Обзор Части 3



==219

В пунктах @A-@Z собраны основные сведения из Части _3 . Упоминаются только базовые принципы и факты без схем и советов по практической разработке.

@A Полевые транзисторы

В Части _3 описываются полевые транзисторы или ПТ ( FET ). Они имеют проводящий канал между выводами Сток ( «Drain» ) и Исток ( «Source» ). Проводимость канала управляется электрическим полем от потенциала третьего электрода - Затвора ( «Gate» ) ( §3.1 ). Подобно биполярным приборам ПТ являются транскондуктивными элементами ( @G ), т.е. напряжение на затворе управляет током в канале ( предполагается достаточное напряжение на выводах сток-исток ).

@B n- и p-канальные приборы

Подобно биполярным транзисторам, имеющим две полярности - npn и pnp , полевые приборы бывают n- и p-канальными ( §3.1.2 ). В обоих случаях проводимость растёт, когда напряжение на затворе меняется в направлении потенциала стока. Например, для n-канального ПТ с положительным напряжением на стоке канал включается при положительном изменении потенциала затвора, а в состояние отсечки он переходит при достаточно заметном отрицательном изменении потенциала. Это не эквивалентно утверждению, что n-канальные приборы должны включаться положительным уровнем на затворе, а выключаться отрицательным. Пороговое напряжение \(V_{th}\) можно определить как потенциал на затвор, при котором канал чуть приоткрывается и транзистор начинает реагировать на изменение потенциала затвора в ту или иную сторону относительно \(V_{th}\) .

@C Обогащённый и обеднённый режим

См. рис. 3.8 . Приборы с индуцированным каналом, т.е. работающие в «обогащённом» ( «Enhancement» ) режиме, имеют достаточно высокий потенциал \(V_{th}\) , т.е. находятся в непроводящем состоянии при напряжении \(V_{GS}\)=0V . [* Это нормально ЗАКРЫТЫЙ прибор ] . Чтобы открыть канал надо подать на затвор положительное ( для n-канальных ) или отрицательное ( для p-канальных ) напряжение. У транзисторов со встроенным каналом, т.е. «обеднённых» ( «Depletion» ), пороговое напряжение лежит глубоко в области «выключения», поэтому они находятся во включённом ( проводящем ) состоянии, когда \(V_{GS}\)=0V . [* Это нормально ОТКРЫТЫЙ прибор ] . Т.е., чтобы перевести обеднённый n-канальный транзистор в выключенное состояние надо подать на затвор заметное отрицательное напряжение относительно истока. См. рис. 3.9 , где приведены графики зависимости токов стока от напряжения на затворе для некоторой выборки n-канальных приборов. ПТ могут выпускаться с чуть сдвинутой в одну или другую сторону характеристикой ( @H ). На рис. 3.10 и 3.11 показаны удобные варианты классификации ПТ.

@D Полевые транзисторы с изолированным затвором и с p-n переходом

В ПТ, сделанных по технологии металл-оксид-полупроводник ( МОП или МДП ), вывод затвора полностью изолирован от проводящего канала и может иметь любой потенциал относительно истока. Обычный диапазон ±20 V . В транзисторах с p-n переходом вывод затвора имеет диодное подключение к проводящему каналу и изолирует управляющую линию только в состоянии обратного смещения. Таким образом, все ПТ с p-n переходом могут быть только обеднёнными приборами ( со встроенным каналом ). Схемные символы полевых транзисторов показаны на рис. 3.6 и 3.7 .

@E Параметры полевых транзисторов, Затвор и Сток

См. рис. 3.13 . Проводимость и ток канала управляются потенциалом на затворе, но зависят и от \(V_{DS}\) . При очень низких напряжениях на стоке канал выглядит как резистор, величиной которого управляет затвор ( см. §3.1.2 и §3.2.7 ). Эта рабочая область называется линейным регионом. При больших напряжениях на стоке ток канала выполаживается и начинает зависеть почти исключительно от потенциала затвора, слабо реагируя на изменение потенциала на стоке. Такой режим называется насыщением . В области насыщения сток ведёт себя как источник ( или приёмник ) тока, а на первое место в параметрах транзистора выходит крутизна \(g_m\) ( @G ). МОП транзисторы часто используются в качестве ключей. В таком режиме к затвору прикладывается большое напряжение ( например, 10 V ), чтобы снизить сопротивление канала до величин, сравнимых с сопротивлением контактов механического переключателя. Подробнее данная тема рассматривается в @O - @Q .

@F Правило квадратов

При рабочих напряженияз на затворе, больших \(V_{th}\), и при напряжениях на стоке, больших 1V ( т.е. в режиме насыщения ), ток стока соответствует «правилу квадратов»: ток стока пропорционален квадрату «воздействия на затвор» \((V_{GS}-V_{th})^2\) , см. рис. 3.14   [* лучше на рис. 3.51 на нижнем изображении ]   и соотношение [3.2] . Эту область иногда называют квадратичной . Пороговое напряжение \(V_{th}\) в общем случае определяется экстраполяцией графика \(\sqrt{I_D}\), что можно видеть на рисунке [* 3.51 ] . При \(V_{GS}\) меньших по величине, чем \(V_{th}\) , транзистор попадает в подпороговую область ( @I ).

@G Крутизна и усилители

Крутизна \(g_m\) - изменение выходного тока, вызванное изменением напряжения на затворе \(g_m=i_D/v_{GS}\) ( строчные \(i\) и \(v\) означают малое изменение величины ). Усилители с общим истоком ( §3.2.3 , рис. 3.28 , 3.29A-F и 3.29G-K ) имеют усиление G=\(-g_mR_D\) , где \(R_D\) - сопротивление стоковой нагрузки. В отличие от биполярных приборов, для которых \(g_m ∝ I_C\) , крутизна ПТ в квадратичном регионе пропорциональна только \(\sqrt{I_D}\) , см. рис. 3.53 и 3.54 . В итоге усилитель на ПТ с резистивной нагрузкой в стоке имеет меньший коэффициент передачи, когда работает с большими токами, потому что величина \(R_D\) обычно обратно пропорциональна току. Внутреннее выходное сопротивление транзистора также относится к сопротивлениию нагрузки и ограничивает усиление ( «Gmax» ) даже в случае идеальной нагрузки в виде источника тока, см. §3.3.2 , соотношение [3.13] и табл. 3.1 .



==220

ПТ, работающий повторителем , имеет выходной импеданс \(r_{out}\)=1/\(g_m\) ( @K ).

@H Задание рабочей точки усилителей

ПТ с p-n переходом хорошо подходят для усиления сигналов ( в противоположность им небольшие дискретные МОП транзисторы здесь работают плохо ) и особенно хороши в малошумящих усилителях. Но здесь имеется один досадный недостаток - неопределённость рабочего уровня на затворе для конкретного экземпляра транзистора. Просматривая колонки минимальных и максимальных значений \(V_{GS(OFF)}\) в табл. 3.1 ( стр. 141 ) можно встретить числа от –1 до –7V и от –0.4 до –4V . Т.е. диапазон разброса 10:1 . Рис. 3.17 показывает гистограмму распределения \(V_{GS}\) для 300 экземпляров по 100 шт. трёх разных моделей одного семейства. Здесь разброс сокращается до 1V . Именно на такую величину можно ориентироваться, если речь идёт об одной заводской партии транзисторов. Но, предупреждение : рис. 3.51 и 3.52 показывают разброс однотипных транзисторов, выпущенных разными производителями. Для борьбы с разницей параметров в усилителях требуются специальные схемы задания рабочей точки. Рис. 3.25 и 3.41   [* и Приложение _F ]   объясняют принцип нагрузочных линий, помогающий анализировать режим работы усилителя.

@I Подпороговая область

Простая формула [3.2] , описывающая ПТ, предсказывает нулевой ток стока, когда напряжение на затворе опускается до порогового \((V_{GS}-V_{th})\)=0 . На самом деле ток не прекращается, и прибор плавно переходит в «подпороговую область» ( «subthreshold region» ), см. рис. 3.16 , где он больше походит на биполярный транзистор с экспоненциальной характеристикой Эберса-Молла ( §2.3.1 ). Здесь \(I_D\) экспоненциально зависит от \(V_{GS}\) , а крутизна увеличивается и становится пропорциональна \(I_D\) ( \(g_m ∝ I_D\) ), но, к сожалению, у полевых транзисторов коэффициент пропорциональности в 2...5 раз ниже, чем у биполярных, см. рис. 3.53 .

@J Усилители с автоматическим смещением

Обеднённые МОП и транзисторы с p-n переходом работают с обратным напряжением затвора [* противоположного, относительно потенциала стока, знака, если считать исток за ноль ] , что позволяет использовать схемы автоматического смещения ( §3.2.6.A ). Исток имеет более «высокий» уровень, чем затвор, поэтому резистор, включённый между истоком и затвором, задаст ток \(I_D=V_{GS}/R\) . Это также удобный способ получения 2-выводного источника тока, хотя его точность оставляет желать лучшего из-за широкого разброса \(V_{GS}\) ( @H ). Кроме того, \(V_{GS}\) , присутствующее на истоке в такой схеме, может использоваться для управления источником тока на LM334 [* §9.3.14.B ] .

@K Истоковый повторитель

«Истоковый повторитель» ( «Source follower» ), см. §3.2.6 и рис. 3.40 , имеет единичный номинальный коэффициент передачи, но за счёт пониженной крутизны \(g_m\) полевого транзистора выходное сопротивление \(r_{out}\)=1/\(g_m\) существенно выше, чем у эмиттерного повторителя. Таким образом, идеальное единичное усиление снижается за счёт сопротивления нагрузки, см. [3.7] .

@L ПТ в качестве переменного резистора

При низких напряжениях стока ( \(V_{DS}<V_{GS}\) ) ПТ работает как переменный резистор, управляемый напряжением на затворе. Ток стока немного зависит от напряжения на нём, поэтому резистор получается не вполне линейным, но есть простой приём, который учитывает квадратичную характеристику ПТ и позволяет увеличить линейность, см. рис. 3.46 и 3.47 .

@M Ток затвора ПТ

Вывод затвора в ПТ с p-n переходом образует с каналом диод. В нормальном состоянии этот диод смёщён в обратном направлении, и через него течёт только очень небольшой ток утечки ( §3.2.8 ). Этот ток удваивается при увеличении температуры примерно на 10°C , кроме того, он катастрофически растёт при больших напряжениях и токах стока из-за эффекта ударной ионизации, см. рис. 3.49 . В МОП приборах данной проблемы нет. Низкий постоянный входной ток ПТ контрастирует с изрядной входной ёмкостью \(C_{ISS}\) . Для мощных МОП приборов она может достигать тысяч пикофарад и является серьёзной нагрузкой по переменному току. Если требуется быстрое переключение, надо использовать микросхемы драйверов затвора ( табл. 3.8 ), способных выдать высокий ток при переходном процессе.

@N Ключи на ПТ с p-n переходом

ПТ с p-n переходом можно использовать в качестве аналоговых ключей ( рис. 3.62 ). Ключ РАЗОМКНУТ, когда на затворе напряжение, как минимум на \(V_{th}\) более отрицательное, чем самый отрицательный уровень входного сигнала ( для n-канального ключа ). Чтобы ЗАМКНУТЬ ключ, надо подать на затвор потенциал истока. Канал в ПТ с переходом - симметричный, поэтому за исток принимается самый отрицательный вывод канала. ПТ с p-n переходом и большим кристаллом хорошо работают с токами до 100 mA . В табл. 3.1 перечислены модели с \(R_{ON}\) вплоть до 3 Ω .

@O КМОП ключи

КМОП ключи делаются на паре параллельных комплементарных n- и p-канальных МОП транзисторов. Такая схема снижает \(R_{ON}\) , что можно видеть на рис. 3.61 , и, кроме того, компенсирует бОльшую часть переноса заряда при переключении ( §3.4.2.E и рис. 3.79 ). Перенос заряда масштабируется обратно пропорционально \(R_{ON}\) ( рис. 3.81 ), поэтому приходится выбирать между низким сопротивлением открытого канала и низким переносом заряда. Скажем, в табл. 3.3 можно найти ключи с впечатляющим \(R_{ON}\)=0.3 Ω , но только в комплекте с собственной ёмкостью 300 pF . Уровень проникновения ВЧ сигнала через закрытый ключ можно понизить с помощью T-образной схемы, см. рис. 3.77 .



==221

@P Логические КМОП вентили

См. рис. 3.90 . Последовательно включённые между шинами питания комплементарные n- и p-канальные транзисторы образуют простейший инвертор ( рис. 3.90 ). Дополнительные ключи позволяют получить логические элементы ( рис. 3.91A и §3.4.4 ). Их привлекательной особенностью является нулевая потребляемая мощность в статике. КМОП логика подробно разбирается в Части 10 и 12 и является основой всех современных цифровых процессоров.

@Q Мощные МОП ключи

БОльшая часть мощных МОП транзисторов ( §3.5 ) относится к обогащённому типу и доступна в виде приборов обеих полярностей. Такие транзисторы активно используются в качестве высоковольтных сильноточных ключей. Основные их характеристики: пробивное напряжение \(V_{DSS}\) ( диапазон от 20 V до 1.5 kV у n-канальных и до 500 V у p-канальных ), сопротивление канала \(R_{DS(ON)}\) ( до 2 mΩ ), тепловая мощность ( до 1000 W при совершенно нереальной температуре корпуса 25°C ) и ёмкость затвора \(C_{ISS}\) ( до 10'000 pF ). Ёмкость затвора требуется перезарядить в процессе переключения, см. @S . В табл. 3.4a перечислены характерные n-канальные ( до +250 V ) и p-канальные ( до –100 V ) транзисторы в компактных корпусах. Табл. 3.4b расширяет набор n-канальных приборов в сторону бОльших напряжений и токов. Ещё более полные таблицы можно найти в Части X3 .

@R Максимальный ток

Справочные данные на МОП транзисторы сообщают величину максимального постоянного тока при совершенно невозможной температуре корпуса 25°C . Цифра выводится из уравнения \(P_{MAX}=I_{D(MAX)}^2/R_{DS(ON)}\) . Максимальная мощность берётся из выражения \(P_{MAX}R_{ΘJC}=ΔT_{JC}\)=150°C ( см. §9.4 ) с учётом максимальной температуры перехода \(T_{J(MAX)}\)=175°C ( она определяет разницу 150°C ). \(R_{DS(ON)}\) при 175°C берётся из графика температурной зависимости \(R_{DS}\) , например, из рис. 3.116 . В результате \(I_{D(MAX)}=\sqrt{ΔT_{JC}/(R_{ΘJC}R_{ON})}\) . В некоторых справочных данных указывают цифры для более практичных случаев 75 или 100°C . Но, в любом случае, гонять кристалл при 175°C - плохая идея, поэтому правильнее будет использовать нижние границы цифр \(I_{D(MAX)}\) и соответствующей мощности \(P_{DISS}\) .

@S Заряд затвора

Внутренние емкости МОП транзисторов, замедляющие переключение проще всего оценивать через график заряда затвора ( рис. 3.101 ). Разберём, как происходит включение. Ток течёт во входные ёмкости затвора \(C_{ISS}+C_{RSS}\) , причём \(C_{ISS}\) превалирует, и вызывает рост напряжения на затворе. Задержка переключения возникает из-за того, что исходно ток стока отсутствует, и такая ситуация сохраняется, пока напряжение на затворе не достигнет некоторого минимального значения, при котором канал чуть приоткрывается. Текущий через канал ток вызывает падение напряжения на стоке ( рис. 3.102 и 3.103 ). Снижающийся потенциал стока вызывает появление обратного тока затвора \(I=C_{RSS}(dV_D/dt)\), который препятствует дальнейшему росту напряжения на затворе. Иначе говоря, скорость падения потенциала стока \(dV_D/dt=I_G/C_{RSS}\) устанавливается током затвора, способным перезаряжать ёмкость обратной связи ( Миллера ) \(C_{RSS}\) . Когда напряжение \(V_{DS}\) снизится до нуля, затвор продолжит заряжаться, но теперь это будет происходить медленнее, потому что при \(V_{DS}\)=0 увеличится \(C_{RSS}\) , а значит, и входная ёмкость ( рис. 3.100 ). Сопротивление канала МОП транзистора достигнет величины \(R_{DS(ON)}\) , только когда напряжение на затворе повысится до максимального значения. Выключение происходит аналогично. В справочных данных обычно приводятся \(C_{ISS}\) и \(C_{RSS}\) , но последняя цифра указывается для напряжения \(V_{DS}\)=25 V , поэтому придётся знакомиться и с графиком зависимости емкостей от напряжения на стоке.

@T Повреждение затвора в МОП приборах

Максимальное напряжение на затворе МОП транзисторов обычно ограничено диапазоном ±20 или ±30 V . При выходе напряжения за эти границы очень тонкий слой диэлектрика затвора может быть необратимо повреждён ( рис. 3.105 ). Обязательно избавляйтесь от статических зарядов перед установкой в схему дискретных МОП приборов или интегральных схем.

@U МОП и биполярные транзисторы в качестве силовых ключей

См. §3.5.5 и @Z .

@V Полярность МОП ключей

Для переключения напряжения могут использоваться транзисторы обеих полярностей. На рис. 3.106A - 3.106F большая часть схем, переключающих положительное напряжение, использует p-канальные транзисторы, но схема 3.106E показывает, как решить ту же задачу, используя n-канальный ключ и дополнительный источник напряжения для управления затвором. n-канальные приборы имеют более высокие параметры и предпочтительнее, если схема допускает их удобное включение, см. §3.1.2 . На рис. 3.107A показано, как с помощью дополнительного источника питания на фотодиодах собрать «плавающий» силовой ключ.

@W Мощные усилители на МОП транзисторах

МОП транзисторы имеют более широкую, нежели биполярные, область безопасной работы ( SOA ) и не подвержены вторичному пробою, возникающему из-за появления локальных перегретых областей в кристалле ( см. рис. 3.95 ). На рис. 3.119 показаны схемы задания рабочей точки в мощных линейных усилителях с выходным каскадом, работающим в «классе-AB».



==222

@X Мощные МОП транзисторы со встроенным каналом

БОльшая часть мощных МОП приборов относится к обогащённому типу, т.е. имеют индуцированный канал, но выпускаются и обеднённые n-канальные приборы ( со встроенным каналом ). Схемы с их использованием показаны в §3.6.2 . См. табл. 3.6 на стр. 210 .

@Y Параллельное включение мощных МОП приборов

Если МОП транзисторы используются в качестве ключей, соединять их параллельно можно без балластных резисторов. В линейных усилительных схемах балластные резисторы при параллельном включении обязательны ! На рис. 3.117B показана изящная схема обратной связи для проходных регулирующих элементов.

@Z IGBT

IGBT - альтернатива мощным МОП приборам. В §3.5.7 сравниваются мощные МОП, биполярные и IGBT транзисторы. Основной областью использования IGBT являются напряжения свыше 300 V и частоты до 100 kHz , хотя сейчас появились IGBT для радиочастотных схем, например, IRGB4045 способен выдать до 150 W на частоте 20 MHz .



==222