Исследование усилительных каскадов на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом: Методические указания к лабораторному практикуму

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ Методические указания к лабораторному практикуму

Составители: С.А. Охремчик, А.В. Захаров, В.П. Дудкин

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2007

Утверждено научно-методическим советом физического факультета ВГУ 19 июня 2007 г., протокол № 6

Методические указания подготовлены на кафедре радиофизики физического факультета Воронежского государственного университета. Рекомендуется для студентов 4 курса д/о и 5 курса в/о.

Для специальности 010801 – Радиофизика и электроника, направление 010800 – Радиофизика

2

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1. Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n-переходом Полевыми транзисторами (ПТ) называют полупроводниковые приборы, в которых управление выходным током осуществляется с помощью поперечного электрического поля, создаваемого входным сигналом в толще полупроводника. Электрическое поле называется поперечным, если вектор напряженности этого поля перпендикулярен вектору скорости носителей заряда. ПТ называют также униполярными, так как ток в них переносится только основными носителями заряда одного знака: электронами или дырками. Различают два типа ПТ: 1) с управляющим p-n-переходом, 2) с изолированным затвором (МДП-транзистор 1 ). МДП-транзисторы делят на транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом 2 . В данном пособии рассматриваются ПТ с управляющим p-n-переходом и усилительные каскады на их основе. Устройство ПТ. Идеализированная структура ПТ с управляющим p-nпереходом показана на рис. 1 на примере ПТ с каналом n-типа. Там же приведена схема подключения к транзистору внешних источников напряжений UЗИ и UСИ, необходимых для задания рабочего режима ПТ. В основе структуры ПТ лежит полупроЗ водниковая пластина n- или p-типа, на боковых гранях которой имеются обласр+ C И n ти с противоположным типом проводимости. На границах этих областей с осканал ПТ тальным полупроводником образуются p-n-переходы. Для ПТ с каналом n-типа p+ (рис. 1) полупроводниковая пластина имеет проводимость n-типа, а ее боко_ З + вые области – проводимость p+-типа. UЗИ Области p-n-переходов на рис. 1 заU штрихованы. На поверхность пластины _ С + наносятся металлические электроды, коРис. 1 торые образуют контакты с нижележащими областями полупроводника. Два электрода нанесены на левый и правый торцы полупроводниковой пластины, имеющей основной тип проводимости, как показано на рис. 1. Эти электроды называют истоком (И) и стоком (С). Другие электроды нанесены на области противоположного типа проводимости (тип p+ на рис.1) и электрически соединены между со1

Представляют собой структуру металл-диэлектрик-полупроводник. В нем роль диэлектрика выполняет, как правило, оксид полупроводника (например, двуокись кремния). 2 Историческая справка. Теоретическое описание принципа действия ПТ впервые дано В. Шокли в 1952 г. МДП-транзистор создан в 1960 г. 3

бой. Эти электроды вместе с областями противоположного типа проводимости образуют затвор (З) 3 . Объем пластины с основным типом проводимости, за-

ключенный между p-n-переходами, по которому дрейфуют основные носители заряда, называют каналом.

Между истоком И и стоком С включают источник постоянного напряжения UСИ (рис. 1). Электрод, от которого дрейфуют основные носители заряда под действием постоянного напряжения UСИ, является истоком. Другой электрод, собирающий эти носители заряда, является стоком. Между затвором и истоком прикладывается напряжение UЗИ, которое должно иметь полярность, обратную полярности напряжения UСИ между стоком и истоком (рис. 1). Это необходимо для того, чтобы напряжение UЗИ было обратным для p-n-перехода затвора и переход был бы закрыт. На практике применяют два типа ПТ с управляющим p-n-переходом: с каналом n-типа проводимости (как на рис. 1) и с каналом p-типа проводимости. Транзисторы, имеющие каналы с разными типами проводимости, называют комплиментарными, т. е. «дополняющими» друг друга по типу проводимости. Комплиментарные транзисторы удобно сочетаются в различных схемах радиоэлектронных устройств. На _ + С С рис. 2 приведены условные обозначения ПТ с каналом n-типа (а) и с каналом p-типа (б). Там же _ + указаны названия электродов (И,С,З) и полярности З З И И напряжений, подаваемых на электроды ПТ. Для ПТ с каналом n-типа проводимости (рис. 1) n-канал p-канал напряжение UСИ, приложенное к стоку, должно быть б а положительным относительно истока (UСИ > 0). При Рис. 2 этом напряжение U , приложенное к затвору, ЗИ

должно быть неположительным относительно истока (UЗИ ≤ 0). Для ПТ с каналом p-типа проводимости полярность напряжений, подаваемых на электроды, изменяют на противоположную. В частности, напряжение UСИ должно быть отрицательным (UСИ < 0), а напряжение UЗИ, должно быть неотрицательным (UЗИ ≥ 0). Принцип действия ПТ. Полевой транзистор предназначен для управления относительно большим током от внешнего источника питания, протекающим по каналу транзистора, с помощью слабого источника тока (напряжения), подключаемого к затвору ПТ. Управление током канала (током стока IС) происходит путём изменения обратного напряжения UЗИ на p-n-переходе затвора. С ростом величины |UЗИ| обратного напряжения между затвором и истоком возрастает толщина обедненного слоя p-n-перехода ПТ (заштрихованная область на рис. 1), а поперечное сечение канала уменьшается 4 . 3

В зарубежной литературе используют следующие обозначения электродов ПТ: Gate (G) – затвор (З), Source (S) – исток (И), Drain (D) – сток (С). 4 Чтобы толщина обедненного слоя изменялась в основном в сторону канала, области затвора обратной проводимости изготавливают с повышенной проводимостью (c проводимостью p+ для ПТ с n-каналом на рис. 1). 4

Следовательно, возрастает электрическое сопротивление RСИ канала и уменьшается ток IС, протекающий через канал под действием приложенного к нему напряжения UСИ. При достаточно большом обратном смещении на затворе, когда напряжение |UЗИ| велико, обедненный слой p-n-перехода перекрывает весь канал и поперечное сечение канала становится практически равным нулю. В этом случае сопротивление RСИ канала весьма велико и ток в канале (ток стока IС) практически равен нулю. Напряжение на затворе UЗИ, при котором ток канала становится практически равным нулю, называется напряжением отсечки UЗИ = UЗИ ОТС. Таким образом, меняя напряжение UЗИ между затвором и истоком, можно регулировать ток стока IС (ток в канале) ПТ. При этом для ПТ с каналом n-типа должно быть UЗИ ≤ 0, а для ПТ с каналом p-типа UЗИ ≥ 0 . Отметим, что приложенное между истоком и стоком напряжение UСИ также меняет конфигурацию канала, так как потенциал самого канала меняется от истока к стоку под действием этого напряжения. Вследствие этого напряжение на p-n-переходе вблизи стока равно UЗИ–UСИ и отличается от напряжения UЗИ на переходе вблизи истока. В результате, область обедненного слоя p-n-перехода около стока расширяется и становится больше, чем у истока (как показано заштрихованной областью на рис. 1). При этом поперечное сечение канала около стока будет меньше, чем около истока. Особенности и достоинства ПТ сводятся к следующему. Во-первых, полевой транзистор (ПТ) существенно отличается от биполярного транзистора (БТ) принципом действия. В БТ управление выходным током транзистора производится с помощью входного тока, а в ПТ – с помощью входного напряжения (или электрического поля). Как отмечалось раньше, p-n-переход затвора ПТ смещен в обратном направлении напряжением UЗИ и, следовательно, закрыт. Поэтому входная проводимость ПТ очень мала, а входное сопротивление ПТ весьма велико 5 . При этом в цепи затвора протекает лишь малый ток обратно смещенного перехода. Поэтому мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника входного сигнала в цепи затвора, оказывается очень малой. Следовательно, ПТ может обеспечить усиление электрических сигналов как по току и напряжению, так и по мощности. Во-вторых, ПТ могут обладать более низким уровнем шума, чем БТ (особенно на низких частотах). Это объясняется тем, что в ПТ не используется явление инжекции не основных носителей заряда и, следовательно, отсутствуют процессы рекомбинации носителей в p-n-переходах. В-третьих, в ПТ отсутствуют процессы изменения (накопления и рассасывания) объёмного заряда не основных носителей, заметно снижающие быстродействие БТ при их использовании в качестве электронных ключей. 5

Это справедливо для постоянного тока и переменного тока низкой частоты. На высоких частотах на входное сопротивление ПТ оказывают влияние емкости между затвором и другими электродами. 5

2. Статические вольт-амперные характеристики Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) связывают постоянные токи и напряжения на электродах транзистора. При использовании ПТ для усиления электрических сигналов один из его трёх выводов (электродов) является общим для входа и выхода. В зависимости от того, какой вывод выбран общим, различают три схемы включения ПТ: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС), и с общим затво-

ОИ _ IЗ

С

З

UЗИ

+

IC

IИ

И

UCИ

_ IС + + IИ ОС IИ И С _ IЗ И З UИЗ UCЗ UCИ С З I UЗС З IС ОЗ

|UCИ| < |UЗC| б

UCИ > UЗИ а

UCЗ > UИЗ в

Рис. 3 ром (ОЗ). Схемы включения ПТ в общем виде показаны на рис. 3. Там же указаны направления токов и полярности напряжений на электродах ПТ. Обозначим IЗ, IC, IИ – токи затвора, стока и истока, а UЗИ и UCИ – напряжения затвор-исток и сток-исток соответственно. Если ПТ включен по схеме с ОИ (рис. 3а), то связь между токами и напряжениями на электродах транзистора характеризуется следующими статическими ВАХ: I З = f (U ЗИ ) U = const – входная характеристика; СИ

I З = f (U СИ )

const – I С = f (U ЗИ ) – U СИ = const U ЗИ =

характеристика обратной передачи;

управляющая характеристика (харак-

(1)

теристика прямой передачи); I С = f (U СИ )

U ЗИ =

const –

выходная характеристика.

Такие названия статических ВАХ соответствуют схеме включения с ОИ. На практике наиболее часто используют выходную и управляющую характеристики ПТ. Рассмотрим подробнее эти ВАХ.

6

2.1. Выходные статические ВАХ

Выходные статические ВАХ представляют собой зависимости I С = f (U СИ ) U = const ЗИ

тока стока IС от напряжения UСИ на стоке относительно истока при фиксированных напряжениях UЗИ на затворе относительно истока. Выходные статические ВАХ иногда называют стоковыми характеристиками. Типовые выходные ВАХ полевого транзистора с n-каналом показаны на рис. 4. При этом учтено, что в рабочем режиме на сток ПТ с n-каналом подается положительное напряжение UСИ > 0, а на затвор – отрицательное напряжение UЗИ ≤ 0 относительно истока 6 . Выходные ВАХ выходят из начала координат (IС = 0 при UСИ = 0), а с увеличением положительного напряжения на стоке UСИ ток стока IС возрастает. С ростом величины |UЗИ| отрицательного напряжения на затворе UЗИ ток стока IС уменьшается и выходные ВАХ смещаются в область меньших значений тока стока. IС

UЗИ = 0

II

I

UСИ = UСИ0 UСИ = UСИ1 UСИ1 < UСИ0

IС НАЧ UЗИ = UЗИ0 < 0

ΔIС IС0

А

III UЗИ = UЗИ1

ΔUСИ

0 0

UСИ НАС Рис. 4

UСИ0

ΔIС

IС0

ΔUЗИ

UЗИ1 < UЗИ0 UСИ

А

IС

0 UЗИ ОТС

UЗИ0 0 UЗИ Рис. 5

Рассмотрим особенности выходных ВАХ. Выходные ВАХ могут быть условно разделены на три части: а) начальную область (крутую часть I), б) область насыщения (пологую часть II) и в) область пробоя III. На рис. 4 эти области разделены штрих-пунктирными линиями. Особенности выходной ВАХ при фиксированном напряжении UЗИ. а) Начальная область (крутая часть). Эта область ВАХ (рис. 4) начинается от начала координат IС = 0, UСИ = 0. С ростом напряжения UСИ > 0 ток стока IC растёт вначале быстро, а затем замедленно, поэтому начальная область (крутая часть) выходной ВАХ существенно нелинейна. Нелинейность крутой части ВАХ объясняется увеличением обратного напряжения UЗС между затвором и стоком при увеличении напряжения UСИ 6

На сток ПТ с р-каналом подается отрицательное напряжение UСИ < 0, а на затвор – положительное напряжение UЗИ ≥ 0 относительно истока. 7

на стоке. При этом возрастает толщина p-n-перехода затвора около стока 7 ), следовательно, сужается канал около стока и возрастает статическое сопротивление RСИ канала. Так как сопротивление канала ПТ возрастает с увеличением напряжения UСИ, то ток IC при этом растёт замедленно по сравнению со случаем постоянного сопротивления RСИ. Таким образом, нелинейность крутой части ВАХ объясняется увеличением статического сопротивления RСИ канала ПТ с ростом напряжения UСИ на стоке при фиксированном напряжении UЗИ на затворе ПТ. б) Область насыщения (пологая часть). При некотором напряжении между стоком и истоком UСИ = UСИ НАС, называемом напряжением насыщения, происходит почти полное «перекрытие» канала ПТ около стока (не по всей длине канала) из-за увеличения толщины p-n-перехода затвора. При дальнейшем увеличении напряжения UСИ ток стока IC растёт незначительно, т. е. наступает «насыщение» тока стока (рис. 4). Область насыщения (пологая часть) – это область ВАХ UСИ ≥ UСИ НАС, где ток IC почти не меняется (медленно растет) с ростом напряжения UСИ. Ток стока IC в пределах области насыщения при UЗИ = 0 называют начальным током стока, или током насыщения IC НАЧ 8 . Замечание. Следует учитывать условность понятия «перекрытие» канала при увеличении напряжения UСИ и неизменном напряжении UЗИ. При «перекрытии» канала не прекращается ток стока, а лишь замедляется его рост с увеличением напряжения UСИ. В результате увеличения напряжения UСИ (тока стока IC) при UСИ ≥ UСИ НАС устанавливается некоторое малое поперечное сечение канала со стороны стокового электрода. При дальнейшем увеличении напряжения UСИ возрастает длина перекрытой части канала и растёт сопротивление RСИ канала. В результате, ток IC в канале почти не увеличивается и остается примерно равным IC НАЧ . в) Область пробоя. С ростом напряжения UСИ возрастает обратное напряжение UЗС на p-n-переходе затвора ПТ. Обратное напряжение UЗС на переходе изменяется вдоль длины канала, достигая наибольшего значения у стокового конца канала. При больших напряжениях UЗС может произойти пробой p-n-перехода затвора. При этом ток стока IC резко возрастает (рис. 4), так как сопротивление части канала от стока до затвора невелико. Область резкого увеличения тока стока IC при увеличении напряжения UСИ вследствие пробоя p-n-перехода ПТ называется областью пробоя. Изменение выходных ВАХ с ростом напряжения UЗИ на затворе. Как отмечалось ранее, в рабочем режиме на затвор ПТ подается напряжение UЗИ такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению p-n-перехода затвора. Для ПТ c n-каналом выбирает7

Наибольшая обратная разность потенциалов на p-n-переходе и, следовательно, наибольшая толщина перехода и наименьшее поперечное сечение канала имеет место со стороны стока (см. рис. 1). 8 Так как ток стока IC все же несколько меняется в пределах области насыщения, то в качестве IC НАЧ можно выбирать значение тока стока в середине этой области или при заданном значении UСИ. 8

ся UЗИ ≤ 0. Поэтому при увеличении напряжения |UЗИ| возрастает толщина p-n-перехода, уменьшается поперечное сечение канала по всей его длине и возрастает статическое сопротивление канала RСИ. В результате, ток стока IС уменьшается при увеличении напряжения |UЗИ| и выходные ВАХ смещаются в область меньших значений тока стока. а) Начальная область (крутая часть). Начальные (крутые) участки выходных ВАХ, вследствие увеличения сопротивления канала RСИ, имеют меньший наклон при больших значениях |UЗИ| (см. рис. 4). С ростом |UЗИ| уменьшается напряжение насыщения UСИ НАС. Переход от начальной области в область насыщения происходит при меньшем значении UСИ. Это объясняется тем, что перекрытие канала с меньшим начальным поперечным сечением происходит при меньших значениях UСИ. б) Область насыщения (пологая часть). Из-за увеличения сопротивления канала, ток стока IC при больших значениях |UЗИ| будет меньше. Если UЗИ ≠ 0, то IC < IC НАЧ. С ростом |UЗИ| (с уменьшением напряжения UЗИ < 0) ток стока IC спадает до 0. Напряжение UЗИ, при котором ток стока IC достигает заданного низкого значения IC ≈ 0 9 , называют напряжением отсечки или напряжением выключения UЗИ ОТС. Уменьшение тока стока IC до заданного низкого значения при увеличении напряжения ⎜UЗИ ⎜ называют отсечкой ПТ. Если пренебречь небольшим увеличением тока IC с ростом напряжения UСИ в пологой части ВАХ, то ток стока IC в области насыщения при фиксированном напряжении UЗИ определяется приближённым выражением I С = I С НАЧ 1 − U ЗИ U ЗИ ОТС 2 , (2) где IC НАЧ – начальный ток стока. Согласно (2), в области насыщения ток стока зависит только от напряжения UЗИ. В отличие от (2) реальные выходные ВАХ в области насыщения имеет положительный наклон (небольшой рост тока стока), который характеризуется значением выходного сопротивления ПТ (см. далее). в) Область пробоя. Так как в рабочем режиме напряжения UЗИ и UСИ имеют противоположную полярность, то величина обратного напряжения UЗС на p-n-переходе возрастает с увеличением |UЗИ|+|UСИ|. Поэтому с ростом напряжения |UЗИ| пробой перехода происходит при меньших напряжениях UСИ . Основным рабочим режимом ПТ является режим насыщения тока стока, когда значения напряжений UСИ, UЗИ и тока стока IC соответствуют области насыщения (пологому участку) выходной ВАХ. При этом ток стока IC слабо зависит от напряжения UСИ на стоке и определяется в основном напряжением UЗИ на затворе ПТ.

(

9

)

Строго говоря, при напряжении отсечки UЗИ = UЗИ ОТС транзистор должен полностью закрываться. Но наличие токов утечки и сложность измерения малых токов заставляет считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток стока достигает определённого малого значения. Поэтому в технических условиях на транзистор указывают, при каком токе стока произведено измерение UЗИ ОТС, например при IC = 10 мкА. 9

2.2. Статические управляющие характеристики

Статические управляющие ВАХ представляют собой зависимости I С = f U ЗИ

(

)U

СИ

= const

тока стока IC от напряжения UЗИ на затворе относительно истока при фиксированных напряжениях на стоке UСИ. Управляющие ВАХ часто называют характеристиками прямой передачи или сток-затворными ВАХ. Так как основным рабочим режимом ПТ является режим насыщения тока стока, то управляющие характеристики строят для пологого участка выходной ВАХ (для области насыщения). Типовые управляющие ВАХ для ПТ с каналом n-типа в области насыщения приведены на рис. 5. При UЗИ = 0 ток стока IC максимален и приближенно равен начальному току стока ICНАЧ. С увеличением напряжения ⎜UЗИ⎟ ток IC уменьшается и при напряжении отсечки UЗИ = UЗИ ОТС ток IC становится близким к нулю. С ростом напряжения UСИ (в пределах области насыщения) управляющие ВАХ почти не меняются, незначительно смещаясь в область больших значений тока IC (см. рис. 5). Это объясняется малым изменением тока IC при изменении напряжения UСИ в пологой части выходной ВАХ (рис. 4). 3. Дифференциальные параметры полевых транзисторов

Рассмотренные выше статические ВАХ отражают связь между постоянным током стока IC и постоянными напряжениями UСИ , UЗИ , приложенными между электродами ПТ-затвором, истоком и стоком. Обычно ПТ используют для усиления переменных электрических сигналов, поэтому при расчёте усилительных схем важно знать, как меняются токи в цепях ПТ при изменении напряжений на его электродах. При работе с сигналами малых амплитуд ПТ можно характеризовать дифференциальными параметрами, которые отражают величину приращения тока выбранного электрода вследствие приращения напряжения на том или ином электроде. Так как малость приращений токов и напряжений соответствует случаю «слабого» сигнала, то дифференциальные параметры транзистора называют также малосигнальными. При включении ПТ по схеме с ОИ к дифференциальным параметрам ПТ относятся следующие параметры. 1) Входная проводимость YE и входное сопротивление RE: dIЗ dU ЗИ 1 = . (3) YE = RE = , d U ЗИ d IЗ YE U СИ = const

U СИ = const

Входным током ПТ, включенного по схеме с ОИ, является ток затвора IЗ . Ток IЗ протекает через обратносмещённый p-n-переход затвора и является его обратным током. Ток затвора для кремниевых ПТ с управляющим p-nпереходом очень мал и не превышает 10–8А. Поэтому входная проводи10

мость YE близка к нулю 10 , а входное сопротивление RE очень велико и составляет не менее нескольких мегаОм (МОм). 2) Крутизна S. Характеризует влияние напряжения затвора на ток стока ПТ и определяется для управляющей (стоко-затворной) ВАХ : dIС . (4) S = d U ЗИ U СИ = const

В системе СИ крутизна S выражается в единицах [Ампер/Вольт] ([А/В]). В справочниках по ПТ значения крутизны указаны в единицах [Миллиампер/Вольт] ([мА/В]). Для маломощных ПТ значения крутизны S составляют десятые доли – единицы мА/В. На практике крутизну S измеряют как отношение малого приращения ΔIC тока стока к вызвавшему его малому приращению ΔUЗИ напряжения затвор-исток при постоянном напряжении UСИ сток-исток. Пример определения приращений ΔIC и ΔUЗИ по управляющей ВАХ при выбранных значениях UСИ = UСИ0, UЗИ = UЗИ0 показан на рис. 5. Используя измеренные значения ΔIC, ΔUЗИ, вычисляют крутизну ПТ по приближённой формуле S ≈ ΔIC / ΔUЗИ. Как видно из рис. 5, управляющая ВАХ является нелинейной функцией напряжения UЗИ. Поэтому крутизна S зависит от выбора UЗИ = UЗИ0, или так называемой рабочей точки. Как видно из рис. 5, крутизна S управляющей ВАХ достигает максимального значения при UЗИ = 0, а с ростом напряжения UЗИ крутизна ПТ уменьшается. Максимальное значение крутизны ПТ, достигаемое при UЗИ = 0, называют начальным и обозначают SНАЧ. Для теоретического определения крутизны S при любом напряжении UЗИ продифференцируем выражение (2) по UЗИ : ⎛ ⎛ d IС 2I U ЗИ ⎞ U ЗИ ⎞ S= = − С НАЧ ⎜ 1 − = S НАЧ ⎜ 1 − (5) ⎟⎟ , ⎟ ⎜ dU ЗИ U ЗИ ОТС ⎜⎝ U ЗИ ОТС ⎟⎠ U ЗИ ОТС ⎠ ⎝ где S НАЧ = S U = 0 = − 2 I С НАЧ U ЗИ ОТС . (6) ЗИ

3) Выходная проводимость Yi и выходное сопротивление Ri: dIС dU СИ 1 = Yi = , Ri = d U СИ d IС Yi U ЗИ = const

(7)

U ЗИ = const

Выходная проводимость Yi в системе СИ измеряется в единицах [Сименс]= =[1/Ом], а выходное сопротивление Ri – в Омах. Выходное сопротивление Ri маломощных ПТ в области насыщения составляет десятки–сотни кОм. На практике выходную проводимость Yi измеряют как отношение малого приращения ΔIC тока стока к вызвавшему его малому приращению 10

На низких частотах, когда емкостной составляющей входного тока ПТ можно пренебречь. 11

ΔUСИ напряжения сток-исток при постоянном напряжении UЗИ затвористок. Выходное сопротивление Ri определяют как отношение ΔUСИ к ΔIC. Пример нахождения приращений ΔIC и ΔUСИ по выходной ВАХ при выбранных значениях UСИ = UСИ0 и UЗИ = UЗИ0 показан на рис. 4. Используя измеренные по ВАХ значения ΔIC и ΔUСИ, определяют выходную проводимость и выходное сопротивление по приближённым формулам: Yi ≈ ΔIC / ΔUСИ и Ri ≈ ΔUСИ / ΔIC. Как видно из рис. 4, выходные ВАХ являются нелинейными функциями напряжения UСИ, форма которых зависит от напряжения UЗИ. Поэтому значения выходных дифференциальных параметров Yi и Ri зависят от выбора значений UСИ = UСИ0 и UЗИ = UЗИ0. 4) Статический коэффициент усиления по напряжению M: M=−

d U СИ d U ЗИ

.

(8)

I С = const

На практике коэффициент усиления M определяется как отношение ненулевых, но малых, одновременных приращений ΔUСИ и ΔUЗИ напряжений сток-исток и затвор-исток, при которых ток стока IC не изменяется. Знак «–» в формуле (8) означает, что для сохранения неизменным тока IС знаки приращений напряжений UСИ и UЗИ должны быть противоположными. Найдем связь коэффициента M с другими дифференциальными параметрами ПТ. В общем случае IС = f(UСИ, UЗИ), поэтому с учётом (4), (7) ∂ IС ∂ IС 1 dIС = dU СИ + dU ЗИ = dU СИ + S dU ЗИ . Ri ∂ U СИ ∂ U ЗИ При dIС = 0 (IС = const) получаем dU СИ / R i + S dU ЗИ = 0 и, следовательно, M = − d U СИ / d U ЗИ

I C = const

= S Ri .

(9)

4. Линейная модель полевого транзистора для слабого сигнала

В рабочем режиме на электроды ПТ поданы постоянные напряжения UСИ = UСИ0 и UЗИ = UЗИ0, которым соответствует некоторый постоянный ток стока IC = IC0. Значения UСИ = UСИ0, UЗИ = UЗИ0 и IC = IC0 задают некоторую точку на ВАХ транзистора, которая называется рабочей точкой. На управляющих и выходных ВАХ (рис. 4 и 5) рабочей точкой является точка А. При усилении переменных сигналов в каскадах с ПТ на постоянные напряжения UСИ0, UЗИ0 и ток IC0, определяющие рабочую точку, накладываются переменные составляющие uСИ, uЗИ и iC соответственно. В результате, полные 11 напряжения между затвором и истоком UЗИ , между стоком и истоком UСИ , а также полный ток стока IC можно представить в виде UЗИ = UЗИ0 + uЗИ, UСИ = UСИ0 + uСИ , IC = IC0 + iC. 11

С учетом как постоянной, так и переменной составляющей. 12

Замечание. Далее для обозначения переменных составляющих напряжений и токов используются строчные (малые) латинские буквы u и i, а для обозначения полных напряжений и токов – заглавные (большие) латинские буквы U и I. Для обозначения амплитуд переменных напряжений и токов используются заглавные буквы U и I с индексом «m», а для обозначения фиксированных постоянных напряжений и токов, задающих рабочую точку ПТ – эти же буквы с индексом «0» (ноль). Из графиков на рис. 4, 5 для управляющей и выходной ВАХ видно, что токи и напряжения на электродах ПТ связаны нелинейными зависимостями. Поэтому ПТ, вообще говоря, осуществляет нелинейное преобразование токов и напряжений. Это может приводить к нелинейным искажениям выходных сигналов усилителей на ПТ. Однако, при усилении (преобразовании) «слабых» переменных сигналов напряжения UСИ, UЗИ и ток IC транзистора мало отклоняются от своих постоянных значений UСИ0, UЗИ0 и IC0, задающих рабочую точку. Иными словами, амплитуды UСИm, UЗИm и ICm напряжений UСИ, UЗИ и тока IC (в случае «слабого» сигнала) достаточно малы и удовлетворяют условиям: UСИm << UСИ0, UЗИm << UЗИ0 и ICm << IC0. Потому в случае «слабого» сигнала достаточно учитывать поведение статических ВАХ в малой окрестности рабочей точки А. Если эта окрестность достаточно мала, то ВАХ можно считать приблизительно линейными и аппроксимировать их отрезками прямых, касательных к ВАХ в рабочей точке А. Тогда связь между малыми переменными составляющими токов и напряжений на электродах ПТ будет линейной. Таким образом, в случае «слабого» переменного сигнала, когда переменные составляющие напряжений имеют малые амплитуды, транзистор можно рассматривать как линейный элемент радиотехнической цепи. Это означает, что переменные составляющие токов ПТ можно считать линейными функциями от переменных составляющих напряжений. Тогда каскад на ПТ можно рассматривать как линейный активный четырёхполюсник 12 . Для описания работы ПТ, как линейного четырехполюсника, можно использовать простые линейные модели. Линейная модель ПТ. Получим линейную модель ПТ для случая «слабых» переменных сигналов. Эта модель связывает переменные составляющие токов и напряжений на электродах ПТ. При этом считаем, что на электродах ПТ присутствуют постоянные напряжения UЗИ = UЗИ0 и UСИ = UСИ0, задающие его рабочую точку А. Этим напряжениям соответствует постоянный ток стока IС = IС0. Ток стока IC в общем случае зависит от напряжений UЗИ и UСИ, поданных на электроды ПТ. Поэтому ток стока ПТ можно записать в виде

I С = I C (U СИ ,U ЗИ ).

(10)

Пусть постоянные напряжения UСИ0 и UЗИ0 получили малые приращения ΔUСИ = UСИ – UСИ0 и ΔUЗИ = UЗИ – UЗИ0, причем |ΔUСИ| << |UСИ0| и 12

Четырёхполюсник называют активным, если в его состав входят источник энергии и активный элемент (в данном случае – ПТ). 13

|ΔUЗИ| << |UЗИ0|. В этом случае выражение (10) можно представить в виде разложения в ряд Тейлора по двум переменным UСИ и UЗИ в окрестностях значений UСИ = UСИ0 и UЗИ = UЗИ0 (в окрестности рабочей точки А (рис. 4, 5)): IC (UСИ ,UЗИ ) = IC(UСИ0 ,UЗИ0 ) +

∂ IC(UСИ ,UЗИ0 ) UСИ = UСИ0 (UСИ − UСИ0 ) + ∂UСИ

∂IC (UСИ0 ,UЗИ ) 1 ⎡ ∂2IC(UСИ ,UЗИ0 ) + (UЗИ − UЗИ0 ) + ⎢ (UСИ − UСИ0 )2 + 2 UЗИ = UЗИ0 UСИ = UСИ0 ∂UЗИ ∂UСИ 2⎣ (11) ∂2IC (UСИ ,UЗИ ) +2 U = UСИ0 (UСИ − UСИ0 )(UЗИ − UЗИ0 ) + ∂UСИ∂UЗИ UСИ ЗИ = UЗИ0 ∂2IC(UСИ0 ,UЗИ ) 2⎤ + − (U U ) ЗИ ЗИ0 ⎥ + ... 2 UЗИ = UЗИ0 ∂UЗИ ⎦

В силу малости приращений ΔUСИ = UСИ – UСИ0 и ΔUЗИ = UЗИ – UЗИ0 в (11) можно пренебречь слагаемыми с ΔUЗИ2, ΔUСИ2, ΔUСИΔUЗИ и получить линейную аппроксимацию функции (11) в окрестности рабочей точки в виде IC (UСИ ,UЗИ ) = IC (UСИ0 ,UЗИ0 ) +

∂ IC(UСИ ,UЗИ0 ) UСИ = UСИ0 (UСИ − UСИ0 ) + ∂UСИ (12)

+

U СИ − U CИ0 ∂IC(UСИ0 ,UЗИ ) I + + S (U ЗИ − U ЗИ0 ) . (U − U ) = C0 ЗИ ЗИ0 UЗИ = UЗИ0 Ri ∂UЗИ

Здесь IС0 = IС(UСИ0, UЗИ0) – постоянная составляющая тока стока в рабочей точке, а S и Ri – дифференциальные (или малосигнальные) параметры ПТ – крутизна (4) и выходное сопротивление (7). Используя (12), получаем линейную iС С iЗ З аппроксимацию зависимостей тока стока от SuЗИ малых переменных составляющих uСИ(t) = UСИ(t) – UСИ0 и uЗИ(t) = UЗИ(t) – UЗИ0 напряжений UЗИ(t) и UСИ(t): R I u Ri СИ Г uЗИ Е I (t ) = I + u (t ) / R + S u (t ) . С

И

И Рис. 6

C0

СИ

i

ЗИ

Отсюда находим переменную составляющую iC(t) = IC(t) – IC0 тока стока IC(t) в случае усиления «слабого» переменного сигнала iС ( t ) = uСИ ( t ) / Ri + S uЗИ ( t ).

Формула (13) описывает линейную модель ПТ для «слабого» сигнала. 14

(13)

Выражению (13) соответствует линейная (малосигнальная) эквивалентная схема ПТ с генератором тока, которая показана на рис. 6. Здесь буквами З, И, С обозначены выводы затвора, истока и стока, IГ – идеальный источник тока iГ = S uЗИ, имеющий бесконечное выходное (внутреннее) сопротивление, а Ri и RЕ – выходное (7) и входное (3) сопротивления ПТ. Замечание. Эквивалентная схема ПТ на рис. 6 справедлива для низких и средних частот сигналов, поскольку эта схема не учитывает межэлектродных емкостей затвор-исток СЗИ, iЗ iС С затвор-сток СЗС и сток-исток ССИ. СЗС З Для описания свойств ПТ в широком диапазоне частот применяют физическую эквивалентную схему СЗИ Ri IГ uСИ (рис. 7), учитывающую межэлекuЗИ тродные емкости СЗИ, СЗС и ССИ. RЕ СCИ SuЗИ Поскольку ПТ работает с обратно смещенным p-n-переходом, то емИ кости СЗИ и СЗС являются барьерИ ными, а ССИ в основном определяРис. 7 ется емкостью между электродами стока и истока. Для маломощных ПТ различного типа характерны значения СЗИ = 2…15 пФ, СЗС = 0,3...10 пФ, ССИ < 1пФ. Таким образом, межэлектродные емкости ПТ достаточно малы. Поэтому на низких и средних частотах пренебрегают реактивными составляющими токов затвора и стока. На высоких частотах реактивные сопротивления емкостей уменьшаются, что приводит к заметному шунтированию ими входной и выходной цепей ПТ, а также к появлению обратной связи между выходом и входом и к снижению коэффициента усиления усилителя на ПТ. 5. Схемы включения полевого транзистора и их характеристики

При использовании ПТ для усиления электрических сигналов один из его трёх выводов (электродов) является общим для входа и выхода. В зависимости от того, какой вывод выбран общим, различают три схемы включения ПТ: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС), и с общим затвором (ОЗ). Эти схемы в общем виде показаны на рис. 3. Наибольшее распространение в усилительных устройствах получили схемы с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Схема включения с общим затвором (ОЗ) находит применение реже. Поэтому далее рассмотрим особенности построения и основные характеристики усилительных каскадов на ПТ, использующих схемы с ОС и ОИ.

15

5.1. Характеристики усилителя с общим истоком (ОИ) 5.1.1. Схема и назначение элементов усилителя с ОИ На рис. 8 приведена схема усилителя на ПТ с каналом n-типа, включенного по схеме с ОИ и с автоматическим смещением в це+E пи затвор-исток. Рассмотрим R схему подробнее. iR i ВЫ ВыС На сток ПТ через резистор RC А от источника питания с ЭДС +EC С подаётся положительное (отноiC Вхо С сительно общего провода) наuВЫ О И З пряжение. Для обеспечения рабочего режима ПТ к его затвору ОЗ R должно быть приложено отрицаuВ RЗ R тельное напряжение относительСИ но истока (см. рис. 2). Для этого Общ в схеме используется последовательная отрицательная обратРис. 8 ная связь (ООС), создаваемая с помощью резистора RИ , включенного в цепь истока ПТ. Необходимое смещение (разность потенциалов) между затвором и истоком ПТ в этом случае обеспечивается за счёт падения напряжения на резисторе RИ, которое возникает при протекании постоянной составляющей IC0 тока стока ПТ через этот резистор. Поэтому резистор RИ называют резистором автоматического смещения. Резистор RЗ замыкает цепь смещения между истоком и затвором ПТ. При этом резистор RЗ обеспечивает приближенное равенство постоянной составляющей потенциала затвора ПТ и потенциала общего провода («Общ.»). Действительно, постоянным током через резистор RЗ является ток затвора ПТ. Этот ток для ПТ очень мал (порядка 10–8 А). Поэтому постоянным падением напряжения на резисторе RЗ можно пренебречь, а постоянные потенциалы затвора и общего провода приближенно совпадают. Другим назначением резистора RЗ является температурная стабилизация входного сопротивления усилительного каскада. Для этого значение RЗ выбирают значительно меньшим входного сопротивления RE транзистора, которое сильно зависит от температуры (обычно выбирают RЗ ≤ 1 МОм). Так как падением напряжения на сопротивлении RЗ из-за протекания тока затвора можно пренебречь, то постоянная разность потенциалов между затвором и истоком ПТ (напряжение смещения) равна UЗИ0 = –UИ0 . Здесь UИ0 = RИ IC0 – падение напряжения на резисторе RИ (напряжение на истоке ПТ относительно общего провода) при протекании через резистор постоянной составляющей IC0 тока стока. Поэтому на практике сопротивление RИ рассчитывают по заданному напряжению UЗИ0 и току IC0: 16

RИ = – UЗИ0 / IC0 = UИ0 / IC0 .

(14)

При этом для ПТ с каналом n-типа должно выполняться условие UЗИ0 < 0. Параллельно резистору RИ может быть включен конденсатор СИ большой емкости (как показано на рис. 8 при замкнутом переключателе «ЗИОЗИ»). При этом емкостное сопротивление конденсатора CИ на частотах усиливаемого сигнала много меньше сопротивления RИ. Тогда конденсатор СИ замыкает накоротко резистор RИ для переменного тока и соединяет исток ПТ с общим проводом. В результате, последовательная ООС, обусловленная наличием резистора RИ, для переменного сигнала не действует. Если же конденсатор СИ отсутствует (переключатель «ОИ-ОЗИ» на рис. 8 разомкнут), то ООС через резистор RИ действует и для переменного сигнала. Это приводит к изменению характеристик усилителя с ОИ (будет рассмотрено далее). Схема с ОИ при наличии конденсатора CИ называется схемой с общим заземленным истоком (ОЗИ). Усиливаемое входное напряжение uВХ(t) прикладывается между клеммами «Вход» и «Общ.» на рис. 8. Это напряжение поступает на затвор ПТ через разделительный конденсатор CЗ и изменяет ток стока IС(t), протекающий через канал ПТ и резистор RС. Резистор RС в цепи стока предназначен для преобразования тока IС(t) в выходное напряжение uВЫХ(t). Выходное напряжение через разделительный конденсатор CС поступает на клемму «Выход» усилителя. Назначением разделительных конденсаторов CЗ и CС является подавление постоянной составляющей проходящих через них сигналов и пропускание переменной составляющей сигналов (по возможности без искажений). Для этого ёмкости CЗ и CС выбирают большими из условий 1/(ωMINCЗ) << |ZВХ|, 1/(ωMINCС) << |ZВЫХ|, где ωMIN – нижняя (минимальная) частота спектра входного сигнала uВХ(t), а ZВХ и ZВЫХ – входное и выходное сопротивления усилителя, которые могут быть комплексными. Кроме того, конденсаторы CЗ и CС исключают влияние постоянных напряжений на входе (выходе) усилителя на режимы ПТ по постоянному току. Между клеммами «Выход» и «Общ.» подключают нагрузку RН усилителя, которая является потребителем его выходного сигнала. Рассмотрим характеристики усилительного каскада с ОИ (рис. 8). Замечание. Считаем, что емкости разделительных конденсаторов CЗ и CС настолько велики, что пропускают переменную составляющую усиливаемого сигнала без искажений. Тогда при рассмотрении переменных сигналов эти конденсаторы заменяем прямым соединением. 5.1.2. Коэффициент усиления по напряжению КU Рассмотрим вначале схему с ОИ без шунтирующего конденсатора CИ, когда выключатель «ОИ-ОЗИ» на рис. 8 разомкнут. Выражение для коэффициента КU получим для случая, когда сопротивление нагрузки RН значительно больше выходного сопротивления RВЫХ усилительного каскада с ОИ, т. е. RН >> RВЫХ. Тогда ток в нагрузке RН (выходной ток iВЫХ на рис. 8) 17

значительно меньше переменной составляющей iR тока через резистор RС . Отсюда следует приближенное равенство токов IR(t) и IС(t) через резистор RС и через канал (сток) ПТ соответственно, т. е. IR(t) = IС(t). Ток IR(t) = IС(t), протекая через резистор RС, вызывает на нём падения напряжения UR(t) = IС(t) RС, а напряжение на стоке по отношению к общему проводу выражается соотношением UC(t) = EC – UR(t) = EC – [IС0 + iС(t)] RС = EC – UR0 – uR(t),

(15)

где iС(t) – переменная составляющая тока стока, а UR0 = IС0 RС и uR(t) = iС(t) RС – постоянная и переменная составляющие напряжения на резисторе RС . Переменная составляющая uC(t) напряжения на стоке UC(t) подаётся на клемму «Выход» через разделительный конденсатор CС, Напряжение uC(t) является выходным напряжением uВЫХ(t) схемы с ОИ и определяется как uВЫХ(t) = uC(t) = – iС(t) RС.

(16)

При этом напряжения uВЫХ(t) и uR(t) изменяются в противофазе. Как следует из модели ПТ (13), ток стока iC(t) = S uЗИ(t) + uСИ(t) / Ri, где S – крутизна (4), а Ri – выходное сопротивление ПТ (7), а uЗИ(t) и uСИ(t) – переменные составляющие напряжений затвор-исток и сток-исток транзистора. Выразим ток iC(t) и напряжения uЗИ(t), uСИ(t) через входное uВХ(t) и выходное uВЫХ(t) напряжения усилителя. Из (16) следует, что iС(t) = – uВЫХ(t) / RС.

(17)

Переменное напряжение uЗИ(t) равно разности входного напряжения uВХ(t) и напряжения uИ(t) = iC(t) RИ на сопротивлении RИ: uЗИ(t) = uВХ(t) – uИ(t) = uВХ(t) – iC(t) RИ.

(18)

Из (18), учитывая (17), получаем uЗИ(t) = uВХ(t) + uВЫХ(t) RИ / RС.

(19)

Переменная составляющая uСИ(t) напряжения сток-исток связана с выходным напряжением uВЫХ(t) соотношением uСИ(t) = uВЫХ(t) – iС(t) RИ. Тогда, в соответствии с (17), получаем uСИ(t) = uВЫХ(t) (1 + RИ / RС).

(20)

Подставляя (17), (19), (20) в выражение (13) для iС(t), получаем – uВЫХ(t) / RС = S [uВХ(t) + uВЫХ(t) RИ / RС] + uВЫХ(t) (1 + RИ / RС) / Ri. Выражая отсюда напряжение uВЫХ(t) через uВХ(t), находим S Ri RС u ВЫХ ( t ) = − u ВХ ( t ). Ri ( 1 + SRИ ) + RС + RИ Тогда коэффициент усиления по напряжению равен S Ri RС (t ) u . K U = ВЫХ = − u ВХ (t ) Ri (1 + SRИ ) + RС + RИ

18

(21)

Учтем, что S Ri = M, где M – статический коэффициент усиления ПТ. Тогда выражение (21) может быть переписано в виде M RC KU = − . (22) RC + Ri + RИ (1 + M ) Если крутизну транзистора в (21), (22) выражать в mA/B, то сопротивления следует выражать в кОм. Учтем, что на практике рабочая точка ПТ выбирается в пологой части ВАХ (область насыщения ПТ). В этом режиме выходное сопротивление Ri транзистора велико, так что Ri >> RИ + RС . Действительно, выходное сопротивление Ri в этом случае составляет десятки–сотни кОм, а сопротивления RИ и RС обычно выбираются порядка нескольких кОм. Тогда коэффициент усиления (21) приближенно равен KU ≈ – S RC / (1 + S RИ).

(23)

Знак «–» в (21)–(23) указывает, что схема с ОИ меняет фазу сигнала на 180o (π), т. е. усилитель на ПТ с ОИ является инвертирующим. Замечание. Из (18) следует, что из-за наличия резистора RИ напряжение затвор-исток uЗИ(t), управляющее током стока iC(t), меньше входного напряжения uВХ(t) на величину падения напряжения uИ(t) = iC(t) RИ на резисторе RИ. Это является результатом последовательной ООС, создаваемой включением резистора RИ. Наличие такой ООС приводит, согласно (21)–(23), к снижению коэффициента усиления KU по напряжению. Падение постоянного напряжения на резисторе RИ необходимо для создания смещения (постоянной разности потенциалов) между затвором и истоком ПТ. Для устранения переменного напряжения на резисторе RИ (т. е. ООС для переменного тока) параллельно резистору RИ включают шунтирующий конденсатор СИ (как показано на рис. 8 при замкнутом выключателе «ОИ-ОЗИ»). Его ёмкость выбирают из условия 1/(ωMIN CИ) << RИ,

(24)

где ωMIN – нижняя частота спектра входного сигнала uВХ(t). В этом случае емкостное сопротивление конденсатора CИ на частотах усиливаемого сигнала много меньше сопротивления RИ. Тогда падение переменного напряжения на цепочке RИ CИ пренебрежимо мало и исток ПТ оказывается соединён с общим проводом усилителя по переменному току. Такую схему включения ПТ называют схемой с общим заземлённым истоком (ОЗИ). Запишем коэффициент усиления KU для схемы с ОЗИ. Выражение для KU схемы с ОЗИ можно получить, полагая в (18), (20) RИ = 0, т. е. uСИ(t) = = uВЫХ(t), uЗИ(t) = uВХ(t). Тогда аналогично (21) получаем KU = – S Ri RC / (Ri + RC).

(25)

Учтем, что на практике выходное сопротивление транзистора велико, так что Ri >> RС . Тогда из (25) получаем приближенное выражение KU ≈ – S RC . 19

(26)

Сопоставляя (23) и (26) получаем, что схема с ОЗИ обладает в (1+S RИ) раз большим коэффициентом усиления по напряжению, чем схема с ОИ. 5.1.3. Входное сопротивление RВХ На рис. 9 показана обобщенная эквивалентная схема усилительного каскада. Со стороны входа усилитель эквивалентен некоторому сопротивлению RВХ , включенному между входными клеммами усилителя. Это сопротивление называется входным сопротивлением усилителя. Со стороны выхода усилитель эквивалентен параллельному соединению идеального источника тока I (с бесконечно большим внутренним сопротивлением) и некоторого сопротивления RВЫХ, которое называется выходным сопротивлением усилителя. Величины RВХ и RВЫХ зависят от схемы усилителя. Найдем входное сопротивление усилителя на ПТ с ОИ (рис. 8).

Вход

Вход

Выход I RВЫХ

uВХ(t)

uВЫХ(t)

RН

RВХ

З

uВХ(t) RЗ

Общ.

RE

И

Усилитель Рис. 10

Рис. 9

Эквивалентная схема входной цепи каскада с ОИ (рис. 8) для переменного тока низких и средних частот показана на рис. 10, где RЕ – входное сопротивление ПТ (3). Согласно рис. 9, 10, входное сопротивление RВХ можно представить в виде параллельного соединения сопротивлений RЗ и RЕ, т. е. RВХ = RЗ RЕ / (RЗ + RЕ).

(27)

Входное сопротивление RЕ транзистора зависит от выбора рабочей точки на входной ВАХ (1), которая является обратной ветвью ВАХ p-n-перехода затвор-исток. При отрицательных напряжениях (смещениях) UЗИ на этом переходе, не превышающих допустимого обратного напряжения UОБР MAX (для маломощных ПТ UОБР MAX ~ 10 В), ток затвора весьма мал и входное сопротивление RЕ транзистора очень велико. Как отмечалось выше, для температурной стабилизации входного сопротивления каскада сопротивление RЗ выбирают значительно меньше RЕ, т. е. RЗ << RЕ . Тогда из (27) RВХ ≈ RЗ. (28) 5.1.4. Выходное сопротивление RВЫХ Найдем выходное сопротивление RВЫХ усилителя с ОИ (рис. 8). В общем случае, согласно рис. 9, усилитель (со стороны выхода) эквивалентен параллельно соединенным идеальному источнику тока I и выходному со20

противлению RВЫХ. Ток источника I, определяемый входным напряжением усилителя uВХ(t), протекает через нагрузку RН и сопротивление RВЫХ. При этом на выходных клеммах усилителя возникает напряжение uВЫХ(t). Обобщенная схема на рис. 9 позволяет сформулировать способ расчета выходного сопротивления RВЫХ для переменного сигнала. Пусть переменное напряжение на входе усилителя отсутствует (uВХ(t) = 0). Это достигается, например, при замыкании входных клемм усилителя конденсатором большой ёмкости. При uВХ(t) = 0 переменная составляющая тока источника I отсутствует. Учтем, что внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно. Тогда при uВХ(t) = 0 идеальный источник тока I можно исключить из эквивалентной схемы при рассмотрении переменных сигналов. Отключим нагрузку RН в схеме на рис. 9, а вместо неё к выходу усилителя подключим источник гармонической ЭДС, как показано на рис. 11. Этот источник создаст на выходных клеммах усилителя некоторое напряжение uВЫХ(t) с амплитудой UmВЫХ. Под действием гармонической ЭДС этого источника через сопротивление RВЫХ потечет ток iВЫХ(t) с некоторой амплитудой ImВЫХ. Тогда активное выходное сопротивление RВЫХ усилителя на частоте ω = 2πf можно выраiВЫХ(t) Вход зить (по закону Ома) как отношение амплитуд выходного напряжения uВЫХ(t) и выходного тока iВЫХ(t) RВЫХ RВХ ~ uВЫХ(t) RВЫХ = UmВЫХ / ImВЫХ. (29) Поскольку выходное сопротивление RВЫХ полагается чисто активУсилитель ным, т. е. фазовый сдвиг между выРис. 11 ходными напряжением и током отсутствует, то выходное сопротивление (29) можно представить в виде RВЫХ = uВЫХ(t’) / iВЫХ(t’),

(30)

где t’ – момент времени, для которого iВЫХ(t’) ≠ 0. Формулу (30) можно рассматривать как обоснование метода расчета выходного сопротивления RВЫХ. Согласно (30), величину RВЫХ можно найти, связав выходное напряжение uВЫХ(t) и выходной ток iВЫХ(t) усилителя при условии, что входное напряжение усилителя отсутствует (uВХ(t) = 0). Воспользовавшись этой методикой, рассчитаем выходное сопротивление RВЫХ усилителя на ПТ, собранного по схеме с ОИ (рис. 8). Для этого найдём связь между выходными напряжением uВЫХ(t) и током iВЫХ(t) усилителя. При этом, согласно рис. 11, клемму «Вход» на рис. 8 соединим накоротко с общим проводом усилителя «Общ», а с выхода усилителя отключим нагрузку RН и подадим туда переменное напряжение uВЫХ(t). Рассмотрим вначале схему с ОИ без шунтирующего конденсатора CИ, когда выключатель «ОИ-ОЗИ» на рис. 8 разомкнут. Установим связь между выходными напряжением uВЫХ(t) и током iВЫХ(t).Уравнение Кирхгофа для переменных составляющих токов в узле А на рис. 8 имеет вид: 21

iВЫХ(t) = iС(t) – iR(t),

(31)

где iС(t) – ток стока ПТ, iR(t) – ток через сопротивление RС, а iВЫХ(t) – выходной ток усилителя. В выражении (31) выразим токи iС(t) и iR(t) через выходные напряжение uВЫХ(t) и ток iВЫХ(t). Согласно (13), ток стока равен iC(t) = S uЗИ(t) + uСИ(t) / Ri, где S – крутизна (4), а Ri – выходное сопротивление ПТ (7), а uЗИ(t) и uСИ(t) – напряжения затвор-исток и сток-исток соответственно. Выразим напряжения uЗИ(t) и uСИ(t) через uВЫХ(t) и iС(t). Учтём, что для схемы на рис. 8, согласно (18), напряжение затвор-исток равно uЗИ(t) = uВХ(t) – uИ(t) = uВХ(t) – iC(t) RИ, где uИ(t) = iC(t) RИ – напряжение на истоке ПТ (между истоком и общим проводом). Полагая здесь uВХ(t) = 0, находим uЗИ(t) = – uИ(t) = – iC(t) RИ. Аналогично в схеме на рис. 8 напряжение сток-исток равно uСИ(t) = uВЫХ(t) – uИ(t) = = uВЫХ(t) – iС(t) RИ. Подставляя эти выражения для uЗИ(t) и uСИ(t) в выражение для iC(t) (13) получаем iC(t) = – S RИ iC(t) + [uВЫХ(t) – iС(t) RИ] / Ri .

(32)

Выражая отсюда ток iC(t), находим u ВЫХ (t ) . (33) Ri (1 + SRИ + RИ / Ri ) Ток через резистор RС связан с выходным напряжением соотношением iС (t ) =

iR(t) = – uВЫХ(t) / RC.

(34)

Здесь учтено, что переменные выходное напряжение uВЫХ(t) и напряжение на резисторе RC меняются в противофазе. Подставляя выражения (33) и (34) в (31), получаем u ВЫХ (t ) u (t ) iВЫХ (t ) = + ВЫХ . (35) Ri (1 + SRИ + RИ / Ri ) RС Из (35) согласно (30) получаем выходное сопротивление схемы с ОИ R R (1 + SRИ + RИ / Ri ) (t ) u . (36) RВЫХ = ВЫХ = C i iВЫХ (t ) RC + Ri (1 + SRИ + RИ / Ri ) Учтем, что на практике рабочая точка ПТ выбирается в пологой части ВАХ (область насыщения ПТ). В этом режиме выходное сопротивление Ri транзистора велико, так что Ri >> RИ + RС. Действительно, выходное сопротивление Ri в этом случае составляет десятки–сотни кОм, а сопротивления RИ и RС обычно выбираются порядка нескольких кОм. Пренебрегая слагаемым RС в знаменателе формулы (36) по сравнению с Ri , получаем RВЫХ ≈ RС.

(37)

Таким образом выходное сопротивление усилителя на ПТ по схеме с ОИ (рис. 8) в основном определяется величиной сопротивления RС в цепи стока ПТ. Рассмотрим схему с шунтирующим конденсатором CИ (схема с ОЗИ), когда выключатель «ОИ-ОЗИ» на рис. 8 замкнут. Для этого в (36) достаточно положить RИ = 0. Тогда выходное сопротивление в схеме с ОЗИ равно 22

RВЫХ = RС Ri / (RC + Ri).

(38)

Учтем, что на практике выходное сопротивление Ri транзистора велико, так что Ri >> RС. Тогда из (38) получаем приближенное выражение RВЫХ ≈ RС.

(39)

5.2. Характеристики усилителя с общим стоком (ОС) 5.2.1. Схема и назначение элементов усилителя с ОС На рис. 12 приведена схема усилителя на ПТ с каналом n-типа, включенного по схеме с ОС и с автома+EC тическим смещением в цепи затвор-исток. Рассмотрим эту схему. С iC На сток ПТ от источника питаВход СЗ З ния подаётся положительное (относительно общего провода) напряжеИ iC СС Выход ние EC. Для обеспечения рабочего режима ПТ к его затвору приложено iR А uВХ RЗ отрицательное напряжение относиiВЫХ RН тельно истока (см. рис. 2). Как и в uВЫХ RИ схеме с ОИ (рис. 8), это достигается с помощью последовательной отриОбщ. цательной обратной связи (ООС). Такая ООС создается с помощью Рис. 12 резистора RИ, включенного в цепь стока ПТ. Необходимое смещение (разность потенциалов) UЗИ0 между затвором и истоком ПТ в этом случае обеспечивается за счёт падения напряжения на резисторе RИ, которое возникает при протекании постоянной составляющей IC0 тока стока ПТ через этот резистор. Резистор RИ называют резистором автоматического смещения. На практике сопротивление RИ рассчитывают для заданного напряжения UЗИ0 и тока IC0 по формуле (14). Назначение резистора RЗ такое же, как и в схеме с ОИ (рис. 8). Резистор RЗ замыкает цепь смещения между истоком и затвором ПТ, обеспечивая приближенное равенство постоянной составляющей потенциалов затвора ПТ и общего провода (см. п. 5.1). Другим назначением резистора RЗ является температурная стабилизация входного сопротивления усилителя. Входное напряжение uВХ(t) прикладывается между клеммами «Вход» и «Общ.» на рис. 12. Это напряжение поступает на затвор ПТ через разделительный конденсатор CЗ и изменяет ток стока IС(t), протекающий через канал ПТ, а также ток IR(t) через резистор RИ. Резистор RИ в цепи истока преобразует текущий через него ток в выходное напряжение uВЫХ(t), которое через разделительный конденсатор CС поступает на клемму «Выход». Назначение разделительных конденсаторов CЗ и CС в схеме с ОС (рис. 12) такое же, что и схеме с ОИ на рис. 8. 23

Между клеммами «Выход» и «Общ.» подключают нагрузку RН усилителя, которая является потребителем его выходного сигнала. В отличие от каскада с ОИ (рис. 8), в схеме с ОС (рис. 12) выходной сигнал uВЫХ(t) снимается с резистора RИ, включенного в цепь истока. Следовательно, здесь выходным электродом является исток. Рассмотрим характеристики усилительного каскада с ОC (рис. 12). Замечание. Считаем, что емкости разделительных конденсаторов CЗ и CС настолько велики, что пропускают переменную составляющую усиливаемого сигнала без искажений. Тогда при рассмотрении переменных сигналов эти конденсаторы заменяем прямым соединением. 5.2.2. Коэффициент усиления по напряжению КU Выражение для коэффициента КU получим для случая, когда сопротивление нагрузки RН значительно больше выходного сопротивления RВЫХ усилительного каскада с ОC, т. е. RН >> RВЫХ. Тогда ток через нагрузку RН (выходной ток iВЫХ(t) на рис. 12) значительно меньше переменных составляющих iC(t) и iR(t) тока стока IС(t) и тока IR(t) через резистор RИ. Следовательно, ввиду малости тока iВЫХ(t), можно считать, что iC(t) ≈ iR(t). Согласно модели ПТ (13), ток стока равен iC(t) = S uЗИ(t) + uСИ(t) / Ri, где S – крутизна (4), а Ri – выходное сопротивление ПТ (7), а uЗИ(t) и uСИ(t) – переменные составляющие напряжений затвор-исток и сток-исток транзистора. Выразим ток iC(t) и напряжения uЗИ(t), uСИ(t) через входное uВХ(t) и выходное uВЫХ(t) напряжения усилителя. Переменная составляющая напряжения uЗИ(t) между затвором и истоком в схеме на рис. 12 равно разности входного и выходного напряжений

uЗИ(t) = uВХ(t) – uВЫХ(t).

(40)

Полное напряжение сток–исток UCИ(t) = EC – IС(t) RИ = EC – [IС0 + iС(t)] RИ, где IС(t) RИ = [IС0+ iС(t)] RИ – падение напряжения на сопротивлении RИ, а uR(t) = iС(t) RИ = uВЫХ(t) –

(41)

его переменная составляющая, равная выходному напряжению усилителя. Тогда переменная составляющая uСИ(t) напряжения сток-исток равна uСИ(t) = – iС(t) RИ = – uВЫХ(t).

(42)

Из (41) находим переменную составляющую тока стока iС(t) = uВЫХ(t) / RИ.

Подставляя выражения (40), (42), (43) в (13), получаем уравнение uВЫХ(t) / RИ = S [uВХ(t) – uВЫХ(t)] – uВЫХ(t) / Ri.

Выражая отсюда напряжение uВЫХ(t) через uВХ(t), находим 24

(43)

uВЫХ (t ) =

S Ri RИ uВХ (t ). Ri (1 + SRИ ) + RИ

Тогда коэффициент усиления по напряжению равен KU =

S Ri RИ uВЫХ (t ) = . uВХ (t ) Ri (1 + SRИ ) + RИ

(44)

На практике рабочая точка ПТ выбирается в пологой части ВАХ (в области насыщения). В этом режиме выходное сопротивление Ri транзистора велико, так что Ri >> RИ. Действительно, здесь сопротивление Ri составляет десятки–сотни кОм, а сопротивление RИ обычно выбираются порядка нескольких кОм. Тогда коэффициент усиления (44) приближенно равен KU ≈ S RИ / (1+ S RИ). (45) Из (44), (45) следует, что для каскада с ОС всегда KU < 1. 5.2.3. Входное сопротивление RВХ Отметим, что входная цепь усилительного каскада с ОС (рис. 12) совпадает со входной цепью каскада с ОИ (рис. 8). Поэтому для расчета входного сопротивления каскада с ОС можно использовать эквивалентную схему входной цепи каскада с ОИ, показанную на рис. 10. Согласно рис. 10, входное сопротивление RВХ можно представить в виде параллельного соединения сопротивлений RЗ и входного сопротивления транзистора RЕ, т. е. RВХ = RЗ RЕ / (RЗ + RЕ). (46) При отрицательных напряжениях UЗИ на затворе ПТ, не превышающих допустимого обратного напряжения, ток затвора весьма мал и входное сопротивление RЕ транзистора очень велико. Для температурной стабилизации входного сопротивления каскада сопротивление RЗ выбирают значительно меньше RЕ, т. е. RЗ << RЕ . Тогда из (46) приближенно получаем: RВХ ≈ RЗ. (47) 5.2.4. Выходное сопротивление RВЫХ Найдем выходное сопротивление RВЫХ усилителя с ОС (рис. 12), воспользовавшись методом, изложенным в п. 5.1.2 и основанным на формуле (30). Согласно рис. 11, клемму «Вход» на рис. 12 соединим накоротко с общим проводом «Общ.», а с выхода усилителя отключим нагрузку RН и подадим на выход переменное напряжение uВЫХ(t). Установим связь между выходным напряжением uВЫХ(t) и выходным током iВЫХ(t) для полученной схемы. Уравнение Кирхгофа для переменных составляющих токов в узле А на рис. 12 имеет вид:

iВЫХ(t) = iR(t) – iC(t), 25

(48)

где iR(t) – ток через сопротивление RИ, iC(t) – ток стока, протекающий через канал ПТ, а iВЫХ(t) – выходной ток, протекающий через выходные клеммы усилителя. В выражении (48) выразим токи iС(t) и iR(t) через выходные напряжение uВЫХ(t) и ток iВЫХ(t) усилителя. Согласно (13), ток стока ПТ равен iC(t) = S uЗИ(t) + uСИ(t) / Ri , где S – крутизна (4), а Ri – выходное сопротивление ПТ (7), а uЗИ(t) и uСИ(t) – напряжения затвор-исток и сток-исток соответственно. Выразим напряжения uЗИ(t) и uСИ(t) через uВЫХ(t) и iС(t). Учтём что для схемы на рис. 12, согласно (40), напряжение затвористок ПТ равно uЗИ(t) = uВХ(t) – uВЫХ(t). Полагая здесь uВХ(t) = 0, находим uЗИ(t) = – uВЫХ(t).

(49)

Полное напряжение сток-исток UCИ(t) = EC – IR(t) RИ = EC – [IR0 + iR(t)] RИ, где IR(t) = IR0 + iR(t) – ток через сопротивление RИ , а IR0 и iR(t) – его постоянная и переменная составляющие. Здесь UR(t) = IR(t) RИ = [IR0 + iR(t)] RИ – падение напряжения на сопротивлении RИ, uR(t) = iR(t) RИ – его переменная составляющая, равная выходному напряжению uВЫХ(t). Тогда переменная составляющая uСИ(t) напряжения сток-исток равна uСИ(t) = – iR(t) RИ = – uВЫХ(t).

(50)

Подставляя (49), (50) в (13), найдем переменную составляющую тока стока iC(t) = – S uВЫХ(t) – uВЫХ(t) / Ri,

(51)

Выходное напряжение uВЫХ(t) равно падению напряжения на сопротивлении RИ под действием тока iR(t). Поэтому uВЫХ(t) = iR(t) RИ и iR(t) = uВЫХ(t) / RИ.

(52)

Подставив (51), (52) в (48), получаем iВЫХ(t) = uВЫХ(t) (1/RИ + 1/Ri + S ). Тогда в соответствии с (28) RВЫХ =

RИ Ri u ВЫХ (t ) . = iВЫХ (t ) RИ + Ri (1 + SRИ )

(53)

Учтем, что на практике рабочая точка ПТ выбирается в пологой части ВАХ (область насыщения ПТ). В этом режиме выходное сопротивление Ri транзистора велико, так что Ri >> RИ. Действительно, выходное сопротивление Ri в этом случае составляет десятки–сотни кОм, а сопротивление RИ обычно выбираются порядка нескольких кОм. Пренебрегая слагаемым RИ в знаменателе формулы (53) по сравнению с Ri , получаем RВЫХ ≈ RИ / (1 + S RИ).

26

(54)

Например, при RИ = 1 кОм и S = 7 мА/В по формуле (54) получаем, что RВЫХ = 125 Ом. Таким образом, схема с ОС (рис. 12) обладает малым выходным сопротивлением RВЫХ . II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. Схема лабораторного макета

Схема лабораторного макета показана на рис. 13. Он предназначен для исследования ВАХ полевого транзистора (ПТ) и характеристик усилительных каскадов, собранных на ПТ по схемам с общим истоком (ОИ), общим заземленным истоком (ОЗИ) и общим стоком (ОС). На лицевую панель лабораторного макета выведены все элементы схем, а также гнезда для коммутации, подключения измерительных приборов и генератора НЧ. Схему каждого из усилительных каскадов можно собрать, замыкая перемычками (КЗП) гнезда лабораторного макета. Некоторые перемычки показаны на рис. 13 штриховыми линиями. Генератор НЧ G1

Внешний источник питания +

РА2

SB2

РА1

R3

UmВХ

Выход VT

С1 +

Источник питания GB1

0…–3

0…+12 R2

uВХ(t) Вход УК

RP1

Внутренний источник Усилит. питания каскад GB2 UC0 + RP2 SB1 ВАХ

З

R1

РV1

C

С3 +

И

R5

R4

UЗ0 _

Выход uВЫХ(t)

С2

+

RP3 R6

Общ. Рис. 13

27

РV2

Активным элементом усилителей макета является кремниевый планарный ПТ с каналом n-типа (обозначен VT на рис. 13). При исследовании характеристик усилителей напряжения смещения к электродам ПТ подаются от источников постоянного стабилизированного напряжения GB1 (0…–3 В) и GB2 (0…12 В). Эти напряжения регулируются переменными резисторами RP1 и RP2 соответственно. При исследовании ВАХ напряжение сток-исток ПТ подают от внешнего источника питания, подключаемого к клеммам «Внешний источник питания» в соответствии с указанной полярностью «+» и «–». Переключатель SB1 при этом переводят в положение «ВАХ». В схему макета входит НЧ генератор G1, формирующий входное (усиливаемое) гармоническое напряжение uВХ(t) с частотой f = 1,4 кГц . При этом переключатель SB2 должен находиться в положении . Амплитуда входного напряжения uВХ(t) регулируется ручкой UmВХ. Выходное напряжение НЧ генератора G1 снимают с гнезда «Выход генератора НЧ» и с помощью перемычки подают на гнездо «Вход усилительного каскада». В качестве источника входного гармонического сигнала усилителя можно (по указанию преподавателя) использовать внешний генератор НЧ. Измерение входного uВХ(t) и выходного uВЫХ(t) напряжений усилителя производится с помощью вольтметров, подключаемых к гнездам PV1 и PV2 соответственно. Измерение тока стока ПТ производится с помощью миллиамперметра, подключаемого к гнездам PA1 или PA2. Резистор R1 = 100 кОм макета используется в схемах усилительных каскадов с ОИ (ОЗИ), ОС и соединяет затвор ПТ с общим проводом (это резистор R3 на рис. 8, 12). Резистор R2 = 1 кОм включают в цепь стока ПТ в схемах с ОИ и ОЗИ (это резистор RC на рис. 8). Резистор R3 = 500 Ом используется при исследовании ВАХ и служит для ограничения тока стока ПТ. Резисторы R4 = 1кОм и R5 = 510 Ом включаются в цепь истока ПТ для схем с ОИ (ОЗИ) и ОС (это резистор смещения RИ на рис. 8, 12). Конденсаторы C1 = 10 мкФ и C3 = 10 мкФ являются разделительными и включаются на входе и выходе усилителей (это конденсаторы CЗ и CС на рис. 8, 12), а конденсатор C2 = 10 мкФ включается в цепь истока ПТ параллельно резисторам R4 и R5 в схеме с ОЗИ (это конденсатор СИ на рис. 8). Назначение всех этих элементов (кроме R3) обсуждается в теоретической части работы (см. п. 5.1.1 и п. 5.2.1) и здесь не рассматривается. Последовательно включенные резистор R6 = 100 Ом и переменный резистор RP3 = 5,5 кОм являются активной нагрузкой RН усилителей. Они используются при измерении выходных сопротивлений усилителей. Для включения макета следует сетевой шнур с вилкой вставить в розетку 220 В и включить переключатель «Сеть» на панели макета. Внимание! Перед включением макета убедитесь, что клемма корпуса макета надежно соединена с шиной заземления в Вашей лаборатории.

28

2. Методы измерения управляющей и входной ВАХ полевого транзистора в схеме с ОИ 2.1. Подготовка лабораторного макета

Для измерения ВАХ собирают схему на рис. 14. Здесь учтено, что канал исследуемого ПТ имеет проводимость n-типа, а его затор – проводимость pтипа. Поэтому (согласно рис. 2а) напряжение UСИ на стоке ПТ должно быть положительным относительно истока (UСИ > 0), а напряжение UЗИ на затворе относительно истока должно быть неположительным (UЗИ ≤ 0). Для исследования ВАХ переключатель SB1 переводят в положение «ВАХ» и подключают к макету внешний источник стабилизированного напряжения (питания). Клемму отрицательной полярности этого источника подключают к общему проводу макета (гнездо «Общ.»), а клемму положительной полярности источника – к гнезду «+» клемм «Внешний источник питания» на панели макета. Ручку регулировки выходного напряжения внешнего источника питания устанавливают в крайне левое положение (повернув ее против часовой стрелки до упора). Это положение соответствует нулевому выходному напряжению источника или напряжению сток-исток UСИ = 0. Далее к гнездам PA2 макета подключают миллиамперметр постоянного тока, а исток ПТ (гнездо «И» макета) соединяют проводником с обIC VT R3 C щим проводом З «Общ.» макета. 500 Ом И Для обеспеUСИ UЗИ РА2 чения обратного смещения на затворе ПТ отноВнешний сительно истока источник GB1 (UЗИ < 0) выходGB2 питания ВА ное гнездо внут+ + реннего источника питания SB1 GB1 с помощью 0…+12 В 0…–3 В 0…+36 В Общ. перемычки соединяют с затвором ПТ. РучРис. 14 ку переменного резистора RP1 устанавливают в крайне правое положение (повернув ее по часовой стрелке до упора). Это соответствует наиболее отрицательному напряжения источника и, следовательно, более отрицательному потенциалу затвора ПТ относительно истока и меньшему току стока. С разрешения преподавателя включают питание макета. Для этого переключатель «Сеть» на панели макета ставят в положение «Вкл». 29

2.2. Измерение управляющих ВАХ

Как отмечалось в теоретической части (п. 2.2), управляющими ВАХ (характеристиками прямой передачи) называют семейство зависимостей IC = f(UЗИ) при различных фиксированных значениях UСИ = UСИ0. Для измерения управляющей ВАХ подключить вольтметр постоянного тока к гнездам PV1 макета между затвором ПТ («З») и общим проводом «Общ.» (с которым соединен исток ПТ). Ручкой RP1 источника питания GB1 установить напряжение затвор-исток UЗИ = – 2,5 В, контролируя его по показаниям вольтметра. Затем следует включить этот вольтметр между стоком ПТ (гнездо «С») и общим проводом «Общ.». Ручкой регулировки напряжения внешнего источника питания установить заданное фиксированное напряжение сток-исток UСИ = UСИ0 > 0, контролируя его по показаниям вольтметра. Далее по шкале миллиамперметра PA2 отсчитать соответствующее значение тока стока IC, оптимальным образом выбрав верхний предел шкалы миллиамперметра. Установленное значение напряжения UЗИ и соответствующее измеренное значение тока IC занести в таблицу. Аналогичные измерения тока IC провести для других значений напряжения UЗИ из интервала от –2,5 В до –0,1 В с шагом не более 0,2…0,25 В. При этом напряжение сток-исток ПТ следует поддерживать неизменным и равным выбранному значению UСИ = UСИ0. Все установленные значения напряжений UЗИ, а также соответствующие им измеренные значения тока стока IC занести в таблицу. Там же указать выбранное значение напряжения UСИ = UСИ0. Полученная зависимость IC = f(UЗИ) при фиксированном UСИ = UСИ0 представляет одну из характеристик семейства управляющих ВАХ ПТ. Выбирая другое напряжение UСИ = UСИ0, аналогично получают другую ВАХ из этого семейства. Замечание. При изменении напряжения UЗИ меняется и ток стока IC. При этом меняется падение напряжения на резисторе R3 и, следовательно, напряжение UСИ. Поэтому при каждом изменении напряжения UЗИ следует отрегулировать напряжение UСИ, чтобы оно было равно требуемому фиксированному значению UСИ0. Для этого, как описано выше, вольтметр постоянного тока включают между стоком ПТ (гнездо «С») и общим проводом «Общ.». Ручкой регулировки выходного напряжения внешнего источника питания подстраивают требуемое напряжение UСИ = UСИ0, контролируя его по показаниям вольтметра. 2.3. Измерение выходных ВАХ

Как отмечалось в теоретической части (п. 2.1), выходными ВАХ называют семейство зависимостей IC = f(UСИ) при различных фиксированных значениях напряжения UЗИ = UЗИ0. Перед измерениями ручку регулировки выходного напряжения внешнего источника питания следует установить в крайне левое положение (повернув ее против часовой стрелки до упора). Это положение соответствует нулевому напряжению сток-исток UСИ = 0. 30

Для измерения выходной ВАХ следует подключить вольтметр постоянного тока к гнездам PV1 макета между затвором ПТ («З») и общим проводом «Общ.» (с которым соединен исток ПТ). Ручкой RP1 источника питания GB1 установить заданное фиксированное напряжение затвор-исток UЗИ = UЗИ0 < 0, контролируя его по показаниям вольтметра. Затем следует включить этот вольтметр между стоком ПТ (гнездо «С») и общим проводом «Общ.» усилителя. Ручкой регулировки выходного напряжения внешнего источника питания следует последовательно устанавливать напряжения UСИ сток-исток ПТ из интервала 0...10 В с шагом не более 0,5 В. При этом напряжение UСИ следует контролировать с помощью вольтметра. Для каждого установленного значения UСИ с помощью миллиамперметра PA2 измерить соответствующее значение тока стока IC . Установленные значения напряжений UСИ, а также соответствующие им измеренные значения тока стока IC занести в таблицу. Там же указать выбранное значение напряжения UЗИ = UЗИ0 . Полученная зависимость IC = = f(UСИ) при фиксированном UЗИ = UЗИ0 представляет одну из характеристик семейства выходных ВАХ ПТ. Выбирая другое напряжение UЗИ = UЗИ0, аналогично получают другую ВАХ из этого семейства. 3. Методы измерения дифференциальных параметров ПТ

По управляющим и выходным ВАХ транзистора можно определить его дифференциальные параметры. Рассмотрим методы определения крутизны S, входного сопротивления Ri и статического коэффициента усиления M. 3.1. Метод измерения крутизны транзистора

Согласно (4), крутизна определяется как S = dIС / dUЗИ при UСИ = сonst. На практике крутизну S определяют как отношение малого приращения ΔIC → 0 тока стока IC к вызвавшему его малому приращению ΔUЗИ → 0 напряжения затвор-исток UЗИ при постоянном напряжении сток-исток UСИ. Пример нахождения приращений ΔIC и ΔUЗИ по графику управляющей ВАХ при заданных значениях UСИ = UСИ0 , UЗИ = UЗИ0 (в рабочей точке А) показан на рис. 5. Используя значения этих приращений, вычисляют крутизну ПТ по приближённой формуле S ≈ ΔIC / ΔUЗИ. Управляющая ВАХ является нелинейной функцией, поэтому значение крутизны S зависит от рабочей точки (напряжений UСИ0 и UЗИ0). Для маломощных ПТ ток стока IC обычно выражают в [mA], а напряжение UЗИ – в [В], поэтому крутизна S обычно выражается в [мА/В]. 3.2. Метод измерения выходного сопротивления транзистора

Согласно (7), выходное сопротивление определяется как Ri = dUСИ / dIС при UЗИ = сonst. На практике выходное сопротивление Ri определяют как 31

отношение малого приращения ΔUСИ → 0 напряжения сток-исток UСИ к вызванному им малому приращению ΔIC → 0 тока стока IC при постоянном напряжении затвор-исток UЗИ. Пример нахождения приращений ΔIC и ΔUСИ по графику выходной ВАХ при заданных значениях UСИ = UСИ0 , UЗИ = UЗИ0 (в рабочей точке А) показан на рис. 4. Используя значения этих приращений, вычисляют выходное сопротивление ПТ по приближённой формуле: Ri ≈ ΔUСИ / ΔIC. Так как выходная ВАХ является нелинейной функцией, то выходное сопротивление ПТ зависит от выбора рабочей точки (напряжений UСИ0 и UЗИ0). Отметим, что в усилительных каскадах рабочую точку ПТ выбирают в пологой области ВАХ (области насыщения), как показано на рис. 4. При этом выходное сопротивление ПТ велико (десятки–сотни кОм). Для маломощных ПТ ток стока IC обычно выражают в [mA], напряжение UСИ – в [В], поэтому выходное сопротивление Ri выражается в [кОм]. 3.3. Метод измерения статического коэффициента усиления

Согласно (8), статический коэффициент усиления ПТ определяется как отношение M = – dUСИ / dUЗИ при IC = сonst. Здесь дифференциалы dUСИ и dUЗИ выбираются так, чтобы при одновременном изменении напряжений UСИ и UЗИ на величины dUСИ и dUЗИ соответственно не изменялся ток стока IC. Знак «–» в определении коэффициента M показывает, что рассматриваемые приращения dUСИ и dUЗИ имеют противоположные знаки. На практике коэффициент усиления M определяют как отношение величин |ΔUСИ| и |ΔUЗИ| малых приращений ΔUСИ → 0 и ΔUЗИ → 0 напряжений UСИ = UСИ0 и UЗИ = UЗИ0, при одновременном введении которых не меняется ток IC = IC0. Статический коэффициент усиления M является безразмерным. Замечание. Коэффициент M можно определить по семейству выходных ВАХ IC = f(UCИ) при разных UЗИ = UЗИ0 . Для этого определяют приращения ΔUСИ и ΔUЗИ напряжений UСИ и UЗИ при переходе между точками соседних ВАХ, лежащими на одной прямой IC = IC0. Затем рассчитывают коэффициент M по приближенной формуле M ≈ |ΔUСИ| / |ΔUЗИ| . Однако, применение этого метода для области насыщения ПТ возможно лишь при близком расположении имеющихся выходных ВАХ. Поэтому в работе используется следующий прямой метод измерения коэффициента усиления M без использования графиков выходных ВАХ. Вначале устанавливают требуемые напряжения UЗИ = UЗИ0, UСИ = UСИ0 (рабочую точку ПТ), для которых нужно найти коэффициент M, а затем измеряют соответствующий ток стока IС = IС0. Далее увеличивают напряжение UСИ > 0 на некоторую величину ΔUСИ > 0, что приводит к увеличению тока стока IC. Чтобы восстановить значение IС0 тока стока IC, уменьшают напряжение UЗИ < 0 на некоторую величину ΔUЗИ < 0, делая напряжение UЗИ более отрицательным. Значение коэффициента усиления М рассчитывают по приближенной формуле M ≈ –ΔUСИ / ΔUЗИ. 32

Указание. В усилителях рабочая точка ПТ устанавливается в области насыщения (в пологой части выходной ВАХ). В области насыщения выходная ВАХ приблизительно линейна и коэффициент M слабо зависит от напряжения UСИ. Поэтому в работе при измерении M рекомендуется в качестве значения UСИ0 выбирать напряжение насыщения UСИ НАС, определяемое в начале пологого участка ВАХ (см. рис. 4). Приращение ΔUСИ > 0 напряжения UСИ рекомендуется выбирать достаточно большим, чтобы конечное значение UСИ1 = UСИ0 + ΔUСИ напряжения UСИ находилось ближе к концу области насыщения ВАХ (например, UСИ1 = 10 В). Замечание. Согласно (9), коэффициент M можно вычислить по экспериментально измеренным значениям крутизны S и выходного сопротивления Ri транзистора. При этом необходимо, чтобы параметры S и Ri измерялись при тех же значениях UСИ = UСИ0 и UЗИ = UЗИ0 (в той же рабочей точке А), при которых необходимо найти коэффициент усиления M. 4. Методы измерения характеристик усилителей

В работе исследуются входное RВХ и выходное RВЫХ сопротивления усилителей, а также коэффициент усиления KU по напряжению для переменного сигнала. Рассмотрим методы измерения этих характеристик. При измерениях на вход усилителя подают гармоническое напряжение uВХ(t) = UmВХ sin(2πf t + ϕU), где UmВХ – амплитуда напряжения, а ϕU – его начальная фаза. Для обеспечения линейного режима усиления амплитуду UmВХ входного напряжения устанавливают малой (обычно единицы– десятки милливольт). Значение частоты f входного сигнала выбирают из середины рабочей полосы частот (РПЧ) усилителя. Тогда входное RВХ и выходное RВЫХ сопротивления усилителей можно считать чисто активными, а фазовые сдвиги между током и напряжением во входных и выходных цепях усилителя практически равны нулю. Для усилителей НЧ, к которым относятся рассматриваемые в работе усилители на ПТ, частоту f устанавливают около 1 кГц (в данной работе используется частота f ≈ 1,4 кГц). 4.1. Метод измерения входного сопротивления

Если на вход усилителя подается гармоническое напряжение uВХ(t) = UmВХ sin(2πf t + ϕU), то в его входной цепи течет ток iВХ(t) = ImВХ sin(2πf t + + ϕI), где ImВХ – амплитуда входного тока, а ϕI – его начальная фаза. При отсутствии фазового сдвига между входными током iВХ(t) и напряжением uВХ(t) (т. е. при ϕU = ϕI) входное сопротивление RВХ определяется как RВХ = UmВХ / ImВХ.

(42)

Таким образом, для измерения входного сопротивления RВХ усилителя в пределах его РПЧ следует измерить амплитуды (или эффективные 13) значения) 13

Амплитудные Um (Im) и эффективные UЭФФ (IЭФФ) значения напряжений (токов) связаны между собой соотношениями: Um = 2 UЭФФ, Im = 2 IЭФФ. 33

входных напряжения и тока, а затем вычислить их отношение. Для измерения амплитудного значения входного тока iВХ(t) включают добаRГ вочный резистор RДОБ между выходной uВХ0(t) uВХ1(t RВХ клеммой («0») генератора гармонического напряжения (ГНЧ) и входной клеммой («1») усилительного каскада (УК), как показано на рис. 15. Затем с Общ. помощью вольтметра измеряют амплитуды UmВХ0 и UmВХ1 напряжений uВХ0(t) и Рис. 15 uВХ1(t) в точках «0» и «1» относительно общего провода «Общ.». Амплитуды UmВХ0 и UmВХ1 связаны с амплитудой ImВХ входного тока законом Ома: ГНЧ

0 RДОБ 1

УК

ImВХ = (UmВХ0 – UmВХ1) / RДОБ .

(43)

Подставляя (43) в (42), получаем выражение для расчета входного сопротивления RВХ по измеренным значениям амплитуд UmВХ0 и UmВХ1: RВХ = UmВХ1 RДОБ / (UmВХ0 – UmВХ1) .

(44)

Вместо амплитуд UmВХ0 и UmВХ1 в (44) можно использовать эффективные значения напряжений uВХ0(t) и uВХ1(t). Указание. Для повышения точности измерения входного сопротивления RВХ следует выбирать значение сопротивления RДОБ близким (по порядку) к предполагаемой величине RВХ. При RДОБ ≈ RВХ амплитуда UmВХ1 входного напряжения uВХ1(t) усилителя в схеме на рис. 15 приближенно равна падению напряжения (UmВХ0 – UmВХ1) на сопротивлении RДОБ. 4.2. Метод измерения выходного сопротивления

Для обоснования метода измерения рассмотрим эквивалентную схему выходной цепи усилителя, показанную на рис. 9 и включающую идеальный источник тока I и сопротивление RВЫХ. Считаем, что на вход усилителя подается гармоническое напряжение uВХ(t) = UmВХ sin(2πf t + ϕU) с достаточно малой амплитудой UmВХ, обеспечивающей линейность усиления. Пусть к выходу усилителя в качестве нагрузки подключены только измерительные приборы (осциллограф, вольтметр) с большими входными сопротивлениями (не менее 1 МОм). Тогда сопротивление нагрузки RН в схеме на рис. 9 велико, а выходной ток усилителя, протекающий через измерительные приборы (нагрузку), пренебрежимо мал (iВЫХ(t) ≈ 0). В этом случае сопротивление нагрузки RН можно исключить из эквивалентной схемы выходной цепи, а саму цепь представить как на рис. 16а.

34

iR

iR

Выход

I

iВЫХ

Выход

I

ε(t)

RВЫХ

RВЫХ

iR - iВЫХ

iR

uВЫХ(t) RН

Общ.

Общ. а

б

Рис. 16 Под действием источника тока I через выходное сопротивление усилителя RВЫХ на рис. 16а протекает некоторый гармонический ток iR(t), который создает на выходных клеммах усилителя падение напряжения (ЭДС) ε(t) = iR(t) RВЫХ.

(45)

Пусть теперь к выходу усилителя подключена активная нагрузка с достаточно малым сопротивлением RН , которым нельзя пренебречь. Тогда эквивалентная схема выходной цепи усилителя показана на рис. 16 б. Здесь часть тока iR(t) источника I (выходной ток iВЫХ(t)) ответвляется в нагрузку RН. Через сопротивление RВЫХ протекает ток iR(t) – iВЫХ(t), меньший тока iR(t). Этот ток создает на сопротивлении RВЫХ падение напряжения uВЫХ(t) = [iR(t) – iВЫХ(t)] RВЫХ = ε(t) – iВЫХ(t) RВЫХ,

(46)

которое подводится к выходным клеммам и является выходным. С другой стороны, ток iВЫХ(t) протекает через нагрузку RН и связан с выходным напряжением uВЫХ(t) по закону Ома : iВЫХ(t) = uВЫХ(t) / RН.

(47)

Подставляя (47) в (46), получаем Из (48) находим

uВЫХ(t) = ε(t) – uВЫХ(t) RВЫХ / RН.

(48)

RВЫХ = RН [ ε(t) / uВЫХ(t) – 1].

(49)

Здесь сопротивления RВЫХ и RН считаем чисто активными, поэтому фазовый сдвиг между гармоническими напряжениями ε(t) и uВЫХ(t) отсутствует. Тогда из (49) получаем RВЫХ = RН [ Em / UmВЫХ – 1],

(50)

где Em и UmВЫХ – амплитуды ЭДС ε(t) и выходного напряжения uВЫХ(t) усилителя с нагрузкой RН. Вместо амплитуд Em и UmВЫХ в (50) можно использовать эффективные значения ЭДС ε(t) и напряжения uВЫХ(t). Из (50) следует метод измерения выходного сопротивления усилителя. 35

На вход усилителя подают гармоническое напряжение uВХ(t) с малой амплитудой UmВХ, обеспечивающей линейность усиления. Далее измерение выходного сопротивления усилителя проводится в два этапа. На первом этапе (режим холостого хода) к выходным клеммам усилителя подключают только вольтметр и осциллограф с большими входными сопротивлениями. Нагрузка RН к выходу усилителя не подключается. С помощью осциллографа следует убедиться, что выходное напряжение усилителя представляет неискаженную синусоиду (т. е. усилитель работает в линейном режиме). Иначе следует уменьшить амплитуду UmВХ входного сигнала усилителя. Далее вольтметром измеряют амплитуду (или эффективное значение) выходного напряжения усилителя, которое принимают в качестве амплитуды Em (или эффективного значения) ЭДС ε(t). На втором этапе к выходным клеммам усилителя подключают нагрузку RН и с помощью вольтметра измеряют амплитуду UmВЫХ (или эффективное значение) выходного напряжения uВЫХ(t) усилителя. Затем отключают нагрузку RН от выхода усилителя и с помощью омметра измеряют ее сопротивление. Выходное сопротивление RВЫХ рассчитывают по формуле (50). При этом вместо амплитуд напряжений ε(t) и uВЫХ(t) можно использовать их эффективные значения. Указание. В лабораторном макете в качестве нагрузки RН используются последовательно соединенные постоянный резистор R6 и переменный резистор RP3. Для включения нагрузки выполните следующие действия. Сначала ручку переменного резистора RP3 на панели макета поверните по часовой стрелке до упора (в крайне правое положение), что соответствует наибольшему значению сопротивления нагрузки RН. Затем с помощью перемычки подключите нагрузку к выходу усилителя (гнездо «Выход»). Вращая ручку RP3 против часовой стрелки, уменьшайте сопротивление до тех пор, пока амплитуда выходного напряжения uВЫХ(t) не уменьшится на 10–20 % относительно амплитуды выходного напряжения ε(t) усилителя без нагрузки. На этом установка сопротивления нагрузки RН закончена. Для отключения нагрузки удалите перемычку между гнездом «Выход» и переменным резистором RP3. 4.3. Метод измерения коэффициента усиления по напряжению

На вход усилителя подают гармоническое напряжение uВХ(t) с малой амплитудой UmВХ, обеспечивающей линейность усиления. Далее с помощью вольтметра измеряют амплитуды UmВЫХ и UmВХ (или эффективные значения) выходного uВЫХ(t) и входного uВХ(t) напряжений усилителя. Значение коэффициента усиления рассчитывают по формуле KU = UmВЫХ / UmВХ.

(51)

Здесь вместо амплитуд UmВЫХ и UmВХ можно использовать эффективные значения напряжений uВЫХ(t) и uВХ(t). 36

5. Задания к лабораторной работе 5.1. Исследование ВАХ ПТ

Указание. При исследовании ВАХ для создания требуемой разности потенциалов (смещения) между стоком и истоком ПТ используется внешний источник напряжения. Для создания разности потенциалов между затвором и истоком ПТ применяется внутренний источник питания GB1. 5.1.1. Исследование управляющих ВАХ Используя перемычки, соберите схему для измерения ВАХ, показанную на рис. 14. По методике, изложенной в п. 2.2 экспериментальной части, измерьте управляющие ВАХ IC = f(UЗИ) при фиксированных значениях напряжения сток-исток UСИ = UСИ0 = 10 В, 8 В, 6 В. Постройте полученные зависимости IC = f(UЗИ) при разных значениях UСИ0 на одном графике. По графикам управляющих ВАХ определите крутизну S транзистора при UЗИ = –2 В, –1,5 В, –1 В, –0,5 В для одной из ВАХ (при UСИ0 = 8 В). Сделайте вывод о характере зависимости крутизны S от напряжения UЗИ. 5.1.2. Исследование выходных ВАХ По методике, изложенной в п. 2.3 экспериментальной части работы, измерьте выходные ВАХ IC = f(UСИ) при фиксированных значениях напряжения затвор-исток UЗИ = UЗИ0 = –2 В, –1,5 В, –1 В. Постройте полученные зависимости IC = f(UСИ) при разных значениях UЗИ0 на одном графике. По графикам выходных ВАХ приближенно определите напряжение насыщения UСИ НАС для каждой ВАХ (для UЗИ0 = –2 В, –1,5 В, –1 В). Напряжением насыщения UСИ НАС, согласно рис. 4, является напряжение сток-исток UСИ, соответствующее нижней границе области насыщения (пологой части ВАХ). При UСИ > UСИ НАС ток IС почти не меняется с увеличением UСИ. По графикам выходных ВАХ определите выходное сопротивление Ri транзистора в области насыщения для каждой ВАХ (для UЗИ0 = –2 В,–1,5 В, –1 В). При этом следует считать область насыщения приближенно линейной, так что для каждой ВАХ достаточно определить сопротивление Ri при одном значении UСИ в середине области насыщения. 5.1.3. Исследование статического коэффициента усиления Руководствуясь методикой, приведенной в п. 3.3 экспериментальной части, определите значение статического коэффициента усиления M в области насыщения выходной ВАХ для всех UЗИ = UЗИ0 = –2 В, –1,5 В, –1 В. Для этих же значений UЗИ0 рассчитайте коэффициент M по формуле M = S Ri (9). Здесь в качестве S и Ri используйте полученные в п. 5.1.1, 5.1.2 значения этих параметров для соответствующих напряжений UЗИ = UЗИ0. 5.2. Исследование характеристик усилительных каскадов на ПТ

Указание. При исследовании ВАХ для создания требуемой разности потенциалов (смещения) между стоком и истоком ПТ используется внутренний источник питания GB2 макета. 37

Перед выполнением пунктов задания ручку RP2 внутреннего источника питания GB2 установите в крайне правое положение (повернув ее по часовой стрелке до упора). Это соответствует максимальному напряжению на стоке ПТ относительно общего провода усилителя, равному UС0 = 12 В. Резисторы R6 и RP3, имитирующие нагрузку усилителя, отключите от выхода усилителя (гнездо «Выход»), удалив соответствующую перемычку. 5.2.1. Исследование усилителя по схеме с ОИ 1) Соберите схему каскада с ОИ (рис. 8), где в качестве RC используйте резистор R2 = 1 кОм, а в качестве RИ – резистор R4 = 1 кОм. В цепь стока ПТ последовательно с резистором RC (в гнезда PA1) включите миллиамперметр постоянного тока и измерьте постоянную составляющую IС0 тока стока. Для этого значения IС0 рассчитайте напряжение смещения ПТ (напряжение затвор-исток) по формуле UЗИ0 = IС0 RИ. Включив вольтметр постоянного тока между затвором и истоком ПТ, измерьте напряжение смещения UЗИ0 и сравните его с расчетным. Включив вольтметр постоянного тока между стоком и истоком ПТ, измерьте постоянную составляющую UСИ0 напряжения сток-исток и убедитесь, что значение UСИ = UСИ0 находится в пределах области насыщения выходных ВАХ, измеренных ранее. 2) Подайте на вход каскада гармоническое напряжение uВХ(t) с амплитудой UmВХ = 10…50 мВ с выхода НЧ генератора G1. Для этого переключатель SB2 переведите в положение и соедините гнездо «Выход генератора НЧ» с гнездом «Вход усилительного каскада» с помощью перемычки. Амплитуда гармонического напряжения uВХ(t) регулируется ручкой UmВХ , а частота этого напряжения приблизительно равна f = 1,4 кГц. Замечание. По указанию преподавателя вместо генератора G1 можно использовать внешний генератор гармонического сигнала с частотой около 1 кГц. Генератор подключают к гнезду «Вход усилительного каскада», удалив перемычку между этим гнездом и гнездом «Выход генератора НЧ». Подключите осциллограф к выходу каскада (гнезда PV2) и наблюдайте выходной сигнал усилителя uВЫХ(t). Убедитесь, что каскад работает в линейном режиме, т. е. сигнал uВЫХ(t) является неискаженной синусоидой. Если наблюдается ограничение (плоские вершины) синусоидальных импульсов выходного напряжения, то следует уменьшить амплитуду UmВХ входного напряжения усилителя до исчезновения таких искажений. Используя методы п. 4 экспериментальной части, измерьте входное RВХ, выходное RВЫХ сопротивление усилителя, а также его коэффициент усиления по напряжению KU. Рассчитайте теоретические значения этих параметров по формулам (23), (28), (37) и сравните их с экспериментальными. 3) С помощью перемычек установите в качестве RИ резистор R5 = = 510 Ом. Повторите выполнение заданий 1 и 2. Сделайте вывод о влиянии сопротивления RИ на характеристики усилителя. 4) Подайте на вход каскада последовательность прямоугольных импульсов с выхода НЧ генератора G1. Для этого переключатель SB2 переведите в положение . К затвору ПТ (на вход усилительного каскада) подключите 38

осциллограф, переведенный в режим закрытого входа (режим «~»). По осциллограммам входного сигнала uВХ(t) измерьте длительности его положительных и отрицательных импульсов. Переключите осциллограф на выход усилителя и измерьте длительности положительных и отрицательных импульсов выходного сигнала uВЫХ(t). Сделайте вывод о характере (инвертирующий или не инвертирующий) исследуемого усилителя. 5.2.2. Исследование усилителя по схеме с ОЗИ Соберите схему усилительного каскада с ОЗИ (рис. 8), где в качестве RC используйте резистор R2 = 1 кОм, в качестве RИ – резистор R4 = 1 кОм, а параллельно резистору R4 с помощью перемычки включите конденсатор C2 = 10мкФ в качестве шунтирующего конденсатора CИ. Повторите для схемы с ОЗИ выполнение заданий 1–4 из п. 5.2.1. Указание. Теоретические значения KU, RВХ и RВЫХ для схемы с ОЗИ рассчитывать по формулам (26), (28), (29). 5.2.3. Исследование усилителя по схеме с ОС Соберите схему усилительного каскада с ОС (рис. 12), где в качестве RИ используйте резистор R4 = 1 кОм, сток ПТ с помощью перемычки соедините с клеммой «+» внутреннего источника питания GB2, а исток ПТ через конденсатор С3, выступающий в роли разделительного конденсатора СС, соедините с гнездом «Выход». 1) Включите вольтметр постоянного тока между затвором и истоком ПТ и измерьте напряжение смещения UЗИ0. Затем переключите вольтметр постоянного тока между стоком и истоком ПТ, измерьте постоянную составляющую UСИ0 напряжения сток-исток. Убедитесь, что ПТ находится в режиме насыщения, т. е. измеренное значение UСИ = UСИ0 находится в пределах области насыщения выходных ВАХ, измеренных ранее. 2) Повторите для схемы с ОС выполнение заданий 2–4 из п. 5.2.1. Указание. Теоретические значения KU, RВХ и RВЫХ для схемы с ОС рассчитывать по формулам (45), (47), (54). Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип действия ПТ с управляющим p-n-переходом. 2. Особенности и преимущества ПТ по сравнению с биполярным. 3. Управляющая ВАХ ПТ в схеме с ОИ. 4. Выходная ВАХ ПТ в схеме с ОИ. 5. Дифференциальные параметры ПТ. 6. Линейная модель ПТ для слабого переменного сигнала. 7. Малосигнальная эквивалентная схема ПТ для переменного сигнала. 8. Схема включения ПТ в схеме с ОИ. Назначение элементов схемы. 9. Схема включения ПТ в схеме с ОЗИ. Назначение элементов схемы. 10. Схема включения ПТ в схеме с ОС. Назначение элементов схемы. 11. Расчет входного сопротивления усилителя на ПТ *). 39

12. Расчет выходного сопротивления усилителя на ПТ *). 13. Расчет коэффициента усиления по напряжению усилителя на ПТ *). 14. Метод измерения входного сопротивления усилителя. 15. Метод измерения выходного сопротивления усилителя. 16. Метод измерения коэффициента усиления по напряжению. _______________________ *)

Для одной из схем включения ПТ (по усмотрению преподавателя).

Литература 1. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы / В.В. Пасынков, Л.А. Чиркин. – СПб. : Лань, 2003. – 480 с. 2. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – М. : Высш. шк., 2005. – 790 с. 3. Прянишников В.А. Электроника : Полный курс лекций / В.А. Прянишников. – СПб. : Корона, 2004. – 416 с. 4. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. – М. : Горячая линия – Телеком, 2005. – 768 с. 5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники / И.П. Степаненко. – М. : Лаборатория базовых знаний, 2004. – 488 с.

Содержание I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1. Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n-переходом .............................................................................................. 3 2. Статические вольт-амперные характеристики............................................ 6 2.1. Выходные статистические ВАХ........................................................... 7 2.2. Статистические управляющие характеристики................................ 10 3. Дифференциальные параметры полевых транзисторов........................... 10 4. Линейная модель полевого транзистора для слабого сигнала ................ 12 5. Схемы включения полевого транзистора и их характеристики.............. 15 5.1. Характеристики усилителя с общим истоком (ОИ) ......................... 16 5.1.1. Схема и назначение элементов усилителя с ОИ .................... 16 5.1.2. Коэффициент усиления по напряжению КU ........................... 17 5.1.3. Входное сопротивление RВХ ..................................................... 20 5.1.4. Выходное сопротивление RВЫХ………………………………20 5.2. Характеристики усилителя с общим стоком (ОС)…………………23 5.2.1. Схема и назначение элементов усилителя с ОС .................... 23 5.2.2. Коэффициент усиления по напряжению КU ........................... 24 5.2.3. Входное сопротивление RВХ ..................................................... 25 5.2.4. Выходное сопротивление RВЫХ ................................................ 25 40

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. Схема лабораторного макета ..................................................................... 27 2. Методы измерения управляющей и входной ВАХ полевого транзистора в схеме с ОИ .............................................................. 28 2.1. Подготовка лабораторного макета ..................................................... 28 2.2. Измерение управляющих ВАХ........................................................... 29 2.3. Измерение выходных ВАХ ................................................................. 30 3. Методы измерения дифференциальных параметров ПТ ......................... 31 3.1. Метод измерения крутизны транзистора........................................... 31 3.2. Метод измерения крутизны выходного сопротивления транзистора .................................................................................................. 31 3.3. Метод измерения статистического коэффициента усиления ......... 32 4. Методы измерения характеристик усилителей......................................... 33 4.1. Метод измерения входного сопротивления ...................................... 33 4.2. Метод измерения выходного сопротивления ................................... 34 4.3. Метод измерения коэффициента усиления по напряжению ........... 36 5. Задания к лабораторной работе .................................................................. 36 5.1. Исследование ВАХ ПТ ........................................................................ 36 5.1.1. Исследование управляющих ВАХ........................................... 36 5.1.2. Исследование выходных ВАХ ................................................. 37 5.1.3. Исследование статистического коэффициента усиления ..... 37 5.2. Исследование характеристик усилительных каскадов на ПТ ......... 37 5.2.1. Исследование усилителя по схеме с ОИ................................. 37 5.2.2. Исследование усилителя по схеме с ОЗИ............................... 38 5.2.3. Исследование усилителя по схеме с ОС ................................ 39

Контрольные вопросы ..................................................................................... 39

41

Учебное издание

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ Методические указания к лабораторному практикуму

Составители: Охремчик Сергей Аркадьевич, Захаров Александр Викторович, Дудкин Валерий Петрович Редактор И.Г. Валынкина

Подписано в печать 16.11.07. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 2,4. Тираж 50 экз. Заказ 2059. Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. 208-298, 598-026 (факс) http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: [email protected] Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3. Тел. 204-133. 42