[pic] [pic]
(2.28)
[pic]
(2.29)
Чтобы оценить, какая часть напряжения с выхода через цепь обратной связи попадает на вход усилителя, вводится понятие коэффициента передачи цепи обратной связи ( (:
[pic]
(2.30)
Пределы изменения ( от 0 до + 1 ( при положительной обратной связи и от
0 до ( 1 ( при отрицательной обратной связи.
Чем больше (, тем глубже обратная связь. Напряжение обратной связи Uос в общем случае
Uос = (( Uвых.
При наличии обратной связи в усилителе на его вход поступает сумма напряжений ( напряжение обратной связи и напряжение от источника
сигнала.
[pic];
[pic]
[pic];
[pic].
Если напряжение обратной связи окажется в фазе со входным сигналом, то такую обратную связь принято называть положительной ( ПОС (автогенераторы, компараторы и пр. работают с положительной обратной связью). При положительной обратной связи общий коэффициент усиления увеличивается.
Если напряжение обратной связи окажется в противофазе со входным
сигналом, то такую обратную связь принято называть отрицательной ( ООС
(усилители, автогенераторы, операционные усилители и пр).
Произведение ((К называется фактором обратной связи, его знак совпадает со знаком обратной связи; при положительной обратной связи знаменатель дроби уменьшается, а коэффициент усиления увеличивается, при отрицательной обратной связи знаменатель дроби увеличивается, а коэффициент усиления уменьшается.
Если фазовый сдвиг между напряжениями Uс и Uос будет равен «(», то в этом случае
[pic].
(2.31)
И, следовательно, коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, уменьшается в [pic]раз по сравнению с коэффициентом усиления без ОС. В тех схемах, где используется глубокая отрицательная обратная связь коэффициент усиления усилителя практически не зависит от параметров усилительного тракта, так как произведение К( в этом случае значительно больше единицы, поэтому
[pic] (2.32)
Таким образом, в соответствии с (2.32) коэффициент усиления усилителя определяется только параметрами цепи ОС, что и определяет высокую стабильность коэффициента усиления: цепь обратной связи выполняется на пассивных элементах, электрические параметры которых более постоянны, нежели параметры транзистора, поэтому величину «(» будем считать величиной постоянной.
В процессе эксплуатации параметры транзистора сильно изменяются, а это приводит к тому, что и параметры усилительного каскада, связанные с параметрами транзистора, также изменяются. Например, при изменении температуры окружающей среды или напряжений источников питания изменяется коэффициент усиления усилителя.
Изменение коэффициента усиления усилителя без ООС можно оценить
относительной величиной dК/К, в усилителях с ООС ( величиной dКос/Кос.
Величину ( считаем постоянной, а величину dКос можно найти простым
дифференцированием уравнения (2.31) по «К»
[pic] (2.33)
На первый взгляд для усилителя это явление ( уменьшение коэффициента усиления ( нежелательное, но дело в том, что именно ООС обеспечивает схеме усилителя стабильность коэффициента усиления по напряжению: коэффициент усиления усилителя подвержен влиянию многих факторов (непостоянство напряжения источников питания, изменение температуры, старение элементов схемы, влажность, давление и пр.), поэтому схема усилителя должна отслеживать изменения режима работы и отрабатывать их.
Сущность стабильности коэффициента усиления усилителя, охваченного ООС, заключается в следующем. Если за счет перечисленных факторов произошло увеличение коэффициента усиления на величину (К, то напряжение обратной связи увеличится на соответствующую величину (Uос, а следовательно, напряжение на входе усилителя Uвх уменьшится. Если же произошло уменьшение усиления, то напряжение обратной связи уменьшится, а напряжение на входе усилителя возрастет.
Пример. В усилителе, охваченном отрицательной обратной связью (ООС), известно: коэффициент усиления усилителя без ООС равен К = 100; коэффициент передачи обратной связи ( = 0,2.
Требуется определить, как изменится коэффициент усилителя при наличии
ООС, если коэффициент усиления К собственно усилителя (без ООС) увеличился
на 10 %.
Коэффициент усиления при наличии в схеме усилителя ООС (2.31)
[pic].
Новое значение коэффициента усиления усилителя с ООС при изменении собственно коэффициента усиления усилителя на 10 %(
[pic].
Расчет показывает, что при изменении коэффициента усиления усилителя без ООС на 10 %, коэффициент усиления усилителя с ООС изменился всего лишь на 2 %, что практически не скажется на работе усилителя, то есть ООС действительно обеспечивает стабильность параметру «К».
Вывод. ООС в усилителе препятствует любому изменению величины коэффициента усиления напряжения и этим оправдано ее применение в усилительных устройствах. За счет ООС в схемах удается отслеживать и корректировать положение рабочей точки усилителя на ВАХ, а, следовательно, и изменения коэффициента усиления усилителя.
3. УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ
3.1. Общие сведения
В полевых транзисторах в образовании тока участвуют носители зарядов
одного знака (или дырки, или электроны). Основным способом движения
носителей можно считать дрейфовый, так как процессы инжекции и диффузии
практически отсутствуют. В основе работы полевых транзисторов лежит эффект
поля. Металлический электрод, создающий эффект поля, называется затвором.
Стоком называют электрод, на который поступают рабочие носители канала, а
истоком, ( от которого эти носители движутся (исток обычно соединяют с
основной пластиной полупроводника ( подложкой). Проводящий слой, по
которому проходит рабочий ток, называется каналом. Каналы могут быть
приповерхностными и объемными. В транзисторах с приповерхностным каналом
затвор отделен от канала слоем диэлектрика (МДП или МОП-транзисторы), а при
объемном канале ( обедненным слоем, который создается с помощью электронно-
дырочного p-n-перехода.
Сущность процессов, связанных с образованием канала в полевом транзисторе с управляемым электронно-дырочным p-n-переходом, при изменении напряжения на переходе можно схематично представить так, как это изображено на рис. 3.1.
[pic]
[pic]
Рис. 3.1. Схематичное изображение образования канала
С целью увеличения глубины модуляции канала сплавной переход выполнен в
виде кольца, охватывающего канал, в результате чего переход образует
диафрагму, диаметр отверстия которого изменяется в такт с изменением
напряжения на переходе. Диафрагма ( это и есть канал у полевого транзистора
(отсюда и появилось название у этого типа транзисторов ( канальные).
Что общего у транзисторов с приповерхностным и объемным каналами?
1. Отсутствие инжекции и диффузии, а основной способ движения носителей
( дрейф.
2. Управляющим электродом является затвор. Управление выходным током осуществляется с помощью поперечного электрического поля, то есть полевые транзисторы работают в режиме заданного напряжения на затворе. В принципе изменять ток стока можно с помощью и напряжения на стоке, но его влияние на ток гораздо слабее, чем затвора, поэтому командное место в управлении током принадлежит затвору.
3. Входная цепь полевых транзисторов не потребляет тока, так как управляющая цепь отделена от канала либо диэлектриком (у МОП-транзисторов), либо обратносмещенным p-n-переходом (у канальных).
4. За счет того, что входные цепи не потребляют токов, нагрузочная способность полевых транзисторов в ключевом режиме высокая: на один МОП- ключ можно нагрузить свыше 50 идентичных ключей.
5. Входное сопротивление у полевых транзисторов велико.
3.2. Принцип действия, статические ВАХ полевого транзистора с объемным каналом (с управляемым p-n-переходом)
На рис. 3.2 дана модель полевого транзистора с управляемым p-n- переходом. На границе раздела двух областей образовался p-n-переход, поле в области которого препятствует проникновению основных носителей ( электронов из n-канала в p-область.
[pic]
Рис. 3.2. Модель полевого транзистора с управляемым p-n-переходом
Электронно-дырочный p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, и в цепи затвора течет лишь ток неосновных носителей Iзо. В маломощных полевых транзисторах ток Iзо настолько мал, что им пренебрегают, но в мощных транзисторах и в диапазоне высоких частот влияние этого тока возрастает и с ним приходится считаться. Для кремниевых p-n-переходов обратный ток составляет менее 10--11 А, и, таким образом, усиление мощности обеспечивается малой величиной входного тока.
Переход у полевого канального транзистора несимметричный, так как по мере приближения к стоку потенциал увеличивается и получается, что к верхней части перехода прикладывается большее напряжение. В схеме
рис. 3.2: евх ( генератор переменной ЭДС на входе .
Rc ( сопротивление нагрузки в цепи стока;
Ес ( источник постоянного напряжения в цепи стока, создает ускоряющее поле, под действием которого носители направленно движутся от истока к стоку;
Есм ( источник смещения, создает поперечное электрическое поле, с
помощью которого регулируется ширина запрещенной зоны p-n-перехода, т.е.
изменяется поперечное сечение канала, и таким образом, регулируется ток
стока (выходной ток); при Uзи = 0 сечение канала будет максимальным, ток
стока и крутизна наибольшими, что хорошо просматривается на стокозатворных
ВАХ транзистора (рис. 3.3). В зависимости от типа канала полярность
напряжения на затворе меняется.
[pic]
[pic]
Рис. 3.3. Стокозатворные (передаточные) ВАХ транзисторов с разным типом каналов: а ( для n-канала; б ( для p-канала
Практическую ценность стокозатворной характеристики переоценить трудно: она позволяет выбрать режим транзистора по постоянному току, оценить усилительные свойства транзистора, выяснить характер и оценить уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала.
Анализ стокозатворных ВАХ полевого канального транзистора показывает, что такие транзисторы работают строго при одной полярности напряжения на затворе: если произойдет смена полярности напряжения на затворе, то p-n- переход приходит в прямосмещенное состояние, транзистор перестает быть униполярным, так как начнется инжекция неосновных носителей в канал. Кроме того, сопротивление входной цепи резко уменьшается, во входной цепи может потечь недопустимо большой ток, что приведет к гибели транзистора. Таким образом, полевой канальный транзистор работает только в режиме обеднения канала.
Напряжение на затворе, при котором перекрывается токопроводящий канал, называется напряжением отсечки Uотс. Если напряжение Uзи меньше Uотс и подано напряжение на участок сток-исток Uси, то через транзистор будет протекать ток.
Рассмотрим процесс получения статических стоковых (выходных) ВАХ канального транзистора.
С увеличением напряжения Uси растет обратное напряжение на участке сток- затвор, следовательно, ширина запрещенной зоны перехода будет увеличиваться в направлении от истока к стоку. Когда разность напряжений Uси ( Uзи станет равной напряжению отсечки, прекращается прирост тока стока, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения на стоке
(рис. 3.5). Такое состояние транзистора наступает в момент образования горловины канала, при этом ток стока называется током насыщения, а напряжение на участке сток-исток ( напряжением насыщения [pic]. Это выражение является уравнением границы между крутой и пологой областями ВАХ.
[pic]
Модуляцию поперечного сечения канала при увеличении напряжения на стоке и, как результат, образование горловины канала в транзисторе можно схематично представить рис. 3.4, а, б, в.
Рис. 3.4. Сечение канала транзистора с объемным каналом: а ( ненасыщенный режим; б ( на границе насыщения; в ( насыщенный режим,
На рисунке( w ( толщина канала; L ( длина канала.
Напряжение насыщения Uсин ( это такое «критическое» напряжение, при котором окончательно формируется «горловина» канала и ток стока при увеличении Uси не меняется. Не следует путать понятия области насыщения биполярного и полевого транзисторов: эти понятия полностью противоположны, так как насыщение биполярного транзистора есть состояние с малым напряжением Uкэ, а область насыщения полевого транзистора ( это область больших напряжений Uси, в которой транзистор дает весь ток стока, который только может дать при данном напряжении на затворе.
Увеличение напряжения на стоке вызывает прирост тока стока, но при этом увеличивается обратное напряжение на переходе участка затвор-сток, что вызывает уже более заметное сужение канала и существенное увеличение его сопротивления и, таким образом, ток, протекающий через канал, порождает условия, при которых происходит ограничение его возрастания. Механизм насыщения скорости дрейфа позволяет получить совпадение теории и эксперимента; дело в том, что почти все падение напряжения сосредоточено в самой узкой части канала (верхней его части ( горловине). В результате в этой области напряженность поля получается очень высокой, подвижность носителей быстро падает, скорость их движения достигает насыщения и плотность тока через канал перестает зависеть от напряжения.
[pic]
Рис. 3.5. Семейство стоковых ВАХ: Iс = f(Uси) при Uзи = const
Если на затвор подать более отрицательное напряжение (случай с n- каналом), то сечение канала уменьшается, сопротивление увеличится и начальный участок новой ВАХ будет иметь наклон, соответствующий большему значению сопротивления. Выход транзистора на криволинейный участок и в область насыщения произойдет раньше, то есть при меньших значениях напряжения на стоке (точки E; D; В при Uзи < 0).
На крутых участках ВАХ ток стока является функцией двух напря-
жений ( на стоке и на затворе, а на пологих участках ( функцией только
напряжения на затворе. В усилительной технике полевые транзисторы (и
канальные, и МОП) обычно работают на пологих участках ВАХ, поскольку этим
участкам соответствуют наименьшие нелинейные искажения и оптимальные
значения дифференциальных параметров ( крутизны, внутреннего сопротивления
и собственного коэффициента усиления. На стоковых ВАХ (рис. 3.5) пунктирной
линией, соединяющей точки E, D, B, обозначена граница между пологими и
крутыми участками ВАХ. Такое резкое разделение крутых и пологих участков
ВАХ, разумеется, носит условный характер, но в инженерной практике
позволяет пользоваться наиболее удобной аппроксимацией ВАХ, так как очень
точные выражения ВАХ оказываются достаточно сложными (особенно для МОП-
транзисторов).
3.2.1. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляемым p-n-переходом для инженерных расчетов
При проектировании усилительных схем на полевых канальных транзисторах достаточную для инженерных расчетов точность дают следующие аппроксимации вольт-амперных характеристик.
При работе в пологой области ВАХ ток стока, при заданном напряжении на затворе, определяется из выражения
[pic]
(3.1) где b ( удельная крутизна канального транзистора (мА/В2).
[pic]
(3.2)
Примечание.
В отличии от обычного понятия крутизны, которая характеризует управляющие свойства затвора, удельная крутизна определяется геометрией транзистора
[pic]мА / В2 где (о ( диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф / см;
(д ( диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для SiO2 значение (д=
3,5);
( ( приповерхностная подвижность носителей ( она в 2(3 раза меньше объемной), см2 / В(с;
L ( длина канала;
Z ( ширина затвора; a ( расстояние от «дна» n-слоя до металлургической границы (мкм).
Квадратичная аппроксимация тока стока на пологих участках (3.1) отражает линейную зависимось крутизны от напряжения на затворе, что является одной из отличительных черт полевых транзисторов. Крутизна транзистора в пологой области определяется выражением
[pic]
(3.3)
Максимальное значение крутизны Sмак для канального транзистора получается при напряжении на затворе, равном нулю(
[pic] (3.4)
Если при расчетах усилительных схем более удобной окажется зависимость крутизны от тока стока , а не от напряжения на затворе, то, объеденив формулы (3.1 и 3.3), получим
[pic] (3.5)
Выражение (3.1) по существу описывает стокозатворную характе-
ристику.
Примечание. Разница между эспериментальными данными и расчетами,
выполненными по формулам (3.1 и 3.3), не превышает 5%, что объясняется (в
области малых напряжений на затворе) влиянием внутренней отрицательной
обратной связи, проявляющейся на объемных сопротивлениях истока и стока (rи
и rс соответственно). В большинстве случаев эти сопротивления при
инженерных расчетах не учитываются (диапазон его изменения от 30 до 800
Ом).
При работе на крутом участке ВАХ ток стока
[pic] (3.6)
Кроме рассмотренных параметров канального транзистора заслуживают внимания малосигнальные статические параметры: а) дифференциальное (внутреннее) сопротивление канала характеризуется наклоном характеристик при полностью открытом канале, когда Uзи=0.
[pic]
Дифференциальное сопротивление канала ( это фактически выходное сопротивление транзистора (определяется в режиме насыщения);
Значение этого параметра особенно важно для случаев применения полевых транзисторов в схемах аналоговых коммутаторов и модуляторов или в качестве регулируемого сопротивления; во всех этих случаях транзистор работает в крутой области ВАХ( б) статический коэффициент усиления по напряжению
[pic]
Коэффициент Кстат показывает, во сколько раз управляющие свойства затвора сильнее, чем у стока. Знак минус говорит лишь о том, что для поддержания постоянного тока через транзистор напряжения на затворе и на стоке должны быть противоположными по знаку; в) статическое сопротивление транзистора по постоянной составляющей тока, Ом[pic] (определяется в рабочей точке по ВАХ); г) входное сопротивление между затвором и истоком (определяется при максимально допустимом напряжении между этими электродами):
[pic]
Входное сопротивление канального транзистора определяется обратным током p-n-перехода и составляет не более 1011 Ом.
Основным достоинством транзисторов с объемным каналом перед МОП- транзисторами является почти полное отсутствие шумов и стабильность характеристик во времени. Единственным типом шума у них является тепловой шум.
3.3. Полевые МДП (МОП)-транзисторы с изолированным затвором
М ( металл, П ( полупроводник.
Д(O) ( диэлектрик (в современных интегральных схемах в качестве диэлектрика используется окисел кремния SiO2, отсюда и название ( МОП).
В МОП-транзисторах затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика
(0,2(0,3мкм).
В основе классификации МОП-транзисторов лежат две конструктивные особенности ( индуцированный канал и встроенный канал (рис. 3.6 и 3.7 соответственно).
3.2.1. Принцип действия, статические стокозатворные ВАХ
МОП-транзисторов с изолированным затвором
В качестве примера рассмотрим работу полевого МОП-транзистора с «n»- каналом, выполненного на основе кремния, у которого роль диэлектрика выполняет слой SiO2; главная особенность этого слоя состоит в том , что он всегда содержит примеси донорного типа (натрий, калий, водород). Примеси сосредоточены вблизи границы с кремнием, в результате чего в пленке SiO2 образуется тонкий слой положительно заряженных донорных атомов. Отданные ими электроны переходят в приповерхностный слой кремния. Если при этом используется подложка n(типа, то эти электроны создают обогащенный слой, что препятствует образованию p-канала, поэтому у транзисторов с p-каналом требуется большее пороговое напряжение, чем при n-канале.
