Электроника в вопросах и ответах

Чем отличаются свойства биполярных и полевых транзисторов?

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют следующие преимущества: большое входное сопротивление, малую зависимость параметров от температуры, возможность работы в диапазоне как положительных, так и отрицательных сигналов (это не относится к полевым транзисторам с р-n переходом, которые при смещении затвора в проводящем направлении дают большой ток затвора).

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают следующими недостатками: малая мощность, малое значение S; большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты. Например, R_к = 15 кОм, С_вх = 40 пФ, и тогда на частоте f = 100 кГц получим Z_вх = 1/10·С_вх= 40 кОм.

Что можно сказать о рабочей характеристике схемы с ОИ?

Усилитель, работающий по схеме с ОИ, представлен на рис. 4.26, а, а выходные стоковые характеристики I_c = f(U_си) для U_зи = const — на рис. 4.26, б. Можем записать следующее уравнение:

U_си = Ec — U_cR_н

причем для плоских участков характеристики I_c = f(U_си) в случае полевых транзисторов с р-n переходом и МОП-транзисторов «нормально включенных» существует зависимость

I_c = I_{c нас}·(1 — U_зи/U_отс)²

в которой I_{c нас} определяет ток насыщения стока при U_зи = 0. Для МОП транзисторов «нормально включенного» типа не существует I_{си кз}, поскольку ток «отсечен», если напряжение затвора меньше небольшого порогового значения U_пор (ток I_c выражается другой зависимостью).

Рабочую характеристику получают нанесением на семействе статических стоковых характеристик соответствующих нагрузочных прямых (рис. 4.26, б). Две точки Р₁ и Р₂ через которые проходит нагрузочная прямая для постоянного тока, определяется следующим образом:

I_c(P₁) = E_c/R_н; U_си(P₁) = 0

I_c(P₂) = 0; U_си(P₂) = E_c

При выборе рабочей точки следует учитывать, что зависимость, определяющая ток I_c, является квадратичной. Это означает возможность возникновения нелинейных искажений в результате появления, в частности, второй гармоники усиливаемого сигнала. В связи с этим рабочую точку следует выбирать таким образом, чтобы нагрузочная прямая для переменного тока полностью находилась в области плоских участков стоковых характеристик. В упрощенной схеме усилителя, представленной на рис. 4.26, а, обе нагрузочные прямые для постоянного и переменного тока налагаются друг на друга, поскольку в цепи, через которую протекает ток стока, отсутствует реактивность. Искажения увеличиваются с ростом амплитуды усиливаемого сигнала.

Рис. 4.26. Электрическая схема (а) и рабочие (нагрузочные) характеристики (б) для усилителя с полевым транзистором в схеме с ОИ:

_{1 — нагрузочная прямая для переменного тока; 2 — нагрузочная прямая для постоянного тока}

Чем следует руководствоваться при выборе рабочей точки транзистора?

При выборе рабочей точки следует учитывать несколько факторов. В общем можно сказать, что рабочая точка должна быть выбрана таким образом, чтобы при работе транзистора с предполагаемой амплитудой входного сигнала удовлетворялись следующие основные требования: нелинейные искажения должны быть минимальны; выделяющаяся в транзисторе мощность не должна превышать допустимой мощности рассеяния; напряжения и токи не должны превышать максимальных значений.

Указанные выше условия должны удовлетворяться во всем диапазоне температур, в котором будет работать транзистор, причем нельзя превышать температуру, оговоренную заводом-изготовителем. Температура влияет на параметры транзистора, ход его характеристик и положение рабочей точки.

При заданной амплитуде входного сигнала нелинейные искажения относительно невелики в том случае, если рабочая точка выбрана так, что используемый отрезок нагрузочной прямой (для переменного тока, если усиливается переменный сигнал) не проходит через область, в которой наблюдаются нелинейности характеристик.

При работе с малыми сигналами выбор положения рабочей точки не очень критичен и нелинейные искажения малы. При больших сигналах выбор рабочей точки весьма существен и часто критичен. Если нужно обеспечить работу с минимально возможными искажениями, то рабочую точку выбирают вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой, причем обычно сопротивление нагрузки и напряжение питания подбирают так, чтобы этот отрезок лежал в пределах линейного участка стоковой характеристики.

Рассеиваемая в транзисторе мощность (мощность потерь) определяется как произведение тока на напряжение коллектора (стока) в рабочей точке: Р = I_к·U_к. Выделение мощности в транзисторе вызывает увеличение его температуры, что приводит к изменению параметров, а в случае превышения допустимых границ может вызвать порчу транзистора.

Примерный вид характеристик транзистора с указанием ограничений при выборе рабочей точки представлен на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Выходные характеристики полевого транзистора с областью выбора на них рабочей точки:

_{1 — допустимая область работы; 2 — ограничение из-за нелинейности; 3 — ограничение из-за максимальной мощности потерь Рпот = Iс·Uси; 4 — ограниченно по напряжению из-за пробоя}

Как влияет температура на свойства транзистора и положение рабочей точки?

Температура транзистора значительно сильнее влияет на параметры биполярных транзисторов, чем полевых. В разной степени изменению подвержена все параметры. Особенно заметен рост коэффициента h_21э при увеличении температуры, а также рост обратных токов, например ток I_кбо для кремниевых транзисторов удваивается при повышении температуры на 6 °C.