Základy elektroniky a logických obvodov avol Galajda, KEMT, FEI, TUKE avol.galajda@tuke.sk
6 oľom riadený tranzistor oľom riadený tranzistor (Field Effect Tranzistor - FET), ktorý navrhol W. hockley v roku 1952 sa líši od bipolárneho tranzistora tým, že riadiacim parametrom pre FET nie je prúd, ale napätie. FET je unipolárna súčiastka, pretože prúd je realizovaný buď pohybom dier alebo pohybom elektrónov. Oba typy FETov sú riadené napätím priloženým medzi hradlo (Gate - G) a emitor (ource - ). Z porovnania FET tranzistorov s bipolárnymi tranzistormi vyplýva: drain () je analogický s kolektorom, source () je analogický s emitorom bipolárneho tranzistora a gate (G) hradlo je analogické s bázou bipolárneho tranzistora. V ďalšom texte budeme pri nazývaní oblastí a elektród poľom ovládaných tranzistorov používať názvy a značenie zaužívané v literatúre, t.j. emitor, kolektor a hradlo G. Emitor a kolektor FETu sa zvyčajne môžu vymeniť bez ovplyvnenia činnosti tranzistora.
6.1 Výhody a nevýhody FETov Výhody FETov môžeme zhrnúť do nasledujúcich bodov: ú to napäťovo-riadené súčiastky s vysokou vstupnou impedanciou (rádovo 10 7 až 10 12 Ω). Keďže ich impedancia je podstatne vyššia ako impedancia bipolárnych tranzistorov, FETy uprednostňujeme pred bipolárnymi tranzistormi vo vstupných stupňoch pri viacstupňových zosilňovačoch. FETy generujú nižšiu úroveň šumu ako bipolárne tranzistory. FETy sú teplotne stabilnejšie ako bipolárne tranzistory. Výkonové FETy môžu rozptýliť väčší výkon a spínať veľké prúdy.
6.1 Výhody a nevýhody FETov Výhody FETov môžeme zhrnúť do nasledujúcich bodov: Výroba FETov je jednoduchšia ako výroba bipolárnych tranzistorov, lebo vyžaduje menej maskovacích krokov a menej difúzii. Tým sa dá umiestniť väčší počet súčiastok (tranzistorov) na jeden čip, a teda dosiahnuť väčší stupeň integrácie. re malé hodnoty napätia medzi kolektorom a emitorom sa FETy chovajú ako napätím riadené rezistory. Vysoká vstupná impedancia FETov dovoľuje uchovať náboj pomerne dlho, čo umožňuje ich použitie v pamäťových prvkoch.
6.1 Výhody a nevýhody FETov Nevýhody obmedzujúce použitie v niektorých aplikáciách: FETy majú obyčajne horšiu frekvenčnú odpoveď z dôvodu vysokej vstupnej kapacity. Niektoré typy FETov majú horšiu linearitu. FETy môžeme zničiť pri manipulácii s nimi v dôsledku statickej elektriny.
6.2 Typy FETov V ďalšom uvedieme tri hlavné typy FET-ov FETy s priechodovým hradlom (JFET) FETy s izolovaným hradlom, pracujúce v ochudobňovacom móde (ochudobnený MOFET/ochudobnený MIFET) FETy s izolovaným hradlom pracujúce v obohacovacom móde (obohatený MOFET/obohatený MIFET)
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET odobne ako bipolárny tranzistor je JFET trojvývodová súčiastka, má však iba jeden priechod N. Náčrt fyzikálnej štruktúry JFETu je na Obr. N kanál JFETu, ktorý je zobrazený na Obr.a) je vyhotovený z materiálu typu N, do ktorého sú z každej strany nadifundované materiály typu. Hradlo Hradlo N oblasť oblasť Emitor Kanál Kolektor Emitor N Kanál N Kolektor a) N kanál b) kanál
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET Aby sme pochopili činnosť JFETu, pripojíme N kanál JFETu k vonkajšiemu obvodu. Napájacie napätie U pripojíme na kolektor (analogicky s napájacím napätím U CC v prípade bipolárnych tranzistorov) a emitor pripojíme na zem. Napájacie napätie hradla U GG pripojíme na hradlo (analogicky s U BB v prípade bipolárnych tranzistorov). Uvedená obvodová konfigurácia je na Obr.a). - u G N - u G i i d - U - U GG (a)
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET Napätie U zabezpečuje napätie kolektor-emitor u, ktoré vyvoláva prúd i od kolektora k emitoru. Tento kolektorový prúd je identický s emitorovým prúdom a tečie kanálom, ktorý je obklopený hradlom typu. Napätie hradloemitor u G, ktoré je rovné napätiu -U GG (Obr.a), vytvára v kanáli ochudobnenú oblasť, ktorá redukuje jeho šírku a tak zvyšuje odpor medzi kolektorom a emitorom. Keďže priechod hradlo-emitor je polarizovaný v spätnom smere, nepreteká ním prúd. - u G N - u G i i d - U - U GG (a)
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET Uvažujme, že JFET pracuje pri u G =0 (pozri Obr.b). Kolektorový prúd i pretekajúci kanálom typu N od kolektora smerom k emitoru spôsobí pozdĺž kanála úbytok napätia s vyšším potenciálom na priechode kolektor-hradlo. Toto kladné napätie na priechode kolektor-hradlo polarizuje N priechod v spätnom smere, čím vytvára vyprázdnenú oblasť naznačenú na Obr.b) šrafovane. G i d N i (b) - U
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET Keď budeme u zväčšovať, bude sa taktiež zväčšovať i (Obr.). To má za následok väčšiu vyprázdnenú oblasť a zväčšenie odporu medzi kolektorom a emitorom. okiaľ sa bude u ďalej zväčšovať, dosiahne sa stav, pri ktorom sa vytvorí vyprázdnená oblasť naprieč celým kanálom a kolektorový prúd dosiahne svoju saturačnú hodnotu. ri zvyšovaní u nad túto hodnotu, už zostane i konštantný. i Hodnota saturačného kolektorového prúdu pri U G =0 je dôležitým parametrom a označuje sa ako kolektorový saturačný prúd I. Ako môžeme vidieť z Obr, zvyšovaním u za tento bod zovretia kanála sa ďalej nezvyšuje prúd i av-a charakteristika i -u je konštantná (i je konštantný, aj keď sa u ďalej zvyšuje). Up u
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.1 Zmeny napätia na priechode hradlo-emitor JFET tranzistora V predchádzajúcej časti sme si popisovali charakteristiku ( i V tejto časti budeme uvažovať úplné charakteristiky i u charakteristík), teda pre rôzne hodnoty parametra u G. u ) pri u G = 0. (pole výstupných JFET je napätím riadená súčiastka, kde riadiacim parametrom je napätie u G. Na Obr. je znázornená charakteristika i u pre JFET s kanálom N a JFET s kanálom. chematické značky JFETu s kanálom N aj s kanálom sú znázornené spoločne s charakteristikami. chematické značky sa líšia len v orientácii šípok. i u G =0V -i u G =0V G I u G = -1V u G = -2V u G = 1V u G = 2V G a) u -u b)
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.1 Zmeny napätia na priechode hradlo-emitor JFET tranzistora Ak u G rastie (zápornejšie pre kanál N a kladnejšie pre kanál ), vytvárajúca sa vyprázdnená oblasť sa spája pri nižších hodnotách i. Z toho vyplýva, že pre JFET s kanálom N je pri rastúcom zápornom napätí u G maximálna hodnota i nižšia než I. Ak budeme u G ďalej zväčšovať (viac zápornejšie pre kanál N), dosiahneme hodnotu u G, pri ktorej bude i nulový bez ohľadu na hodnotu u. Táto hodnota u G sa volá U GOFF alebo napätie zovretia ( U ). Hodnota U je záporná pre JFET s kanálom N a kladná pre JFET s kanálom. I -je saturačný prúd kolektor-emitor
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.2 revodové charakteristiky JFETu ri návrhu zosilňovačov s JFETom má veľký význam, ak poznáme prevodovú charakteristiku tranzistora, ktorá predstavuje závislosť prúdu i ako funkciu napätia hradlo-emitor ( u G ) nad bodom zovretia. Aj keď je priebeh zostrojený pre konštantné u, prevodová charakteristika je v podstate nezávislá od u, pretože ak FET dosiahne bod zovretia kanála, prúd i je konštantný pre rastúce hodnoty u. Túto skutočnosť možno pozorovať na priebehoch i u u > U. Každá krivka má iný saturačný prúd., kde každá krivka je konštantná pre hodnoty i I u G = 0V u G = -1V u G = -2V u
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.2 revodové charakteristiky JFETu Na Obr. je zobrazená prevodová charakteristika a i -u charakteristiky pre JFET s kanálom N. riebehy sú zakreslené pre spoločnú os i. ri určení prevodovej charakteristiky budeme vychádzať z nasledujúceho vzťahu (hockleyho rovnica): i I u 1 G U 2 (6.1) i [ma] Ohmická oblasť Hranica medzi ohmickou a aktívnou oblasťou I 8 u G = 0V 6 4 Aktívna oblasť -1V Oblasť prierazu -2V 2-3V -u G u [V] -4-3 -2-1 0 5 10 15 a) prevodová charakteristika b) charakteristika i - u G
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.2 revodové charakteristiky JFETu Ak poznáme I a U, môžeme potom určiť celú charakteristiku. Výrobca často uvádza tieto dva parametre, takže prevodová charakteristika sa dá určiť z rovnice (6.1) alebo sa dá zostrojiť z kriviek i u. rúd i sa dostáva do saturácie (je konštantný), keď u prekročí napätie, ktoré zodpovedá napätiu zovretia kanála. Tento stav môžeme pre každú krivku vyjadriť rovnicou pre u ( sat) nasledovne u = u U ( sat) G Keď bude u G zápornejšie, bod zovretia bude mať menšiu hodnotu a saturačný prúd bude menší. Užitočnou oblasťou pre lineárnu činnosť je oblasť nad bodom zovretia a pod napätím prierazu. V tejto oblasti je i v saturácii a jeho hodnota závisí od u G podľa rovnice (6.1) alebo od prevodovej charakteristiky.
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET i C [ma] Oblasť saturácie 6.3.2 revodové charakteristiky JFETu U CC R E R C I C 0,8 0,7 Zaťažovacia priamka bod I B I B =0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 [ma] Charakteristiky i -u a prevodová charakteristika JFETu sa líšia od ekvivalentných kriviek pre bipolárny tranzistor v nasledujúcom: i [ma] Ohmická oblasť Hranica medzi ohmickou a aktívnou oblasťou U CE Oblasť uzavretia U CC u CE [V] I 8 u G = 0V 6 4 Aktívna oblasť -1V Oblasť prierazu -2V 2-3V -u G u [V] -4-3 -2-1 0 5 10 15 a) prevodová charakteristika b) charakteristika i - u G
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.2 revodové charakteristiky JFETu FET a bipolárny tranzistor sa ďalej líšia v týchto podstatných znakoch Vertikálna vzdialenosť medzi dvojicou parametrických kriviek pre FET nie je lineárna vzhľadom k hodnote riadiaceho parametra. Napr. vzdialenosť medzi krivkou s parametrom u G = 0 a krivkou s parametrom u G = 1V nie je tá istá ako medzi krivkami s parametrami u G = 1V a u G = 2 V. ri bipolárnom tranzistore je táto závislosť viac lineárna. ruhý rozdiel sa týka veľkosti a tvaru ohmickej oblasti charakteristických kriviek. ri bipolárnych tranzistoroch sa nelineárnej prevádzke vyhýbame tým, že nepoužívame tranzistor pri hodnotách u CE menších ako 5%, teda sa vyhýbame saturačnej oblasti. Z charakteristík JFETu vidíme, že šírka ohmickej oblasti je funkciou napätia hradlo-emitor. Keď amplitúda napätia hradlo-emitor klesá, šírka ohmickej oblasti sa zväčšuje. Ďalej si môžeme všimnúť, že napätie prierazu je funkciou napätia hradlo-emitor a kolektor-emitor. Na získanie lineárneho zosilnenia môžeme využívať len pomerne malú oblasť týchto kriviek - lineárna činnosť je v aktívnej oblasti.
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.2 revodové charakteristiky JFETu Medzi bodom zovretia a bodom prierazu je kolektorový prúd v saturácii a nemení sa významnejšie v závislosti od u. Keď FET prekročí bod zovretia, dá sa hodnota i určiť z charakteristických kriviek alebo z rovnice (6.1) nasledovne i I u 1 G aturačný prúd kolektor-emitor I je funkciou teploty, t.j. I = U KT kde K je konštanta. Napätie bodu zovretia je približne lineárnou funkciou teploty (podobne, ako v prípade prúdu báza-emitor pri bipolárnych tranzistoroch) 3/2 U. = k T kde k ~2mV/ C. rúdy a napätia uvedené v tejto časti reprezentujú JFET s kanálom N. Hodnoty pre JFET s kanálom sú opačné. 2
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r Aby sme získali mieru možného zosilnenia v obvode s JFETmi, zavedieme parameter g m, ktorý sa nazýva prevodová vodivosť (transkonduktancia). Tento parameter je analogický s prúdovým ziskom bipolárneho tranzistora. Hodnota g m meraná v siemensoch () je mierou zmeny kolektorového prúdu pri zmene napätia kolektor-emitor. Transkonduktancia sa dá vyjadriť vzťahom g i i m = ug ug u = konšt. Transkonduktancia gm sa mení so zmenou pracovného bodu, čo je vidieť z geometrického určenia g m z prevodovej charakteristiky. Keď sa i mení, mení sa strmosť prevodovej charakteristiky (predchádzajúci Obr.), a tým sa mení g m. Transkonduktanciu nájdeme, ak derivujeme rovnicu (6.1) efinujeme g i m = = ug g m0 ( ) 2I 1 u / U G I = 2 U U (6.2) (6.3)
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r čo je transkonduktancia pri u G = 0. Ak použijeme uvedenú rovnicu, bude transkonduktancia určená vzťahom g u = g U m m0 1 G Iný tvar rovnice (6.4) nájdeme definovaním k = n I U 2 v rovnici (6.1) a následným usporiadaním jej členov: i = I u Zvoľme bod tak, aby i 2 I ( U u ) 2 = k ( U u ) 2 G 1 2 G n G U = U = I a ug = UG. otom môžeme napísať U U = G I k n (6.4) (6.5)
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r Z rovnice (6.3) dostávame g m 2I U 1 2I = = G U U 2 U ( U U ) oužitím rovnice (6.5) a dosadením za U UG dostaneme g = 2I I = 2 k I m 2 n U kn Inverzný dynamický odpor r je definovaný ako prevrátená hodnota smernice charakteristickej krivky i u v aktívnej oblasti 1 i i = r u u u = konšt. retože je smernica charakteristiky malá v aktívnej oblasti, je r veľké. G G (6.6) (6.7)
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r V ďalšom odvodíme pre JFET st náhradný obvod z výrazu i i i = u u G ug u Rovnicu (6.8) môžeme prepísať pomocou rovníc (6.2) a (6.7) na 1 i = gm ug u (6.9) r (6.8) G g m u G i r G i g m u G a) s r b) zjednodušený i = g m u G
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r Činnosť JFETu je určená hodnotami g m a r. Tieto parametre určíme pre JFET s kanálom N pomocou charakteristických kriviek nasledovne. Vyberieme pracovnú oblasť, ktorá je približne v strede charakteristických kriviek, t.j. medzi u = 0,8 V a u = 1, 2 V a i = 8,5 ma a i = 5,5 ma. Z rovnice (6.2) určíme G i [ma] 15 G g m = konšt. ( ) 1, 2 ( 0,8) i 5,5 8,5 ma = = = 75m u G u u G = 0 V 10 8.5 5,0 5.5-1 V -2 V -3 V 5 10 15 20 u [V]
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r Ak nie sú dostupné charakteristiky JFETu, dá sa g m a u G určiť matematicky za predpokladu, že I a U sú známe. Uvedené parametre sa dajú nájsť v katalógových listoch výrobcu. okojový kolektorový prúd I umiestňujeme medzi 0,3I a 0,7I, čím dosiahneme umiestnenie bodu do najlineárnejšej oblasti charakteristík. Z rovnice (6.1) pre pracovný bod dostávame kde u g m g m 1 U = G 0, g m0 I = 2 U
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r Vzťah medzi i a u G sa dá zakresliť v normovanom grafe (Obr.). Vertikálna (y-ová) os grafu je i / I a horizontálna (x-ová) os je ug / U. mernica charakteristiky je g m. i I 1,0 0,91 0,8 i I = 1 - u G U p 2 0,6 0,5 0,4 0,2-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2-0,64-0,3 0 u G U
6.3 rincíp činnosti a konštrukcia tranzistora JFET 6.3.3 Náhradný obvod, g m a r Jednoduchý postup na umiestnenie pracovného bodu do stredu lineárnej oblasti je nasledovný: Vyberieme I = I /2. Z charakteristiky na predchádzajúcom Obr. vychádza U G = 0,3U. Vyberieme U = U /2 Zo smernice krivky na predchádzajúcom Obr. určíme transkonduktanciu v pracovnom bode. g m = 0,91I 0,64U 1,42I = U = 0,71g m0 Uvedené vzťahy obyčajne reprezentujú dobrý odhad hodnôt pracovného bodu JFETu.
6.4 rincíp činnosti tranzistora MOFET a jeho konštrukcia V tejto časti sa budeme zaoberať FETom so štruktúrou kov-oxid-polovodič (MOFET). Tento typ FETu je konštrukčne riešený tak, že hradlo je izolované od kanála dielektrikom kysličníka kremičitého (io2). Môže pracovať v: obohacovacom (enhancement) ochudobňovacom (depletion) móde.
6.4 rincíp činnosti tranzistora MOFET a jeho konštrukcia 6.4.1 MOFET pracujúci v ochudobňovacom móde Na obrázku je náčrt konštrukcie MOFETu s kanálom N, schematická značka, prevodová charakteristika a charakteristika i -u G. MOFET v ochudobňovacom móde má kanál fyzicky realizovaný medzi emitorom a kolektorom. Výsledkom je, že po pripojení napätia u tečie kanálom (medzi kolektorom a emitorom) prúd i. MOFET v ochudobňovacom móde s kanálom N je vytvorený na podložke, ktorá je dotovaná ako polovodič typu. Emitor a kolektor sú polovodiče typu N. Tvoria nízkoodporové spojenie medzi koncami kanálu N a hliníkovými kontaktmi emitora () a kolektora (). Vrstva io 2, ktorá má úlohu hradlového izolantu je na povrchu kanálu N. Hliníkový kontakt umiestnený na izolátore io 2 tvorí vývod hradla (G). G ubstrát chematická značka u G I 8 = 7 ma U = -3,5 V kanál N G io 2 N 4 substrát chéma fyzikálnej štruktúry i [ma] u G = 0 V -4-2 0 5 10 15 revodová a i -u charakteristika N 1 V -1 V -2 V u -3 V
6.4.1 MOFET pracujúci v ochudobňovacom móde G N substrát io 2 kanál chéma fyzikálnej štruktúry Na obrázku je náčrt konštrukcie MOFETu s chematická značka kanálom, schematická značka, prevodová charakteristika a charakteristika i -u G. Ako vidieť z obrázkov je činnosť tranzistora i [ma] MOFET v ochudobňovacom móde podobná -1 V činnosti JFETu. ri tranzistoroch MOFET v ochudobňovacom móde však neexistuje N priechod medzi hradlom a kanálom- vrstva io 2 sa správa ako izolátor. retože záporné napätie I -8 = -7 ma u G = 0 V (pri MOFETe s kanálom N) bude vytláčať U = 3,5 V -4 1 V elektróny z oblasti kanála, používa sa tiež termín tranzistor s ochudobneným kanálom. Keď u 2 V G dosiahne hodnotu U, dôjde k zovretiu kanála. ri kladných hodnotách u G sa bude rozmer kanála u G 4 2 0-5 -10-15 zväčšovať, čo sa prejaví zvýšením kolektorového prúdu. revodová a i -u charakteristika G ubstrát u 3 V
6.4 rincíp činnosti tranzistora MOFET a jeho konštrukcia 6.4.2 MOFET pracujúci v obohacovacom móde- kanál N io 2 G N substrát N ubstrát G a) chéma fyzikálnej štruktúry MOFET pracujúci v obohacovacom móde je na Obr. Od MOFETu pracujúceho v ochudobňovacom móde sa líši v tom, že nemá tenkú vrstvu (kanál) N a na vytvorenie kanálu potrebuje kladné napätie u G medzi hradlom a emitorom, ktoré z oblasti podložky priťahuje elektróny medzi N dotovaný kolektor a N dotovaný emitor. Kladné napätie u G spôsobí, že elektróny sa akumulujú pri povrchu pod kysličnikovou vrstvou. Keď napätie dosiahne prahovú hodnotu U T, je pritiahnutých dostatok elektrónov na vytvorenie vodivého kanálu N. okiaľ napätie u G neprekročí U T, bude tiecť kanálom nepatrný prúd. i [ma] 3 2 1 b) chematická značka u G = 5V 4V 3V 2V u G U T 0 u c) revodová a i -u charakteristika
6.4 rincíp činnosti tranzistora MOFET a jeho konštrukcia 6.4.2 MOFET pracujúci v obohacovacom móde- kanál G Napriek tomu, že sú viac obmedzené v pracovnej činnosti ako MOFETy pracujúci v ochudobňovacom móde, nachádzajú tieto typy MOFETov svoje využitie v aplikáciách integrovaných obvodov pre malé rozmery a jednoduchú konštrukciu. Hradlo pri MOFEToch s kanálom N a je reprezentované kovovou vrstvou umiestnenou na vrstve io 2. Na vytvorenie emitora a kolektora je pri výrobe do materiálu podložky ( typ pre kanál N a N typ pre kanál ) nadifundovaný materiál s opačným typom vodivosti. Nsubstrát io 2 a) chéma fyzikálnej štruktúry b) chematická značka i [ma] -3-2 -1 u G = -5V -4V -3V -2V -u G -U T 0 -u G c) revodová a i -u charakteristika ubstrát
6.4 rincíp činnosti tranzistora MOFET a jeho konštrukcia 6.4.2 MOFET pracujúci v obohacovacom móde re MOFET v obohacovacom móde nedefinujeme hodnotu prúdu I, pretože kým sa nevytvorí kanál, kolektorový prúd je nulový. re u G = 0 je prúd I nulový. re hodnoty u G > U T môžeme kolektorový prúd v saturácii vypočítať z rovnice ( ) 2 i = k u U G T (6.10) Hodnota k závisí od konštrukcie MOFETu a je predovšetkým funkciou šírky a dĺžky kanála. Typická hodnota pre k je 0,3 ma/v 2. rahové napätie je špecifikované výrobcom. Hodnotu g m môžeme určiť derivovaním rovnice (6.10), podobne ako pri JFEToch a dostaneme i g = = 2k u U u ( ) m G T G (6.11) u Ak G < U, potom i = 0. T
6.5 Nastavenie pracovného bodu FETu Tie isté základné obvody, ktoré boli použité na nastavenie pracovného bodu bipolárnych tranzistorov sa dajú použiť aj na nastavenie pracovného bodu JFETov a MOFETov v ochudobňovacom móde. re aktívnu oblasť JFETu a MOFETu v ochudobňovacom móde musí však byť polarita u G opačná ako je polarita napäťového zdroja. ri voľbe pracovného bodu nie je k dispozícii napätie opačnej polarity, potrebné na splnenie uvedených obvodových požiadaviek. Aby sme získali napätia správnej polarity je niekedy potrebné vynechať rezistor R 2 ( Obr. ). ú však prípady, že ani týmto spôsobom nie je vždy možné určiť hodnotu rezistora tak, aby sa dosiahol požadovaný bod. V takých prípadoch môže výber nového bodu poskytnúť riešenie spomínaného problému.
6.5 Nastavenie pracovného bodu FETu U U u i _ R 2 R R 1 R R L u o _ R G U G U GG I R _ U _ I R a) b) Uvažujme rovnice na nastavenie pracovného bodu zosilňovača so spoločným emitorom () s JFETom (Obr.). Metóda nastavenia pracovného bodu zosilňovača s MOFETom v ochudobňovacom móde je podobná. u i _ i in G R G R R R L c) u gs - g m u gs i o u o _
6.5 Nastavenie pracovného bodu FETu Na predchádzajúcom Obr. je FET zosilňovač s jedným napájacím zdrojom na nastavenia predpätia tranzistora. omocou Théveninovej vety dostaneme pre obvod predpätia: RR 1 2 RG R1 R2 (6.12) R R U GG U R R R 1 2 1 1 2 retože v obvode vystupujú tri neznáme premenné I, U G a U, potrebujeme tri js rovnice. rvú rovnicu dostaneme zo slučky hradlo-emitor na predchádzajúcom Obr.b). U U I. R GG G ripomeňme, že prúd do hradla je nulový, a preto na rezistore R G je nulové napätie. ruhú rovnicu dostaneme z II. K.Z. pre slučku kolektor-emitor v tvare U = U I ( R R ) Tretiu rovnicu potrebnú na určenie pracovného bodu dostaneme z rovnice (6.1), ktorú uvedieme pre i I a ug UG : I I U U 1 G 2 (6.13) (6.14) (6.15) (6.16)
6.5 Nastavenie pracovného bodu FETu Uvedené rovnice postačujú pre stanovenie pracovného bodu JFETu a MOFETu v ochudobňovacom móde, pracujúce ako lineárne zosilňovače. MOFET v obohacovacom móde sa využíva v číslicových integrovaných obvodoch. V zapojeniach zosilňovačov s FETmi nepotrebujeme umiestniť bod do stredu st zaťažovacej priamky, ako to bolo pri nastavení pracovného bodu bipolárnych tranzistorov. FET zosilňovače používame na vstupe viacstupňových zosilňovačov, aby sa využil ich vysoký vstupný odpor. V tejto časti obvodu sú napäťové úrovne také malé, že zosilňovač nemusí byť navrhovaný z hľadiska maximálneho rozkmitu výstupného napätia. Okrem toho sú charakteristiky FETu nelineárne a veľkým vstupným rozkmitom by sme mohli generovať skreslený výstupný signál.
6.6 Analýza zosilňovača v zapojení Na Obr. je st náhradný obvod FET zosilňovača. retože predpokladáme, že r je veľký v porovnaní s R R, môžeme ho zanedbať. Z II. K.Z. pre obvod hradlo-emitor dostaneme L g m u gs u i i in G u gs - R G R R R L u o _ i o _
6.6 Analýza zosilňovača v zapojení Riešením pre u gs dostaneme u u -R i u -R g u gs i i m gs u gs = 1 Výstupné napätie uo určíme zo vzťahu Napäťový zisk u i R R o d L u i R g m R R u g L i m 1 Rg A u potom bude uo gm( R RL) R RL Au u 1R g R 1/ g i m m Rezistor R je niekedy premostený kondenzátorom. V takom prípade napäťový zisk vzrastie podľa vzťahu A R R g u L m Vstupný odpor a prúdový zisk sú dané nasledujúcimi vzťahmi R R R R A i in G 1 2 i o AuR R in RL Rin RG R i R 1/ g R R 1/ g R R R in L m L m L m (6.17) (6.18) (6.19) (6.20)
6.7 Návrh zosilňovača v zapojení Zosilňovače sú navrhované tak, aby realizovali požadovaný zisk v rámci pracovnej oblasti tranzistora. Obyčajne je určené napájacie napätie, zaťažovací odpor, napäťový zisk a vstupný odpor (alebo prúdový zisk). Našou úlohou je vybrať hodnoty odporov R 1, R 2, R a R. Nasledujúce kroky postupu budeme vzťahovať na obvod na Obr. Tento postup predpokladá, že bol vybraný tranzistor, a že sú známe jeho charakteristiky alebo prinajmenšom parametre U I. a U i [ma] 5 zaťažovacia priamka u G = 0 u i _ C R 2 G R C u o R 1 R R L _ 4 3,33 3 2 1 bod 5 10 15 20-1 -2-3 -4 u [V] a) b)
1.krok 2.krok 6.7 Návrh zosilňovača v zapojení Zvolíme bod v najlineárnejšej časti charakteristík JFETu. Uvažujeme napríklad charakteristiky na predchádzajúcom Obr.b). Tým je určené U, U G, I a g m. Ak nie je známa charakteristika i ug, použijeme normovanú charakteristiku s hodnotami I a U určenými pre použitý typ tranzistora. Na základe II. KZ (rovnica (6.15)) napíšeme pre slučku kolektor-emitor rovnicu U U I ( R R ) Riešenie pre súčet dvoch rezistorov je U U R R K I Rovnica (6.21) predstavuje jednu rovnicu o dvoch neznámych R a R. 3.krok Ako druhú rovnicu pre neznáme R a R použijeme rovnicu pre napäťový zisk (6.17). Rovnicu (6.21) dosadíme do (6.17): R RL R RL Au (6.22) 1/ g R 1/ g K R m m 1 1 Jedinou neznámou je tu odpor R. Riešenie pre R vedie na kvadratickú rovnicu, ktorá má dve riešenia (jedno záporné a jedno kladné). Ak pre kladné riešenie platí R K1, potom R vychádza záporné a musíme vybrať nový bod (začíname celý návrh odznova). Ak pre kladné riešenie platí R K1, môžeme pokračovať 4. krokom. (6.21)
6.7 Návrh zosilňovača v zapojení 4.krok Na výpočet R použijeme rovnicu (6.21), t.j. rovnicu slučky kolektor-emitor, ktorá bola odvodená v kroku č. 2: U U R R I o známym R a R potrebujeme už len určiť R 1 a R 2. 5.krok Napíšeme II. K.Z. pre slučku hradlo-emitor (rovnica (6.14)): UGG UG IR Napätie U G má opačnú polaritu ako U. Teda člen I R musí mať väčšiu hodnotu ako U G. Inak U GG bude mať opačnú polaritu ako U, čo na základe rovnice (6.13) nie je možné. 6.krok ri hľadaní hodnôt R 1 a R 2 predpokladáme, že U GG, ktoré sme vypočítali v 5. kroku má tú istú polaritu ako U. Hodnoty rezistorov potom určíme nájdením hodnoty R G z rovnice pre prúdový zisk (rovnica (6.20)) alebo zo vstupného odporu. Riešením rovnice (6.12) a (6.13) nájdeme R 1 a R 2 : RG R1 1 U GG / U RU G R2 U GG
6.7 Návrh zosilňovača v zapojení 7.krok Ak U GG má opačnú polaritu ako U, nie je možné nájsť riešenie pre R 1 a R 2. Môžeme postupovať tak, že budeme predpokladať UGG 0 V, teda R2. Keďže U GG je určené rovnicou (6.14), musí byť na základe nového predpokladu pre UGG predtým vypočítaná hodnota R modifikovaná. Na Obr. je použitý kondenzátor na premostenie časti R. Novú hodnotu R odvodíme nasledujúcim spôsobom U 0 U I. R GG G js Riešenie pre R js je R js U I G Hodnota R js je R1 R2 a hodnota R st je R 1. Tým, že máme nové R js, musíme opakovať niekoľko krokov. u i i in R G G R U C R 1 20 k u o R 2 C - -
6.7 Návrh zosilňovača v zapojení 8.krok oužitím II. K.Z. pre slučku kolektor-emitor určíme R (opakujeme 2. krok) R K R 1 js Úlohou návrhu je v tomto prípade výpočet emitorových odporov R 1 a R 2 namiesto výpočtu iba jedného emitorového odporu. Novú hodnotu R z rovnice K1 Rjs použijeme v rovnici pre napäťový zisk (6.17). Keďže sa jedná o rovnicu pre st signály, namiesto R dosadíme R st. V ďalšom návrhu musíme brať v úvahu dodatočné kroky.
6.7 Návrh zosilňovača v zapojení 9.krok Z rovnice pre napäťový zisk (6.17) určíme R st (ktorý je rovný odporu R 1 ): R RL Au 1/ g R R st je v tejto rovnici jedinou neznámou a preto R RL 1 Rst A g redpokladajme, že m u st m R st je kladné ale menšie ako R js, pretože R R R js st 2 Tým je náš návrh dokončený a R1 Rin RG 10.krok redpokladajme, že nájdený R st je kladný, ale väčší ako R js. re takto zvolený bod sa nedá navrhnúť zosilňovač s požadovaným napäťovým ziskom. reto musíme zvoliť nový bod a vrátiť sa na 1. krok. Ak je napäťový zisk príliš vysoký, nemusí zmena polohy bodu viesť k riešeniu. V tom prípade je potrebné použiť iný tranzistor alebo sú potrebné dva zosilňovacie stupne.
6.8 Tranzistor FET ako Analógový spínač 6.8.1 rincíp činnosti Analógový spínač má v závislosti od vonkajšieho ovládacieho signálu preniesť analógový signál (napätie alebo prúd) podľa možnosti bez zmeny veľkosti a tvaru alebo zadržať analógový signál. pínanie analógových signálov s veľkou rýchlosťou a presnosťou možno realizovať podstatne ťažšie ako spínanie číslicových signálov. Osobitné ťažkosti sú pri spínaní malých jednosmerných napätí a prúdov (v rozsahu mv, príp. A a menej) vzhľadom na rušivé vplyvy ofsetových, driftových veličín a termonapätí. Chyby pri spínaní spôsobujú najmä tieto veličiny spínača: ofsetové napätie, odpor v priamom smere, zvyškový prúd (prúd v spätnom smere), kapacity.
6.8 Tranzistor FET ako Analógový spínač 6.8.1 rincíp činnosti Tranzistor FET ako analógový spínač má nasledujúce výhody: poskytuje takmer dokonalú izoláciu medzi ovládacou elektródou (G) a spínacou dráhou (t.j. analógovým kanálom), môže spínať kladné aj záporné napätia, vyznačuje sa nulovým ofsetovým napätím v zopnutom stave (môže spínať malé napätia), má veľmi malý ovládací výkon, vyznačuje sa veľkým spínacím pomerom ( rvyp, r zap ). rvú z uvedených podmienok spĺňa najmä MOFET. Vzhľadom na ľahkú integrovateľnosť sa v integrovaných obvodoch používa ochudobňovací typ tranzistora MOFET častejšie ako JFET.
6.8 Tranzistor FET ako Analógový spínač 6.8.1 rincíp činnosti ri voľbe potenciálov hradla pre zopnutý a rozopnutý stav treba brať do úvahy to, že vstupné napätie ovplyvňuje tieto hodnoty. redpätie substrátu ovplyvňuje prahové napätie tranzistora FET. Čím väčší je rozsah vstupného napätia, tým väčšiu hodnotu musí mať aj ovládacie napätie. ritom sa však nesmie prekročiť prierazné napätie tranzistora FET. otenciál substrátu tranzistora FET s kanálom musí byť stále kladnejší ako najkladnejší potenciál emitora a kolektora. otenciál substrátu tranzistora FET s kanálom N musí byť zase zápornejší ako potenciál emitora a kolektora. Tranzistor FET s kanálom je vhodný najmä na spínanie kladných signálov, pretože pri rastúcom vstupnom napätí sa FET dostáva ďalej do priepustnej oblasti. Tranzistor FET s kanálom N je z rovnakých dôvodov zase vhodnejší na spínanie záporných napätí.
6.8 Tranzistor FET ako Analógový spínač 6.8.2 Analógové spínače u E u A u E u A 5V 0V - 5V 100 k T 1 R Z 5V 0V - 5V T 1 R Z spínač A ~ 5V ~ -15V spínač A ~ 5V ~ -20V T 2-15V T 2-20V H L 5V 0V 4,7k 10 k 4,7k H L 5V 0V 4,7k 10 k 4,7k menič úrovne 5V a) b) Analógové spínače s meničmi úrovne a) s tranzistorom JFET s kanálom N, b) s ochudobňovacím typom MOFET s kanálom N, c) spínač CMO u E 10V 0V - 10V E menič úrovne 5V 15V (ZA) c) -15V (VY) N -10V ub A 10V u A 15V (ZA) -15V (VY) R Z