Полевые транзисторы
Полевой транзистор Junction Field Effect Transistor, или JFET, представляет собой полупроводниковый элемент, управляемый напряжением, доступный в N-канальной и P-канальной конфигурациях. Наряду с JFET транзистором существует еще один тип полевого транзистора, вход затвора которого электрически изолирован от основного канала, несущего ток. называемый полевым транзистором с изолированным затвором (MOSFET).
Схемотехническое обозначение диода показано на рисунке.
Управление током, протекающим в канале полевого транзистора, достигается путем изменения напряжения, подаваемого на затвор . Как следует из их названия, биполярные транзисторы являются «биполярными» устройствами, потому что они работают с обоими типами носителей заряда, дырками и электронами. Полевой транзистор, в этом смысле, является «униполярным» элементом, которое зависит только от проводимости электронов (N-канал) или дырок (P-канал).
Полевые транзисторы имеют одно важное преимущество перед своими биполярными собратьями, заключающееся в том, что их входной импеданс (Rin) очень высок (тысячи Ом), в то время как у BJT, – сравнительно низкий. Высокий входной импеданс делает полевые транзисторы очень чувствительными к входному напряжению, но цена высокой чувствительности также означает, что они могут быть легко повреждены статическим электричеством.
Работа в активном режиме
Полевые транзисторы. как и биполярные способны усиливать ток в активном режиме между отсечкой и насыщением. Рассмотрим работу транзистора на примере следующей схемы.
Здесь управляющий сигнал представляет собой постоянное отрицательное напряжение 1 вольт, приложенное к затвору для обратного смещения PN-перехода . В случае биполярного транзистора в качестве управляющего сигнала используется источник постоянного тока, но полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением, а не током, как биполярный транзистор.
В рабочем режиме полевой транзистор поддерживает ток стока на постоянном уровне независимо от напряжения питания. Чтобы убедиться в этом, проведем компьютерное моделирование с двумя диапазонами напряжение источника питания V 1 от 0 до 2 В и от 0 до 50 В. Результаты моделирования приведены на следующих рисунках
Как видно, ток стока остается постоянным, равным 100 мкА независимо от того, насколько высоко регулируется напряжение источника питания.
Поскольку входное напряжение управляет током стока, то изменение этого напряжения должно быть единственным действием, способным изменить ток стока полевого транзистора. Уменьшим входное напряжение с 1 вольта до 0,5 вольта и посмотрим, что произойдет.
Как и ожидалось, ток стока увеличился. При меньшем напряжении обратного смещения, приложенном к затвору, область обеднения не уменьшается, что «открывает» канал для носителей заряда и увеличивает тока стока.
При напряжении на затворе 1 В ток стока составил 100 мкА , при 0ю5 В – 225 мкА . Т.е. когда мы уменьшили напряжение на затворе в 2 раза, ток стока увеличился, но не в той же пропорции 2:1. Этот факт подтверждается входной характеристикой полевого транзистора, показанной на рисунке выше, которая носит нелинейных характер.
Выходная вольт-амперная характеристика
Напряжение, подаваемое на затвор, управляет током, протекающим между истоком и стоком. Поскольку полевой транзистор является элементом, управляемым напряжением, «ток не протекает через его затвор», следовательно ток стока равен току истока.
Пример кривых ВАХ, показанный ниже, показывает три различных области работы полевого транзистора:
- Линейная область — когда напряжение на затворе равно нулю, обедненный слой канала очень мал и транзистор действует как резистор, управляемый напряжением.
- Область отсечки — где напряжение затвора достаточно, чтобы полевой транзистор действовал как разомкнутая цепь, поскольку сопротивление канала максимально.
- Область насыщения – где транзистор становится хорошим проводником и управляется напряжением на затворе, в то время как напряжение сток-исток практически не оказывает влияния на его работу.
Схемы включения полевых транзисторов
Подобно биполярным транзисторам существует три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором.
Схема с общим истоком
В схеме с общим истоком сигнал подается на затвор, а выходом является сток, как показано на рисунке. Это наиболее распространенная схема включения полевого транзистора из-за ее высокого входного импеданса и хорошего усиления по напряжению.
Режим подключения с общим истоком обычно используется в усилителях звуковой частоты, в предусилителях и каскадах с высоким входным импедансом. Будучи усилительной схемой, выходной сигнал находится «в противофазе» с входным.
Схема с общим затвором
В схеме с общим затвором сигнал подается на исток, выходом является сток, а затвор подключен к земле, как показано на рисунке. Схема с общим затвором имеет низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс.
Эту схему включения можно использовать в высокочастотных цепях или в цепях согласования импеданса, где низкое входное сопротивление должно быть согласовано с высоким выходным сопротивлением. Выходной сигнал здесь «синфазен» с входным.
Схема с общим стоком
В схеме с общим стоком сигнал подается на затвор, а выходом является исток. Схема с общим стоком или «истоковым повторителем» имеет высокий входной и низкий выходной импеданс, а также близкий к единице коэффициент усиления по напряжению. Поэтому она используется в качестве буферных каскадов.
Эта схема называется «общий сток», потому что на стоке нет сигнала. Напряжение V DD обеспечивает смещение. Выходной сигнал синфазен с входным.
Примеры схем
Микрофонный усилитель
На рисунке 1 представлена схема двухкаскадного микрофонного усилителя на полевых транзисторах. В ней транзистор J1, включённый по схеме с общим истоком, усиливает сигнал в 25 раз. Рабочий ток этого транзистора выбран равным 0,4 мА, что позволило использовать в качестве стоковой нагрузки резистор сопротивлениtv 20 К. Второй каскад усилителя J2 работает при токе стока 3 мА, его коэффициент усиления равен 4. Таким образом общий коэффициент усиления усилителя равен К = 25 х 4 = 100. На рисунке 2 представлены его результаты расчета
Простой усилитель на IRF510
На рисунке 3 представлена схема усилителя на МОП-транзисторе IRF510. IRF510 является N-канальным полевым МОП-транзистором. Его можно рассматривать, как резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от напряжения между затвором и стоком. Небольшое изменение затвора приводит к большому изменению тока стока, что обеспечивает усиление сигнала. Результаты расчета амплитудно-частотной характеристики усилителя для разных положений потенциометра приведены на рисунке 4
