12.3 Малосигнальные параметры униполярных транзисторов

При работе МДП-транзисторов в режиме усиления малых сигналов используются участки выходных ВАХ в области насыщения. В этой области при оптимальных значениях малосигнальных параметров можно получить минимальные нелинейные искажения усиливаемых сигналов.

Униполярные транзисторы характеризуются следующими малосигнальными параметрами:

крутизна

; (12.1)

внутреннее сопротивление

; (12.2)

коэффициент усиления

. (12.3)

Малосигнальные параметры связаны следующим соотношением:

(12.4)

12.4 Основные схемы включения униполярных транзисторов и особенности их применения

Униполярные транзисторы, как и биполярные транзисторы, имеют три основных схемы включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором.

Схема включения транзистора с общим истоком (рис.12.8 а) позволяет получить усиление по напряжению, току и по мощности. Входное и выходное сопротивление схемы достаточно высокое. Эта схема широко применяется в технике.

Схема включения транзистора с общим стоком (рис.12 8 б) является аналогом схемы эмиттерного повторителя, обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями, и поэтому широко применяется для согласования источников сигнала с высоким выходным сопротивлением и последующих каскадов с низким входным сопротивлением.

Схема включения с общим затвором (рис.12.8 в) является аналогом включения биполярного транзистора по схеме с общей базой, и усиливает сигнал только по току.

По сравнению с биполярными транзисторами униполярные транзисторы управляются не током, а напряжением, вследствие чего имеют малую потребляемую мощность, высокое входное сопротивление. Униполярные транзисторы с управляемым р-п переходом, кроме того, имеют очень низкий уровень шумов, что связано с протеканием тока стока в объеме полупроводника, где отсутствуют поверхностные дефекты. Низкий уровень шумов также связан с отсутствием процессом инжекции и рекомбинации неосновных носителей заряда. Технологически униполярных транзисторы имеют меньшую площадь, что позволяет их широко использовать в интегральных микросхемах.

Особенно широко МДП-транзисторы применяются в импульсных (цифровых) интегральных микросхемах. Кроме того, МДП-транзисторы могут работать в режиме, позволяющем их использование в качестве МДП-резисторов.

Однако применение МОП-транзисторов в усилительных схемах ограничивается малой крутизной и нестабильностью их характеристик, что обусловлено перемещением зарядов в слое подзатворного диэлектрика под действием электрического поля.

12.5 Основные параметры униполярных транзисторов

Параметры и обозначения параметров униполярных транзисторов устанавливаются ГОСТ 19095-73. Все параметры биполярных транзисторов можно разбить на четыре группы.

1. Параметры постоянного тока. Они характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов. К ним относятся:

   1. Начальный ток стока (I_Снач) – ток стока при напряжении затвор-исток равном нулю.

   2. Остаточный ток стока (I_Сост) – ток стока при напряжении затвор-исток, превышающем напряжение отсечки.

   3. Ток утечки затвора (I_Зутеч) – ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

   4. Обратный ток перехода затвор-сток при разомкнутом выводе (I_ЗС0) – ток, протекающий в цепи затвор – сток, при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами.

   5. Обратный ток перехода затвор-исток при разомкнутом выводе (I_ЗИ0) – ток, протекающий в цепи затвор – исток, при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами.

   6. Напряжение отсечки (U_ЗИотс) – напряжение между затвором и истоком транзистора с р-п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного.

   7. Пороговое напряжение (U_ЗИпор) – напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

2. Малосигнальные параметры. Они характеризуют работу униполярного транзистора при воздействии малого сигнала и подробно рассмотрены в разделе 12.4. Параметры униполярных транзисторов определяют в системе проводимостей, т.е. в системе у-параметров. Для схемы включения униполярного транзистора с общим истоком каждая из проводимостей имеет свой физический смысл.

Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор-исток: у_ЗИ= у₁₁+у₁₂; выходная проводимость определяется проводимостью участка сток-исток: у_СИ= у₂₂+у₂₁; функция передачи определяется крутизной ВАХ: S= у₂₁+у₁₂; функция обратной передачи определяется проходной проводимостью: у_ЗС= у₁₂.

Важнейшим из этих параметров является крутизна S – отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.

3. Высокочастотные параметры. Они характеризуют работу транзисторов на высоких частотах и определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость С_11и у транзисторов с управляющим р-п переходом велика, то их применение на высоких частотах ограничено по сравнению с униполярными транзисторами с изолированным затвором. К ним относятся:

   1. Входная емкость транзистора (С_11и) – это емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком.

   2. Выходная емкость транзистора (С_22и) – это емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком.

   3. Проходная емкость транзистора (С_12и) – это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком.

   4. Граничная частота транзистора определяется по:

, (12.5)

где f_ГР - частота в МГц;

S - крутизна, мА/В;

С_11и - входная емкость, пФ.

1. Коэффициент шума (К_Ш) – это отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума мало зависит от напряжения сток-исток, тока стока и окружающей температуры, но монотонно возрастает с увеличением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала.

1. Максимально допустимые параметры. Эти параметры ограничивают область допустимых режимов работы транзистора. Превышение максимально допустимых параметров резко снижает надежность работы транзистора. Основными максимально допустимыми параметрами являются:

   1. Постоянное (импульсное) напряжение сток-исток.

   2. Постоянное (импульсное) напряжение затвор-сток.

   3. Постоянное (импульсное) напряжение затвор-исток.

   4. Постоянный (импульсный) ток стока.

   5. Постоянная (импульсная) рассеиваемая мощность.

   6. Диапазон температур окружающей среды.