Некоторые особенности использования полевых транзисторов.

Полевые транзисторы, как и биполярные обычно используют в качестве усилителей напряжения или в качестве ключей.

Рассмотрим построение усилительных каскадов на полевых транзисторах, на рисунке 45 показано включение полевого транзистора в качестве усилителя напряжения. На схеме имеются: транзистор VT, источник сигнала Uсиг, сопротивление в цепи стока Rс.

Для того чтобы пояснения носили предметный характер будем использовать транзистор MPF3815, характеристики которого приведены на рисунках 42 и 43.

Анализируя переходную характеристику, приходим к выводу, что для получения минимальных искажений нужно выбрать начальное напряжение на затворе –1В.

Начальное напряжение – напряжение постоянного тока, имеющееся на электроде при отсутствии сигнала.

При этом от источника сигнала можно подавать сигнал амплитудой около 0,5В.

Если выбрали начальное напряжение на затворе –1В, то по переходной характеристике находим начальный ток стока – Iсн = 0,9 мА. Выберем напряжение источника питания 12В. Теперь выберем величину сопротивления в цепи стока. Для этого примем, что начальное напряжение на стоке равно половине напряжения питания – Uсн = Uп/2 = 6В. С другой стороны напряжение на стоке определяется выражением Uс = Uп – Iс*Rс. Разрешая это выражение относительно Rс, и подставляя значения переменных получаем Rс = 6700 оМ. Для оценки коэффициента усиления воспользуемся графоаналитическим расчетом приведенным на рис. 46.

Сущность метода состоит в том, что к графику переходной характеристики достраивается график входного сигнала и далее совместный анализ позволяет выполнить построение графика тока стока.

В нижней части рисунка показан график входного сигнала таким образом, что нулевая линия, соответствующая оси времени, расположена на уровне начального напряжения на затворе Uзн = -1В. Амплитуда входного сигнала выбрана 0,5В, и это приводит к тому, что входное напряжение равное напряжению на затворе изменяется диапазоне -1,5 ¸ -0,5В. Восстановив из точек изменения напряжения на затворе перпендикуляры до пересечения с переходной характеристикой, получаем диапазон изменения тока стока 0,64 ¸ 1,22 мА. С учетом полученных значений в правой части показан график изменения тока стока во времени. Учитывая, что напряжение на стоке (оно же выходное напряжение) определяется выражением Uс = Uп – Iс*Rс, определим Uсмин» 4,2В и Uсмак» 8,2В.

Определяя коэффициент усиления каскада как Ку = dUвых/dUвх и переходя к конечным приращениям и осуществляя замену переменных, получаем Ку = DUс/DUз = 4/1=4.

Таким образом, при выбранном транзисторе и при выбранном режиме его работы получили усилительный каскад с коэффициентом усиления 4.

Однако возникает вопрос, будет ли работать устройство, схема которого приведена на рис. 45.

Приведенный анализ выполнен исходя из условия наличия начального напряжения на затворе –1В. Однако схемотехнически это не решено. Для получения работоспособной схемы имеется несколько вариантов решения. Первый состоит в том, что между источником сигнала и затвором транзистора включается источник напряжения, имеющий величину равную Uзн. Этот вариант, в принципе, самый лучший (с точки зрения получения требуемых характеристик усилителя), но и самый неудобный, так как он требует наличия источников на самые разные напряжения, и не имеющих гальванической связи с источником питания.

Второй вариант состоит в том, что в цепь истока нужно включить резистор. Начальный ток стока (равный начальному току истока) проходя по этому резистору, создаст на нем падение напряжения равное по величине Uзн. Полярность этого напряжения: + на истоке транзистора и – на общем проводе. Для подачи отрицательного напряжения на затвор относительно истока необходимо между затвором и общим проводом включить резистор, причем величина этого резистора может быть достаточно большой, так как ток затвора практически равен нулю. Рассмотренное схемотехническое решение показано на рис. 47.

Сопротивление в цепи истока определяется выражением Rи = Uзн/Iсн. Сопротивление в цепи затвора Rз может быть равным 1 мегом. Конденсатор Свх предназначен для развязки по постоянному току источника сигнала и цепь задания начального состояния транзистора.

Если не устанавливать конденсатор, шунтирующий Rи, то в схему вводится отрицательная обратная связь по току, что приводит к снижению коэффициента усиления.

Конденсатор Свх с резистором Rз образуют дифференцирующую цепь, и конденсатор Си с резистором Rи и сопротивлением канала образуют интегрирующую цепь. Обе указанные цепи являются частотно-зависимыми и их параметры влияют на частотные свойства усилительного каскада.

Рассмотренный пример позволяет сделать вывод, что полевые транзисторы, как и биполярные могут быть использованы в качестве усилителей напряжения самых различных схемотехнических конфигураций.

Другая область применения – использование полевых транзисторов в качестве ключей в цифровых схемах. Так как в цифровых схемах используется однополярное питание, то и элементы которые используем в цифровых схемах должны иметь и напряжение питания, и управляющее напряжение одной полярности (положительные). Из всего ранее рассмотренного многообразия типов полевых транзисторов этим условиям удовлетворяют только МОП транзисторы с индуцированным каналом.

На рис. 45 показана переходная характеристика полевого транзистора структуры МДП со встроенным каналом снятая при напряжении на стоке Uс = 5В, из которой видно, что при напряжении затвор – исток равном нулю ток стока тоже равен нулю. Возрастание тока стока возможно только при напряжении на затворе превышающем напряжение отсечки. По приведенной характеристике видно, что напряжение отсечки у данного транзистора равно +2В. Реальное значение тока стока может быть определяется выражением Iс = S*Uз, где S – крутизна переходной характеристики. Таким образом из характеристики видно, что при напряжении на затворе 4В ток стока будет иметь величину 100мА. Если в цепи стока установить сопротивление величиной 100 оМ, то напряжение на стоке будет равно практически нулю. Это объясняется тем, что в этом случае на сопротивлении в цепи стока падение напряжения должно быть равно Iс*Rс = 100мА*100оМ =10В. Однако напряжение питания 5В и поэтому при таком режиме ток стока будет определяться величиной сопротивления в цепи стока. В этом случае полевой транзистор работает в качестве ключа, подобно насыщенному биполярному транзистору. Схема простейшего транзисторного ключа на МОП транзисторе приведена на рис.49. В качестве источника сигнала используется инвертор (ТТЛ), резистор Rз в цепи затвора поставлен для ограничения тока заряда затворной емкости. В большинстве применений величина этого резистора может быть равна нулю.

Тиристоры.

Полупроводниковые приборы с тремя p-n переходами, имеющие участок на вольт-амперной характеристике с отрицательным сопротивлением, называют тиристоры. Двухэлектродные тиристоры называют динисторами, а трехэлектродные – тринисторами.

Простейший тиристор (динистор) можно представить четырехслойной структурой изображенной на рис. 50.

Как видно из рисунка 50 данное устройство имеет четыре чередующихся слоя p1-n1-p2-n2 и соответственно три p-n перехода П1-П2-П3. Если к устройству подключить источник напряжения как показано на рисунке то потечет ток I в указанном направлении. При этом переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. Таким образом, поучится как бы сочетание двух транзисторов в одном устройстве: одним транзистором является комбинация слоев p1-n1-p2, другим – n1-p2-n2, т.е. первый транзистор структуры p-n-p, а другой – n-p-n. Подобная замена динистора транзисторной схемой действительно обладает свойствами динистора и находит применение в практике. Слой p1 называют анодом динистора, слой n2 – катодом, соответственно слой n1и p2 – базами. При подаче ан динистор напряжения в указанной полярности коллекторный переход П2 смещен в обратном направлении, т.е. находятся в непроводящм состоянии. Достигнуть проводящего состояния возможно только если предположить, что в обратносмещенном переходе будет наступать явление пробоя. Обычно это лавинный обратимый пробой, и явление пробоя не доходит до своего конечного состояния, определяемого большим током коллектора ограниченным только внешними цепями. Подобное положение объясняется тем, что как только появляется ток пробоя коллекторного перехода сразу же появляется ток базы, т.е. транзисторы открываются и находятся в активном усилительном режиме, для которого характерно Iк = b*Iб. Следовательно возрастание тока базы приводит к возрастанию тока коллектора и уменьшению напряжения на коллекторном переходе. Этот процесс лавинообразен и приводит к тому, что напряжение на динисторе будет равно напряжению насыщения Uкнас, и транзисторы переходят в насыщенный режим, т.е. величина тока будет определяться только внешней цепью. Выключиться динистор может только при условии, что ток базы транзисторов стане равным нулю. Это возможно только если ток динистора станет равен нулю (так как ток динистора и есть ток базы). Все рассмотренные особенности работы динистора находят отражение в его ВАХ, которая приведена на рисунке 51.

Указанная характеристика является характеристикой неуправляемого тиристора, т.е. динистора. Напряжение при котором происходит открывание тиристора называют напряжением переключения – U­_пер, ток соответствующий этому напряжению – ток переключения – I_пер. Если напряжение на динисторе больше напряжения переключения (произошло открывание динистора), то ток в цепи будет определяться только сопротивлением остальной части цепи. Если после включения динистора уменьшать напряжение, то будет уменьшаться и ток, и при достижении точки I_ос и U_ос (остаточные ток и напряжение) происходит выключение динистора. При подаче обратного напряжения, возможно, что его величина будет больше пробивного напряжение – U_проб тогда произойдет тепловой пробой и динистор станет неработоспособным. Таким образом, основными статическими параметрами динистора являются: напряжение переключения, остаточный ток и остаточное напряжение.

Если от слоя p2 сделать вывод, то получим четырехслойную и трехэлектродную конструкцию, которую называют управляемый динистор или тринистор. Слой p2 это база транзистора структуры n-p-n, и, следовательно подавая управляющий ток в базу можем открывать этот транзистор, т. е. открывать тринистор. Таким образом, создание дополнительного вывода приводит к появлению нового полупроводникового устройства – тринистора. На принципиальных электрических схемах тринистор изображают в соответствии с рис. 52. Как видно на рисунке это устройство имеет три электрода: А – анод, К – катод, уэ – управляющий электрод.

Обычное применение тринистора состоит в том, что напряжение, подаваемое на нагрузку и последовательно с ней включенный тринистор меньше максимально допустимого напряжения на тринисторе. Такое положение приводит к тому, что открыться тринистор может только под воздействием тока, подаваемым в управляющий электрод. Если тринистор открыт и управляющий ток равен нулю, то закроется он только при условии, что ток тринистора равен нулю.

Рис. 2 Применение тиристора.

На рисунке 53 показан пример использования тринистора для управления током лампы накаливания. Силовая часть схемы состоит из последовательно включенных лампы накаливания и тринистора, подключенных к источнику однофазного переменного напряжения. Цепь управления состоит из последовательной схемы: резистор 10 кОм, динистор с напряжением переключения 100В и резистор 2 кОм. Точка соединения динистора и резистора 2 кОм подключена к управляющему электроду тринистора. Для анализа работы схемы подключен осциллограф: канал А подключен к источнику напряжения, канал В используется для снятия временной диаграммы тока тринистора. Для подачи на вход осциллографа сигнала пропорционального току в цепь тринистора включен преобразователь ток – напряжение Осциллограмма показана на рисунке 54.

При снятии осциллограмм использованы следующие масштабы: по времени – 5мС/дел, канал А – 100В/дел, канал В – 200мВ/дел.

Анализируя осциллограмму, приходим к выводу: открывание тринистора происходит в момент времени t1, т.е. когда напряжение достигает 100В, - выключение (момент t2) происходит тогда, когда ток проходящий по тринистору становится равным нулю. В положительном полу периоде при достижении напряжения величины 100В происходит открывание динистора. При этом ток, возникающий в цепи управляющего электрода тринистора открывает его. Величина управляющего тока может быть определена выражением Iупр = (Uвх – U­ост – Uупк)/10000. В этом выражении: Uвх – входное напряжение равное 100В, Uост – остаточное напряжение динистора, обычно равное нескольким вольтам, Uупк – напряжение на прямосмещенном переходе управляющий электрод – катод тринистора.

Мы рассмотрели только основные четырехслойные полупроводниковые устройства: динистор и тринистор. Однако в настоящее время электронная промышленность производит и другие четырехслойные устройства: симисторы и тринисторы с двойным управлением.

Симистор (симметричный тиристор) – тиристор, который имеет ВАХ симметричную относительно начала координат. На рисунке 55 приведена вольт-амперная характеристика симистора. Как видно из ВАХ симистор включается как при положительном напряжении на нем, так и при отрицательном напряжении. Если симистор управляемый, то открывание его происходит при наличии управляющего тока как при положительном, так и при отрицательном напряжении.

Обычно управление тиристором осуществляет его открытие, т.е. перевод в проводящее состояние. Однако сейчас имеются тиристоры с двойным управлении, не только на открывание, но и на закрывание. Такие тиристоры имеют два управляющих электрода.

На рисунке 56 показано изображение неуправляемого и управляемого симисторов на принципиальных электрических схемах.

 

 

Лекция 8