напряжения:

  VS = IDRS

  Напряжение затвора устанавливается резисторами R1 и R2, как выражается следующим образом: уравнение с использованием формулы делителя напряжения:

  Напряжение затвор-исток равно, а напряжение источника

  Ток стока можно выразить как

  Замена VS,

  Графический анализ полевого транзистора со смещением делителя напряжения

  Подход, аналогичный тому, который используется для самосмещения, может быть использован с делителем напряжения. смещение для графического определения Q-точки схемы на передаче характеристическая кривая.

  В JFET со смещением делителя напряжения, когда ID = 0, VGS не равно нулю, как в случай с самосмещением, потому что делитель напряжения выдает напряжение на затвор не зависит от тока стока. Нагрузка делителя напряжения постоянного тока линия определяется следующим образом.

  Для ID 0,

  VS = IDRS = (0) RS = 0 В

  VGS = VG — VS = VG — 0V = VG

  Следовательно, одна точка на линии имеет ID = 0 и VGS = VG.

  Для VGS 0, =

  Вторая точка на линии — это ID VG / RS и VGS 0.Обобщенный постоянный ток Линия нагрузки показана на фиг. 25. Точка пересечения линии нагрузки кривая передаточной характеристики — это точка Q.

  
  РИС. 25 Общая линия нагрузки постоянного тока (красная) для полевого транзистора с делителем напряжения предвзятость.

  Стабильность точки Q

  К сожалению, передаточная характеристика JFET может значительно отличаться. с одного устройства на другое того же типа. Если, например, 2N5459 JFET заменяется в данной цепи смещения на другой 2N5459, передаточный характеристическая кривая может сильно различаться, как показано на фиг.27 (а). В В этом случае максимальное значение IDSS составляет 16 мА, а минимальное значение IDSS — 4 мА. Так же, максимальное напряжение VGS (выключено) составляет -8 В, а минимальное напряжение VGS (выключено) равно -2 В. Это означает что если у вас есть выбор из 2N5459, и вы выбираете один случайным образом, он может иметь значения где угодно в этих диапазонах.

  
  РИС. 27 Изменение передаточной характеристики полевых транзисторов 2N5459 и влияние на Q-точку.

  Если линия нагрузки постоянного тока с самосмещением нарисована, как показано на фиг.27 (б), та же схема, использующая 2N5459, может иметь точку Q в любом месте линии от Q1, точки минимального смещения, до Q2, точки максимального смещения. Соответственно, ток стока может быть любым значением между ID1 и ID2, как показано заштрихованная область. Это означает, что постоянное напряжение на стоке может иметь диапазон значений в зависимости от ID. Также напряжение затвор-исток может быть любым. значение между VGS1 и VGS2, как указано.

  РИС. 28 иллюстрирует стабильность Q-точки для полевого транзистора с самосмещением и для JFET со смещением делителя напряжения.При смещении делителя напряжения зависимость ID в диапазоне Q-точек уменьшается, потому что наклон нагрузки линия меньше, чем для самосмещения для данного JFET.

  Хотя VGS довольно сильно различается как для самосмещения, так и для делителя напряжения смещение, ID гораздо более стабильно при смещении делителя напряжения.

  
  РИС. 28 Изменение ID между минимальной и максимальной Q-точками намного меньше для JFET со смещением делителя напряжения, чем для самосмещенного JFET.

  Смещение источника тока

  Смещение источника тока — это метод повышения стабильности точки Q самосмещенный JFET, делая ток стока по существу независимым ВГС. Это достигается за счет последовательного включения источника постоянного тока. с источником JFET, как показано на фиг. 29 (а). В этой схеме действует БЮТ. в качестве источника постоянного тока, потому что его эмиттерный ток существенно константа, если полевой транзистор также можно использовать в качестве источника постоянного тока.

  VEE W VBE.

  Поскольку IE = ID,

  Как видно на РИС. 29 (б), ID остается постоянным для любой передаточной характеристики кривая, обозначенная горизонтальной линией нагрузки.

  
  РИС. 29 Смещение источника тока.

  РАЗДЕЛ 3 ПРОВЕРКА

  1. Должен ли полевой транзистор с р-каналом иметь положительный или отрицательный VGS?

  2. В некой самосмещенной n-канальной схеме JFET и детерминантном VGS.

  3.N-канальный полевой транзистор со смещением делителя напряжения имеет напряжение затвора 3 V и напряжение источника 5 В. Рассчитайте ВГС.

  RS = 1,0 кОм. ID = 8 мА

  4. ОХМИЧЕСКИЙ РЕГИОН

  Омическая область — это участок характеристических кривых полевого транзистора, на котором Можно применить закон Ома. При правильном смещении в омической области JFET проявляет свойства переменного сопротивления, где значение сопротивления контролируется VGS.

  После заполнения этого раздела вы сможете:

  — Обсудите омическую область на характеристической кривой JFET

  — Расчет крутизны и сопротивления сток-исток

  — Объясните, как JFET можно использовать в качестве переменного сопротивления

  — Обсудить работу JFET с точкой Q в исходной точке

  — Расчет крутизны

  Омическая область простирается от начала характеристических кривых. до точки излома (где начинается активная область) кривой VGS = 0 приблизительно параболической формы, как показано на типичном наборе кривых на фиг.30. Характеристические кривые в этой области имеют относительно постоянный наклон для малых значений ID. Наклон характеристической кривой в омическая область — это проводимость по постоянному току сток-исток GDS полевого транзистора.

  Вспомните из курса основных схем, что сопротивление является обратной величиной. проводимости.

  Таким образом, сопротивление сток-исток по постоянному току равно

  .

  
  РИС. 30 Омическая область — это заштрихованная область.

  JFET как переменное сопротивление JFET может быть смещен в любом активном область или омическая область.JFET часто смещены в омической области. для использования в качестве переменного резистора, управляемого напряжением. Управляющее напряжение это VGS, и он определяет сопротивление, изменяя точку Q. Предвзято JFET в омической области линия нагрузки постоянного тока должна пересекать характеристику кривая в омической области, как показано на фиг. 31. Сделать это способом что позволяет VGS управлять RDS, ток насыщения постоянного тока устанавливается для значение намного меньше, чем IDSS, так что линия нагрузки пересекает большую часть характеристические кривые в омической области, as

  РИС.31 показывает расширенную рабочую область с тремя показанными Q-точками. (Q0, Q1 и Q2), в зависимости от VGS.

  
  РИС. 31 Линия нагрузки пересекает кривые внутри омической области.

  По мере движения вдоль линии нагрузки в омической области на фиг. 31 значение RDS меняется по мере того, как Q-точка последовательно падает на кривые с разными склоны. Q-точка перемещается вдоль линии нагрузки, изменяя от VGS = 0 до VGS. = -2v в этом случае. При этом наклон каждой последующей кривой меньше предыдущего.Уменьшение наклона соответствует меньшему ID и еще VDS, что подразумевает увеличение RDS. Это изменение сопротивления может использоваться в ряде приложений, где контроль напряжения сопротивление полезно.

  
  РИС. 33

  Точка Q в исходной точке

  В некоторых усилителях вы можете захотеть изменить сопротивление, видимое сигнал переменного тока, не влияя на смещение постоянного тока, чтобы контролировать усиление. Иногда вы увидите JFET, используемый в качестве переменного сопротивления в цепи, где оба ID и VDS установлены на 0, что означает, что точка Q находится в исходной точке.Q-точка в начале координат достигается за счет использования конденсатора в цепи стока. JFET. Это делает величины постоянного тока VDS = 0 В и ID = 0 мА, так что только переменными являются VGS и Id, переменный ток стока. В начале у вас есть ток стока переменного тока, контролируемый VGS. Как вы узнали ранее, крутизна определяется как изменение тока стока для данного изменения затвор-исток Напряжение. Итак, ключевым фактором при смещении источника является крутизна. ИНЖИР.33 показывает характеристические кривые, развернутые в начале координат. Уведомление что омическая область простирается в третий квадрант.

  В исходной точке, где VDS = 0 В и ID = 0 мА, формула крутизны, представленный ранее в этом разделе:

  , где gm — крутизна, а gm0 — крутизна для VGS = 0 В. gm0 можно рассчитать по следующему уравнению, которое также было приведено ранее:

  РАЗДЕЛ 4 ПРОВЕРКА

  1.Для определенной точки Q в омической области ID = 0,3 мА и VDS = 0,6. V. Каково сопротивление полевого транзистора, когда он смещен в этой точке Q?

  2. Как изменяется сопротивление сток-исток при увеличении VGS? отрицательный?

  3. Для полевого транзистора, смещенного в начале координат, gm = 0,850 мс. Определите соответствующие сопротивление переменному току.

  5. МОП-транзистор

  MOSFET (полевой транзистор на основе оксида металла, полупроводника) — еще один категория полевого транзистора.MOSFET, в отличие от JFET, не имеет структуры pn перехода; вместо этого затвор полевого МОП изолирован. из канала слоем диоксида кремния (SiO2). Два основных типа МОП-транзисторов — это усиление (E) и истощение (D). Из двух типов Расширение MOSFET более широко используется. Потому что поликристаллический кремний теперь используется в качестве материала ворот вместо металла, эти устройства иногда так называемые IGFET (полевые транзисторы с изолированным затвором).

  После заполнения этого раздела вы сможете:

  — Объясните работу полевых МОП-транзисторов

  — Обсудите усовершенствованный MOSFET (E-MOSFET)

  — Опишите структуру

  — Определите символы для n-канальных и p-канальных устройств E-MOSFET

  — Обсудите истощение MOSFET (D-MOSFET)

  — Опишите структуру

  — Обсудить режимы истощения и улучшения

  — Определите символы для n-канальных и p-канальных устройств D-MOSFET

  — Обсудить силовые полевые МОП-транзисторы

  — Описание структуры LDMOSFET

  — Описание структуры VMOSFET

  — Описание структуры TMOSFET

  — Описание двухзатворного полевого МОП-транзистора

  — Определите символы для двухзатворных D-MOSFET и E-MOSFET

  Расширенный полевой МОП-транзистор (E-MOSFET)

  E-MOSFET работает только в режиме улучшения и не имеет истощения. режим.Конструктивно он отличается от D-MOSFET, о котором идет речь. во-вторых, в том, что у него нет структурного канала. Обратите внимание на фиг. 34 (а), что подложка полностью доходит до слоя SiO2. Для n-канального устройства положительное напряжение затвора выше порогового значения индуцирует канал, создавая тонкий слой отрицательных зарядов в области подложки, прилегающей к Слой SiO2, как показано на фиг. 34 (б). Проводимость канала равна усиливается за счет увеличения напряжения затвор-исток и, таким образом, увеличения электроны в область канала.Для любого напряжения затвора ниже порога значение, канала нет.

  
  РИС. 34 Представление основной конструкции и работы E-MOSFET (n-канальный).

  Показаны условные обозначения для n-канальных и p-канальных E-MOSFET. на фиг. 35. Пунктирные линии символизируют отсутствие физического канала. Стрелка подложки, направленная внутрь, предназначена для канала n, а направленная наружу стрелка предназначена для канала p.

  Некоторые устройства E-MOSFET имеют отдельное соединение с подложкой.

  
  РИС. 35 условных обозначений E-MOSFET.

  MOSFET с истощением (D-MOSFET) Другой тип MOSFET — это MOSFET с истощением. (D-MOSFET), а на фиг. 36 иллюстрирует его базовую структуру. Слив и источник диффундируют в материал подложки, а затем соединяются узкий канал, примыкающий к утепленным воротам. И n-канал, и p-канал устройства показаны на рисунке. Мы будем использовать n-канальное устройство для описания основная операция.Работа p-канала такая же, за исключением напряжения полярности противоположны полярности n-канала.

  
  РИС. 36 Представление базовой структуры D-MOSFET.

  D-MOSFET может работать в любом из двух режимов — режиме истощения. или режим улучшения — иногда его называют истощением / улучшением МОП-транзистор.

  Поскольку затвор изолирован от канала, положительный или отрицательный может быть приложено напряжение затвора.N-канальный MOSFET работает в режиме истощения. режим при подаче отрицательного напряжения затвор-исток и в усилении режим, когда приложено положительное напряжение затвор-исток. Эти устройства в основном работал в режиме истощения.

  Depletion Mode Визуализируйте затвор как одну пластину конденсатора с параллельными пластинами. и канал как другая пластина. Изолирующий слой из диоксида кремния — диэлектрик. При отрицательном напряжении затвора отрицательные заряды на затвор отталкивает электроны проводимости из канала, оставляя положительный ионы на их месте.Таким образом, n канал исчерпал часть своего электронов, тем самым уменьшая проводимость канала. Чем больше отрицательного напряжение на затворе, тем больше обеднение n-каналом электронами. При достаточно отрицательном напряжении затвор-исток VGS (выключено) канал полностью истощен, и ток стока равен нулю. Этот режим истощения проиллюстрировано на фиг. 37 (а). Как и n-канальный JFET, n-канальный D-MOSFET проводит ток стока для напряжений затвор-исток между VGS (выключено) и нуль.Кроме того, D-MOSFET работает при значениях VGS выше нуля.

  
  РИС. 37 Работа n-канального D-MOSFET.

  Режим улучшения

  При положительном напряжении затвора притягивается больше электронов проводимости. в канал, тем самым увеличивая (усиливая) проводимость канала, как показано на фиг. 37 (б).

  Символы D-MOSFET Условные обозначения как для n-канала, так и для MOSFET с истощением p-канала показаны на фиг.38. Подложка, обозначенная стрелкой, обычно (но не всегда) внутренне подключен к источник. Иногда используется отдельный штифт для подложки.

  
  РИС. 38 условных обозначений D-MOSFET.

  FYI Новый тип полевого транзистора использует ребристую структуру вместо обычной плоской кремниевой структуры. Это намного меньше, чем обычные кремниевые транзисторы.

  Ребра изготовлены из полупроводникового материала, называемого арсенид индия-галлия. вместо кремния.Помимо того, что компьютерные чипы стали намного меньше в Размер FinFET может работать во много раз быстрее, чем обычные полевые транзисторы.

  Структуры силовых полевых МОП-транзисторов

  Обычные улучшенные полевые МОП-транзисторы имеют длинный тонкий боковой канал. как показано на структурном виде на фиг. 39. Это приводит к относительно высокое сопротивление сток-исток и ограничивает E-MOSFET приложениями с низким энергопотреблением. Когда затвор положительный, канал формируется рядом с затвором между исток и сток, как показано.

  MOSFET с боковым рассеиванием (LDMOSFET) LDMOSFET имеет боковой канал структура и является типом расширенного MOSFET, разработанного для силовых приложений.

  У этого устройства более короткий канал между стоком и истоком, чем у этого устройства. обычный E-MOSFET. Более короткий канал приводит к более низкому сопротивлению, что позволяет более высокий ток и напряжение.

  
  РИС. 39 Поперечное сечение обычной структуры E-MOSFET. Канал отображается как белая область.

  РИС. 40 показывает базовую структуру LDMOSFET. Когда ворота положительные, в p-слое между слаболегированными источник и российский регион. Между стоком и истоком есть ток через n областей и индуцированный канал, как указано.

  
  РИС. 40 Поперечное сечение структуры бокового канала LDMOSFET.

  VMOSFET МОП-транзистор с V-образной канавкой является еще одним примером обычного E-MOSFET. разработан для достижения более высокой мощности за счет создания более коротких и широких канал с меньшим сопротивлением между стоком и истоком с использованием вертикального структура канала.Более короткие и широкие каналы позволяют использовать более высокие токи и, следовательно, большее рассеивание мощности. Амплитудно-частотная характеристика также улучшена.

  VMOSFET имеет два соединения источника, соединение затвора сверху и сливное соединение внизу, как показано на фиг. 41. Канал индуцирован вертикально по обе стороны от V-образного паза между сливом (n + подложка, где n + означает более высокий уровень легирования, чем) и соединения источника. Длина канала задается толщиной слоев, которую контролируют. по плотности легирования и времени диффузии, а не по размерам маски.

  
  РИС. 41 Поперечное сечение структуры вертикального канала VMOSFET.

  TMOSFET

  Вертикальная структура канала TMOSFET показана на ИНЖИР. 42.

  Структура затвора встроена в слой диоксида кремния, а источник контакт непрерывен по всей площади поверхности. Сток находится на Нижний. TMOSFET обеспечивает большую плотность упаковки, чем VMOSFET, при сохранении преимущество короткого вертикального канала.

  
  РИС. 42 Поперечное сечение структуры вертикального канала TMOSFET.

  МОП-транзисторы с двойным затвором

  МОП-транзистор с двойным затвором может быть либо обедненного, либо улучшенного типа. Единственное отличие состоит в том, что он имеет два затвора, как показано на фиг. 43. Как и раньше. Как уже упоминалось, одним из недостатков полевого транзистора является его высокая входная емкость, которая ограничивает его использование на более высоких частотах. При использовании устройства с двумя затворами входная емкость уменьшается, что делает устройство полезным в ВЧ усилителе Приложения.Еще одно преимущество конструкции с двумя воротами заключается в том, что она позволяет использовать вход автоматической регулировки усиления (АРУ) в усилителях РЧ.

  Другое приложение демонстрируется в Application Activity, где смещение на втором затворе используется для настройки кривой крутизны.

  
  РИС. 43 Двухзатворные n-канальные символы MOSFET.

  РАЗДЕЛ 5 ПРОВЕРКА

  1. Назовите два основных типа полевых МОП-транзисторов.

  2.Если напряжение затвор-исток в n-канальном E-MOSFET сделать больше положительный, ток стока увеличивается или уменьшается?

  3. Если напряжение затвор-исток в n-канальном полевом МОП-транзисторе с обеднением составляет более отрицательно, ток стока увеличивается или уменьшается?

  продолжение к части 2 >>

  Подобные статьи

  Смещение источника тока, Помощь по назначению, Смещение полевого транзистора

  B Смещение полевого транзистора

  Смещение источника тока:

  Это еще один метод получения твердой точки Q.Цель состоит в том, чтобы получить ток стока, который не зависит от V _GS . Смещение делителя напряжения и самосмещение пытаются сделать это путем устранения вариаций в V _GS .

  Использование двух источников питания:

  Смещение источника тока используется для обеспечения постоянного идентификатора, как показано на рисунке 1.

  F Рисунок 1

  Транзистор биполярный с эмиттерным смещением; ток коллектора может быть задан

  I _C = (V _EE — V _BE ) / R _E .

  Поскольку биполярный транзистор ведет себя как источник тока, он заставляет ток стока равняться биполярному току коллектора.

  I _D = I _C

  Поскольку I _C является постоянным, обе точки Q имеют одинаковое значение тока стока. Источник тока довольно эффективно нейтрализует влияние V _GS . Однако V _GS отличается для каждой точки Q, он больше не влияет на значение тока стока.

  Использование одного источника питания:

  Когда имеется только положительный источник питания, можно использовать схему, показанную на рисунке 2, для установки постоянного тока стока.

  В этом случае биполярный транзистор смещен на делитель напряжения. Предполагая жесткий делитель напряжения, токи эмиттера и коллектора постоянны для всех биполярных транзисторов. Это заставляет ток стока полевого транзистора равняться биполярному току коллектора.

  Электроника на основе электронной почты Помощь в назначении устройств и схем — помощь в выполнении домашних заданий в Expertsmind

  Вы ищете специалиста по электронной инженерии, чтобы получить помощь по вопросам смещения источника тока? Текущую тему предвзятости источника не легче изучить без какой-либо внешней помощи? Мы на сайте www.Expertsmind.com предлагает бесплатные конспекты лекций по помощи в назначении электронных устройств и схем и помощи в домашних заданиях по электронным устройствам и схемам. Живые репетиторы доступны круглосуточно и без выходных, чтобы помочь студентам решить их проблемы, связанные с предвзятым отношением к текущему источнику. Мы предоставляем пошаговые ответы на вопрос о предвзятом отношении к текущему источнику со 100% содержанием без плагиата. Мы готовим качественный контент и примечания по теме «Смещение источника тока» в разделе «Теория электронных устройств и схем» и учебные материалы. Они доступны для подписанных пользователей, и они могут получить преимущества в любое время.

  Почему Expertsmind для помощи при назначении

  1. Обладатель высшего образования и сеть опытных экспертов
  2. Пунктуальность и ответственность в работе
  3. Качественное решение со 100% ответами без плагиата
  4. Срок поставки
  5. Конфиденциальность информации и реквизитов
  6. Превосходство в решении вопросов электроники в формате excel и word.
  7. Лучшее репетиторство 24×7 часов

  chet_paynter_introduct_6 | Полевые транзисторы | Краткое содержание главы

  JFET — это трехконтактное устройство, которое содержит два полупроводниковых материала и один переход.Конструкцию полевого транзистора JFET можно представить, как показано на рисунке 12-1. Как показано на рисунке, три вывода JFET называются истоком , , стоком , и затвором , . Полупроводниковый материал, который соединяет выводы стока и истока, называется каналом . Канал изготовлен из одного материала, а затвор — из другого. Обратите внимание:

  • Данный JFET идентифицируется по типу материала, используемого в качестве канала.(Компонент на рис. 12-1 называется полевым транзистором с n-каналом .)
  • Материал затвора окружает канальный пояс вокруг талии. (Два материала типа p на рис. 12-1 на самом деле являются концами одного и того же материала, если смотреть сбоку.)
  РИСУНОК 12-1. Конструкция N-канального JFET.

  Обычно используемые условные обозначения схемы JFET показаны на рисунке 12-2. Обратите внимание:

  • Стрелка расположена на выводе затвора и указывает на материал типа n .
  • N-канальные полевые транзисторы требуют положительных напряжений питания , в то время как p -канальные полевые транзисторы требуют отрицательных напряжений питания . (См. Рисунок 12.3 текста.)
  • Исток , сток и затвор являются JFET аналогами эмиттера BJT, коллектора и базы (соответственно).
  РИСУНОК 12-2. Символы JFET.

  Общая работа JFET основана на изменении ширины канала для управления током стока следующим образом: Проводимость изменяется обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.Как показано на рисунке 12-3, ток в цепи сток-исток проходит через канал полевого транзистора. Путем сужения эффективной ширины канала можно управлять проводимостью через цепь сток-исток.

  РИСУНОК 12-3. Проводимость JFET.

  Ширина канала JFET уменьшается на , увеличивая эффективную ширину затвора . Эффективную ширину затвора можно увеличить, приложив обратное напряжение затвор-исток (), как показано на рисунке 12-4.Приложение обратного напряжения затвор-исток вызывает формирование обедненного слоя вокруг затвора (как показано на рисунке), уменьшая ток через схему сток-исток.

  РИСУНОК 12-4. Эффект от приложения обратного напряжения затвор-исток.

  Затворный переход может также иметь обратное смещение за счет напряжения сток-исток (). На рисунке 12-5 затвор замкнут на источник. В результате затвор подключен к отрицательной стороне.Поскольку положительная сторона соединена со стоком, сток типа n является более положительным, чем затвор типа p , что приводит к формированию небольшого обедненного слоя, как показано.

  РИСУНОК 12-5. Слой истощения, образованный.

  Напряжение отсечки () и ток утечки с закороченным затвором ()

  Источник напряжения () на рисунке 12-5 генерирует ток через канал JFET. По мере увеличения значения ток устройства и ширина обедненного слоя также увеличиваются.После достижения заданного значения, называемого напряжением отсечки (), дальнейшее увеличение компенсируется прямо пропорциональным увеличением сопротивления канала, и ток устройства выравнивается (становится постоянным). Эта взаимосвязь проиллюстрирована графиком на рисунке 12.7 текста. Обратите внимание, что рейтинг данного JFET измеряется в.
  Когда и, ток стока достигает максимально возможного значения. Это значение, называемое током стока с короткозамкнутым затвором (), указано в технических характеристиках данного полевого транзистора.

  Напряжение отсечки затвор-исток ()

  Существует значение, при котором ток стока () падает примерно до 0 А. Это значение называется напряжением отсечки затвор-исток ,. Когда слой истощения вокруг ворот закрывает канал, в результате чего. Обратите внимание, что номинальные значения и JFET всегда равны по величине (и противоположны по полярности). По этой причине в спецификации для данного JFET обычно указывается только одно из двух значений.

  Сопротивление затвора

  Затвор полевого транзистора всегда имеет обратное смещение (при нормальных условиях эксплуатации). По этой причине сопротивление затвора JFET чрезвычайно велико, как правило, в G диапазон. Этот высокий импеданс затвора является основным преимуществом JFET по сравнению с BJT. Когда вывод затвора полевого транзистора используется в качестве компонентного входа, высокое сопротивление затвора практически не приводит к нагрузке на источник.

  Следует отметить, что затвор JFET не предназначен для обработки значительного количества тока.Следовательно, следует позаботиться о том, чтобы вентиль никогда не смещался вперед . В этом случае даже относительно небольшие токи (в диапазоне мА) могут повредить компонент.

  Кривые крутизны

  На рисунке 12-6 показан типичный усилитель с полевым транзистором. Поскольку компонент не имеет входного тока, он не имеет бета-рейтинга. Однако выходной ток () при заданном значении можно рассчитать с помощью уравнения, показанного на рисунке.

  РИСУНОК 12-6.Схема JFET и кривая крутизны.

  Когда уравнение решается для серии значений, результаты можно использовать для построения кривой крутизны для JFET. Общая кривая крутизны показана на рисунке 12-6. Обратите внимание, что кривая заканчивается на значениях и для данного компонента. Кривая крутизны JFET построена, как показано в Примере 12.2 текста. Обратите внимание, что:

  • Большинство JFET имеют минимум и максимум кривых крутизны, как показано в Примере 12.3.
  • Кривые крутизны для данного JFET используются в анализе постоянного тока цепи смещения.

  Смещение затвора

  Смещение затвора является эквивалентом базового смещения JFET. Схема смещения затвора показана (вместе с линией смещения постоянного тока) на рисунке 12-7.

  
  
  РИСУНОК 12-7. Схема смещения затвора и линия смещения.

  Линия смещения постоянного тока представляет все возможные значения точки Q для цепи смещения полевого транзистора.Как показано на рисунке, точка Q для схемы смещения затвора может находиться в любом месте между точками, где линия смещения пересекает две кривые крутизны. В результате значение тока стока Q крайне нестабильно для смещения затвора. Это основной недостаток использования этой простой схемы.

  Самосмещение

  Самосмещение — это более часто используемая схема смещения полевого транзистора, в которой используется истоковый резистор () для создания отрицательного напряжения затвор-исток.Схема самосмещения показана (вместе с линией смещения постоянного тока) на Рисунке 12-8.

  РИСУНОК 12-8. Схема самосмещения и линия смещения постоянного тока.

  Линия смещения показывает, что все еще может находиться в относительно большом диапазоне значений, но этот диапазон значительно уже, чем диапазон для сопоставимой схемы смещения затвора. (Эта точка проиллюстрирована на рисунке 12.24 текста.) Линия смещения постоянного тока для цепи самосмещения строится следующим образом:

  1. Постройте кривые минимальной и максимальной крутизны для JFET.
  2. Выберите любое значение и определите соответствующее значение с помощью
     
  3. Постройте найденную точку с помощью уравнения и проведите линию от этой точки до начала графика.

  Эта процедура продемонстрирована в Примере 12.6 текста. Поскольку самосмещение обеспечивает более стабильный выходной сигнал, чем смещение затвора, это предпочтительная схема из двух. (Самосмещение также имеет то преимущество, что не требует использования отрицательного источника питания для смещения перехода затвор-исток.)

  Смещение делителя напряжения

  Смещение делителя напряжения используется для значительного уменьшения возможных вариаций, присущих усилителям JFET. Усилитель на полевом транзисторе со смещением делителя напряжения показан на рис. 12-9 вместе с зависимостями анализа постоянного тока для схемы.

  РИСУНОК 12-9. Смещение делителя напряжения.

  Линия смещения постоянного тока для цепи смещения делителя напряжения показана на Рисунке 12-10. Обратите внимание на небольшую разницу в I _D между точками Q .Относительно стабильное значение тока стока — это сила цепи. Процедура построения линии смещения постоянного тока показана в примере 12.8 текста.

  РИСУНОК 12-10. Линия смещения постоянного тока для усилителя с делителем напряжения.

  Смещение источника тока

  Смещение источника тока использует BJT для управления током стока JFET, что делает его независимым от характеристик JFET. Схема смещения источника тока показана на рисунке 12-11.Пока схема спроектирована так, что меньше минимального значения , значение тока стока в точке Q не зависит от характеристик полевого транзистора.

  РИСУНОК 12-11. Смещение источника тока.

  Усилитель с общим истоком

  Усилитель с общим истоком (CS) является аналогом JFET усилителя с общим эмиттером. Как показано на Рисунке 12-12, входной сигнал подается на затвор JFET, а выходной сигнал берется из стока.Обратите внимание, что усилитель CS — это единственная конфигурация усилителя JFET, которая обеспечивает угол поворота 180 °. фазовый сдвиг напряжения от входа к выходу.

  Крутизна () усилителя JFET равна отношению изменения тока стока () к изменению напряжения затвор-исток (), обычно измеряемого в микросименсах (). Как следует из уравнения на рис. 12-12, на значение влияет коэффициент крутизны JFET () и смещение цепи постоянным током.Этот момент проиллюстрирован в Примере 12.11 текста.

  РИСУНОК 12-12. Усилитель с общим источником.

  Коэффициент усиления по напряжению стандартного усилителя CS попадает в диапазон значений, который определяется (частично) кривыми минимальной и максимальной крутизны для устройства. Этот момент проиллюстрирован в Примере 12.12 текста. Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать заглушающий резистор .

  Усилитель с общим стоком (повторитель источника)

  Повторитель источника является аналогом JFET повторителя эмиттера.Как показано на рисунке 12-13, входной сигнал подается на затвор JFET, а выходной сигнал берется из источника.

  
  РИСУНОК 12-13. Усилитель с общим стоком (истоковый повторитель).

  Повторитель источника обычно имеет высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и. В результате схема обычно используется как буфер. Коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление повторителя источника попадают в диапазоны, которые определяются (частично) кривыми минимальной и максимальной крутизны для устройства.Этот момент проиллюстрирован в Примере 12.16 текста.

  Усилитель с общим затвором

  Усилитель с общим затвором (CG) является аналогом JFET усилителя с общей базой. Как показано на рис. 12-14, входной сигнал подается на исток JFET, а выходной — на сток.

  РИСУНОК 12-14. Усилитель с общим затвором.

  Усилитель CG обычно имеет низкий входной импеданс, высокий выходной импеданс (по сравнению с, и).В результате схема обычно используется для согласования источника с низким импедансом с нагрузкой с более высоким импедансом. Обратите внимание, что выходная проводимость JFET () является номинальной характеристикой. Выходное сопротивление усилителя CG рассчитывается, как показано в Примере 12.17 текста.

  Неисправности JFET

  Есть несколько вещей, которые могут выйти из строя с JFET. Поскольку имеется только одно соединение компонентов, симптомы неисправности полевого транзистора легко распознать. Влияние условий короткого затвора и открытого затвора показано на рисунке 12.47 текста.

  Технические характеристики полевого транзистора

  Подобно листам спецификаций транзисторов, в спецификациях полевых транзисторов обычно указаны максимальные номинальные значения , характеристики вне зависимости от характеристик, и характеристики слабого сигнала .

  Раздел максимальных номинальных значений спецификации JFET обычно включает стандартные номинальные значения напряжения пробоя, максимальные номинальные токи и рабочие диапазоны температур.

  В разделе характеристик выкл. спецификации обычно перечислены значения напряжения пробоя затвор-исток и обратного тока затвора.Обратите внимание, что обратный ток затвора () обычно находится в нА или диапазоне.

  в разделе характеристик спецификации обычно перечисляет значение и минимально возможное значение.

  В разделе характеристик слабого сигнала спецификации обычно указаны значения проводимости, проводимости, крутизны и пропускания компонентов. Обратите внимание, что рейтинги допуска учитывают восприимчивость компонента , тогда как рейтинги проводимости нет.

  Приложения JFET

  JFET обычно используются в любом приложении, требующем более высокого входного импеданса схемы, чем может быть получено с усилителем BJT.

  .