5.5.4. Цепи питания затвора полевого транзистора

Питание затвора – это подача на затвор ПТ напряжения смещения относительно истока для задания требуемого режима работы ПТ, то есть для задания положения точки покоя на проходной или сквозной динамической характеристике, а, следовательно, и значения тока . При построении цепей смещения решаются две задачи: задание исходного значения постоянного тока стока (подачей ) и стабилизация во времени путем соответствующего автоматического изменения (например с помощью ООС). Нестабильность тока вызывается изменением температуры, старением и сменой ПТ, изменением питающего напряжения.

У ПТ с "p-n" переходом температурная нестабильность тока обусловлена изменениями сопротивления полупроводникового материала канала и изменениями напряжения между затвором и истоком при изменении температуры. Температурная нестабильность тока у ПТ меньше, чем температурная нестабильность тока у БТ. Нестабильность тока вследствие технологического разброса параметров ПТ, проявляющаяся при замене ПТ, превышает температурную нестабильность и составляет примерно 50%.

Питание цепей затвора со стабилизацией осуществляется от общего источника питания.

На рис. 5.36 приведена наиболее типичная схема однотактного каскада на ПТ с ОИ в режиме "А" с автоматическим смещением, обеспечивающим стабильность тока . Напряжение смещения на затворе относительно истока в этой схеме определяется падением напряжения на сопротивлении , создаваемым током : (поскольку на сопротивлении в цепи затвора , создающем гальваническую связь затвора с общим проводом, практически нет постоянного падения напряжения, так как ток затвора очень мал и составляет 10^-910^-12 А). Кстати, именно по этой причине температурные изменения тока затвора практически не влияют на напряжение смещения ПТ, а, следовательно, и на ток . Сопротивление затвора обычно выбирают довольно большим, порядка 1 МОм, чтобы уменьшить шунтирование им входа ПТ по сигналу. Сопротивление же в схеме рис 5.36 выбирают таким, чтобы задать положение точки покоя в середине линейного участка проходной динамической характеристики (рис. 5.37).

С помощью не только задают исходное смещение на затворе, а значит и значение тока , но и обеспечивают стабилизацию тока . Механизм стабилизации тока органически связан с механизмом автоматического смещения: например, с увеличением , автоматически возрастает смещение, что сдерживает возрастание тока . Сопротивление является сопротивлением ООС. В схеме действует последовательная по выходу, то есть по току (точнее, по постоянному току) и последовательная по входу ООС. Эта ООС уменьшает приращения стокового тока в сквозную глубину ООС по постоянному току :

Рис. 5.36

Эту глубину ООС можно выразить через параметры схемы рис. 5.36, используя классическую формулу . После подстановки в эту формулу значений , , для рассматриваемой схемы

,

, так как ,

,

получается расчетное выражение для сквозной глубины ООС по постоянному току

. (5.24)

Из (5.24) следует, что чем больше , тем больше сквозная глубина ООС и тем эффективнее стабилизация тока .

Выбранное значение должно удовлетворять двум условиям: условию получения начального смещения (рис.5.37) и условию получения требуемой глубины ООС по постоянному току . Если для получения понадобится большее , чем для получения начального смещения, то его увеличивают, а смещение "подгоняют" с помощью делителя в цепи затвора ПТ (рис.5.38), получая . При этом нужно иметь в виду, что увеличение приводит к увеличению потерь питающего напряжения на нем, а включение делителя уменьшает входное сопротивление каскада по сигналу, что уменьшает коэффициент передачи входной цепи.

Рис. 5.37

Рис. 5.38

Назначение в схеме рис. 5.38 такое же как и в схеме на БТ. Она выбирается достаточно большой, шунтирует по переменному току, предупреждая возникновение ООС по сигналу.

Без этой емкости в схеме при усилении сигнала за счет возникает последовательная по выходу, то есть по току (точнее, по переменному току) и последовательная по входу ООС по сигналу. Расчетная формула для сквозной глубины этой ООС может быть получена так же, как и для сквозной глубины ООС по постоянному току (см. выше), с той лишь разницей, что вместо приращений токов и напряжений используются эффективные (или амплитудные) значения токов и напряжений:

, (5.25)

так как ; ;

.

Эта ООС уменьшает сквозной коэффициент усиления , нелинейные и линейные искажения, собственные помехи и нестабильность коэффициента усиления. Если в схеме нужно получить большое усиление, то эту ООС устраняют включением большой емкости. Если в схеме более важным является уменьшение нелинейных и линейных искажений, собственных помех и нестабильности усиления по сигналу, то емкость не включают.

Особый интерес представляют схемы автоматического смещения, в которых в качестве вместо обычного резистора используют генератор стабильного тока (ГСТ), как показано на рисунке 5.39.

Рис. 5.39

Особенностью ГСТ является небольшое сопротивление постоянному току и одновременно большое динамическое сопротивление, то есть сопротивление изменениям тока через ГСТ (иначе говоря, сопротивление переменному току). Последнее обусловлено наличием в ГСТ глубокой местной последовательной по выходу (то есть по току) ООС за счет . Использование ГСТ позволяет при небольших потерях питающего напряжения на нем получить глубокую ООС в схеме автоматического смещения. Следует отметить, что ГСТ на ПТ и БТ очень широко применяется в интегральной схемотехнике в различных цепях смещения и стабилизации, а также в качестве динамических нагрузок усилительных элементов.

Рис. 5.40

В схемах на МДП транзисторах применяются практически такие же цепи смещения, как и в схемах на ПТ с "p-n" переходом. Надо только учитывать особенности МДП-транзисторов. В них с возрастанием температуры ток стока может увеличиваться, уменьшаться или оставаться прежним, что обусловлено технологией изготовления. Кроме того, у МДП-транзисторов со встроенным каналом напряжение смещения может быть отрицательным, нулевым или положительным, что также обусловлено технологией изготовления. При этом полярность напряжения на затворе может совпадать с полярностью питающего напряжения на стоке, как и у МДП-транзисторов с индуцированным каналом. Последнее позволяет получать смещение от общего источника питания с помощью резисторного делителя в цепи затвора, как без стабилизации (рис. 5.40), так и со стабилизацией с помощью ООС, например, параллельной по выходу и по входу (рис. 5.41.)

Все рассмотренные выше способы подачи смещения на затвор ПТ от общего источника питания применяются в каскадах, работающих в режиме "А".

В каскадах же с использованием режима "В" применяют способы подачи смещения либо с фиксированным напряжением смещения на затворе (как например, в схеме на рис. 5.40 или от дополнительного источника питания), либо только с температурной компенсацией с учетом типа ПТ (как, например, в схеме 5.34 на БТ).

Рис. 5.41