Что такое напряжение отсечки

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Ток стока в рабочей точке можно определить по следующей формуле [2]:

Уравнение (1) является приближенным для характеристики передачи любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).

Крутизна полевых транзисторов

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Максимальное значение крутизны характеристики Sмакс достигается при Uз.и=0. При этом численное значение Sмакс равно проводимости канала полевого транзистора при нулевых смещениях на его электродах.

Крутизна характеристики полевых транзисторов на 1-2 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на полевых транзисторах ограничено в основном паразитными параметрами схемы.

Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1):

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки(2)

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки(3)

Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий.

Пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим р-n-переходом, если при этом рассеиваемая мощность не превышает допустимой. После пробоя в нормальном рабочем режиме эти транзисторы восстанавливают свою работоспособность. Это свойство транзисторов с p-n-переходом даёт им известное преимущество перед МОП-транзисторами, у которых пробой однозначно приводит к выходу прибора из строя.

Однако необходимо оговориться, что и для ПТ с р-n-переходом пробой не всегда безвреден. Степень его влияния на параметры транзистора определяется значением и продолжительностью действия тока, протекающего при этом через затвор. Так, в результате пробоя может увеличиться ток утечки затвора в нормальном режиме [7].

Динамическое сопротивление канала rк определяется выражением

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Это сопротивление при Uс.и = 0 и произвольном смещении Uз.и можно выразить через параметры транзистора [2]:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки(4)

При малом напряжении сток-исток вблизи начала координат ПТ ведёт себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Это остаётся справедливым даже в случае изменения полярности напряжения стока (см. рис. 4); необходимо только, чтобы напряжение на затворе было больше, чем на стоке [5].

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Зависимости сопротивления канала ПТ от напряжения на затворе

Минимальное значение сопротивления канала rк0 наблюдается при Uз.и = 0: при увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала нелинейно увеличивается (см. рис. 10). Значение rк0 определяется по стоковой характеристике транзистора как тангенс угла наклона касательной к кривой Iс=f(Uс) при Uз.и = 0 в точке Uс.и=0.

Для приближенных расчётов имеет место простое соотношение

Источник

Сайт инженера Задорожного С.М.

Статические параметры полевого транзистора: теория и практика

Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n-переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада. В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах.

На рис.1. приведено условное графическое обозначение полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n-переходом на затворе:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Рис.1 Условное графическое обозначение полевого с n-каналом и p-n-переходом на затворе.

Обозначение его выводов соответственно следующее:

G (Gate) — затвор;
S (Source) — исток;
D (Drain) — сток.

Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n-переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток. В англоязычной технической документации этот параметр обозначают как IDSS.

Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю. Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в англоязычной документации обозначают как VGS(off) или реже как Vp.

В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно большом напряжении сток-исток VDS — на графике семейства выходных характеристик транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения. Это значит, что величина тока через канал полевого транзистора, — ток стока ID, — зависит в основном лишь от величины напряжения затвор-исток VGS. Эту зависимость тока стока полевого транзистора ID от входного напряжения затвор-исток VGS описывает так называемая передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющим p-n-переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует приведенная на рис.2 диаграмма:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

В таком изменении тока стока ID с изменением напряжения затвор-исток VGS и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора IDSS и VGS(off), можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики (1) по dVGS:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) при заданном напряжении затвор-исток VGS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

или, учитиывая равенство:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока ID:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Установка рабочей точки

На рис.3 приведены основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе:

а) усилительный каскад с общим истоком;
б) истоковый повторитель;
в) двухполюсник — стабилизатор тока.

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Рис.3 Основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе.

Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока ID служит включенный в цепь истока резистор RS. Потенциал затвора полевого транзистора равен потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока ID, напряжение затвор-исток VGS и сопротивление RS элементарно связаны между собой законом Ома:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Расчет сопротивления RS для установки требуемого тока стока ID для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики (1):

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

откуда получаем равенство:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Разделим обе части равенства (6) на RS и, с учётом выражения (5), получим:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Соответственно выражение для значения сопротивления RS примет следующий вид:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) — основных статических параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, — можно определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр. Но практические результаты чаще всего оказываются далеки от расчетных.

Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций на тему работы полевого транзистора. Так, например, в [1] один и тот же абзац содержит и утверждение о том, что передаточная характеристика полевого транзистора «достаточно точно определяется квадратичной зависимостью» в соответствии с формулой (1), и оговорку, что на практике с помощью прибора зафиксировать величину соответствующего напряжения отсечки VGS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвор-исток Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкипри ID = 0,1·IDSS, а затем, подставив эти значения в формулу (1), вычисляют уже соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

В [2] также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки VGS(off), при котором величина тока стока ID становится нулевой или равной нескольким микроамперам, «не всегда будет удовлетворять равенству (1), поэтому удобнее вычислять величину Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкикак функцию VGS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока ID=0″.

Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, то величина напряжения отсечки VGS(off) конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении (1), при котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого транзистора. То же самое можно сказать и о величине начального тока стока IDSS. Таким образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.

На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким, чтобы напряжение затвор-исток VGS было близким к напряжению отсечки VGS(off) или к нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную характеристику (1) на всём её протяжении от ID=0 до ID=IDSS, достаточно сделать это для некоего рабочего участка от ID1=ID(VGS1) до ID2=ID(VGS2). Для этого решим следующую задачу.

Пусть путём измерения получены значения тока стока ID1 и ID2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток VGS1 и VGS2:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкии напряжения отсечки Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкимы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы (1).

Сначала определим значение Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки. Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкии получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы (1) определяется выражением:

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

А соответствующее значение начального тока стока Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкивычисляется путём подстановки полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкив следующее выражение, полученное из формулы (1):

Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки

Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкии начального тока стока Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкипосле подстановки в формулу (1) должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора. Чтобы это проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых транзисторов четырёх типов — по три транзистора каждого типа.

Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Сначала измерялись начальный ток стока IDSS и напряжение отсечки VGS(off) полевого транзистора. Затем были измерены значения напряжений затвор-исток VGS1 и VGS2 для двух соответствующих им значений тока стока ID1 и ID2, несколько отстоящих от нулевого значения при VGS=VGS(off) и начального тока стока IDSS. Подстановка VGS1, VGS2, ID1 и ID2 в формулы (10) и (11) давала искомые значения Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкии Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки. Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, — IDSS и VGS(off) или Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкии Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки, — после подстановки в формулу (1) даёт более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его начального тока стока IDSS, то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток. Полученные таким образом значения ID0 и VGS0 — это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Осталось подставить теперь значение VGS0 в формулу (1) сначала с парой параметров IDSS и VGS(off), а затем с Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечкии Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки, и сравнить оба вычисленных значения тока стока с измеренным ID0.

Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже.

ТранзисторИзмеренные значения статических параметровЗначения статических параметров по формулам
(10) и (11)

VGS0,
В

ID0,
мА
Значение тока стока ID, вычисленное по формуле (1) с параметрами
IDSS и VGS(off)
Значение тока стока I’D, вычисленное по формуле (1) с параметрами
I’DSS и V’GS(off)

IDSS,
мА

VGS(off),
В

I’DSS,
мА

V’GS(off),
В

ID,
мА

Ошибка,
%

I’D,
мА

Ошибка,
%
1КП303В2,95-1,232,98-1,35-0,401,521,33-12,51,47-3,6
2КП303В2,89-1,202,95-1,32-0,401,481,28-13,11,43-3,2
3КП303В2,66-1,162,70-1,24-0,361,411,26-10,21,35-3,8
42П303Е12,06-4,2612,73-4,90-1,496,495,09-21,56,16-5,2
52П303Е11,24-3,9411,69-4,50-1,376,064,79-20,95,67-6,5
62П303Е10,92-3,7711,26-4,31-1,295,914,73-20,05,53-6,3
72N381910,64-3,4710,76-3,91-1,085,905,05-14,45,64-4,4
82N381910,22-3,5110,29-3,90-1,065,734,98-13,15,46-4,8
92N381910,30-3,3810,46-3,80-1,075,674,81-15,25,40-4,8
102N4416A8,79-2,989,05-3,27-1,044,463,71-16,94,20-5,9
112N4416A10,10-3,2210,31-3,55-1,184,984,04-19,04,58-8,0
122N4416A10,92-3,9312,66-4,32-1,635,364,09-23,64,92-8,2

Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2, то линия, построенная по значениям (Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки; Что такое напряжение отсечки. Смотреть фото Что такое напряжение отсечки. Смотреть картинку Что такое напряжение отсечки. Картинка про Что такое напряжение отсечки. Фото Что такое напряжение отсечки), пройдёт гораздо ближе к точке (VGS0; ID0), чем построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока (VGS(off); IDSS).

Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (VGS1; ID1) и (VGS2; ID2) взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на котором он будет работать в реальной схеме. Особо следует отметить, что данный метод определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с большим начальным током стока, например для таких как J310.

©Задорожный Сергей Михайлович, 2012г., г.Киев

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *