Усилители на полевых транзисторах mosfet. Усилитель на полевых транзисторах MOSFET: особенности конструкции и характеристики

с использованием расширенного полевого МОП-транзистора

В нашем предыдущем руководстве по усилителям на полевых транзисторах мы увидели, что простые одноступенчатые усилители могут быть изготовлены с использованием полевых транзисторов с переходным эффектом или полевых транзисторов. Но есть и другие типы полевых транзисторов, которые можно использовать для создания и усиления, и в этом уроке мы рассмотрим усилитель MOSFET.

, или сокращенно MOSFET, является отличным выбором для линейных усилителей малых сигналов, поскольку их входное сопротивление чрезвычайно велико, что упрощает их смещение. Но для того, чтобы МОП-транзистор производил линейное усиление, он должен работать в своей области насыщения, в отличие от транзистора с биполярным переходом. Но, как и BJT, он также должен быть смещен вокруг фиксированной в центре точки Q.

A Типичный полевой МОП-транзистор

проходят через проводящую область или путь, называемый «каналом».Мы можем сделать этот проводящий канал шире или меньше, применяя подходящий потенциал затвора. Электрическое поле, индуцированное вокруг вывода затвора приложением этого напряжения затвора, влияет на электрические характеристики канала, отсюда и название полевой транзистор .

Другими словами, мы можем управлять тем, как работает МОП-транзистор, создавая или «улучшая» его проводящий канал между областями истока и стока, создавая тип МОП-транзистора, обычно называемый n-канальным МОП-транзистором в режиме улучшения, что просто означает, что если мы не смещаем они положительно на затворе (отрицательно для p-канала), ток в канале не будет течь.

Характеристики различных типов МОП-транзисторов сильно различаются, поэтому смещение МОП-транзисторов должно выполняться индивидуально. Как и в случае конфигурации с общим эмиттером биполярного транзистора, усилитель на МОП-транзисторе с общим истоком должен иметь смещение до подходящего значения покоя. Но сначала давайте вспомним основные характеристики и конфигурацию МОП-транзисторов.

Расширение N-канального полевого МОП-транзистора

Обратите внимание, что фундаментальные различия между биполярным переходным транзистором и полевым транзистором заключаются в том, что у биполярного транзистора есть клеммы, обозначенные как «коллектор», «эмиттер» и «база», а у полевого МОП-транзистора — клеммы, обозначенные соответственно «сток», «исток» и «затвор».

Также MOSFET отличается от BJT тем, что нет прямого соединения между затвором и каналом, в отличие от перехода база-эмиттер BJT, поскольку металлический электрод затвора электрически изолирован от проводящего канала, давая ему вторичное название Insulated Затворный полевой транзистор или IGFET.

Мы можем видеть, что для n-канального MOSFET (NMOS) над полупроводниковым материалом подложки p-типа , в то время как электроды истока и стока n-типа .Напряжение питания будет положительным. Смещение вывода затвора к положительному положению притягивает к себе электроны внутри полупроводниковой подложки p-типа под областью затвора.

Избыток свободных электронов внутри подложки p-типа вызывает появление или рост проводящего канала по мере изменения электрических свойств области p-типа, эффективно превращая подложку p-типа в материал n-типа, позволяя току в канале увеличиваться. поток.

Обратное также верно для p-канального MOSFET (PMOS), где отрицательный потенциал затвора вызывает образование дырок под областью затвора, поскольку они притягиваются к электронам на внешней стороне металлического электрода затвора.В результате подложка n-типа создает проводящий канал p-типа.

Итак, для нашего МОП-транзистора n-типа, чем больше положительного потенциала мы прикладываем к затвору, тем больше электронов накапливается вокруг области затвора и тем шире становится проводящий канал. Это увеличивает поток электронов через канал, позволяя большему току в канале протекать от стока к источнику, что и привело к названию Enhancement MOSFET .

Усилитель MOSFET с улучшенными характеристиками

Enhancement MOSFET, или eMOSFET, можно классифицировать как нормально выключенные (непроводящие) устройства, то есть они проводят ток только при подаче подходящего положительного напряжения затвор-исток, в отличие от МОП-транзисторов типа истощения, которые обычно являются проводящими устройствами. когда напряжение затвора равно нулю.

Однако, из-за конструкции и физики МОП-транзистора улучшенного типа, существует минимальное напряжение затвор-исток, называемое пороговым напряжением V _TH , которое должно быть приложено к затвору, прежде чем он начнет проводить, позволяя току стока поток.

Другими словами, расширенный МОП-транзистор не проводит ток, когда напряжение затвор-исток, V _GS меньше порогового напряжения, V _TH , но по мере увеличения прямого смещения затвора ток стока, I _D ( также известный как ток сток-исток I _DS ) также будет увеличиваться, подобно биполярному транзистору, что делает eMOSFET идеальным для использования в схемах усилителя mosfet.

Характеристики проводящего канала МОП можно рассматривать как переменный резистор, управляемый затвором. Таким образом, величина тока стока, протекающего через этот n-канал, зависит от напряжения затвор-исток, и одно из многих измерений, которые мы можем провести с помощью МОП-транзистора, — это построить график передаточных характеристик, чтобы показать зависимость iv между током стока и током. напряжение затвора, как показано.

I-V характеристики N-канального eMOSFET

При фиксированном напряжении сток-исток V _DS , подключенном к eMOSFET, мы можем построить график значений тока стока, I _D с различными значениями V _GS , чтобы получить график прямых характеристик постоянного тока МОП-транзистора.Эти характеристики дают крутизну транзистора gm.

Эта крутизна связывает выходной ток с входным напряжением, представляющим усиление транзистора. Наклон кривой крутизны в любой точке вдоль нее задается следующим образом: gm = I _D / V _GS для постоянного значения V _DS .

Так, например, предположим, что МОП-транзистор пропускает ток стока 2 мА, когда V _GS = 3 В, и ток стока 14 мА, когда V _GS = 7 В.Тогда:

Это соотношение называется статической проводимостью транзисторов или крутизной по постоянному току, что сокращенно от «передаточной проводимости» и выражается в единицах Сименса (S), как количество ампер на вольт. Коэффициент усиления по напряжению усилителя на МОП-транзисторе прямо пропорционален крутизне и величине резистора стока.

При V _GS = 0 ток не течет через канал МОП-транзисторов, потому что эффект поля вокруг затвора недостаточен для создания или «открытия» канала n-типа.Тогда транзистор находится в области отсечки, действуя как разомкнутый ключ. Другими словами, при подаче нулевого напряжения затвора n-канальный eMOSFET считается нормально выключенным, и это состояние «OFF» представлено прерывистой линией канала в символе eMOSFET (в отличие от типов истощения, которые имеют непрерывную линию канала) .

По мере того, как мы постепенно увеличиваем положительное напряжение затвор-исток V _GS , эффект поля начинает увеличивать проводимость областей канала, и возникает точка, в которой канал начинает проводить.Эта точка известна как пороговое напряжение V _TH . Когда мы увеличиваем V _GS более положительным, проводящий канал становится шире (меньше сопротивление) с увеличением тока стока, в результате увеличивается I _D . Помните, что затвор никогда не проводит никакого тока, поскольку он электрически изолирован от канала, что дает усилителю MOSFET чрезвычайно высокий входной импеданс.

Следовательно, n-канальный расширенный МОП-транзистор будет находиться в режиме отсечки, когда напряжение затвор-исток, V _GS меньше его порогового уровня напряжения, V _TH и его канал проводит или насыщается, когда V _GS выше этого порогового уровня.Когда транзистор eMOS работает в области насыщения, ток стока I _D определяется как:

Ток утечки eMOSFET

Обратите внимание, что значения k (параметр проводимости) и V _TH (пороговое напряжение) изменяются от одного электронного МОП-транзистора к другому и не могут быть физически изменены. Это потому, что они представляют собой особую спецификацию, относящуюся к материалу и геометрии устройства, которые встроены во время изготовления транзистора.

Кривая статической передаточной характеристики справа обычно имеет параболическую (квадратичную) форму, а затем линейную.Увеличение тока стока, I _D для данного увеличения напряжения затвор-исток, V _GS определяет наклон или градиент кривой для постоянных значений V _DS .

Тогда мы можем видеть, что включение улучшающего МОП-транзистора в положение «ВКЛ» является постепенным процессом, и для того, чтобы использовать МОП-транзистор в качестве усилителя, мы должны смещать его вывод затвора в какой-то момент выше его порогового уровня.

Есть много разных способов сделать это: от использования двух отдельных источников напряжения до смещения обратной связи стока, смещения стабилитрона и т. Д. И т. Д.Но какой бы метод смещения мы не использовали, мы должны убедиться, что напряжение затвора более положительное, чем напряжение источника, на величину, превышающую V _TH . В этом руководстве по усилителю MOSFET мы будем использовать уже знакомую схему смещения универсального делителя напряжения.

Постоянное смещение полевого МОП-транзистора

Универсальная схема смещения делителя напряжения — это популярный метод смещения, используемый для установления желаемого рабочего состояния постоянного тока биполярных транзисторных усилителей, а также усилителей на МОП-транзисторах.Преимущество схемы смещения делителя напряжения состоит в том, что МОП-транзистор или биполярный транзистор можно смещать от одного источника постоянного тока. Но сначала нам нужно знать, где смещать затвор для нашего усилителя MOSFET.

МОП-транзистор может работать в трех различных регионах. Эти области называются: омической / триодной областью , насыщенной / линейной областью и точкой отсечки . Чтобы МОП-транзистор мог работать как линейный усилитель, нам необходимо установить четко определенную рабочую точку покоя или Q-точку, поэтому он должен быть смещен для работы в своей области насыщения.Q-точка для МОП-транзистора представлена ​​значениями постоянного тока, I _D и V _GS , которые позиционируют рабочую точку в центре кривой выходной характеристики МОП-транзистора.

Как мы видели выше, область насыщения начинается, когда V _GS выше порогового уровня V _TH . Следовательно, если мы подадим небольшой сигнал переменного тока, который накладывается на это смещение постоянного тока на входе затвора, тогда полевой МОП-транзистор будет действовать как линейный усилитель, как показано.

Точка смещения постоянного тока eMOSFET

Схема NMOS с общим источником выше показывает, что синусоидальное входное напряжение V _i последовательно с источником постоянного тока.Это напряжение затвора постоянного тока будет устанавливаться схемой смещения. Тогда полное напряжение затвор-исток будет суммой V _{, GS} и V _i .

Характеристики постоянного тока и, следовательно, точка Q (точка покоя) — все функции напряжения затвора V _GS , напряжения питания V _DD и сопротивления нагрузки R _D .

МОП-транзистор смещен в области насыщения, чтобы установить желаемый ток стока, который будет определять Q-точку транзистора.По мере увеличения мгновенного значения V _GS точка смещения перемещается вверх по кривой, как показано, позволяя протекать большему току стока при уменьшении V _DS .

Аналогичным образом, когда мгновенное значение V _GS уменьшается (во время отрицательной половины входной синусоидальной волны), точка смещения перемещается вниз по кривой, и меньшее значение V _GS приводит к меньшему току стока и увеличению V _DS. .

Затем, чтобы установить большой размах выходного сигнала, мы должны смещать транзистор значительно выше порогового уровня, чтобы гарантировать, что транзистор остается в насыщении в течение полного синусоидального входного цикла.Однако существует ограничение на величину смещения затвора и тока стока, которые мы можем использовать. Чтобы обеспечить максимальный размах выходного напряжения, точка Q должна быть расположена примерно посередине между напряжением питания V _DD и пороговым напряжением V _TH .

Так, например, предположим, что мы хотим сконструировать одноступенчатый NMOS усилитель с общим источником. Пороговое напряжение V _TH eMOSFET составляет 2,5 В, а напряжение питания V _DD составляет +15 В.Тогда точка смещения постоянного тока будет 15 — 2,5 = 12,5 В или 6 вольт с точностью до ближайшего целого значения.

МОП-транзисторы I

Выше мы видели, что можем построить график прямых характеристик постоянного тока МОП-транзисторов, поддерживая постоянным напряжение питания V _DD и увеличивая напряжение затвора V _G . Но для того, чтобы получить полную картину работы улучшающего МОП-транзистора n-типа для использования в схеме усилителя МОП-транзистора, нам необходимо отобразить выходные характеристики для разных значений как V _DD , так и V _GS .

Как и в случае с биполярным переходным транзистором NPN, мы можем построить набор кривых выходных характеристик, показывающих ток стока, I _D для увеличения положительных значений V _G для n-канального МОП-транзистора с улучшенным режимом, как показано.

Кривые характеристик eMOSFET N-типа

Обратите внимание, что p-канальное устройство eMOSFET будет иметь очень похожий набор кривых характеристик тока стока, но полярность напряжения затвора будет обратной.

Базовый усилитель MOSFET с общим истоком

Ранее мы рассмотрим, как установить желаемое рабочее состояние постоянного тока для смещения электронного МОП-транзистора n-типа. Если мы подадим на вход небольшой изменяющийся во времени сигнал, то при правильных обстоятельствах схема МОП-транзистора может действовать как линейный усилитель, при условии, что точка Q транзистора находится где-то около центра области насыщения, а входной сигнал достаточно мал. чтобы выход оставался линейным. Рассмотрим базовую схему усилителя MOSFET, приведенную ниже.

Усилитель с базовым МОП-транзистором

Эта простая конфигурация усилителя на МОП-транзисторе с общим истоком в режиме улучшения использует один источник питания на стоке и генерирует необходимое напряжение затвора V _G с использованием резисторного делителя. Мы помним, что для полевого МОП-транзистора ток не течет через вывод затвора, и, исходя из этого, мы можем сделать следующие основные предположения об условиях работы усилителя МОП-транзистора на постоянном токе.

Тогда из этого можно сказать, что:

и напряжение затвор-исток МОП-транзистора, В _GS задается как:

Как мы видели выше, для правильной работы МОП-транзистора это напряжение затвор-исток должно быть больше порогового напряжения МОП-транзистора, то есть V _GS > V _TH .Так как I _S = I _D , напряжение затвора V _G также равно:

Чтобы установить напряжение затвора усилителя mosfet на это значение, мы выбираем значения резисторов R1 и R2 в цепи делителя напряжения на правильные значения. Как мы знаем из вышеизложенного, «ток отсутствует» в клемме затвора МОП-транзистора, поэтому формула для деления напряжения имеет вид:

Обратите внимание, что это уравнение делителя напряжения определяет только соотношение двух резисторов смещения, R1 и R2, а не их фактические значения.Также желательно сделать номиналы этих двух резисторов как можно большими, чтобы уменьшить их потери мощности I ² * R и увеличить входное сопротивление усилителей на МОП-транзисторах.

MOSFET Усилитель Пример №1

Усилитель на МОП-транзисторе с общим источником должен быть сконструирован с использованием n-канального eMOSFET с параметром проводимости 50 мА / В ² и пороговым напряжением 2,0 В. Если напряжение питания составляет +15 В, а сопротивление нагрузки составляет 470 Ом, рассчитайте значения резисторов, необходимых для смещения усилителя MOSFET на 1/3 (V _DD ).Нарисуйте принципиальную схему.

Приведены значения: V _DD = + 15 В, V _TH = + 2,0 В, k = 50 мА / В ² и R _D = 470 Ом.

1. Ток утечки, I _D

2. Напряжение затвор-исток, В _GS

3. Напряжение затвора, В _G

Таким образом, применяя KVL к МОП-транзистору, напряжение сток-исток, V _DS , определяется как:

4.Сопротивление источника, R _S

Соотношение резисторов делителя напряжения R1 и R2, необходимое для получения 1 / 3V _DD , рассчитывается как:

Если мы выберем: R1 = 200 кОм и R2 = 100 кОм, это будет удовлетворять условию: V _G = 1 / 3V _DD . Кроме того, эта комбинация резисторов смещения даст входное сопротивление для усилителя mosfet приблизительно 67 кОм.

Мы можем пойти еще дальше в этой конструкции, рассчитав номиналы входных и выходных конденсаторов связи.Если мы предположим более низкую частоту среза для нашего усилителя mosfet, скажем, 20 Гц, тогда значения двух конденсаторов с учетом входного импеданса цепи смещения затвора рассчитываются как:

Тогда последняя схема для схемы одноступенчатого усилителя MOSFET имеет вид:

Одноступенчатый усилитель на полевых МОП-транзисторах

Основная цель усилителя MOSFET или любого усилителя в этом отношении — создать выходной сигнал, который является точным воспроизведением входного сигнала, но с усилением по величине.Этот входной сигнал может быть током или напряжением, но для того, чтобы МОП-транзистор мог работать как усилитель, он должен быть смещен, чтобы работать в пределах своей области насыщения.

Существует два основных типа полевых МОП-транзисторов с расширенным режимом, n-канальный и p-канальный, и в этом руководстве по усилителю mosfet мы рассмотрели n-канальный расширенный МОП-транзистор, который часто называют NMOS, поскольку он может работать с положительным напряжения затвора и стока относительно истока, в отличие от PMOS p-канала, который работает с отрицательными напряжениями затвора и стока относительно истока.

Область насыщения МОП-транзистора — это область постоянного тока выше его порогового напряжения, V _TH . После правильного смещения в области насыщения ток стока I _D изменяется в результате напряжения затвор-исток, V _GS , а не напряжения сток-исток, V _DS , поскольку сток ток называется насыщенным.

В полевом МОП-транзисторе в режиме улучшения электростатическое поле, создаваемое приложением напряжения затвора, увеличивает проводимость канала, а не истощает его, как в случае полевого МОП-транзистора в режиме истощения.

Пороговое напряжение — это минимальное смещение затвора, необходимое для образования канала между истоком и стоком. выше этого значения ток стока увеличивается пропорционально (V _GS — V _TH ) ² в области насыщения, позволяя ему работать как усилитель.

Усилитель JFET с общим истоком, JFET с общим истоком

Цепи транзисторных усилителей, такие как усилитель с общим эмиттером, сделаны с использованием биполярных транзисторов, но усилители малых сигналов также могут быть изготовлены с использованием полевых транзисторов.Эти устройства имеют преимущество перед биполярными транзисторами в том, что они имеют чрезвычайно высокий входной импеданс и низкий уровень шума на выходе, что делает их идеальными для использования в схемах усилителей с очень слабыми входными сигналами.

Схема усилителя, основанная на соединительном полевом транзисторе или JFET (N-канальный полевой транзистор в данном руководстве) или даже на металлооксидно-кремниевом полевом транзисторе или MOSFET, полностью совпадает с принципом работы биполярного транзистора. Схема, используемая для схемы усилителя класса A, которую мы рассмотрели в предыдущем уроке.

Во-первых, необходимо найти подходящую точку покоя или «точку Q» для правильного смещения схемы усилителя JFET с конфигурациями с одним усилителем: общий исток (CS), общий сток (CD) или исток-повторитель (SF). ) и общий затвор (CG), доступный для большинства устройств на полевых транзисторах.

Эти три конфигурации усилителя JFET соответствуют конфигурациям с общим эмиттером, эмиттерным повторителем и с общей базой с использованием биполярных транзисторов. В этом руководстве по усилителям на полевых транзисторах мы рассмотрим популярный усилитель с общим источником на полевых транзисторах , поскольку это наиболее широко используемая конструкция усилителя на полевых транзисторах.

Рассмотрим приведенную ниже конфигурацию схемы усилителя на полевом транзисторе с общим истоком.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема усилителя состоит из N-канального JFET, но устройство также может быть эквивалентным N-канальным MOSFET в режиме обеднения, поскольку принципиальная схема будет такой же, как только изменение в FET, подключенном в общую конфигурацию источника. Напряжение Vg на затворе полевого транзистора смещается через схему делителя потенциала, установленную резисторами R1 и R2, и смещается для работы в своей области насыщения, которая эквивалентна активной области биполярного переходного транзистора.

В отличие от схемы с биполярным транзистором, переходной полевой транзистор практически не принимает входной ток затвора, что позволяет рассматривать затвор как разомкнутую цепь. Тогда кривые входных характеристик не требуются. Мы можем сравнить JFET с биполярным переходным транзистором (BJT) в следующей таблице.

Сравнение JFET и BJT

Поскольку N-канальный полевой транзистор JFET работает в режиме обеднения и обычно находится в состоянии «ВКЛ», для модуляции или управления током стока требуется отрицательное напряжение затвора по отношению к истоку.Это отрицательное напряжение может быть обеспечено смещением от отдельного источника питания или устройством самосмещения, пока постоянный ток течет через JFET, даже когда нет входного сигнала, а Vg поддерживает обратное смещение затвор-исток pn. соединение.

В нашем простом примере смещение обеспечивается цепью делителя потенциала, позволяющей входному сигналу вызывать падение напряжения на затворе, а также повышение напряжения на затворе с синусоидальным сигналом. Любая подходящая пара номиналов резисторов в правильных пропорциях будет давать правильное напряжение смещения, поэтому напряжение смещения затвора постоянного тока Vg задается как:

Обратите внимание, что это уравнение определяет только соотношение резисторов R1 и R2, но для того, чтобы воспользоваться преимуществом очень высокого входного импеданса полевого транзистора, а также уменьшить рассеиваемую мощность в цепи, нам необходимо сделать эти значения резисторов равными как можно более высокое, со значениями порядка от 1 МОм до 10 МОм.

Входной сигнал (Vin) усилителя JFET с общим истоком подается между выводом затвора и шиной нулевого напряжения (0v). При постоянном значении напряжения затвора Vg полевой транзистор JFET работает в своей «омической области», действуя как линейное резистивное устройство. Схема стока содержит нагрузочный резистор Rd. На этом сопротивлении нагрузки создается выходное напряжение Vout.

Эффективность усилителя на полевом транзисторе с общим истоком можно повысить, добавив резистор Rs, включенный в вывод истока, с тем же током стока, протекающим через этот резистор.Резистор Rs также используется для установки «точки добротности» JFET-усилителей.

Когда JFET полностью включен, на этом резисторе возникает падение напряжения, равное Rs * Id, в результате чего потенциал клеммы истока превышает 0 В или уровень земли. Это падение напряжения на Rs из-за тока стока обеспечивает необходимое условие обратного смещения на резисторе затвора, R2 эффективно генерирует отрицательную обратную связь.

Итак, чтобы поддерживать обратное смещение перехода затвор-исток, напряжение истока Vs должно быть выше напряжения затвора Vg.Следовательно, это напряжение источника задается как:

Тогда ток стока, Id, также равен току источника, Is, поскольку «Нет тока» поступает на клемму затвора, и это может быть указано как:

Эта схема смещения делителя потенциала улучшает стабильность схемы усилителя на полевом транзисторе с общим истоком при питании от одного источника постоянного тока по сравнению со схемой смещения с фиксированным напряжением. И резистор Rs, и шунтирующий конденсатор источника Cs в основном выполняют ту же функцию, что и эмиттерный резистор и конденсатор в схеме усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером, а именно для обеспечения хорошей стабильности и предотвращения снижения потери усиления по напряжению.Однако цена, уплаченная за стабилизированное напряжение покоя на затворе, состоит в том, что большая часть напряжения питания падает на Rs.

Значение в фарадах шунтирующего конденсатора источника обычно довольно велико, выше 100 мкФ, и оно будет поляризованным. Это дает конденсатору значение импеданса намного меньшее, менее 10% крутизны, gm (коэффициент передачи, представляющий усиление) устройства. На высоких частотах байпасный конденсатор действует как короткое замыкание, и источник будет эффективно подключен непосредственно к земле.

Базовая схема и характеристики усилителя на полевом транзисторе с общим истоком очень похожи на схему и характеристики усилителя с общим эмиттером. Линия нагрузки постоянного тока создается путем соединения двух точек, относящихся к току стока, Id и напряжению питания, Vdd, помня, что когда Id = 0: (Vdd = Vds) и когда Vds = 0: (Id = Vdd / R _L ). Линия нагрузки, таким образом, является пересечением кривых в точке Q следующим образом.

Кривые характеристик усилителя на полевом транзисторе с общим истоком

Как и в случае биполярной схемы с общим эмиттером, линия нагрузки постоянного тока для усилителя JFET с общим истоком формирует уравнение прямой линии, градиент которого задается как: -1 / (Rd + Rs) и пересекает вертикальную ось Id в точке A, равной к Vdd / (Rd + Rs).Другой конец линии нагрузки пересекает горизонтальную ось в точке B, которая равна напряжению питания Vdd.

Фактическое положение точки Q на линии нагрузки постоянного тока обычно располагается в средней центральной точке линии нагрузки (для работы класса A) и определяется средним значением Vg, которое имеет отрицательное смещение, поскольку JFET устройство режима истощения. Как и у биполярного усилителя с общим эмиттером, выходной сигнал усилителя с общим истоком JFET сдвинут по фазе на 180 ^o входному сигналу.

Одним из основных недостатков использования JFET в режиме истощения является то, что они должны иметь отрицательное смещение. Если это смещение отсутствует по какой-либо причине, напряжение затвор-исток может возрасти и стать положительным, что приведет к увеличению тока стока, что приведет к отказу напряжения стока Vd.

Кроме того, высокое сопротивление канала Rds (вкл.) Переходного полевого транзистора в сочетании с высоким током стока в установившемся состоянии приводит к тому, что эти устройства сильно нагреваются, поэтому требуется дополнительный радиатор. Однако большинство проблем, связанных с использованием полевых транзисторов JFET, можно значительно уменьшить, если вместо них использовать полевые МОП-транзисторы с расширенным режимом работы.

MOSFET или Metal Oxide Semiconductor FET имеют гораздо более высокий входной импеданс и низкое сопротивление каналов по сравнению с эквивалентным JFET. Кроме того, устройства смещения для полевых МОП-транзисторов различны, и если мы не смещаем их положительно для устройств с N-каналом и отрицательно для устройств с P-каналом, ток стока не будет течь, то мы получим отказоустойчивый транзистор.

Усилитель с полевым транзистором JFET, коэффициент усиления по току и мощности

Ранее мы говорили, что входной ток Ig усилителя JFET с общим истоком очень мал из-за чрезвычайно высокого импеданса затвора Rg.Таким образом, усилитель на полевом транзисторе с обычным источником имеет очень хорошее соотношение между его входным и выходным импедансами, и для любой величины выходного тока I _OUT усилитель с полевым транзистором будет иметь очень высокий коэффициент усиления по току Ai.

Из-за этого усилители на полевых транзисторах с общим источником чрезвычайно ценны в качестве схем согласования импеданса или используются в качестве усилителей напряжения. Аналогичным образом, поскольку: мощность = напряжение x ток (P = V * I) и выходное напряжение обычно составляет несколько милливольт или даже вольт, коэффициент усиления мощности Ap также очень велик.

В следующем уроке мы рассмотрим, как неправильное смещение транзисторного усилителя может вызвать искажение выходного сигнала в виде амплитудных искажений из-за ограничения, а также эффект фазовых и частотных искажений.

ESP — Как работают аудиоусилители (Часть 3)

© 1999 — Род Эллиотт (ESP)
Страница Последнее обновление Янв 2017

Теперь о полевых транзисторах и полевых МОП-транзисторах.FET означает «полевой транзистор », а MOSFET означает «полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника ». Эта тема — своего рода баня червей, но не из-за каких-то недостатков в устройствах, а из-за огромного множества различных типов. Основные типы полевых транзисторов …

• N-канальные полевые транзисторы
• Полевые транзисторы с P-каналом
• МОП-транзисторы с N-канальным режимом расширения
• МОП-транзисторы с режимом расширения P-канала
• МОП-транзисторы с N-канальным режимом истощения
• МОП-транзисторы с режимом истощения P-канала

Существует несколько основных подклассов полевых МОП-транзисторов — боковые и вертикальные.Боковые полевые МОП-транзисторы особенно подходят для аудиоприложений, поскольку они гораздо более линейны, чем их вертикальные собратья, хотя их коэффициент усиления обычно ниже. Вертикальные полевые МОП-транзисторы идеально подходят для коммутации, включая усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Термины «боковой» и «вертикальный» относятся к внутренним методам изготовления, поэтому многие другие, которые вы можете встретить (например, полевые транзисторы HEXFET ^® ), по сути, являются вариациями вертикального процесса. Это еще не все возможности, потому что есть и дополнительные подклассы, особенно с переключаемыми полевыми МОП-транзисторами.Однако в целях общей статьи об их характеристиках и принципах работы я сосредоточусь на наиболее часто используемых версиях. Это сужает поле, и мы получаем обе полярности полевых транзисторов с переходом и обе полярности полевых МОП-транзисторов в режиме усиления. С их помощью мы покрываем основную часть текущих дизайнов, поэтому, хотя «я многое упущу, вещи, которые я опускаю, встречаются не так часто» (с надеждой говорит он).

являются «униполярными» устройствами в том смысле, что они используют только одну полярность носителя, в отличие от биполярных транзисторов, в которых используются как основные, так и неосновные носители заряда (электроны или «дырки», в зависимости от полярности).Полевые транзисторы гораздо более устойчивы к воздействию температуры, рентгеновского излучения и космического излучения — любое из них может вызвать образование неосновных носителей в биполярных транзисторах).

Я сосредоточусь только на трех оконечных полевых транзисторах, а выводы …

• Источник — «Источник» электронов (для N-канальных устройств), эквивалент катода клапана или эмиттера транзистора.
• Gate — Управляющий вывод — (более или менее) эквивалент сетки клапана или базы транзистора
• Drain — Клемма, с которой «отводится» ток — эквивалент пластины клапана или коллектора транзистора

Нет простой эквивалентной схемы для полевых транзисторов (как для транзисторов), но это не имеет значения.Затвор является управляющим элементом и влияет на поток электронов не путем усиления тока (как в транзисторе), а путем приложения напряжения. Входное сопротивление переходных полевых транзисторов очень велико на всех используемых частотах, но полевые МОП-транзисторы отличаются. У них почти бесконечное входное сопротивление, но заметная емкость между затвором и остальной частью устройства. Это может затруднить управление полевыми МОП-транзисторами, поскольку емкостная нагрузка вызывает недовольство большинства усилителей.

Переходный полевой транзистор является обычным для входов высокопроизводительных операционных усилителей и обеспечивает чрезвычайно высокое входное сопротивление.На самом деле это также относится к дискретным полевым транзисторам, и простой усилитель напряжения, использующий транзисторный полевой транзистор и силовой полевой МОП-транзистор, показаны на рисунке 3.1. Оба устройства являются N-канальными, и обратите внимание, что стрелка для каждого из них указывает в разном направлении. Стрелки указывают в противоположном направлении для устройства с P-каналом, и все полярности поменяны местами. Vdd составляет +20 В.

Рисунок 3.1 — Усилители напряжения на соединительных полевых транзисторах и силовых полевых МОП-транзисторах

являются устройствами режима истощения и (как и все полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы в режиме истощения) могут иметь смещение точно так же, как вентиль.Режим обеднения означает, что без отрицательного сигнала смещения на управляющем элементе (затворе) будет протекать ток между стоком (эквивалентным пластине или коллектору) и истоком (эквивалентным катоду или эмиттеру).

Устройство расширенного режима остается выключенным до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение, после чего устройство будет проводить, пропуская больше тока по мере увеличения напряжения. Хотя есть полевые МОП-транзисторы, предназначенные для работы с низким энергопотреблением, большинство (во всяком случае, в аудио) являются устройствами питания.Это почти исключительно режим улучшения и может работать с очень сильным током.

На рисунке 3.1 силовой полевой МОП-транзистор — это устройство в режиме улучшения, а полевой транзистор на переходе — в режиме истощения. Это наиболее часто используемые в аудио. Мощные МОП-транзисторы в режиме расширения также используются в импульсных источниках питания и в этой роли намного лучше, чем биполярные транзисторы. Они быстрее, поэтому коммутационные потери не так велики (поэтому полевые МОП-транзисторы работают холоднее), они более прочные и способны противостоять злоупотреблениям, которые почти мгновенно убили бы биполярный транзистор.

Эта надежность (в сочетании со свободой от вторичных эффектов пробоя) означает, что полевые МОП-транзисторы очень популярны в качестве выходных устройств для мощных профессиональных усилителей. В этой области MOSFET не имеет себе равных, и они прочно закрепились в качестве предпочтительного устройства для высокой мощности.

Нельзя сказать, что это единственное место, где используются полевые МОП-транзисторы. Есть много хороших аудиофильских усилителей мощности (и даже предусилителей), в которых используются силовые полевые МОП-транзисторы, и есть много заявлений о том, что они по звуку превосходят биполярные транзисторы (опять же, спор, который я не буду здесь обсуждать).

В некотором роде клапаны, полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы очень зависят от устройства, и обычно невозможно просто заменить одно устройство другим типом. Также, как и в случае с клапанами, усиление, которое можно ожидать от схемы усилителя напряжения, зависит от устройства, и лист данных производителя (или тестирование) — единственный способ, которым можно быть уверенным в получении необходимого усиления в данной схеме.

Характеристики полевых транзисторов следует рассматривать в двух частях, поскольку мы имеем дело с двумя совершенно разными устройствами.Первым будет соединительный полевой транзистор, и, как и в случае с транзисторами, я опишу только N-канал, но доступны практически идентичные устройства с P-каналом (хотя и не так часто).

Рисунок 3.2 — Передаточные кривые для полевого транзистора и полевого МОП-транзистора

Изначально, чтобы можно было сравнить передаточные характеристики двух устройств бок о бок, на рис. 3.2 показано довольно типичное устройство из каждого «семейства». Данные переходного полевого транзистора — от 2N5457, а МОП-транзистор — это IRFP240 (вертикальный МОП-транзистор — больше подходит для коммутационных приложений).

Вместо того, чтобы показывать входные и выходные сигналы, наложенные на график, на этот раз я показываю только сам график. Это выдержки из данных производителей, но с небольшой уловкой — на рис. 3.2b ток стока отображается в логарифмической шкале, поэтому линейность устройства нельзя увидеть должным образом. Если этот график был перерисован как линейный, он покажет, что линейность лучше всего при более высоких токах (на показанном графике это выглядит наоборот), и устройство становится почти идеально линейным при токах стока выше примерно 3А.

Обратите внимание, что, поскольку полевой транзистор находится в режиме истощения, ток стока максимален при напряжении затвор-исток 0 В. С другой стороны, (наиболее распространенный) полевой МОП-транзистор — это режим улучшения, поэтому при 0 В затвор-исток нет тока. Проводимость начинается с 4 В, а к 6 В ток стока составляет 10 А (например). Это зависит от типа полевого МОП-транзистора, и они доступны с низким порогом (подходит для управления логикой 5 В) или «нормальным» порогом, требующим до 10 В или около того для полной проводимости.

Как и клапаны, в технических паспортах полевых транзисторов информация об усилении указывается в gm (взаимная проводимость — в мкMhos). Показанный полевой транзистор с переходом имеет грамм (обычно) 1500 мкMhos (на приведенном графике это фактически ближе к 1425 мкMhos в линейном сечении), что соответствует примерно 1,5 мА / В.

Наиболее распространенными из указанных параметров для полевых транзисторов с переходом являются

• Прямая пропускная способность (общий источник) — крутизна — по сути, коэффициент усиления устройства
• Input Capacitance — Эффективная емкость вывода затвора по отношению к остальной части полевого транзистора
• Напряжение отсечки затвор-исток — Напряжение затвора, при котором полевой транзистор выключается.

Процесс усиления почти идентичен вентилю, за исключением того, что напряжения ниже.Устройство смещено таким же образом (хотя можно использовать и фиксированное смещение). Это означает, что затвор должен иметь обратное смещение относительно истока, при этом затвор должен иметь полярность, противоположную напряжению исток-сток.

предлагают низкий уровень шума, особенно с входами с высоким импедансом, и в этом отношении являются противоположностью биполярных транзисторов, которые обычно лучше всего работают с низким импедансом источника.

преимущественно имеют малую мощность, хотя есть и некоторые устройства с высокой мощностью.Это редкость в аудиоприложениях.

Примечательно (и прискорбно), что многие производители «рационализировали» свой ассортимент JFET. Многие из высокопроизводительных устройств, которые мы могли использовать (например) в схемах с очень низким уровнем шума, исчезли, и вы почти можете увидеть, как JFET исчезают из каталогов поставщиков, пока вы смотрите. Хотя я никогда не верил, что у JFET есть какое-то «волшебное» свойство, которое заставляет их звучать лучше, чем что-либо еще, было бы неплохо, если бы производители просто не решили, что нам больше не нужны эти специализированные устройства.У меня есть только пара конструкций, в которых используются полевые транзисторы, и сейчас трудно найти подходящие устройства.

Опять же, листы данных MOSFET также предоставляют информацию, аналогичную информации о транзисторных полевых транзисторах, но есть и другие элементы, важные для разработчика. Самыми полезными из них являются

• Прямая крутизна — характеристика усиления устройства
• Drain to Source On Resistance — Минимальное сопротивление, когда MOSFET полностью включен
• Пороговое напряжение затвора — Напряжение затвора, при котором полевой МОП-транзистор начинает проводить
• Напряжение от затвора к источнику — максимальное напряжение (любой полярности), которое может быть приложено между истоком и затвором.(Обычно это порядка +/- 20 В)
• Входная емкость — значение емкостной нагрузки, прикладываемой к цепи управления.

МОП-транзисторы в режиме расширения практически не пропускают ток при отсутствии напряжения затвора. Чтобы провести, между истоком и затвором должно быть приложено напряжение (той же полярности, что и напряжение стока). Как только порог будет достигнут, устройство начнет движение между стоком и истоком.

При увеличении напряжения затвора ток стока увеличивается до тех пор, пока: а) не будет достигнут максимально допустимый ток стока или предел полного рассеивания, или б) напряжение стока не упадет до минимально возможного значения.В этом случае, поскольку канал исток-сток теперь полностью проводящий, значение R _{DS (on)} определяет напряжение.

имеют чрезвычайно низкое сопротивление, при этом значения менее 0,2 Ом являются довольно типичными. Есть много устройств с гораздо более низкими значениями (<50 мОм), но это важно только в схемах переключения. В аудиоусилителе полевые МОП-транзисторы никогда не должны быть включены полностью, поскольку это означает, что усилитель работает с ограничениями.

Другая область, которую необходимо решить с помощью полевых МОП-транзисторов, — это напряжение между затвором и истоком.Поскольку затвор изолирован от канала (очень) тонким слоем оксида металла, он подвержен повреждению статическим разрядом или другим избыточным напряжением. Обычно между истоком и затвором устанавливается стабилитрон, чтобы исключить превышение максимального напряжения. Скачки напряжения, превышающие напряжение пробоя изолирующего слоя, вызовут мгновенный выход устройства из строя.

Я снова показал как полевой транзистор, так и полевой МОП-транзистор на рисунке 3.3, цепи как с общим стоком, так и с повторителем истока. Как можно видеть, переходной полевой транзистор смещен почти так же, как и вентиль, но все напряжения намного ниже. Для полевого МОП-транзистора требуется положительное напряжение, которое должно быть больше, чем напряжение источника, на величину, которая учитывает характеристики полевого МОП-транзистора. Для характеристик устройства, показанных на рисунке 3.2, это означает, что при токе 100 мА затвор должен быть на 4 В выше источника.

Рисунок 3.3 — Усилители тока на полевых транзисторах

Для повторителя истока JFET байпасный конденсатор (Cb) не всегда используется, и в этом случае выходной сигнал обычно берется из источника.Когда включен Cb, выходной уровень одинаков на обоих концах Rs1, а входное сопротивление намного больше, потому что Rg самонастраивается. Увеличение входного импеданса зависит от крутизны полевого транзистора. Для показанной схемы JFET (с Rg равным 1 МОм) входное сопротивление составляет около 5 МОм, если Rs1 не шунтируется, и возрастает примерно до 18 МОм с включенным Cb.

Cb должен быть достаточно большим, чтобы напряжение переменного тока на нем оставалось небольшим при самой низкой интересующей частоте. Например, если Rs1 равен 1 кОм, Cb должен быть не менее 10 мкФ (частота -3 дБ для 16 Гц).Рекомендуется более высокое значение, чтобы минимизировать низкочастотные искажения. Для нормальной работы со звуком я бы использовал не менее 33 мкФ (по-прежнему предполагая, что 1 кБ за 1 рупий).

В версию MOSFET входит стабилитрон для защиты изоляции затвора. Используется стабилитрон 10 В, так как он обеспечивает хорошую защиту и позволяет пропускать максимально возможный ток MOSFET. Можно было бы использовать стабилитрон на 6 В, и он все равно допускал бы ток до 10 А, что намного больше, чем может быть достигнуто с помощью этой простой схемы.

Точно так же, как силовой клапан может использоваться в несимметричном исполнении класса A, то же самое можно сделать и с полевым МОП-транзистором. На рисунке 3.4 показана простая схема, обеспечивающая около 10 Вт звука. Использование источника постоянного тока в качестве нагрузки (как показано на рисунке) дает лучший КПД, чем резистор, и улучшает линейность. Искажение от схемы, подобной показанной, будет примерно такой же, как от несимметричной схемы триодного клапана. Общий КПД будет выше, поскольку не требуется катодного резистора смещения и нагревателей, как в случае с клапаном.Производительность , а не на уровне Hi-Fi!

Рисунок 3.4 — Усилитель класса A с несимметричным МОП-транзистором

Несмотря на то, что их немного, все усилители мощности на МОП-транзисторах необычны. Большинство из них используют комбинацию биполярных транзисторов (для входного каскада и каскада усиления) и полевых МОП-транзисторов для выходных устройств. Это кажется наиболее популярным схемным решением, поэтому я сконцентрируюсь на нем. На рис. 3.5 показана довольно типичная схема (в упрощенной форме), работа которой практически идентична работе усилителя с биполярными транзисторами на выходе.Обратите внимание, что эмиттерные повторители необходимы для обеспечения привода с низким импедансом, который необходим полевым МОП-транзисторам, хотя в некоторых схемах они не используются. Вместо этого каскад драйвера класса A (Q3) работает при более высоком, чем обычно, токе, что позволяет ему правильно управлять полевыми МОП-транзисторами.

Рисунок 3.5 — Усилитель выходной мощности MOSFET

Одна проблема с этой компоновкой заключается в том, что напряжение затвор-исток представляет собой потерю в цепи, поэтому напряжение источника питания обычно должно быть на ± 6 В выше, чем необходимое пиковое выходное напряжение для нагрузки, чтобы полностью включить полевые МОП-транзисторы.Хотя это не является серьезной проблемой, это увеличивает рассеяние в выходном каскаде, и потери возрастают с уменьшением импедансных нагрузок.

В некоторых усилителях (особенно очень высокой мощности) это можно обойти за счет использования вторичного источника питания с низким током (но с более высоким напряжением) для схемы возбуждения и основного источника с высоким током для полевых МОП-транзисторов. В усилителе, использующем основные источники питания +/- 50 В при 20 А, вторичный источник питания может быть ± 60 В, но, возможно, рассчитан на максимум 1 А.

Как и в случае с биполярным усилителем (вы заметили, насколько они похожи?), Я не включил компоненты для стабильности.Обычно они такие же, как и для стандартного биполярного транзисторного усилителя, но обычно включают в себя « стопорные » резисторы, включенные последовательно с затворами полевых МОП-транзисторов, а иногда и дополнительную емкость для предотвращения паразитных колебаний — потребность в них варьируется от одного типа устройства к другому. следующий.

Соединительные полевые транзисторы
Поверхность снова почти не поцарапана. Переходный полевой транзистор (он же JFET) идеально подходит для схем, в которых ожидается высокое сопротивление, и будет давать самый низкий уровень шума.Они являются бесценным электронным строительным блоком, когда используются там, где они превосходны — обеспечивая чрезвычайно высокий входной импеданс.

Как и все устройства, JFET-транзисторы имеют свои ограничения …

• Усиление — полевые транзисторы JFET не имеют высокого усиления биполярных транзисторов
• Высокочастотная характеристика — Как правило, полевые транзисторы JFET обладают характеристиками на высоких частотах, которые уступают биполярным транзисторам
• Линейность — Линейность JFET не так хороша, как у биполярных транзисторов (поэтому искажения больше), но ее можно улучшить, используя источник тока. загрузка или обратная связь.

Обычно существует идеальное (или близкое к идеальному) усилительное устройство для каждого приложения, и при правильном использовании JFET чрезвычайно универсален и лучше всего подходит для случаев, когда требуются высокие импедансы. Если вам необходимо отправить усилитель в космос, предпочтительнее использовать полевые транзисторы JFET из-за их большей «радиационной стойкости». Однако разброс параметров велик, поэтому нельзя считать, что два JFET одинаковые, даже из одной партии. Если работа критична, полевые транзисторы JFET должны быть согласованы или снабжены регулируемым сопротивлением источника, чтобы можно было установить рабочую точку.

JFET (фактически все полевые транзисторы) более чувствительны, чем биполярные транзисторы при нагревании, и проблемы теплового разгона с этими устройствами обычно не возникают.

Большинство «лучших» полевых транзисторов JFET для аудио сейчас исчезли с рынка. 2SK170 пользовался уважением в некоторых кругах и был идеальным устройством для обеспечения очень низкого уровня шума во многих различных приложениях. Оригинал и любые замены, которые предлагались впоследствии, устарели. Возможно, вы сможете купить JFET с напечатанным на них «2SK170», но о том, что внутри, остается только гадать.В одном вы можете быть уверены — это почти наверняка , а не , настоящий 2SK170.

Даже многие «пешеходные» JFET практически исчезли из инвентаря поставщика, оставив вам ограниченный выбор. Некоторые из них доступны, если вы можете работать с SOT (транзистор с малым контуром, SMD), но даже там диапазон не такой, как раньше.

… И, как всегда, есть ограничения …

• Усиление — Как и полевые транзисторы, полевые МОП-транзисторы имеют меньшее усиление, чем биполярные транзисторы, что обычно означает, что к схеме управления необходимо применять дополнительное усиление. чтобы обеспечить достаточную глобальную обратную связь для поддержания низкого уровня искажений на низких уровнях.
• Емкость затвора — Емкость затвор-исток может достигать 2 нФ (хотя чаще около 1,2 нФ). На низких частотах это не много, но заставляет схему привода очень сильно работать на высоких частотах.
• Статическое повреждение — MOSFET, пока он не установлен в цепи с полной защитой, подвержен повреждению статическим разрядом. Необходимое напряжение и ток уничтожить устройство обычно ниже порога чувствительности для человека.Некоторые устройства имеют встроенную (ограниченную) защиту.
• Линейность — Большинство полевых МОП-транзисторов не очень линейны при малых токах, поэтому для низких искажений требуется более высокое значение покоя, чтобы гарантировать, что перекрестные искажения сведены к минимуму.

В некоторой степени все вышеперечисленное можно простить, когда вам действительно нужны возможности MOSFET. Свобода от второго выхода из строя и огромные текущие возможности полевых МОП-транзисторов не имеют себе равных ни в одном другом активном устройстве. С правильно спроектированной схемой возбуждения полевые МОП-транзисторы также очень быстрые, их характеристики обычно выше, чем у биполярных транзисторов.Это не очень полезно для аудио, но важно для переключения схем.

В сочетании с положительным температурным коэффициентом, который может остановить тепловой пробой в линейной цепи (при соблюдении надлежащих мер предосторожности), полевой МОП-транзистор практически неразрушим, при условии, что вы убедитесь, что напряжение затвора поддерживается ниже напряжения пробоя. Также важно поддерживать напряжение стока ниже указанного максимального значения.

Положительный температурный коэффициент может быть большим подспорьем в аудиосхемах, хотя он может быть проблемой при переключении источников питания, поскольку сопротивление при включении также увеличивается с температурой, а в импульсном источнике питания это может вызвать тепловой пробой ( в точности обратное биполярным транзисторам в этом приложении).

Предыдущая (Часть 2 — Биполярные транзисторы) Следующая (Часть 4 — Операционные усилители)

MOSFET Усилители — Транзисторы и транзисторные схемы Видеолекция

Продолжаем обсуждение полевых МОП-транзисторов в разделе 10-3.Мы смотрим на усилители MOSFET. Три основные конфигурации усилителя, описанные для биполярных транзисторов и JFET, имеют эквиваленты MOSFET. Мы не будем вдаваться в подробности, просто скажем, что у них есть эквивалентные схемы. Смещение усилителя. Это относится к усилителям. Любой из полевых МОП-транзисторов можно использовать в качестве линейных усилителей. Они должны быть смещены, чтобы большинство носителей тока текло от истока к стоку. Емкость затвор-исток смещена так, что транзистор работает на полпути между отсечкой и насыщением, как и все транзисторные усилители.

Помните, у нас была отсечка, у нас было насыщение. Это в основном представляет собой положение включения и выключения полевого МОП-транзистора. Между ними мы могли бы иметь линейную работу. Помните, что когда у вас линейная операция, у вас есть вход, и выход будет иметь ту же форму, что и вход. Если вам разрешили перейти в насыщенность или обрезку, он больше не будет сохранять ту же форму, что и вход.

После правильного смещения сигнал переменного тока применяется между затвором и истоком, добавляя и вычитая из смещения постоянного тока.Усилители MOSFET имеют сдвиг фазы на 180 градусов между входом и выходом. Это похоже на то, что мы сделали с биполярным расстройством. В частности, усилители MOSFET имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление. Часто это доходит до мегомов импеданса. Это хорошо, потому что помните, когда мы говорили о входном сопротивлении, это позволяло усилителю захватывать большую часть входящего сигнала.

Ответ на сигнал

Усилитель с общим источником, использующий полевой МОП-транзистор с n-канальным режимом обеднения.Здесь у нас есть n-канальный МОП-транзистор в режиме обеднения с входным сигналом, ток через МОП-транзистор будет изменяться, вызывая изменение напряжения на RD, тем самым усиливая вход. Фактически, все усилители работают так: у вас есть входной сигнал. Входной сигнал в этом случае проходит через MOSFET в режиме истощения. Сигнал переменного тока вызывает изменение тока через транзистор. Этот ток будет пропущен через RD. Этот изменяющийся ток приведет к изменению этого напряжения.Это повлияет на результат. Таким образом у нас будет усиленный сигнал.

У нас здесь конденсатор связи. Конденсатор связи здесь просто снимает уровень постоянного тока, так что когда он идет на выход, это просто чистый переменный ток. Это усилитель с общим источником. Здесь используется МОП-транзистор с р-канальным расширением. Вы заметите, что стрелка указывала в направлении, указывающем, что это p-канал. Обратите внимание, у нас есть отрицательное напряжение, которое характерно для устройств с р-каналом.Опять же, у нас такое же базовое поведение и применяется входной сигнал. Ток через полевой МОП-транзистор в расширенном режиме будет изменяться в зависимости от входного сигнала, вызывающего изменение этого выходного сигнала, и, таким образом, мы будем получать выходной сигнал через конденсатор связи.

Характеристики полевого МОП-транзистора

Поскольку источников рекомбинации меньше, чем в биполярных транзисторах, полевые МОП-транзисторы имеют все связанные с ними низкие уровни шума и идеально подходят для ранних каскадов усилителя.Что это значит? Поскольку существует меньше источников рекомбинации, с биполярным у нас был наш материал NPN, и у нас была рекомбинация, когда электроны проходили через p-материал, а затем через n-материал. Хотя это кажется довольно незначительным, это источник шума, когда электроны проходят сквозь него и проходят процесс рекомбинации.

Напомним, что в устройстве типа MOSFET или с FET мы переходим от истока к стоку. У нас нет рекомбинации. У нас просто есть ограничения, которые накладываются на этот материал, чтобы вызвать изменение тока.Электроны все время остаются в одном и том же материале. Нет рекомбинации. Это снижает шум. Это делает их идеальными для начальной стадии усилителя. Одним из примеров является то, что, например, в телевизионном приемнике есть антенна, и когда он принимает сигнал от этой антенны, это очень, очень маленький сигнал. Очень часто полевые МОП-транзисторы используются на том уровне, когда сигнал очень мал, чтобы можно было усилить сигнал без добавления к нему шума.

Процедуры обращения с полевым МОП-транзистором

Это очень интересная тема.Из-за своей конструкции полевые МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к разрядам статического напряжения, и с ними всегда нужно обращаться осторожно. В противном случае они будут уничтожены. Это подводит нас к теме ОУР. Полагаю, я могу провести целую главу по этому предмету, но сейчас я просто хочу упомянуть об этом. МОП-транзисторы — это то, что мы называем чувствительными к электростатическому разряду, что означает, что если они подвергаются электростатическому разряду, это может потенциально повредить устройство. С ними нужно обращаться очень осторожно, особенно когда вы ремонтируете устройство, в котором необходимо заменить MOSFET.

ESD означает электростатический разряд. Электростатический разряд возникает при трении двух изоляторов друг о друга. Некоторые примеры, которые вы можете распознать, — это, например, сушилка для одежды, когда одежда сушится, и вы идете и вынимаете ее из сушилки, вы могли столкнуться с появлением хлопка и электростатического напряжения, когда вы вытаскиваете одежду. сушилки. Это пример ОУР.

Обувь, если вы идете по ковру и трете ногами ковер, а затем касаетесь дверной ручки.Вы можете столкнуться с небольшой разрядкой молнии, и это будет еще одним примером электростатического разряда. Трение шин об асфальт. Вы когда-нибудь водили машину, вы выходите из машины, стоите на земле, идете, чтобы закрыть дверь, и когда вы касаетесь двери, вы испытываете шок. Причина этого шока в том, что если вы едете по дороге и у вас есть резиновая шина, а резиновая шина трется о тротуар, то резиновая шина — изолятор, асфальт или цемент — изолятор.По сути, они трутся друг о друга, и на самом деле здесь тоже происходит разделение, которое вызывает статическое электричество. Это статическое электричество накапливается на корпусе автомобиля. Когда вы выходите из автомобиля и касаетесь, чтобы закрыть дверь, вы снимаете статическое электричество с корпуса автомобиля. Другой пример — винты вертолетов. Когда винты вертолетов вращаются, они могут вырабатывать огромное количество статического электричества.

Статическое напряжение может быть очень высоким и зависит от влажности.Это всего лишь приблизительные цифры. Я записываю их, потому что это обычно используемые значения. Как я уже сказал, эти значения будут типичными для областей с высокой влажностью. Если вы находитесь в очень засушливых районах, таких как Феникс, эти значения могут легко удвоиться. Практическое правило здесь — около 3000 вольт статического электричества, вы можете это почувствовать. Это слышно при напряжении около 4000 вольт. Вы слышите это как с сушилкой. Выше 5000 вольт это видно. Вы можете на самом деле маленькую молнию. В вашем тексте говорится о том, что это значение составляет от 10 до 11 кабелей, что очень вероятно, если бы это было в засушливой среде.

Дело в том, что именно здесь вы начинаете ощущать эти напряжения. МОП-транзисторы могут быть разрушены всего лишь при напряжении 10–100 вольт. Вы не сможете ощутить его, пока оно не превысит значение, на которое вы смотрите на потенциальное разрушение. В любом случае, обращаясь с полевыми МОП-транзисторами, очень важно осознавать тот факт, что эти устройства являются электростатическими. Обычно на упаковке есть символы, указывающие на то, что она чувствительна к электростатическому разряду.

Сводка характеристик полевого МОП-транзистора

Клеммы истока и стока подключены к противоположным концам материала канала.МОП-транзистор в режиме истощения — это транзистор без напряжения затвор-исток. Это режим истощения. Канальный ток в полевом МОП-транзисторе в режиме истощения может быть увеличен или уменьшен из состояния отсутствия смещения. МОП-транзистор в улучшенном режиме отсекается без напряжения затвор-исток. Это похоже на то, что у нас было с биполярным, без входа не было выхода. МОП-транзисторы имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление или входное сопротивление. МОП-транзистор можно использовать в цифровых приложениях, ограничивая работу насыщением и отсечкой. Общий исток, сток и затвор представляют собой конфигурации усилителя MOSFET.Усилители с общим источником имеют сдвиг фазы на 180 градусов от входа к выходу. На этом завершается раздел 10-3.

Видеолекции, созданные Тимом Фигенбаумом в Общественном колледже Северного Сиэтла.

Полевой транзистор

Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно того типа, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий. У них есть 3 клеммы, как показано ниже. Два основных типа полевых транзисторов — это полевые МОП-транзисторы с каналом «N» и «P».Здесь мы будем обсуждать только канал N. Фактически, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый N-канальный MOSFET в режиме улучшения (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Его схематический символ находится ниже. Стрелки показывают, как НОЖКИ реального транзистора соответствуют условному обозначению.

Current Control:
Терминал управления называется воротами. Помните, что через базовый вывод биполярного транзистора проходит небольшой ток. Затвор на полевом транзисторе практически не пропускает ток при работе с D.C. При управлении затвором с помощью высокочастотных импульсных сигналов постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое значение) варьируется от одного полевого транзистора к другому, но составляет примерно 3,3 вольта по отношению к источнику.

Когда полевые транзисторы используются в секции аудиовыхода усилителя, Vgs (напряжение от затвора до источника) редко превышает 3,5 вольт. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт).Когда напряжение затвора превышает примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).

Обычно используются полевые МОП-транзисторы, потому что их легче использовать в сильноточных устройствах (например, в импульсных источниках питания в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор / эмиттер должна проходить через базовый переход. В ситуациях с большим током, когда имеется значительный ток коллектора / эмиттера, ток базы может быть значительным.Полевые транзисторы могут работать при очень небольшом токе (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из схемы возбуждения, — это ток, протекающий из-за емкости. Как вы уже знаете, когда на конденсатор подается постоянный ток, возникает первоначальный скачок, после чего ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора приводится в действие высокочастотным сигналом, схема управления по существу видит только небольшой конденсатор. Для низких и промежуточных частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток.На очень высоких частотах или когда задействовано много полевых транзисторов, схема возбуждения должна обеспечивать больший ток.

Примечание:
Затвор полевого МОП-транзистора имеет некоторую емкость, что означает, что он будет удерживать заряд (сохранять напряжение). Если напряжение затвора не разряжено, полевой транзистор будет продолжать проводить ток. Это не означает, что вы можете заряжать его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать проводить бесконечно долго, но он будет продолжать проводить до тех пор, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения.Вы можете убедиться, что он отключился, если вы подключите понижающий резистор между затвором и истоком.

Сильноточные клеммы:
«Управляемые» клеммы называются истоком и стоком. Это клеммы, отвечающие за пропускание тока через транзистор.

Пакеты транзисторов:
В полевых МОП-транзисторах используются те же «корпуса», что и в биполярных транзисторах. Наиболее распространенным в автомобильном стереоусилителе в настоящее время является корпус TO-220 (показан выше).

Транзистор в цепи:
На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с 3 различными напряжениями затвора.Вы должны увидеть, что на резисторе нет напряжения, когда напряжение затвора составляет около 2,5 вольт. Это означает, что ток не течет, потому что транзистор не открыт. Когда транзистор частично включен, на обоих компонентах возникает падение напряжения (напряжения). Когда транзистор полностью открыт (напряжение затвора около 4,5 В), полное напряжение питания подается на резистор, и падение напряжения на транзисторе практически отсутствует. Это означает, что оба вывода (исток и сток) транзистора имеют по существу одинаковое напряжение.Когда транзистор полностью включен, нижний вывод резистора эффективно заземлен.

В следующей демонстрации вы можете увидеть, что к лампе подключен полевой транзистор.Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью выключена. Нет тока, протекающего через лампу или полевой транзистор. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (на это указывает восходящая желтая линия и точка пересечения кривой заряда конденсатора с белой линией, идущей слева направо. Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначено падающей зеленой линией и точкой, где зеленая кривая пересекается с белой линией).Когда напряжение затвора приближается к пороговому напряжению (~ 3,5 В), напряжение на лампе начинает расти. Чем больше он увеличивается, тем ярче становится лампа. После того, как напряжение на затворе достигнет примерно 4 вольт, вы увидите, что лампочка полностью горит (на ее выводах есть полные 12 вольт). Напряжение на полевом транзисторе практически отсутствует. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен при падении напряжения ниже 3 вольт и полностью включен после четырех вольт. Любое напряжение затвора ниже 3 вольт практически не влияет на полевой транзистор.Выше 4 вольт мало влияет.

Напряжение затвора:
Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа полевого МОП-транзистора максимальное безопасное напряжение на затворе составляет ± 20 вольт. Если на затвор (относительно источника) будет подано более 20 вольт, это приведет к разрушению транзистора. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение будет проходить через изолятор, который отделяет затвор от части стока / истока полевого транзистора.

Ток:
Как и биполярные транзисторы, каждый полевой транзистор предназначен для безопасной передачи определенного количества тока.Если температура полевого транзистора выше 25 ° C (приблизительно 77 градусов Фаренгейта), «безопасные» токонесущие способности транзистора будут уменьшены. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться при повышении температуры. Когда температура приближается к максимальной безопасной рабочей температуре, номинальный ток транзистора приближается к нулю.

Напряжение:
полевые транзисторы будут повреждены, если будет превышено указанное максимальное напряжение сток-исток. Информационный листок можно получить у производителя.Технический паспорт предоставит вам всю информацию, необходимую для его использования.

Рассеиваемая мощность: полевые транзисторы
похожи на биполярные транзисторы по корпусам и рассеиваемой мощности, и вы можете вернуться по этой ссылке на страницу биполярных транзисторов для получения дополнительной информации. Нажмите кнопку «назад», чтобы вернуться.

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник — обзор

3.2.2.1 Силовые полевые МОП-транзисторы

МОП-транзисторы появились в 1970-х годах, когда были произведены первые полевые транзисторы с изолированным затвором.Типичный полевой МОП-транзистор состоит из выводов затвора, истока, стока и корпуса, а также областей полупроводникового материала n-типа и p-типа, как показано на рис. 3.6. В областях кремния n-типа имеется большое количество электронов в зоне проводимости атомов кремния, которые образуют материал, и эти электроны являются основными носителями заряда. Напротив, кремний p-типа имеет дефицит электронов в валентной зоне, также известный как изобилие дырок, и движение этих дырок в валентной зоне отвечает за перенос заряда.

Рисунок 3.6. (A) Планарная структура MOSFET (слева) и (B) Вертикальная структура MOSFET (справа).

В типичном планарном МОП-транзисторе затвор изолирован от полупроводника с помощью оксида, а вывод корпуса внутренне соединен с источником, оставляя три открытых вывода. Это дает эффект создания диода между истоком и стоком, который может блокировать ток, протекающий от стока к истоку, когда устройство выключено. МОП-транзистор работает как переключатель, подавая положительное напряжение смещения на затвор относительно стока.Это создает электрическое поле, которое притягивает электроны из кремния p-типа к затвору. Эти электроны заполняют пространство между двумя высоколегированными областями n-типа, образуя инверсионный слой и тем самым обеспечивая путь для прохождения тока от стока к истоку.

Планарный полевой МОП-транзистор не подходит для приложений с переключением мощности по нескольким причинам. Рабочее напряжение устройства зависит от длины канала (то есть ширины области p-типа, как показано на рис.3,6 А), в то время как номинальный ток устройства зависит от поперечного сечения токоведущей части и, следовательно, ширины канала (то есть глубины страницы, как показано на рисунке). Для силовых приложений планарный МОП-транзистор потребует значительной площади для создания большой площади поперечного сечения, необходимой для передачи большого количества тока. Вертикальные конструкции, подобные показанной на рис. 3.6В, решают эту проблему и позволяют использовать более высокие токи. В этой конфигурации ток течет вертикально, тем самым увеличивая площадь поперечного сечения, через которое проходит ток, при сохранении примерно того же размера корпуса.Номинальное напряжение устройства зависит от толщины и концентрации легирования в слое n-типа, что также может влиять на сопротивление в открытом состоянии.

Два источника неэффективности преобразователей мощности, использующих полевые МОП-транзисторы, — это коммутационные потери и потери проводимости. Коммутационные потери в полевых МОП-транзисторах понимаются с учетом емкости затвора. Этот конденсатор необходимо зарядить, чтобы поднять напряжение затвора до достаточно высокого уровня для включения транзистора. Точно так же нужно снять заряд, чтобы снизить напряжение и выключить транзистор.Если транзистор используется в качестве высокочастотного переключателя, как в случае с SST, которые мы рассмотрели, постоянное добавление и удаление заряда потребляет значительное количество энергии и генерирует тепло, с которым должен справляться объемный кремний. Потери при переключении снижаются за счет минимизации заряда, необходимого для включения устройства. Потери проводимости, напротив, снижаются за счет уменьшения сопротивления в открытом состоянии.

За последние несколько десятилетий в базовую структуру полевого МОП-транзистора, показанную на рис.3.6 для повышения производительности в силовых приложениях. Например, введение слаболегированных стоков позволило полевым МОП-транзисторам блокировать более высокие напряжения при выключении (Saxena & Kumar, 2012). Геометрические улучшения, такие как введение затворов для уменьшения сопротивления в открытом состоянии, улучшили способность силовых полевых МОП-транзисторов управлять током (Shenai, 2013). Несмотря на эти улучшения, фундаментальным ограничением технологии MOSFET является связь между сопротивлением в открытом состоянии и напряжением пробоя устройства.В частности, сопротивление в открытом состоянии увеличивается пропорционально квадрату напряжения пробоя (Shenai, 2013). По этой причине трудно получить высокое рабочее напряжение при одновременном протекании больших токов. Поэтому полевые МОП-транзисторы часто используются для приложений среднего напряжения, которые включают определенные возобновляемые источники и устройства хранения энергии.

Текущие исследования и разработки в контексте приложений для интеллектуальных сетей сосредоточены вокруг успешной реализации этих устройств с использованием передовых полупроводников.