Схема ключа на полевом транзисторе: Полевой транзистор как коммутатор (JFET)

Полевой транзистор как коммутатор (JFET)

Добавлено 5 апреля 2018 в 07:38

Сохранить или поделиться

Как и биполярный родственник, полевой транзистор может использоваться в качестве коммутатора вкл/выкл, управляющего подачей питания на нагрузку. Давайте начнем исследование использование полевого транзистора в качестве коммутатора со знакомой схемы включения лампы:

Помня о том, что управляемый ток в полевом транзисторе течет между истоком и стоком, мы заменяем контакты ключа на рисунке выше выводами истока и стока:

Если вы еще не заметили, выводы истока и стока полевого транзистора выглядят на условном обозначении одинаково. В отличие от биполярного транзистора, где эмиттер четко отличается от коллектора наличием стрелки, линии истока и стока полевого транзистора выглядят как линии, перпендикулярные полосе, представляющей полупроводниковый канал. Это не случайно, поскольку выводы истока и стока полевого транзистора на практике часто являются взаимозаменяемыми! Другими словами, полевые транзисторы обычно способны обрабатывать ток канала любого направления, от истока к стоку или от стока к истоку.

Теперь всё, что нам нужно на схеме, – это способ управления проводимостью полевого транзистора. При нулевом приложенном напряжении между затвором и истоком канал полевого транзистора будет «открыт», что позволит току протекать к лампе. Чтобы выключить лампу, нам нужно будет подключить еще один источник постоянного напряжения между выводами затвора и истока полевого транзистора следующим образом:

Замыкание этого ключа «пережмет» канал полевого транзистора, заставив его перейти в режим отсечки и выключить лампу:

Обратите внимание, что через затвор ток не протекает. Как PN переход с обратным смещением, он твердо противостоит потоку через него любых электронов. Как устройство, управляемое напряжением, полевой транзистор требует незначительного входного тока. Это является достоинством полевого транзистора по сравнению с биполярным транзистором: для управляющего сигнала требуется практически нулевая мощность.

Размыкание управляющего ключа должно снова отключить от затвора постоянное напряжение обратного смещения, таким образом позволяя транзистору снова открыться. В идеале, так это должно работать. На практике это может не работать вовсе:

После размыкания ключа ток через лампу не протекает!

Почему? Почему канал полевого транзистора не открывается снова и не пропускает ток через лампу, как он делал ранее без напряжения, приложенного между затвором и истоком? Ответ заключается в работе обратно смещенного перехода затвор-исток. Область истощения в этом переходе действует как изолирующий раздел, отделяющий затвор от истока. Таким образом, он обладает определенной емкостью, способной хранить потенциал электрического разряда. После того, как этот переход был принудительно обратно смещен подачей внешнего напряжения, он будет стремиться удерживать это напряжение обратного смещения, как сохраненный заряд, даже после того, как источник этого напряжения был отключен. То, что необходимо для повторного открытия полевого транзистора, заключается в том, чтобы слить этот накопленный заряд между затвором и истоком через резистор:

Через резистор стекает заряд, сохраненный в PN переходе, чтобы позволить транзистору открыться снова

Величина резистора не очень важна. Емкость перехода затвор-исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно высокоомный разрядный резистор создает быструю постоянную времени RC цепи, позволяя транзистору снова начать проводить ток с небольшой задержкой после размыкания ключа.

Как и с биполярным транзистором, не имеет большого значения, откуда подается управляющее напряжение. Мы могли бы использовать солнечный элемент, термопару или любой другой тип устройства, генерирующего напряжение, чтобы обеспечить напряжение, управляющее проводимостью полевого транзистора. Всё, что требуется от источника напряжения для работы коммутатора на полевом транзисторе, – это достаточное напряжение, чтобы обеспечить отсечку канала полевого транзистора. Этот уровень обычно составляет несколько вольт постоянного напряжения и называется напряжением срабатывания или отсечки. Точное напряжение срабатывания для любого заданного полевого транзистора является функцией его уникальной конструкции и не является универсальным значением, например, как 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого биполярного транзистора.

Подведем итоги:

• Полевые транзисторы управляют током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В полевом транзисторе (JFET) имеется PN-переход между затвором и истоком, который для управления током исток-сток обычно смещается в обратном направлении.
• Полевые транзисторы являются обычно нормально открытыми (нормально насыщенными) устройствами. Прикладывание напряжения обратного смещения между затвором и истоком приводит к расширению области истощения этого перехода, тем самым «пережимая» канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.
• Может потребоваться установить «отводящий» резистор между затвором и истоком, чтобы разрядить сохраненный заряд, накопленный естественной емкостью перехода, когда будет снято управляющее напряжение. В противном случае заряд может сохраняться, удерживая полевой транзистор в режиме отсечки даже после отсоединения источника питания.

Оригинал статьи:

Теги

КоммутацияОбучениеПолевой транзисторТранзисторный ключЭлектроника

Сохранить или поделиться

Силовой ключ (5 А; 24 В) на полевом транзисторе (IRF520 MOSFET) для Arduino —

Силовой ключ выполнен на полевом транзисторе IRF520 и предназначен для включения/выключения мощной нагрузки, которая питается напряжением постоянного тока.

Управлять силовым ключем можно с помощью Arduino или другого микроконтроллера, при подаче на вход ключа высокого уровня от 5 В, он откроется и включит нагрузку. При токе нагрузки более 1 ампера нужен радиатор для транзистора. Практическое измерение нескольких экземпляров этого MOSFET модуля показало, что ключ открывается при подаче сигнала управления на затвор от 3,4 Вольт.
Полевой транзистор позволяет использовать ШИМ (широтно-импульсную модуляцию), т.е можно менять скорость работы электродвигателя или яркость светодиодной ленты, лампы (светодиода) и т.д.

Если управляющий сигнал ниже 5 Вольт, то нужно использовать другой ключ, работающий от низкого постоянного напряжения (от 3 Вольт).

Для управления мощной нагрузкой переменного тока можно использовать твердотельное реле. А для коммутации маломощной нагрузки постоянного и переменного тока можно применить обычное реле.

Технические характеристики силового ключа на MOSFET транзисторе “IRF520”:

• управление нагрузкой с напряжением питания постоянного тока, В: 0-24
• рабочий ток нагрузки, А: 0-5
• уровень управляющего сигнала, В: 5-20
• размеры платы, мм: 33. 4*25.6

Подключение:

• “V+” — плюсовой контакт подключения нагрузки пост. тока
• “V-” — минусовой контакт подключения нагрузки пост. тока
• “Vin” — “+” контакт, сюда подключить питание для нагрузки (от 0 до 24 В)
• “GND” — “-” контакт питания для нагрузки
• “SIG – “плюсовой контакт для подключения управ. сигнала (например с ARDUINO)
• “Vcc” – не используется
• “GND – “минусовой контакт для подключения управ. сигнала

Принципиальная схема силового ключа на IRF520:

Варианты использования:

управление силовым ключом с помощью сенсорной кнопки “TTP223”

Преимущества:

• бесшумная работа
• нет механических частей
• можно использовать ШИМ (PWM)

Описание на “IRF520” (datasheet)

Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе курсовая по радиоэлектронике

Курсовая работа по дисциплине: Электроника и микропроцессорная техника на тему: «Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе» Выполнил: студент 2 курса 4 группы Казаков Д. Н. Руководитель: доцент Земляков В.Л. г. Ростов-на-Дону 2004 год Введение. Курсовая работа посвящена макетированию и исследованию аналогового электронного ключа на полевом транзисторе. Электронный ключ –основной функциональный узел дискретной схемотехники для переключения токов или потенциалов на нагрузке. В импульсных устройствах очень часто требуется коммутировать (включать и выключать) электрические цепи. Эта операция выполняется бесконтактным способом с помощью транзисторных ключей. Ключевые схемы используются для построения генераторов и формирователей импульсов , а также различных логических схем цифровой вычислительной техники. Ключ выполняет элементарную операцию инверсии логической переменной и называется инвертором. В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход. Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении. В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом. Основными параметрами ключа являются : • быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ; • длительность фронтов выходных сигналов ; • внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ; • потребляемая мощность ; • помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ; • стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ; • надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д. такую же схему, соединив подложку с источником -15 В и подавая на затвор напряжения +15 В (включено) и -15 В (выключено). Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис. 3б. Здесь на подложку транзистора VT1 подается положительное питающее напряжение +Uпит, а на подложку транзистора VT2 — отрицательное питающее напряжение -Uпит . При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n- канального транзистора VT2 практически равно +Uпит. В таком случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровнями от -Uпит до +Uпит без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rо начинает катастрофически расти). В это время напряжение на затворе VT1 практически равно -Uпит. Транзистор VT1 пропускает сигналы с уровнями от +Uпит до значения на несколько вольт выше -Uпит. Таким образом, все сигналы в диапазоне от +Uпит до -Uпит проходят через двухполюсник с малым сопротивлением (рис. 4). При переключении управляющего сигнала на низкий уровень, напряжение на затворе n-канального транзистора VТ2 устанавливается близким к -Uпит, а напряжение на затворе p-канального транзистора VТ1 устанавливается близким к +Uпит. Тогда, при -Uпит < Uвх < +Uпит, оба транзистора заперты, и цепь ключа разомкнута. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от низкого напряжения питания ключа до высокого напряжения его питания. Эта схема работает в двух направлениях — любой ее зажим может служить входным. Она является основой практически для всех ИМС аналоговых ключей, выпускаемых в настоящее время. Аналоговые мультиплексоры Хорошим приложением ключей на полевых транзисторах являются мультиплексоры — схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Такие устройства входят в состав систем сбора данных микропроцессорных регуляторов промышленных и транспортных объектов. Аналоговый сигнал с выбранного входа будет прямо проходить на выход. На рис. 5 в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора из четырех направлений в одно. Каждый из ключей от S0 до S3 представляет собой аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то, независимо от состояния адресных входов, все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и «демультиплексором», т.е. сигнал может быть подан на вход мультиплексора и снят с избранного выхода. Статические характеристики Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (например, +15 В), будут иметь малые значения Ro во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа Ro будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания. На рис. 6 приведены зависимости Ro ключа микросхемы ключа MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании. При уменьшении Uпит сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки Uвх = Uпит/2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений Ro требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 5…10 В. Как видно из рис 6, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близкое к 10 Ом, при Uпит=2,7 В достигает 700 Ом. Рис. 6. Зависимости Ro КМОП-ключа от входного напряжения при однополярном включении для различных значений питающего напряжения Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение Ro малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом, чтобы напряжение n-подложки «следило» за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволяет построить ключи с весьма малым Ro при низком питающем напряжении. Так например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление Ro не более 2,5 Ом. На рис. 7 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном (а) и разнополярном (б) питании. (a) (б) Рис. 7. Графики зависимостей Ro ключа ИМС MAX391 от входного напряжения при однополярном (а) и разнополярном (б) включении для различных значений питающего напряжения Применение КМОП логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект — в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии. Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высоким динамическим сопротивлением (до сотен ГОм) при напряжении сток-исток более 0,1 В. Поэтому его принимают источником тока с током Iут. Направление протекания тока утечки через закрытый КМОП-ключ определяется полярностью приложенного напряжения. Типичное значение Iут для широкой номенклатуры аналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однако выпускаются и ключи с пониженным током утечки. Например у одноканального ADG431 типичный ток утечки — 0,05 нА. При очень низких напряжениях на закрытом ключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким. Динамические характеристики Междуэлектродные емкости. МОП-ключи обладают следующими емкостями (рис. 8): между входом и выходом (Сси), между каналом и общей точкой схемы (Сс, Си), между затвором и каналом (Сз) и между ключами в пределах одного кристалла. Как правило, наличие этих емкостей ухудшает характеристики ключей. Сси (емкость вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению сигнала через разомкнутый ключ, которое на высоких частотах возрастает. На рис. 9. показан этот эффект для микросхемы четырехканального аналогового ключа типа МАХ312. Здесь кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику последовательного ключа, нагруженного на резистор 50 Ом в замкнутом состоянии. Кривая 2 — фазочастотная характеристика для этого же случая. Кривая 3 представляет амплитудно-частотную характеристику ключа в разомкнутом состоянии при той же нагрузке. Как видно, даже при нагрузке 50 Ом сквозное прохождение сигнала на высоких частотах становится значительным. При нагрузке 10 кОм ситуация со сквозной передачей сигнала, конечно же намного хуже. Рис. 9. Частотные характеристики последовательного ключа на ИМС МАХ312 В большинстве низкочастотных применений емкостное сквозное прохождение сигнала через разомкнутый ключ не создает проблем. Если они возникают, хорошим решением является использование пары включенных каскадно ключей (рис. 10а) или, что еще лучше, использование последовательно-параллельного ключа (рис. 10б). Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибелах) ценой дополнительного делителя напряжения, в то время как последовательно-параллельная схема уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до Ro, когда последовательный ключ разомкнут. Многие фирмы выпускают ИМС аналоговых ключей, содержащие по два нормально замкнутых (т. е. замкнутых при низком уровне управляющего сигнала) и два нормально разомкнутых ключа. Это, например, МАХ314, DG413, 590КН4 и др. Эти микросхемы позволяют наиболее просто построить последовательно-параллельные ключи. Рис.10. Схемы, обеспечивающие улучшенные характеристики ключей в разомкнутом состоянии Сс, Си (емкость относительно земли). Шунтирующая на землю емкость приводит к упомянутому ранее спаду частотной характеристики (кривые 1 и 2 на рис. 9). Совместно с сопротивлением источника сигнала и сопротивлением замкнутого ключа Ro эти емкости образуют фильтр нижних частот. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигнала. Емкость между ключами. Поскольку обычно на кристалле размещается несколько ключей, то не следует удивляться при появлении наводок между каналами. Виновницей может быть емкость между каналами, составляющая величину порядка 0,5 пФ. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения импеданса источника сигнала. Динамические помехи. Во время перехода от включенного состояния к выключенному и обратно в аналоговых ключах на полевых транзисторах могут возникать неприятные эффекты. Скачок управляющего напряжения, поданный на затвор, вызывает изменение заряда в цепи канала. Это наиболее существенно при уровнях сигналов, соответствующих разомкнутому ключу. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала. Ввиду важности этой проблемы, рассмотрим ее более подробно. На рис. 11 изображена форма выходного сигнала, которую можно увидеть на выходе n-канального МОП-ключа, схема которого показана на рис. 3а, при нулевом уровне входного сигнала и нагрузке, состоящей из резистора сопротивлением 10 кОм и параллельного ему конденсатора с емкостью 20 пФ. Эти всплески и провалы вызваны переносом заряда в канал через емкость Сз, имеющую величину порядка 5 пФ, (рис. 8) при изменении напряжения затвора. Это напряжение делает резкий скачек от одного уровня питания к другому, перенося заряд q = +Сз(Uзи.выс — Uзи.низ). Заметим, что величина переносимого заряда зависит только от полного изменения напряжения затвора и не зависит от времени, за которое это изменение происходит. Замедление изменения сигнала на затворе вызывает меньшую по амплитуде, но более долгую динамическую помеху с той же площадью под графиком. Фильтрация выходного сигнала ключа фильтром нижних частот дает тот же эффект. Такие меры могут помочь в тех случаях, когда важно добиться малого пика амплитуды динамической помехи, однако в смысле исключения пропускания управляющего сопротивления нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего транзистора Rвкл и сопротивлением нагрузки. А так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала, то это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал. Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ключа, закорачивающего выход на землю, если транзистор, включающий сигнал, находится в состоянии «ВЫКЛ»: таким образом, формируется однополюсный ключ на два направления. Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая схема работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь достаточного смещения. Задача переключения таких сигналов решается применением переключателей на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП) (рис. 12). При высоком уровне управляющего сигнала VТ1 пропускает сигналы с уровнями от земли до без нескольких вольт. VТ2 пропускает сигнал с уровнями от до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до проходят через схему, имеющую малое сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба транзистора, размыкая, таким образом, цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до . Это основа схемы КМДП «передающего вентиля» 4066 (К561КТ3). Как и описанные ранее ключи, эта схема работает в двух направлениях ≈ любой ее терминал может служить входным. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 13) можно использовать и как аналоговые ключи, но нужна осторожность в отношении сигнала на затворе, чтобы не возник ток затвора. Напряжение затвора должно быть существенно ниже потенциала земли для удержания ПТ в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится отрицательным, то напряжение затвора должно удерживаться, по крайней мере, на ниже наименьшего минимума сигнала. Для приведения транзистора в состояние проводимости управляющий сигнал должен стать больше максимального положительного значения входного сигнала. Когда ключ замкнут, диод имеет обратное смещение и затвор связан с истоком через резистор сопротивлением 1 МОм, т. е. находится под потенциалом истока. Можно построить схему аналогового ключа на транзисторе с управляющим р≈п-переходом, если использовать ОУ, так как можно связать исток транзистора с потенциальной землей в суммирующей точке инвертирующего усилителя (рис. 14). Тогда для отпирания транзистора нужно просто подать потенциал земли на затвор. Этот способ дает дополнительное преимущество, заключающееся в точной компенсации ошибок, возникающих из-за конечного значения Rвкл и его нелинейности. Схема имеет две примечательные особенности: а) когда VТ1 включен (затвор заземлен), вся схема представляет собой инвертор с одинаковым полным сопротивлением в цепях входа и обратной связи. Это компенсирует все эффекты, связанные с конечностью и нелинейностью сопротивления включенного состояния, если транзисторы согласованы по параметру Rвкл. б) Благодаря малости напряжения отсечки схема будет работать при управляющем сигнале от нуля до +5 В, что удобно для работы с ТТЛ. Включение в инвертирующей схеме с присоединением истока VT1 к потенциальной земле (суммирующая точка) упрощает работу схемы, так как нет колебаний сигнала на истоке VT1 во включенном состоянии; диод препятствует включению ПТ при положительных сигналах и запертом VT1 и не оказывает никакого действия при замкнутом ключе. Тот же прием компенсации применяется и для ключей на МДП — транзисторах. Отечественная и зарубежная промышленность выпускают широкую номенклатуру микросхем, предназначенных для коммутации аналоговых сигналов. В частности, отечественная промышленность выпускает аналоговые ключи серии 596 и серии 561, из зарубежных известны ключи фирмы Analog Devices (ADG), значительное количество ключей аудио- и видеосигналов фирм Philips, Sanyo и др. 3. Электронный ключ на транзисторе. 3.1. Общие сведения. Принцип действия. В ключевых схемах в общем случае используются все основные схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК), ключ-«звезда», с общим эмиттером (ОЭ). Наибольшее применение получили транзисторные ключи по схеме с ОЭ. Статические характеристики. Поведение ключа в статическом режиме определяется выходными I и входными I характеристиками транзистора по схеме с ОЭ. На выходных характеристиках выделяются три области, которые определяют режим отсечки коллекторного тока, активный режим и режим насыщения ключевой схемы. Область отсечки определяется точками пересечения линии нагрузки R с самой нижней кривой семейства выходных характеристик с параметром I= — I. Этой области соответствует режим отсечки, при котором: —транзистор закрыт, т.к. оба его перехода смещены в обратном направлении U>0, U<0 —напряжение U= — E+I*R — E —ток коллектора минимален и определяется обратным (тепловым) током коллекторного перехода I=I —ток базы I= — I,а ток эмиттера I=0 —сопротивление транзистора постоянному току наибольшее R = 100 кОм. Активная область расположена между нижней кривой коллекторного тока и линией насыщения. Этой области соответствует активный нормальный режим, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном: U<0,U>0 Ток коллектора I=B*I+(B+1)I=B*I+I ; I=(B+1)I. Где B – коэффициент усиления базового тока в схеме с ОЭ. Область насыщения определяется точками пересечения линии нагрузки с линией насыщения. Этой области соответствует режим насыщения. При котором: —транзистор открыт, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении U<0,U<0 —напряжение U и U насыщенного транзистора составляет доли вольта —максимальный ток транзистора (ток насыщения) I, практически не зависит от параметров транзистора I= (3. 1) —сопротивление транзистора постоянному току минимально (десятки ом) r= Коллекторный ток насыщения достигается при граничном токе базы I==. (3.2) Глубина или степень насыщения транзистора определяется коэффициентом насыщения S S=. 1. Операционные усилители. Операционные усилители (ОУ) — это интегральные усилители постоянного тока с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления (КУ) и входным сопротивлением. В идеале ОУ должен иметь бесконечные КУ и входное сопротивление и не входить в насыщение. Современные ОУ близки по первым двум характеристикам к идеалу, но режима насыщения, к сожалению, избежать невозможно, не нарушая законов ©Кирхгофа. Реальный ОУ в настоящее время имеют входное сопротивление от 1 МОм до 1 ГОм, КУ — 10000…100000, и можно сказать, что эти величины стремятся к бесконечности, а их характеристики близки к идеальным. В этой главе мы представим реальный ОУ как идеальный, так как нас пока не интересуют ни частотные, ни температурные характеристики. Для начала примем несколько утверждений: 1. Т.к. КУ стремится к бесконечности, то любое бесконечно малое изменение разности входных напряжений приводит к бесконечно быстрому изменению выходного сигнала. 2. ОУ не входит в режим насыщения. 3. Входной ток ОУ равен 0. Таким образом, мы освобождаем рассматриваемую цепь от влияния динамических и статических параметров ОУ. Т.е. комплексное сопротивление ОУ (см. ниже) стремится к бесконечности. Оглавление 2. Принцип обратной связи. Для того, чтобы понять принцип отрицательной обратной связи (а именно ООС в основном используется в каскадах на ОУ), рассиотрим схему на рисунке. Положительная ОС используется в основном для создания генераторов, поэтому здесь не рассматривается. Итак, подаём на вход напряжение U1. Для простоты предположим, что выход схемы не нагружен. Т.к. входное сопротивлене ОУ бесконечно, в начальный момент времени можем получить U0 = U1 (?..) Ловким движением достаю кролика из шляпы: а вот и нет! Что же происходит с U0? Так же мгновенно, как U1, увеличивается U2, но с обратным знаком. Теперь см. выше — приращение выходного напряжения существует, пока разность напряжения на входах ОУ ненулевая. Понимаю, нет ни малейшего желания вспоминать старика Кирхгофа, но всё-таки потерпите: U1/R1 + U2/R2 = 0 ( закон Кирхгофа для токов ) U0 = 0 Именно при этом условии прирост напряжения U2 остановится. А произойдёт это, когда: U2 = — (U1 R2)/R1 Из этого получим КУ схемы: K = — R2/R1 U2 = K U1 Вот вам и сложная наука электроника! Это один важный вывод из применения закона Кирхгофа. Второй заключается в том, что U0 = 0 ( всегда ) В качестве «лирического отступления» скажу, что не нулю, а потенциалу неинвертирующего входа ОУ. И все остальные потенциалы тоже даны относительно того же входа. Это уже неявное применение метода узловых потенциалов — берём один из потенциалов схемы и приравниваем его к нулю. Вывод: упростив представление ОУ как схемотехнического элемента (см. п. 1), мы рассмотрели один из основополагающих принципов схемотехники на ОУ — принцип отрицательной обратной связи (ООС). Инвертирующий усилитель Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 3. По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком. 3. Эквивалентная схема полевого транзистора. Рис. 4. Эквивалентная схема полевого транзистора. Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выражены через у-параметры, приведен на рис. 4. При таком подключении каждая из проводимости имеет физический смысл. 4. Параметры полевого транзистора. Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор — исток уЗИ. = у11 + у12 ; выходная проводимость — проводимость участка сток — исток уСИ = у22 + у21 ; функции передачи — крутизной вольт-амперной характеристики S = у21 — у12 ; функция обратной передачи — проходной проводимостью уЗС = у12. Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора. Начальный ток стока IС.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока IС.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор — сток IЗСО — ток, протекающий в цепи затвор — сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор — исток I ЗИО — ток, протекающий в цепи затвор — исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами. Напряжение отсечки полевого транзистора UЗИ.отс — напряжение между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевого транзистора UЗИ.пор — напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Крутизна характеристик полевого транзистора S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Входная емкость полевого транзистора С11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и — емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и — емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО — емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор — исток СЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Коэффициент усиления по мощности Кур — отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения. 4.1. Частотные свойства. Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC — цепи затвора. Поскольку входная емкость С11и у транзисторов с р-п переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц. При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC — цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-п — переходом. Граничная частота определяется по формуле fгр.=159/С11и, где fгр = частота, МГц; S — крутизна характеристики транзистора, мА/В; С11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ. 4.2. Шумовые свойства. Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума КШ, который мало зависит от напряжения сток — исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 0 С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току UСИ, IC на определенной частоте. Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш — эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш — эквивалентный шумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком. 4.3. Тепловые параметры. Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора. Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях действие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры. На рис. 5. приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки. Рис. 5. Сток — затворные характеристики полевого транзистора при разных температурах. Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с р-п переходом приведена на рис. 6. рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры. В полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры. 4.4. Максимально допустимые параметры. Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение затвор — исток UЗИmax, затвор — сток UЗСmax, сток — исток UСИmax, максимально допустимое напряжение сток — подложка UСПmax, исток — подложка UИПmax, затвор — подложка U ЗПmax. Максимально допустимый постоянный ток стока I Сmax максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр)max, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Рmax. 4.5. Вольт – амперные характеристики полевых транзисторов. Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора со встроеным каналом n- типа: а – стоковые; б – стоко – затворные. Вольт — амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока I C от одного из напряжений UСИ или UЗИ при фиксированной величине второго. В МДП — транзисторе с индуцированным каналом с подложкой р-типа при UЗИ = 0 канал п-типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР < 0 за счет обеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид, изображенный на рис. 7, а стоко — затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока IC.НАЧ. Особенностью МДП — транзистора с индуцированным каналом п — типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения ( U ЗИ = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП — транзистор с встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рис. 7. У МДП — транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на вольт -амперные характеристики и соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию на проводимость канала подложка может выполнять функцию затвора. Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы р-п переход исток — подложка включался в обратном направлении. При этом р-п переход канал — подложка действует как затвор полевого транзистора с управляющим р-п переходом. 5. Рекомендации по применению полевых транзисторов. Рекомендации по применению полевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют вольт- амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS — генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкой частоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC — фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах. В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых транзисторов следует внести дополнения: 1. На затвор полевых транзисторов с р-п ( отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительным для транзистора с п — каналом). 2. Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального на выходе получаем радиоимпульс, причем длительностью радиоимпульса можно управлять, изменяя длительность и частоту повторения управляющего сигнала. В данном примере отношение времени наличия сигнала на выходе к времени его отсутствия составляет 50%. Принципиальным отличием второй схемы электронного ключа является наличие инвертора напряжения, выполненного на биполярном транзисторе КП814. Принцип его работы состоит в следующем: при наличии напряжения на управляющем входе биполярный транзистор открывается, и напряжение с источника питания стекает через резистор на землю – при отсутствии отрицательного напряжения на затворе полевого транзистора он открывается, и сигнал с входа проходит на усилитель. Таким образом в стационарном состоянии (при отсутствии сигнала на управляющем входе), в отличие от предыдущей, выключена и сигнал не пропускает. При появлении же отрицательного напряжения, наоборот, сигнал проходит. При тестировании мной использовался прямоугольный импульс частотой 20 КГц, амплитудой 7В, смещением -7В и отношением длительности импульса к времени повторения 70%. На выходе схемы получим: В третьей схеме аналогового ключа мной был использован полевой транзистор КП103 с управляющим n-p переходом и каналом p-типа. Его применение в данной схеме позволяет управлять работой устройства с помощью положительного прямоугольного импульса. В тесте был использован прямоугольный управляющий сигнал частотой 40 КГц, амплитудой 7В, со смещением +7В и отношением длины импульса к времени повторения 30%: На выходе операционного усилителя: Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем., М., Наука, 1972.

Динамические характеристик ключей на полевых транзисторах и повышение их быстродействия

Изобразим схему цифрового ключа на МОП-транзисторе с индуцированным каналом, стоковым резистором R_С и временные диаграммы его работы (рис.15.14). На схеме изображена емкость нагрузки С_Н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и U_CИ = Е_С. Если напряжение U_ЗИ больше порового значения U_{ЗИ ПОР} транзистора, то он открывается и напряжение U_СИ уменьшается до величины остаточного напряжения U_ВКЛ.

Напряжение U_ВКЛ зависит от сопротивления стока R_C, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_C, емкостью С_Н и частотными свойствами транзистора. Таким образом, быстродействие ключа на МОП-транзисторе во многом определяется не параметрами транзистора, а параметрами внешней цепи.

Повышение быстродействия такого ключа при заданных параметрах нагрузки (С_Н) может быть достигнуто увеличением управляющего напряжения U_ЗИ или уменьшением балластного сопротивления R_С в цепи стока, что часто бывает неприемлемым.

Рис.15.14. Ключ на МОП-транзисторе с индуцированном каналом и его временные диаграммы

Частично устранить отмеченные недостатки ключа с активной нагрузкой R_Cудается при замене этого резистора дополнительным МОП-транзистором, выполняющим для основного ключевого элемента роль нелинейного балластного сопротивления (рис.15.15).

Рис.15.15. Электронный ключ с нагрузочным МОП-транзистором

У транзистора VT₂соединены затвор и сток, поэтому он всегда будет находиться в насыщенном режиме, являясь генератором тока. Ток стока VT₂будет определяться напряжением сток-исток, причем зависимость имеет нелинейный характер. Чем выше напряжение сток-исток VT₂, тем меньше эквивалентное сопротивление транзистора VT₂, выполняющего роль балластного элемента в цепи стока на транзисторе VT₁. Это позволяет ускорить процесс перезаряда нагрузочной емкости и время изменения выходного напряжения в режимах, когда напряжение сток-исток VT₂ близко к напряжению питания.

Таким образом, применение вместо балластного резистора нагрузочного МОП-транзистора позволяет значительно повысить быстродействие ключа на МОП-транзисторе.

Следует отметить, что такое решение является более технологичным и упрощает изготовление транзисторных ключей, так как технологически проще выполнить два одинаковых МОП-транзистора, чем транзистор и высокоомный (десятки и сотни килом) резистор.

Недостатком рассмотренных ключей на МОП-транзисторах является то, что во включенном состоянии транзистора через ключ протекает постоянный ток, который пропорционален сопротивлению нагрузки в цепи стока транзистора. Вследствие этого, постоянная составляющая тока, протекающая через включенный транзистор, является бесполезной и лишь приводит к перегреву транзисторного ключа.

От указанного недостатка свободен ключ, выполненный на комплементарных (с каналами противоположной проводимости) МОП-транзисторах (рис.15.16). В этом ключе затворы обоих МОП-транзисторов соединены между собой и образуют входной вывод. Стоки соединяются вместе и образуют выходной вывод, а истоки совместно с подложками подключены соответственно к источнику питания и общей шине.

Рис.15.16. Ключ на комплементарных МОП-транзисторах

Когда входное напряжение близко к нулю, открыт VT₂, на входе напряжение, близкое к напряжению источника питания. При увеличении входного напряжения до пороговой величины, большей значения отпирания VT₁, соответственно VT₁насыщается, а VT₂ запирается. В этом случае выходное напряжение будет близко к нулю.

Уровень входного напряжения должен быть или достаточно высоким или низким, чтобы одновременно был открыт только один транзистор. Но если данное условие не выполняется, тогда оба транзисторы приоткрыты, т.е. находятся в промежуточном состоянии между отсечкой и насыщением и через них протекает так называемый сквозной ток. Если длительность переднего и заднего фронта входного импульса мала, то сквозной ток протекает короткое время, но и в этом случае он оказывает негативное влияние на работу схемы.

К достоинствам комплементарного ключа можно отнести то, что в каждом из двух установившихся режимов, т.е. в открытом и закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Вторым важным достоинством ключа является резкое отличие выходного напряжения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт) и выходного напряжения в закрытом состоянии (отличается от напряжения питания на микровольты). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.

Важным достоинством комплементарного ключа является его быстродействие. Оно объясняется тем, что разряд и заряд емкости нагрузки С_Н происходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор VT₁и заряжается через VT₂). При этом в начале заряда или разряда протекает большой ток, который быстро изменяет напряжение на емкости нагрузки.

В случае если входной сигнал поступает от такого же ключа, то с увеличением уровня входного напряжение увеличивается уровень отпирающего сигнала на соответствующем транзисторе и тем больше его отпирающий ток. Следовательно, чем больше напряжение питания, тем выше быстродействие комплементарного ключа.

Описанные достоинства – максимально высокое быстродействие при минимальной рассеиваемой мощности выгодно отличают КМОП-ключи от других ключей на полевых транзисторах. Совмещение в одном устройстве двух противоречивых требований является причиной широкого использования КМОП-ключей в устройствах цифровой и импульсной техники.

Ключи на полевых транзисторах

3. 1. Общая характеристика

Применительно
к использованию в качестве электронного
ключа следует отметить следующие
особенности полевых транзисторов.

• Управление
  электрическим полем предполагает
  управление напряжением, что, позволяет
  свести практически к нулю мощность,
  расходуемую на поддержание стационарных
  включенного и выключенного состояний.
  Поэтому теоретически в установившемся
  режиме коэффициенты передачи полевого
  транзистора по току и мощности стремятся
  к бесконечности.

• Полевой транзистор
  сохраняет свои характеристики при
  смене полярности напряжения, приложенного
  между выводами стока и истока. Поэтому
  коммутируемое напряжение ключевой
  схемы на полевых транзисторах может
  изменять свою полярность, т. е. ее
  статические характеристики передачи
  лежат в двух квадрантах.

• Так как ток полевого
  транзистора определяется только
  движением основных для полупроводника
  носителей заряда, то при его переключении
  принципиально, отсутствуют процессы,
  связанные с изменением объемного заряда
  неосновных носителей. Поэтому переходные
  процессы в полевом транзисторе
  обусловлены только процессами перезарядки
  соответствующих емкостей.

Указанные
особенности предопределяют все более
широкое применение полевых транзисторов
в различных электронных устройствах.
Однако в схемах коммутации эти несомненные
достоинства могут быть реализованы
только при учете специфических свойств
полевого транзистора. К этим свойствам,
в первую очередь, следует отнести
следующее.

• Полевой транзистор
  обладает худшими ключевыми свойствами
  по сравнению с биполярным, что выражается
  в больших уровнях остаточного напряжения
  и выходного сопротивления во включенном
  состоянии.

• Рис. 105	лц2рис0

  Выходная ВАХ полевого транзистора
  на начальном участке качественно
  отличается от аналогичной характеристики
  биполярного транзистора зависимостью
  производной

  от управляющего напряжения

  (рис. 105). Вследствие этого остаточное
  падение напряжения на включенном
  полевом транзисторе сильно зависит от
  значения управляющего напряжения. Для
  биполярного транзистора, находящегося
  в режиме насыщения, такая зависимость
  полностью отсутствует. Ослабить данный
  недостаток можно уменьшением рабочего
  тока стока, т. е. увеличением сопротивления
  нагрузки.

• При увеличении
  частоты коммутации значительно
  возрастает входной ток полевого
  транзистора, что обусловлено необходимостью
  перезаряда его входной емкости.
  Следовательно, коэффициент усиления
  по мощности с ростом частоты падает.

Таким
образом, полностью реализовать
преимущества схемы коммутации, выполненной
на полевых транзисторах, можно только
при невысоких частотах переключения и
использовании специальных схемотехнических
решений, позволяющих повысить скорость
перезаряда входной емкости транзистора.

Полевой
транзистор, может быть использован в
качестве электронного ключа для
коммутации цепей различного назначения.
При этом полевые транзисторы с управляющим
p-n переходом
обычно применяются в качестве ключа
аналоговых

сигналов. Ключи, выполненные на
полевых транзисторах с изолированным
затвором, нашли применение в импульсных
и цифровых устройствах.

На рис. 106 показана схема электронного
ключа, выполненного на МДП-транзисторе
с индуцированным каналом. Полярности
входного ()
и выходного ()
напряжений для транзистора этого типа
совпадают, поэтому данные транзисторы
широко используются в однополярных
схемах коммутации.

Показанная
на рисунке схема является схемой с общим
истоком. Резистор

в цепи стока выполняет роль балластного
сопротивления, ограничивающего ток
стока транзистора. Нагрузка в данной
схеме может подключаться параллельно
выводам стока и истока транзистора,
либо вместо резистора
.

Открытое
статическое состояние МДП-транзистора
обеспечивается при выполнении следующего
условия:

,

где

— некоторое пороговое напряжение.

Открытый
МДП-транзистор тем ближе к идеальному
замкнутому ключу, чем меньше на нем
падение напряжения, называемое остаточным
напряжением
.
Ток стока
,
протекающий через открытый транзистор,
практически полностью задается внешней
цепью:

.

Остаточное
напряжение может быть определено как
произведение тока стока на сопротивление
канала
,
поэтому можно утверждать, что остаточное
напряжение определяется отношением
сопротивления канала к сопротивлению
нагрузки:
.

Если
напряжение исток-затвор меньше порогового,
то МДП-транзистор находится в закрытом
состоянии. Степень приближения к
идеальному разомкнутому ключу в этом
случае определяет ток, текущий через
транзистор, называемый остаточным
током. Этот ток равен обратному току
p-n перехода
и не превышает долей мкА. Поэтому падением
напряжения на нагрузке можно пренебречь
и считать, что напряжение на закрытом
транзисторе равно напряжению питания.

Быстродействие
МДП-транзистора определяется двумя
факторами: перезарядом емкости затвора

и перезарядом межэлектродных емкостей.
Так как в ключевом режиме наблюдаются
большие перепады напряжений на затворе
и стоке транзистора, то может возникнуть
необходимость учета зависимости
указанных емкостей от напряжений.

Пусть в начальный момент времени
транзистор открыт и на нем падает
некоторое остаточное напряжение

(рис. 107). При подаче в момент времени

запирающего напряжения

ток в транзисторе за время
спадает
практически до нуля и транзистор
запирается. Одновременно начинается
заряд емкости нагрузки

от источника питания через сопротивление

.
Выходное напряжение ключа нарастает
по экспоненциальному закону:

.

Из данного выражения
можно определить длительность фронта
выходного напряжения:
.

При
подаче на затвор транзистора отпирающего
напряжения (момент
)
ток стока

со скоростью, определяемой постоянной
времени
,
достигнет максимального значения
.
Этим током начинает разряжаться емкость
нагрузки и напряжение на стоке транзистора
уменьшается. К моменту

ток стока уменьшится до установившегося
значения.

Длительность
спада выходного напряжения определяется
следующим выражением:
.
Так как
,
то длительность спада импульса выходного
напряжения существенно меньше длительности
его фронта.

Ключ на полевом транзисторе

Изготовление ключа на полевом транзисторе

Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:

1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

4) В итоге на текстолите появляется рисунок дорожек в зеркальном отображении. Если тонер местами плохо прилип к будущей плате, можно подправить огрехи в помощью женского лака для ногтей.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

После травления плата приобретает такой вид:

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:

Плата готова к запаиванию в неё деталей. Потребуются всего два резистора и транзистор.

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:

В качестве нагрузки для проверки работы схемы я взял два мощных резистора по 100 Ом, включенных параллельно.

Использовать устройство я планирую в связке с датчиком влажности (плата на заднем плане). Именно с него на схему ключа поступает управляющее напряжение 12 вольт. Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку.

Схема

Схема ключа на полевого транзистора представлена ниже:

Резистор R1 в ней является токоограничивающим, он нужен для того, чтобы уменьшить ток, потребляемый затвором в момент открытия, без него транзистор может выйти из строя. Номинал этого резистора можно спокойно изменять в широких пределах, от 10 до 100 Ом, это не скажется на работе схемы.

Резистор R2 подтягивает затвор к истоку, тем самым уравнивая их потенциалы тогда, когда на затвор не подаётся напряжение. Без него затвор останется «висеть в воздухе» и транзистор не сможет гарантированно закрыться. Номинал этого резистора также можно менять в широких пределах – от 1 до 10 кОм.

Транзистор Т1 – полевой N-канальный транзистор. Его нужно выбирать исходя из мощности, потребляемой нагрузкой и величины управляющего напряжения. Если оно меньше 7-ти вольт, следует взять так называемый «логический» полевой транзистор, который надёжно открывает от напряжения 3.3 – 5 вольт.

Их можно найти на материнских платах компьютеров. Если управляющее напряжение лежит в пределах 7-15 вольт, можно взять «обычный» полевой транзистор, например, IRF630, IRF730, IRF540 или любые другие аналогичные. При этом следует обратить внимание на такую характеристику, как сопротивление открытого канала.

Транзисторы не идеальны, и даже в открытом состоянии сопротивление перехода Сток – Исток не равно нулю. Чаще всего оно составляет сотые доли Ома, что совершенно не критично при коммутации нагрузки небольшой мощности, но весьма существенно при больших токах.

«N» на схеме – какая-либо нагрузка.

Недостатком ключа на транзисторе является то, что он может работать только в цепях постоянного тока, ведь ток идёт только от Стока к Истоку.

Электронные ключи и простейшие формирователи импульсов

Управление ключом на полевом транзисторе

Из-за того, что в открытом состоянии транзистор имеет очень малое сопротивление сток-исток, падение напряжения на нём мало. Именно поэтому имеет значение в какое «плечо» включать нагрузку. Например, для открытия полевого транзистора N-типа на затвор нужно подать положительное напряжение относительно истока – если при этом включить нагрузку в цепь истока, то напряжение на истоке будет равно:

Здесь R_отк. это сопротивление открытого транзистора. Так как данное сопротивление мало (десятки-сотни миллиом), если притянуть затвор к питанию, разница напряжений между затвором и истоком будет недостаточна для полного открытия транзистора даже при большом токе. Данное ограничение можно обойти используя разные источники для питания нагрузки и для управления затвором, но нужно чётко понимать как это работает.

Никогда не оставляйте затвор «болтаться» в воздухе – так как транзистор управляется «полем», на затворе могут наводиться помехи от окружающих электро-магнитных полей, поэтому желательно всегда притягивать его через большое сопротивление либо к питанию, либо к земле, в зависимости от схемы. Сказанное верно, даже если вы используете микроконтроллер для управления транзистором – это поможет избежать неопределённых состояний, когда управляющее устройство, например, перезагружается.

Наличие емкости на затворе создаёт бросок «зарядного» тока при открытии, поэтому для его ограничения рекомендуется ставить небольшой резистор в цепь затвора. Ограничив ток резистором вы также увеличите время открытия транзистора.

Для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки, добавляют быстрый защитный диод (TVS-диод), включённый параллельно истоку-стоку. Если имеется однонаправленный супрессор используется обратное включение, хотя допустимо также использовать двунаправленные TVS-диоды. Также, если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (индукционные нагреватели, импульсные источники питания и т.п.), то в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя.

Если вы планируете использовать полевой транзистор в качестве быстрого высокочастотного ключа иили для коммутации мощной или индуктивной нагрузки, необходимо использовать т.н. снабберные цепи – часть схемы, замыкающая токи переходных процессов на себя, уменьшая паразитный нагрев транзистора. Снаббер также защищает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах сток-исток.

Из-за того, что в открытом состоянии транзистор имеет очень малое сопротивление сток-исток, падение напряжения на нём мало. Именно поэтому имеет значение в какое «плечо» включать нагрузку. Например, для открытия полевого транзистора N-типа на затвор нужно подать положительное напряжение относительно истока – если при этом включить нагрузку в цепь истока, то напряжение на истоке будет равно:

Здесь R_отк. это сопротивление открытого транзистора. Так как данное сопротивление мало (десятки-сотни миллиом), если притянуть затвор к питанию, разница напряжений между затвором и истоком будет недостаточна для полного открытия транзистора даже при большом токе. Данное ограничение можно обойти используя разные источники для питания нагрузки и для управления затвором, но нужно чётко понимать как это работает.

Никогда не оставляйте затвор «болтаться» в воздухе – так как транзистор управляется «полем», на затворе могут наводиться помехи от окружающих электро-магнитных полей, поэтому желательно всегда притягивать его через большое сопротивление либо к питанию, либо к земле, в зависимости от схемы. Сказанное верно, даже если вы используете микроконтроллер для управления транзистором – это поможет избежать неопределённых состояний, когда управляющее устройство, например, перезагружается.

Наличие емкости на затворе создаёт бросок «зарядного» тока при открытии, поэтому для его ограничения рекомендуется ставить небольшой резистор в цепь затвора. Ограничив ток резистором вы также увеличите время открытия транзистора.

Для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки, добавляют быстрый защитный диод (TVS-диод), включённый параллельно истоку-стоку. Если имеется однонаправленный супрессор используется обратное включение, хотя допустимо также использовать двунаправленные TVS-диоды. Также, если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (индукционные нагреватели, импульсные источники питания и т.п.), то в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя.

Если вы планируете использовать полевой транзистор в качестве быстрого высокочастотного ключа иили для коммутации мощной или индуктивной нагрузки, необходимо использовать т.н. снабберные цепи – часть схемы, замыкающая токи переходных процессов на себя, уменьшая паразитный нагрев транзистора. Снаббер также защищает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах сток-исток.

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 3.17). Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики на биполярном транзисторе). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом транзисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

Иногда остаточным напряжением на ключе называют не то напряжение, которое соответствует нулевому току, а то, которое соответствует некоторому значительному току ключа. Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл на первый взгляд парадоксального утверждения, встречающегося у некоторых авторов и состоящего в том, что остаточное напряжение ключей на полевых транзисторах больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и поэтому «полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным». Кстати будет сказать, что наличие подобных на первый взгляд противоречивых утверждений полезно воспринимать как знак того, что выбор конкретного решения (в данном случае выбор для коммутации полевого или биполярного транзистора) следует осуществлять на основе всестороннего анализа.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления. Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы (рис. 3.18).

На схеме изображена емкость нагрузки С_н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и u_си= E_с. Если напряжение u_вх больше порогового напряжения U_{зи.порог} транзистора, то он открывается и напряжение u_си уменьшается.

Ключи на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом входят в состав различных микросхем серий 284, 504 и др.

Напряжение на ключе в его включенном состоянии U_вкл зависит от сопротивления стока R_c, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_c, емкостью С_н и частотными свойствами транзистора.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмотренным выше (ССЫЛКА), имеющим нагрузочный резистор. Транзистор Т₁ называют активным, а транзисторТ₂ — нагрузочным.

Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом u_вх u_{зи.порог1}. Транзистор Т₁ открыт и напряжение u_си1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т₂ близко к напряжению питания. В рассматриваемом состоянии транзистор Т₂ также открыт, при этом u_зи2= u_си2= Е_с. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора Т₂ была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T₁ .Именно поэтому в открытом состоянии ключа u_си1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50…100 мВ). Так как удельная крутизна транзистора Т₂ мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Схема цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах

Изобразим схему цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ, КМОП-ключ) (рис. 3.20).

Здесь использованы взаимодо­полняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т₂ с каналом p-типа. Обозначим через U_{зи.порог1} и U_{зи.порог2} пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т₁ и Т₂. Стоит обратить внимание, что каждое из указанных пороговых напряжений является положительным.

Пусть u_вх= 0, тогда, очевидно, транзистор T₁ закрыт, а транзистор Т₂ открыт. При этом u_сн1= Е_с, u_ис2= 0. Если u_вх> U_{зи.порогl}, тогда транзистор Т₁ открыт. Пусть, кроме того, u_вх> Е_с — U_{зи.порог2}, тогда транзистор Т₂ закрыт. При этом u_си1= 0, u_ис2= Е_с.

Надо отметить, что если Е_с

Эта схема получается из предыдущей при замене транзистора Т₁ резистором нагрузки, а источника питания — источником входного сигнала.

Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания, т. е. к точке с наибольшим потенциалом, для того чтобы p-n-переходы между подложкой и истоком и подложкой и стоком не открывались.

Транзистор этого аналогового ключа работает подобно тому, как работает транзистор Т₂ рассмотренного комплементарного ключа. Например, для отпирания транзистора необходимо, чтобы напряжение u_упр было малым.

Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное входное напряжение.

Двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах

Рассмотрим теперь двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах (рис. 3.22).
Ключ предназначен для передачи напряжения u_ас вывода А на вывод В или напряжение u_b с вывода В на вывод А. Предполагается, что эти напряжения находятся в пределах от 0 до +Е_n. Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют рассмотренный выше комплементарный ключ. Двунаправленный ключ открыт, когда u_упр= +Е_n. В этом случае по крайней мере один из транзисторов Т₃ и Т₄ открыт. Ключ закрыт, когда u_упр= 0.

Если схему изменить и на затворы транзисторов Т₃ и Т₄ подавать не только положительные, но и отрицательные напряжения, то ключ будет в состоянии работать не только при положительных, но и отрицательных напряжениях u_а и u_b.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором входят в состав микросхем серий 168, 547 и др., а на комплементарных транзисторах — в состав микросхем серий 590, 591, 176, 561, 1564.

Пособие по проектированию схем на полевых транзисторах

»Примечания по электронике

Полевые транзисторы

широко используются как в дискретных, так и в микросхемах, где они обеспечивают усиление по напряжению и высокие входные сопротивления.

Конструкция схемы полевого транзистора, полевого транзистора Включает:
Основы проектирования схемы полевого транзистора
Конфигурации схемы
Общий источник
Общий дренажный / истоковый повторитель
Общие ворота

Полевые транзисторы используются в схемотехнике, поскольку они способны обеспечить очень высокие уровни входного импеданса наряду со значительным усилением напряжения.

В отличие от биполярного транзистора, который является устройством с контролем тока, полевой транзистор управляется напряжением. Это приводит к тому, что конструкция схем на полевых транзисторах сильно отличается от конструкции схем на биполярных транзисторах.

Однако схемы с усилением по току и напряжению все еще могут быть спроектированы, и приняты аналогичные форматы схем.

Основы схемы полевого транзистора

При рассмотрении использования схемы полевого транзистора необходимо учитывать технологию полевого транзистора, и тип полевого транзистора будет наиболее подходящим.

Примечание по технологии полевых транзисторов:

Полевой транзистор FET — это трехконтактное устройство, обеспечивающее усиление по напряжению. Имея высокий входной импеданс, электрическое поле рядом с входным выводом, называемым затвором, изменяет ток, протекающий в так называемом канале между выводами, называемом истоком и стоком.

Подробнее о полевом транзисторе и принципах его работы

Полевой транзистор имеет три электрода:

• Источник: Источник — это электрод на полевом транзисторе, через который в канал попадают основные носители, т.е.е. at действует как источник носителей для устройства. Ток, поступающий в канал через источник, обозначается IS.
• Дренаж: Дренаж — это электрод полевого транзистора, через который большинство носителей покидают канал, т.е. они выводятся из канала. Обычный ток, поступающий в канал через сток, обозначается буквами ID. Также напряжение от стока к источнику часто обозначается буквами VDS

.

• Gate: Gate — это терминал, который контролирует проводимость канала, следовательно, уровень напряжения на затворе управляет током, протекающим на выходе устройства.

Обозначение соединительной схемы полевого транзистора

Расчетные параметры схемы полевого транзистора

При разработке схемы на полевом транзисторе необходимо определить основные требования к схеме. Они будут определять многие решения, касающиеся типа используемой топологии схемы, а также типа используемого полевого транзистора.

В требованиях к конструкции транзисторной схемы может быть ряд параметров:

• Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по напряжению часто является ключевым требованием.Это напряжение выходного сигнала, деленное на напряжение входного сигнала.
• Коэффициент усиления по току: Это коэффициент усиления схемы полевого транзистора по току. Может потребоваться подать на нагрузку ток высокого уровня.
• Входное сопротивление: Это импеданс, который будет видеть предыдущий каскад, когда он подает сигнал на эту рассматриваемую схему полевого транзистора. Полевые транзисторы по своей природе имеют высокое входное сопротивление затвора, и поэтому полевые транзисторы часто используются там, где это имеет первостепенное значение.
• Выходное сопротивление: Выходное сопротивление также важно. Если схема на полевом транзисторе управляет схемой с низким импедансом, то ее выход должен иметь низкий импеданс, в противном случае на выходном каскаде транзистора произойдет большое падение напряжения.
• Частотная характеристика: Частотная характеристика — еще один важный фактор, который влияет на конструкцию схемы полевого транзистора. Конструкции схем низкочастотных или звуковых транзисторов могут отличаться от схем, используемых для радиочастотных приложений.Кроме того, на выбор номиналов полевого транзистора и конденсатора в конструкции схемы будет сильно влиять требуемая частотная характеристика.
• Напряжение и ток питания: Во многих цепях напряжение питания определяется тем, что доступно. Также может быть ограничен ток, особенно если готовая схема на полевом транзисторе должна питаться от батареи.

Типы полевых транзисторов для схемотехники

Поскольку существует несколько различных типов полевых транзисторов, которые можно использовать, необходимо определить по крайней мере некоторые из полевых транзисторов, которые могут использоваться в процессе проектирования схемы.

В таблице ниже описаны некоторые из различных типов и характеристик, с которыми можно встретиться.

При проектировании схемы полевого транзистора сначала необходимо выбрать требуемый тип полевого транзистора.Факторы, включая базовый тип полевого транзистора, включая то, является ли он транзисторным полевым транзистором или полевым МОП-транзистором или другим типом, а также тип режима и другие факторы, должны быть определены до того, как можно будет приступить к проектированию схемы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем

Возврат в меню проектирования схем.. .

Полевые транзисторы — обзор

9.1.1 Геометрическая масштабируемость

Ширина и длина полевого транзистора (FET) являются ключевыми переменными, доступными разработчикам схем для оптимизации характеристик схемы. Полностью обедненный кремний на изоляторе (FDSOI) представляет собой строгальную технологию, поэтому ширину можно плавно изменять, в отличие от FinFET, где ширина задается целыми числами (одно ребро, два ребра и т. Д.). Поскольку технологии FDSOI нацелены на аналоговые и радиочастотные (RF) приложения, литография обычно настраивается для обеспечения непрерывного диапазона длин.Чтобы воспользоваться этой гибкостью конструкции, модель должна точно воспроизводить характеристики устройства для любого сочетания длины и ширины.

BSIM-IMG имеет обширную физику, встроенную в уравнения для эффектов масштабирования длины канала. Для чисто цифровой модели, которая должна быть точной только для вытянутой длины в диапазоне от минимальной до нескольких точек сетки, плюс технологический вариант L , этого может оказаться достаточно. Тем не менее, промышленный разработчик моделей, который должен покрывать расстояние от минимума менее 30 нм до максимума более микрона с точностью, требуемой разработчиками аналоговых и радиочастотных устройств, почти всегда обнаружит, что модель не может достаточно точно соответствовать по всей длине.

Компактная модель всегда должна быть компромиссом между, включая всю физику, и обеспечением быстрого моделирования. В конкретной конструкции устройства упущенные или упрощенные физические данные могут быть достаточно важными, чтобы потребовать более обширного рассмотрения. Поскольку BSIM-IMG является стандартной отраслевой моделью, поддерживаемой коалицией компактных моделей Si2 (CMC), существует механизм для предложения, разработки, тестирования и внедрения изменений модели. По этой причине членами CMC являются большинство литейных производств и поставщиков средств автоматизации проектирования электроники (EDA), а также многие компании без заводов.

Вероятно, наиболее частой причиной несоответствия по длине является печать ворот. Модель регулирует длину, указанную в списке соединений, с помощью дельты L и даже обеспечивает корректировку дельты L для печати на основе геометрии устройства.

Lnew = L + XL

LLLN = Lnew − LLN

LLWN = Lnew − WLN

LWLLN − LWN = LLLN × WLWN

dLIV = LINT + LL × LLLN + LW × WLWN + LWN × LWN

Leff = Lnew – 2.0 × dLIV

Используя эти параметры модели, можно улучшить соответствие токов и емкости вытянутой длине, особенно для самых коротких отрезков.

Однако это аналитические функции, которые производят плавное монотонное изменение в L и W . Формирование рисунка с номинальной длиной затвора 28 нм или меньше с использованием литографии с длиной волны 193 нм [1] требует коррекции оптического приближения и использования методов повышения разрешения, таких как вспомогательные функции субразрешения [2]. Это прерывистые процессы, вызывающие немонотонное и даже прерывистое изменение дельты L в зависимости от нарисованного L , особенно для более длинных устройств, представляющих интерес для разработчиков аналоговых и маломощных радиочастотных схем.

Разработчик модели также часто сталкивается с другими геометрическими эффектами в процессе, которые вызывают различия в поведении устройства. Часто невозможно определить точный задействованный механизм, и лучшее, что может сделать разработчик модели, — это охарактеризовать изменение как одну из физических характеристик полевого транзистора, например, подвижность или последовательное сопротивление.

Для вариаций печати, которые не могут быть смоделированы, и для других наблюдаемых геометрических эффектов у разработчика моделей есть два варианта.Один из них — использовать параметры разбиения модели либо как полностью разбитую модель, либо как дополнительную глобальную вариацию в уравнениях модели. Другой — встроить в карточку модели уникальные уравнения или даже справочные таблицы, которые корректируют параметры модели с учетом геометрических изменений, которые не моделируются.

Механизм биннинга Модель короткоканального транзистора с изолированным затвором Беркли для независимых многополюсных вентилей (BSIM-IMG) аналогична таковой в других моделях BSIM от Калифорнийского университета в Беркли. Каждый параметр с возможностью бина рассчитывается как константа плюс три геометрических члена.

(9.1) PARAMi = PARAM + LPARAM / Leff + WPARAM / Weff + PPARAM / (Weff × Leff)

На рис. 9.1 показан пример разделения пространства L × W на шесть бункеров. В каждом углу бункера есть полевой транзистор, который измеряется и устанавливается без геометрических масштабов. Параметры бин-модели из четырех моделей в четырех углах бина используются для решения уравнения. (9.1) для четырех параметров бина для этого бина. Структура уравнения гарантирует, что параметр бинированной модели будет иметь одинаковое значение в соседних интервалах для точек на границе между интервалами.Например, бункеры 1 и 2 имеют одинаковое значение для каждого параметра бина на L и W полевого транзистора 2, а также полевого транзистора 6 по конструкции. Параметры без объединения имеют одинаковое значение во всех ячейках, поэтому ячейки 1 и 2 дают точно такую ​​же модель в этих точках. Изучая уравнение. (9.1) читатель может видеть, что это будет верно для каждой точки на линии от FET 2 до FET 6.

Рисунок 9.1. Разделение места L — W для модели с бункером.

Одно из главных преимуществ бининговых моделей состоит в том, что модели с единственной геометрией для углов бункеров могут быть легко подогнаны.Тогда полная биннинговая модель может быть построена с помощью простого алгоритма. Соответствие данным по углам ячеек обычно довольно хорошее. Однако из-за того, что уравнение биннинга не включает в себя физику, транзисторы в точках внутри бинов могут не подходить особенно хорошо. И хотя этот метод обеспечивает непрерывность через границы бинов, он не гарантирует монотонности или физически разумных кривых по сравнению с L или W . В общем, построение хороших бинированных моделей требует применения дополнительных ограничений на значение бинированных параметров в каждой из подгонок одной геометрии.

Разработчики моделей часто обрабатывают параметры разбиения ( L _PARAM и т. Д.) Как дополнительные параметры глобального масштабирования. Например, если насыщение скорости не может быть адекватно подогнано с помощью масштабирования L , встроенного в модель, параметр LVSAT может использоваться, чтобы дать разработчику модели дополнительную степень свободы в модели. Это особенно полезно для зависимости W SiGe-канала полевого транзистора p-типа (pFET), где ширина активной области может иметь очень сильное влияние посредством модуляции механического напряжения.

В крайнем случае, разработчик моделей может включить расчеты в карточку модели. Это добавляет сложности и создает риск того, что модели могут не работать одинаково в симуляторах от разных поставщиков EDA. Но это дает моделисту практически неограниченную свободу подгонять любое геометрическое поведение устройства. Это часто необходимо для моделирования эффекта локальной компоновки, обсуждаемого далее в этой главе.

Полевой транзистор

— обзор

Входные каскады полевых транзисторов

Полевые транзисторы

(FET) имеют гораздо более высокое входное сопротивление, чем биполярные переходные транзисторы (BJT), и поэтому могут быть идеальными устройствами для входных каскадов операционных усилителей.Однако они не могут быть изготовлены на всех процессах биполярных ИС, и когда процесс позволяет их производство, у них часто возникают собственные проблемы.

Полевые транзисторы

обладают высоким входным сопротивлением, низким током смещения и хорошими высокочастотными характеристиками. (В операционном усилителе более низкий g _m полевых транзисторов допускает более высокие хвостовые токи, тем самым увеличивая максимальную скорость нарастания напряжения.) Полевые транзисторы также имеют гораздо более низкий токовый шум.

С другой стороны, входное напряжение смещения пар полевых транзисторов с длинными хвостами не так хорошо, как смещение соответствующих BJT, и подстройка для минимального смещения одновременно не минимизирует дрейф.Для дрейфа требуется отдельная подстройка, и в результате смещение и дрейф в операционном усилителе с полевым транзистором с полевыми транзисторами, хотя и хороши, но не так хороши, как лучшие биполярные транзисторы. Упрощенная процедура подстройки входного каскада операционного усилителя на полевых транзисторах показана на рисунке 1-26.

Рисунок 1-26. Входной каскад операционного усилителя с полевым транзистором (JFET) с подстройкой смещения и дрейфа

Операционные усилители с полевым транзистором на полевых транзисторах (JFET) можно сделать с очень низким шумом напряжения, но задействованные устройства очень большие и имеют довольно высокую входную емкость, которая зависит от входа. напряжение, и поэтому существует компромисс между шумом напряжения и входной емкостью.

Ток смещения операционного усилителя на полевом транзисторе — это ток утечки диффузионного затвора (или утечка защитного диода затвора, который имеет аналогичные характеристики для полевого МОП-транзистора). Такие токи утечки удваиваются с увеличением температуры кристалла на каждые 10 ° C, так что ток смещения операционного усилителя на полевых транзисторах в тысячу раз больше при 125 ° C, чем при 25 ° C. Очевидно, это может быть важно при выборе между операционным усилителем с биполярным или полевым транзистором, особенно в высокотемпературных приложениях, где входной ток смещения биполярного операционного усилителя фактически уменьшается.

До сих пор мы говорили в основном обо всех типах полевых транзисторов, то есть о переходах (JFET) и MOS (MOSFETS). На практике операционные усилители с комбинированной биполярной / JFET-технологией (т. Хотя ADI и другие производят высокопроизводительные операционные усилители с входными каскадами MOS или CMOS, в целом эти операционные усилители имеют худшие смещение и дрейф, шум напряжения и высокочастотные характеристики, чем биполярные аналоги. Потребляемая мощность обычно несколько ниже, чем у биполярных операционных усилителей с сопоставимой или даже лучшей производительностью.

Устройства с JFET

требуют большего запаса по сравнению с BJT, поскольку их напряжение отсечки обычно больше, чем напряжение база-эмиттер BJT. Следовательно, их труднее работать при очень низких напряжениях питания (1-2 В). В этом отношении КМОП имеет то преимущество, что требует меньшего запаса по сравнению с полевыми транзисторами.

Анализ полевого МОП-транзистора как переключателя со схемой, пример

В этом руководстве мы узнаем о работе полевого МОП-транзистора в качестве переключателя. В учебном пособии по MOSFET мы познакомились с основами MOSFET, его типами, структурой, а также с некоторыми приложениями MOSFET.

Одним из важных применений полевого МОП-транзистора в области силовой электроники является то, что он может быть сконфигурирован как простой аналоговый переключатель. С помощью таких аналоговых переключателей цифровые системы могут управлять потоком сигналов в аналоговых цепях.

Прежде чем вдаваться в подробности того, как полевой МОП-транзистор действует как переключатель, позвольте мне кратко рассказать вам об основах работы полевого МОП-транзистора, его рабочих областях, внутренней структуре и т. Д. Для получения дополнительной информации о полевых МОП-транзисторах прочтите Учебное пособие по полевым МОП-транзисторам.

Введение в MOSFET

Полевой транзистор MOSFET или металл-оксид-полупроводник, в отличие от биполярного переходного транзистора (BJT), является униполярным устройством в том смысле, что он использует только большинство носителей в проводимости.

Это тип полевого транзистора с изолированным затвором от канала (поэтому иногда его называют полевым транзистором с изолированным затвором или IGFET), а напряжение на выводе затвора определяет проводимость.

Говоря о терминалах, полевой МОП-транзистор обычно представляет собой трехполюсное устройство, а именно: затвор (G), источник (S) и сток (D) (хотя есть четвертый терминал под названием «Субстрат» или «Корпус», он обычно не используется. в входном или выходном соединении).

MOSFET Symbol

MOSFET

можно разделить на MOSFET расширенного типа и MOSFET с истощением. Каждый из этих типов далее делится на MOSFET с N-каналом и MOSFET с P-каналом.

Символы для каждого из этих типов полевых МОП-транзисторов показаны на изображении ниже.

Основное различие между MOSFET в режиме улучшения и MOSFET в режиме истощения состоит в том, что в режиме истощения канал уже сформирован, т. Е. Он действует как нормально замкнутый (NC) переключатель, а в случае режима улучшения канал не формируется. изначально я.е., нормально разомкнутый (NO) переключатель.

Структура полевого МОП-транзистора

Структура полевого МОП-транзистора варьируется в зависимости от области применения, т. Е. Полевые МОП-транзисторы в технологии ИС расположены довольно горизонтально, в то время как структура силовых полевых МОП-транзисторов больше похожа на вертикальный канал. Независимо от области применения, полевой МОП-транзистор имеет в основном три терминала: затвор, сток и источник.

Если мы рассмотрим N-канальный MOSFET, и исток, и сток состоят из n-типа, которые находятся на подложке P-типа.

Работа полевого МОП-транзистора

Давайте теперь попробуем понять, как работает полевой МОП-транзистор с n-канальным расширением.Для пропускания тока стока между областями стока и истока полевого МОП-транзистора должен быть канал.

Канал создается, когда напряжение между выводами затвора и истока V _GS превышает пороговое напряжение V _TH .

Когда V _GS > V _TH , устройство считается находящимся в области триода (или постоянного сопротивления) или области насыщения в зависимости от напряжения на выводах стока и истока V _DS .

Для любого V _GS , если V _DS GS — V _TH , то устройство находится в области триода (также известной как область постоянного сопротивления или линейная область).Если V _DS > V _GS — V _TH , то устройство переходит в область насыщения.

Когда V _GS TH , устройство находится в выключенном состоянии. Ток затвора в обоих режимах работы очень мал (почти равен нулю). Следовательно, MOSFET известен как устройство, управляемое напряжением.

Кривая характеристик полевого МОП-транзистора

На изображении ниже показана характеристическая кривая полевого МОП-транзистора в трех рабочих областях. Он отображает ток стока I _D в зависимости от напряжения стока в источник V _DS для данного напряжения затвор-источник V _GS .

Области работы полевого МОП-транзистора

На основании вышеупомянутой работы полевого МОП-транзистора можно сделать вывод, что полевой МОП-транзистор имеет три зоны действия. Это:

• Область отсечки
• Линейная (или триодная) область
• Область насыщения

MOSFET работает в области отсечки, когда V _GS TH . В этой области полевой МОП-транзистор находится в выключенном состоянии, поскольку между стоком и истоком нет индуцированного канала.

Для индуцируемого канала и работы полевого МОП-транзистора либо в линейной области, либо в области насыщения, V _GS > V _TH .

Напряжение смещения затвор-сток V _GD определяет, находится ли полевой МОП-транзистор в линейной области или в области насыщения. В обеих этих областях полевой МОП-транзистор находится во включенном состоянии, но разница в линейной области, канал является непрерывным, а ток стока пропорционален сопротивлению канала.

При переходе к области насыщения, поскольку V _DS > V _GS — V _TH , канал отсекает i.е., он расширяется, что приводит к постоянному току утечки.

Коммутация в электронике

Полупроводниковая коммутация в электронной схеме — один из важных аспектов. Полупроводниковые устройства, такие как BJT или MOSFET, обычно работают как переключатели, то есть они находятся либо в состоянии ВКЛ, либо в состоянии ВЫКЛ.

Характеристики идеального переключателя

Чтобы полупроводниковое устройство, такое как полевой МОП-транзистор, работало как идеальный переключатель, оно должно обладать следующими характеристиками:

• Во включенном состоянии не должно быть никаких ограничений на величину тока, которую он может нести.
• В состоянии ВЫКЛ. Не должно быть ограничений по напряжению блокировки.
• Когда устройство находится во включенном состоянии, падение напряжения должно быть нулевым.
• Сопротивление в выключенном состоянии должно быть бесконечным.
• Скорость работы устройства не имеет ограничений.

Практические характеристики переключателя

Но мир не идеален, и он применим даже к нашим полупроводниковым переключателям. В практической ситуации полупроводниковый прибор, такой как MOSFET, имеет следующие характеристики.

• Во включенном состоянии возможности управления мощностью ограничены, т. Е. Ограничен ток проводимости. Блокирующее напряжение в выключенном состоянии также ограничено.
• Конечное время включения и выключения, ограничивающее скорость переключения. Максимальная рабочая частота также ограничена.
• Когда устройство включено, будет конечное сопротивление в включенном состоянии, что приведет к прямому падению напряжения. Также будет конечное сопротивление в выключенном состоянии, что приведет к обратному току утечки.
• Практичный переключатель испытывает потерю мощности во время включения, выключения, а также во время переходного состояния (включено в выключенное или выключено во включенное).

Работа полевого МОП-транзистора как переключателя

Если вы понимали, как работает полевой МОП-транзистор и его рабочие области, вы, вероятно, догадались бы, как полевой МОП-транзистор работает как переключатель. Мы поймем работу полевого МОП-транзистора как переключателя, рассмотрев простой пример схемы.

Это простая схема, в которой полевой МОП-транзистор с N-канальным расширением включает или выключает свет.Чтобы использовать полевой МОП-транзистор в качестве переключателя, он должен работать в области отсечки и линейной (или триодной) области.

Предположим, что устройство изначально выключено. Напряжение между затвором и истоком, то есть V _GS , становится соответственно положительным (технически говоря, V _GS > V _TH ), полевой МОП-транзистор входит в линейную область, и переключатель находится в положении ON. Это заставляет свет включиться.

Если входное напряжение затвора равно 0 В (или технически TH ), полевой МОП-транзистор переходит в состояние отключения и выключается.Это, в свою очередь, выключит свет.

Пример полевого МОП-транзистора в качестве переключателя

Рассмотрим ситуацию, когда вы хотите цифровым образом управлять светодиодом мощностью 12 Вт (12 В при 1 А) с помощью микроконтроллера. Когда вы нажимаете кнопку, подключенную к микроконтроллеру, светодиод должен загореться. Когда вы нажмете ту же кнопку еще раз, светодиод должен погаснуть.

Очевидно, что напрямую управлять светодиодом с помощью микроконтроллера нельзя. Вам нужно устройство, которое устраняет разрыв между микроконтроллером и светодиодом.

Это устройство должно принимать управляющий сигнал от микроконтроллера (обычно напряжение этого сигнала находится в диапазоне рабочих напряжений микроконтроллера, например, 5 В) и подавать питание на светодиод, который в данном случае от источника питания 12 В. .

Я собираюсь использовать полевой МОП-транзистор. Настройка вышеупомянутого сценария показана на следующей схеме.

Когда логическая 1 (при условии, что микроконтроллер 5 В, логическая 1 — 5 В, а логическая 0 — 0 В) подается на затвор полевого МОП-транзистора, он включается и пропускает ток стока.В результате загорается светодиод.

Точно так же, когда логический 0 подается на затвор полевого МОП-транзистора, он выключается и, в свою очередь, выключает светодиод.

Таким образом, вы можете управлять мощным устройством в цифровом виде с помощью микроконтроллера и полевого МОП-транзистора.

Важное примечание

Важным фактором, который следует учитывать, является рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора. Рассмотрим полевой МОП-транзистор с сопротивлением сток-исток 0,1 Ом. В приведенном выше случае, то есть светодиод мощностью 12 Вт, управляемый источником питания 12 В, приведет к току стока 1 А.

Следовательно, мощность, рассеиваемая полевым МОП-транзистором, равна P = I ² * R = 1 * 0,1 = 0,1 Вт.

Это кажется низким значением, но если вы управляете двигателем с использованием того же полевого МОП-транзистора, ситуация немного иная. Пусковой ток (также называемый пусковым током) двигателя будет очень высоким.

Таким образом, даже при RDS 0,1 Ом мощность, рассеиваемая во время запуска двигателя, все равно будет значительно выше, что может привести к тепловой перегрузке. Следовательно, R _DS будет ключевым параметром при выборе полевого МОП-транзистора для вашего приложения.

Кроме того, при управлении двигателем обратная ЭДС является важным фактором, который необходимо учитывать при проектировании схемы.

Одним из основных преимуществ управления двигателем с помощью полевого МОП-транзистора является то, что входной сигнал ШИМ может использоваться для плавного управления скоростью двигателя.

Заключение

Полное руководство для начинающих по MOSFET как коммутатору. Вы узнали некоторые важные основы MOSFET (его внутреннюю структуру и области действия), идеальный и практический полупроводниковый переключатель, работу MOSFET в качестве переключателя и пару примеров схем.

10.2: Измерение основных транспортных свойств полевых транзисторов

Типичные характеристики V-I полевых транзисторов

Развертка напряжения — отличный способ узнать об устройстве. На рисунке \ (\ PageIndex {10} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, ID для n-канального JFET. Характеристики V-I имеют четыре различных региона. Анализ этих областей может предоставить важную информацию о характеристиках устройства, таких как напряжение отсечки, VP, усиление прозрачности, gm, сопротивление канала сток-исток, RDS и рассеиваемая мощность, PD.

Рисунок адаптирован из Electronic Tutorials (www.electronic-tutorials.ws).

Омическая область (линейная область)

Эта область ограничена VDS

\ [R_ {DS} \ = \ \ frac {\ Delta V_ {DS}} {\ Delta I_ {D}} \ = \ \ frac {1} {g_ {m}} \ label {1} ​​\]

\ [g_m \ = \ \ frac {\ Delta I_ {D}} {\ Delta V_ {DS}} \ = \ \ frac {1} {R_ {DS}} \ label {2} \]

Область насыщенности

Это область, в которой JFET полностью включен. Максимальный ток протекает для данного напряжения затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {3}, где ID — ток стока, IDSS — максимальный ток, VGS — напряжение затвор-исток, а VP — напряжение отсечки.Решение для напряжения отсечки приводит к \ ref {4}.

\ [I_ {D} \ = \ I_ {DSS} (1 \ — \ frac {V_ {GS}} {V_ {P}}) \ label {3} \]

\ [V_ {P} \ = \ 1 \ — \ \ frac {V_ {GS}} {\ sqrt {\ frac {I_D} {I_ {DSS}}}} \ label {4} \]

Область разбивки

Эта область характеризуется резким увеличением тока. Подаваемое напряжение сток-исток превышает предел сопротивления полупроводникового канала, в результате чего транзистор выходит из строя и протекает неконтролируемый ток.

Область отсечения (область отсечения)

В этой области напряжения затвор-исток достаточно, чтобы ограничить поток через канал, по сути, отсекая ток стока.{2} / R_ {DS} \ label {5} \]

V-I характеристики p-канального JFET ведут себя аналогично, за исключением того, что напряжения меняются местами. В частности, точка отсечки достигается, когда напряжение затвор-исток увеличивается в положительном направлении, а область насыщения достигается, когда напряжение сток-исток увеличивается в отрицательном направлении.

Типичные характеристики V-I полевых МОП-транзисторов

На рисунке \ (\ PageIndex {11} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, I _D для идеального n-канального полевого МОП-транзистора.Подобно JFET, V-I характеристики MOSFET имеют отдельные области, которые предоставляют ценную информацию о транспортных свойствах устройства.

Рисунок адаптирован из Electronic Tutorials (www.electronic-tutorials.ws).

Омическая область (линейная область)

n-канальный усовершенствованный MOSFET ведет себя линейно, действуя как переменный резистор, когда напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение, а напряжение сток-исток больше, чем напряжение затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {6}, где ID — ток стока, VGS — напряжение затвор-исток, VT — пороговое напряжение, VDS — напряжение сток-исток, а k — геометрическое коэффициент, описываемый как \ ref {7}, где µ _n — эффективная подвижность носителей заряда, C _OX — емкость оксида затвора, W — ширина канала, а L — длина канала.{2} \ label {8} \]

Решение для порогового напряжения VT приводит к \ ref {9}.

\ [V_ {T} \ = \ V_ {GS} \ — \ \ sqrt {\ frac {I_ {D}} {k}} \ label {9} \]

Область отсечения (область отсечения)

Когда напряжение затвор-исток, VGS, ниже порогового напряжения VT, носители заряда в канале недоступны, «перекрывая» поток заряда. Рассеяние мощности для полевых МОП-транзисторов также можно решить с помощью уравнения 6 в любой области, как в случае полевого транзистора.

FET V-I Сводка

Типичные ВАХ для всего семейства полевых транзисторов, показанных на рисунке \ (\ PageIndex {11} \), показаны на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \) График ВАХ для различных типов полевых транзисторов. По материалам P. Horowitz и W. Hill, в Art of Electronics, Cambridge University Press, New York, 2 ^nd Edn., 1994.

Из рисунка \ (\ PageIndex {12} \) видно, как схемы легирования, которые приводят к усилению и истощению, смещены вдоль оси VGS. Кроме того, из графика можно определить состояние ВКЛ или ВЫКЛ для заданного напряжения затвор-исток, где (+) положительно, (0) равно нулю, а (-) отрицательно, как показано в Таблице \ (\ PageIndex {1} \).

Схемы полевых транзисторов, май 1967 г. Electronics World

Если вы только вводите
области электроники, концепции, представленные в этой статье полувековой давности для
основные полевые транзисторы по-прежнему актуальны. Значительные улучшения есть
сделано с тех пор, но основы остаются в силе. Один из самых полезных предметов в
Эта статья представляет собой Таблицу 1, в которой сравниваются и противопоставляются вакуумные лампы, биполярный переход
транзисторы и полевые транзисторы.Рассматриваемые темы включают общие свойства
полевых транзисторов, повторителей источников (а-ля повторителей эмиттеров в BJT), усилителей с общим истоком
(как усилители с общим эмиттером в биполярных транзисторах), генератор Миллера, комбинации
Полевые транзисторы и биполярные транзисторы, а также стробируемый амплитудный модулятор.

Схемы на полевых транзисторах

Джозеф Х. Вуджек-младший и Макс Э. МакГи

Группа из шести простых и недорогих схем, которые иллюстрируют многие принципы.
работы полевого транзистора.

Рис. 1 — Табличное сравнение ламп, транзисторов и полевых транзисторов.

Рис. 2 — Схема исток-повторитель вместе с частотной характеристикой.

Рис. 3 — Схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком и характеристика.

Рис. 4 — Схема генератора Миллера.

Рис. 5 — Пара полевой транзистор / транзистор имеет усиление и высокое входное сопротивление.

Рис. 6 — Схема расширителя импульсов с полевым транзистором и транзисторами.

Одним из важнейших новых полупроводниковых устройств является полевой транзистор.
(FET). В этой статье описываются шесть недорогих схем, которые могут быть построены для демонстрации
важные свойства полевых транзисторов. Используются полевые транзисторы с р-каналом U-110 и / или U-112.
в обсуждаемых схемах и относительно невысокая цена. Siliconix предлагает
U-110 и U-112 вместе в пакете по 2 доллара.75. У-110 можно оставить в одиночестве для
1 доллар США по этому предложению. Полевые транзисторы промышленного типа, U-146 и U-147, немного
выше в цене. В качестве биполярных транзисторов используются эпоксидные устройства General Electric.
которые продаются по цене от 0,50 до 1 доллара за штуку.

Общие свойства полевого транзистора

Для удобства сходства
среди электронных ламп, транзисторов и полевых транзисторов показаны на рис. 1. Мы должны признать
внутренние различия, которые существуют между электронными лампами, транзисторами и полевыми транзисторами
и таблица служит только для помощи в указании полярностей предубеждений.

Полевой транзистор похож на вакуумную лампу тем, что сопротивление, смотрящее в затвор
очень высока и может составлять порядка сотен МОм. Кроме того, полевой транзистор — это
устройство с низким уровнем шума, лучше, чем биполярные транзисторы, и конкурирует с электронными лампами.
С другой стороны, полевые транзисторы похожи на транзисторы по токам утечки, которые протекают
между их электродами, когда устройство отключено.

Последователь Источника

Схема истокового повторителя аналогична катодному повторителю на электронных лампах.
или транзисторный эмиттер-повторитель.Мы можем ожидать аналогичного поведения от этих схем.
так оно и есть. Таким образом, у нас высокий входной импеданс, относительно низкий выходной импеданс,
и коэффициент усиления по напряжению, который можно сделать очень близким к единице.

На рис.2 показана простая схема истокового повторителя и характеристики полосы пропускания.
получается с двумя разными полевыми транзисторами. Резистор 2 МОм устанавливает затвор.
смещения и аналогичен резистору утечки сетки, используемому в ламповой работе. Однако этот резистор
должен быть достаточно маленьким, чтобы увеличился ток утечки между затвором и
источник не изменит кардинально предвзятость.Для У-110 и У-112 утечка
между затвором и источником при комнатной температуре порядка 5 наноампер (5 x 10 ^-9
amp), поэтому резистор на 1 или 2 МОм будет достаточным.

При повышенных температурах увеличение тока утечки приведет к тому, что
резистор меньшего размера, чтобы уменьшить изменения смещения с током утечки. Это
можно смещать полевые транзисторы так, чтобы получился очень небольшой температурный дрейф.

Усилитель с общим источником

Схема с общим истоком аналогична транзистору с общим эмиттером и общим катодом.
ламповые схемы.Опять же, свойства этой схемы аналогичны транзистору.
и ламповые аналоги. Входное и выходное сопротивление имеют промежуточное значение и
может быть реализовано усиление по напряжению больше единицы.

На рис. 3 показаны схема с общим источником и диаграмма полосы пропускания, полученная с использованием
либо полевой транзистор U-110, либо U-112.

Генератор Миллера

Очень высокий входной импеданс полевого транзистора позволяет нам построить простую схему Миллера.
осциллятор рис.4. Высокое сопротивление схемы затвора приводит к небольшой нагрузке.
кристалла. Комбинация LC в контуре стока настроена так, чтобы слегка резонировать
ниже параллельного резонанса кристалла. Для рассматриваемого типа устройств
В этой статье верхний предел работы по частоте составляет всего несколько мегагерц.
Для кристаллов, отличных от показанного блока 512 кГц, необходимо изменить комбинацию LC.
соответственно.

Выход генератора не выдержит большой нагрузки, но источник-повторитель
Схема может использоваться в качестве драйвера для обеспечения низкого выходного сопротивления без нагрузки
ступень генератора чрезмерно.Учитывая различия в типах полевых транзисторов и деталях компоновки,
также может потребоваться некоторая модификация сети LC. Для тестируемой схемы
«чистые» колебания наблюдались для четырех типов полевых транзисторов, указанных на рисунке.
без перенастройки схемы и при напряжении питания от 6 до 22 вольт.

Пара полевых транзисторов / транзисторов

Схема, которая работает как улучшенный повторитель-источник или повторитель-эмиттер.
показан на рис.5. Полевой транзистор снова обеспечивает очень высокое входное сопротивление, в то время как
транзисторный выход обеспечивает низкий выходной импеданс. В отличие от последователя-источника или ведомого-эмиттера,
эта схема может быть построена так, чтобы коэффициент усиления по напряжению был больше единицы. Это выполнено
резистором в цепи обратной связи, как показано на рис. 5A (внизу справа).

На рис. 5В приведены характеристики полосы пропускания при использовании с коэффициентом усиления по напряжению, равным единице.
и с усилением по напряжению больше единицы. Полоса пропускания зависит от импеданса.
источника движения.При возбуждении испытательным генератором на 600 Ом верхние 3 дБ
точка составляет 2 МГц. Полоса пропускания уменьшается по мере увеличения импеданса источника возбуждения. В
на низких частотах входное сопротивление усилителя составляет около 100 МОм, а выходное сопротивление
сопротивление менее 2000 Ом.

На рис. 6 показан стретчер, который измеряет пиковую амплитуду импульса и удерживает
этот уровень напряжения на время, намного превышающее ширину импульса. Диаграмма
включает кнопку для подачи импульса, но, конечно, импульс может быть связан
из подходящего внешнего источника.

Транзисторы Q1 и Q3 обеспечивают преобразование импеданса и изолируют полевой транзистор от
как источник, так и нагрузка. При появлении входного импульса конденсатор заряжается
через Q1 и диод. По окончании входного импульса Q1 отключается, и
диод с обратным смещением. Входное сопротивление Q2 очень велико, так что заряд
утекает из конденсатора в основном за счет тока утечки через диод и конденсатор.
Затем полевой транзистор (Q2) представляет постоянный ток. уровень до Q3, который действует как драйвер вывода.На рис. 6 также показана длительность выходного сигнала, полученного с четырьмя различными полевыми транзисторами.
(Обратите внимание, что полевой транзистор подключен в обратном направлении, чтобы сделать сток отрицательным.)

Постоянная времени может быть увеличена за счет использования полевого транзистора с очень низкой утечкой затвора.
и выбрав диод и конденсатор с очень низкой утечкой. Используя эти больше
дорогие компоненты, схемы стретчера на полевых транзисторах с длительностью выходных импульсов до
30 часов построено. Схема может использоваться как детектор пиковой амплитуды или
для получения необходимой выдержки времени.Сброс осуществляется либо путем разрешения выхода
на распад или замыканием конденсатора на массу.

Полевой транзистор также можно использовать в качестве линейного затвора или электронного переключателя, как показано на рис.
7. Сопротивление между истоком и стоком при «замкнутом» переключателе составляет примерно
1 / г _м . Когда переключатель находится в «разомкнутом» положении, только небольшой ток утечки протекает между
исток и сток. Этот тип схемы также может использоваться в качестве амплитудного модулятора.

Фиг.7 — Схема линейного стробирования или амплитудного модулятора.

Мы представили шесть простых и недорогих схем, которые иллюстрируют многие принципы
работы полевого транзистора. Эти схемы предназначены для понимания
устройств и стимулировать размышления о других приложениях.

Авторы выражают признательность г-ну Чарльзу Макдональду за сотрудничество.
из Siliconix, Inc. и г-на Эл Кенрика из General Electric Company.

Опубликовано: 22 июля 2019 г. (оригинал 3/1/2012)

В чем разница между MOSFET и BJT?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — MOSFET VS.BJT В чем разница между MOSFET и BJT?

27.02.2020 Автор /
Редактор:
Люк Джеймс
/ Erika Granath

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и биполярный переходный транзистор (BJT) — это два типа транзисторов, которые поставляются в различных корпусах, и тем, кто не знаком с электроникой, часто сложно решить, какой из них следует использовать. в своих проектах.

Связанные компании

Хотя и MOSFET, и BJT являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному.

(Источник: Юрий Захачевский)

Хотя и MOSFET, и BJT являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному, поэтому используются по-разному.

Что такое полевой МОП-транзистор?

Рисунок 1: Структура полевого МОП-транзистора.

(Источник: Electronic Tutorials)

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) представляет собой разновидность полевого транзистора (FET) , который состоит из трех выводов — затвора, истока и стока.В полевом МОП-транзисторе сток управляется напряжением на выводе затвора, поэтому полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением. Напряжение, приложенное к затвору, определяет, сколько тока течет в сток. MOSFET доступны двух типов: « p-channel » и « n-channel ». Оба эти типа могут быть либо в режиме увеличения, либо в режиме истощения (см. Рисунок 1). Это означает, что всего существует четыре различных типа полевых МОП-транзисторов.

В полевых МОП-транзисторах с p-каналом выводы истока и стока выполнены из полупроводника p-типа.Точно так же в n-канальных полевых МОП-транзисторах выводы истока и стока сделаны из полупроводника n-типа. Сам вывод затвора сделан из металла и отделяется от выводов истока и стока с помощью оксида металла. Такой уровень изоляции обеспечивает низкое энергопотребление и является основным преимуществом транзисторов этого типа. Часто полевые МОП-транзисторы используются в маломощных устройствах или в качестве строительных блоков для снижения энергопотребления.

Режим истощения: Когда напряжение на клемме затвора низкое, канал демонстрирует максимальную проводимость.Поскольку напряжение на зажимах затвора является положительным или отрицательным, проводимость канала снижается.

Режим улучшения: , когда напряжение на клемме затвора низкое, устройство не проводит ток, если на клемму затвора не подается большее напряжение.

Что такое BJT?

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это устройство, управляемое током (в отличие от MOSFET, управляемое напряжением), которое, среди прочего, широко используется в качестве усилителя, генератора или переключателя. Биполярный транзистор имеет три контакта — базу, коллектор и эмиттер — и два перехода: p-переход и n-переход.

Существует два типа BJT — PNP и NPN . Каждый тип имеет большой коллекторный элемент и большой эмиттерный элемент, которые легированы одинаковым образом. Между этими структурами находится небольшой слой другого легирующего агента, называемого «основой». Ток течет в коллекторе PNP и выходит из эмиттера. В NPN полярность противоположная, и ток течет в эмиттере и выходит из коллектора. В любом случае направление тока в базе такое же, как и на коллекторе.

Рисунок 2: Принцип работы BJT.

(Источник: Electronic Tutorials)

По сути, работа BJT-транзистора определяется током на его базовом выводе. Например, небольшой базовый ток равен небольшому току коллектора. Выходной ток BJT всегда равен входному току, умноженному на коэффициент, известный как «усиление», обычно в 10-20 раз превышающий базовый ток.

MOSFET vs BJT: в чем разница?

Рисунок 3: Разница между BJT и MOSFET.

(Источник: Electronic Tutorials)

Между MOSFET и BJT есть много различий.

• MOSFET (управляемый напряжением) представляет собой металлооксидный полупроводник, тогда как BJT (управляемый током) представляет собой транзистор с биполярным переходом.

• Хотя оба терминала имеют по три терминала, они отличаются. MOSFET имеет исток, сток и затвор, тогда как BJT имеет базу, эмиттер и коллектор.

• MOSFET идеально подходят для приложений большой мощности, тогда как BJT чаще используются в приложениях с низким током.

• BJT зависит от тока на его базовом выводе, тогда как MOSFET зависит от напряжения на электроде затвора с оксидной изоляцией.

• Структура MOSFET по своей природе более сложна, чем структура BJT.

Что лучше?

И MOSFET, и BJT имеют уникальные характеристики, а также свои плюсы и минусы. К сожалению, мы не можем сказать, что «лучше», потому что вопрос очень субъективен. На этот вопрос нет однозначного и однозначного ответа.

При выборе того, что использовать в проекте, необходимо учитывать множество различных факторов, чтобы прийти к решению. К ним относятся уровень мощности , напряжение привода, эффективность, стоимость и скорость переключения, среди прочего — вот где действительно полезно знать ваш проект!

Как правило, полевой МОП-транзистор более эффективен в источниках питания. В устройстве с батарейным питанием, где нагрузка переменная, а источник питания ограничен, например, использование BJT было бы плохой идеей. Однако, если BJT используется для питания чего-то с предсказуемым потреблением тока (например, светодиодов), тогда это будет хорошо, потому что ток база-эмиттер может быть установлен на долю тока светодиода для повышения эффективности.

(ID: 46385462)

.