Активный режим работы полевого транзистора

Полевые транзисторы (JFET), как и биполярные транзисторы, способны «удерживать» ток в режиме между отсечкой и насыщением, называемом активным режимом. Чтобы лучше понять работу полевого транзистора, давайте проведем моделирование в SPICE, аналогичное тому, что использовалось для изучения основ работы биполярного транзистора:

jfet simulation 
vin 0 1 dc 1 
j1 2 1 0 mod1 
vammeter 3 2 dc 0 
v1 3 0 dc 
.model mod1 njf 
.dc v1 0 2 0.05 
.plot dc i(vammeter) 
.end 

Обратите внимание, что транзистор, обозначенный в схеме как "Q1", представлен в списке соединений SPICE как j1. Хотя все типы транзисторов обычно на схемах обозначаются буквой "Q" (так же как резисторы обозначаются "R", конденсаторы – "C"), SPICE требует информации, какой это тип транзистора, с помощью разных буквенных обозначений: q – для биполярных транзисторов, j – для полевых транзисторов.

Здесь управляющий сигнал представляет собой постоянное напряжение 1 вольт, прикладываемое отрицательным концом к затвору полевого транзистора и положительным концом к истоку полевого транзистора, чтобы сместить в обратном направлении PN переход. В первом моделировании биполярного транзистора в главе 4, источник постоянного тока 20 мкА использовался в качестве управляющего сигнала, но помните, что полевой транзистор – это устройство, управляемое напряжением, а не током, как биполярный транзистор.

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут стабилизировать управляемый ток на фиксированном уровне, если напряжение питания превышает определенный минимальный уровень, независимо от того, насколько высоко это напряжение может подняться. Конечно, в реальной жизни эта стабилизация тока имеет ограничения: транзистор не может выдерживать бесконечно высокое напряжение источника питания, и при достаточно высоком напряжении сток-исток транзистор будет «разрушаться», а ток стока будет быстро увеличиваться. Но в нормальных рабочих пределах полевой транзистор поддерживает ток стока на постоянном уровне, не зависящем от напряжения питания. Чтобы убедиться в этом, мы запустим другое компьютерное моделирование, на этот раз будем изменять напряжение питания (V1) от 0 до 50 вольт:

jfet simulation 
vin 0 1 dc 1 
j1 2 1 0 mod1 
vammeter 3 2 dc 0 
v1 3 0 dc 
.model mod1 njf 
.dc v1 0 50 2 
.plot dc i(vammeter) 
.end 

Разумеется, ток стока остается постоянным на значении 100 мкА (1.000E-04 ампер) независимо от того, насколько высоко поднято напряжение источника питания.

Поскольку входное напряжение управляет сужением канала полевого транзистора, имеет смысл, что изменение этого напряжения должно быть единственным способом, способным изменять для полевого транзистора точку стабилизации тока, так же как изменение тока базы биполярного транзистора является единственным способом изменять стабилизацию тока коллектора. Давайте уменьшим входное напряжение с 1 вольта до 0,5 вольта и посмотрим, что произойдет:

jfet simulation 
vin 0 1 dc 0.5 
j1 2 1 0 mod1 
vammeter 3 2 dc 0 
v1 3 0 dc 
.model mod1 njf 
.dc v1 0 50 2 
.plot dc i(vammeter) 
.end 

Как и ожидалось, ток стока стал больше, чем был в предыдущем моделировании. При меньшем напряжении обратного смещения, приложенном к переходу затвор-исток, область истощения стала не такая широкая, как было ранее, таким образом, «открывая» канал для носителей заряда и увеличивая величину тока стока.

Обратите внимание, фактическое значение тока теперь составляет 225 мкА (2.250E-04 ампера). Предыдущее моделирование показало ток стока 100 мкА при напряжении затвор-исток 1 вольт. Теперь, когда мы уменьшили управляющее напряжение в 2 раза (с 1 вольта до 0,5 вольта), ток стока увеличился, но не в той же пропорции 2:1! Давайте еще раз уменьшим напряжение затвор-исток снова в 2 раза (до 0,25 вольта) и посмотрим, что произойдет.

jfet simulation 
vin 0 1 dc 0.25 
j1 2 1 0 mod1 
vammeter 3 2 
dc 0 v1 3 0 dc 
.model mod1 njf 
.dc v1 0 50 2 
.plot dc i(vammeter) 
.end 

При напряжении затвор-исток 0,25 вольта (в 2 раза меньше, чем было ранее) ток стока составляет 306,3 мкА. Хотя он всё еще увеличивается по сравнению с 225 мкА с предыдущего моделирования, он изменяется не пропорционально управляющему напряжению.

Чтобы получить лучшее представление о том, что здесь происходит, мы должны запустить другой тип моделирования: тот, который сохраняет напряжение источника питания постоянным и изменяет управляющий сигнал (напряжение). Когда этот тип моделирования был запущен для биполярного транзистора, результатом был линейный график, показывающий, что у биполярного транзистора связь между входным током и выходным током линейна. Посмотрим, какой вид связи покажет полевой транзистор:

jfet simulation 
vin 0 1 dc 
j1 2 1 0 mod1 
vammeter 3 2 dc 0 
v1 3 0 dc 25 
.model mod1 njf 
.dc vin 0 2 0.1 
.plot dc i(vammeter) 
.end 

Это моделирование непосредственно показывает важную характеристику полевого транзистора: напряжение затвора нелинейно влияет на ток стока. Обратите внимание, что ток стока по мере увеличения напряжения затвор-исток уменьшается нелинейно. У биполярного транзистора ток коллектора был прямо пропорционален току базы: выходной сигнал пропорционально следовал за входным сигналом. У полевого транзистора это не так! Управляющий сигнал (напряжение затвор-исток) при приближении к отсечке оказывает меньшее влияние на ток стока. В данном моделировании большая часть управляющего воздействия (75 процентов уменьшения тока стока – с 400 мкА до 100 мкА) происходит в первом вольте напряжения затвор-исток (от 0 до 1 вольта), а остальные 25 процентов уменьшения тока стока требуют еще одного целого вольта входного сигнала. Отсечка происходит при 2 вольтах на входе.

Как правило, линейность для транзистора важна, поскольку она позволяет ему точно усиливать форму сигнала, не искажая её. Если транзистор нелинеен при усилении вход/выход, форма входного сигнала будет каким-то образом искажена, что приведет к получению гармоник в выходном сигнале. Единственный момент, когда линейность транзисторной схемы не важна, это когда она работает в крайних пределах отсечки и насыщения (выключена и включена, соответственно, как коммутатор).

Кривые характеристик полевого транзистора показывают такое же поведение регулирования тока, как и для биполярного транзистора, а нелинейность между напряжением затвор-исток и током стока очевидна в непропорциональных расстояниях между кривыми по вертикали:

Чтобы лучше понять токо-регулирующее поведение полевого транзистора, было бы полезно нарисовать модель, состоящую из более простых и более общих компонентов, как и в случае с биполярным транзистором:

В случае с полевым транзистором это с напряжение обратного смещения на диоде затвор-исток, которое устанавливает точку стабилизации тока для пары токорегулирующих диодов (CRD). Пара противоположно направленных токорегулирующих диодов включена в модель для пропускания тока в обоих направлениях между истоком и стоком, что является следствием однополярности канала. Из-за отсутствия PN переходов в пути протекания тока между истоком и стоком, отсутствует чувствительность к полярности управляемого тока. По этой причине полевые транзисторы часто называют двусторонними устройствами.

Сопоставление графиков характеристик полевого транзистора с графиками для биполярного транзистора обнаруживает заметную разницу: линейная (прямая) часть каждой негоризонтальной области каждого графика на удивление длинна по сравнению с соответствующими частями графиков характеристик биполярного транзистора:

Полевой транзистор, работающий в области триода, имеет склонность действовать очень сильно, как обычный резистор, поставленный на место между стоком и истоком. Как и все простые сопротивления, его график зависимости тока от напряжения является прямой. По этой причине часть триодной (негоризонтальной) области графика характеристики полевого транзистора называют омической областью. В этом режиме работы, когда напряжения сток-исток недостаточно, чтобы довести ток стока до точки стабилизации, ток стока прямо пропорционален напряжению сток-исток. Во внимательно спроектированной схеме это явление может быть использовано для получения пользы. Работающий в этой области графика полевой транзистор действует как сопротивление, управляемое напряжением, а не как стабилизатор тока, управляемый напряжением, и соответствующая модель для транзистора отличается от предыдущей:

Здесь модель транзистора с одним реостатом (переменным резистором) является подходящей. Однако, следует помнить, что эта модель транзистора справедлива только для узкого диапазона его работы: когда он чрезвычайно насыщен (напряжение, подаваемое между стоком и истоком, гораздо меньше необходимого, чтобы ток стока достиг точки стабилизации). Величина сопротивления (измеренная в омах) между стоком и истоком в этом режиме контролируется величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком. Чем напряжение затвор-исток меньше, тем меньше сопротивление (более крутая линия на графике).

Поскольку полевые транзисторы являются регуляторами тока, управляемыми напряжением (по крайней мере, когда они работают в активном режиме), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен как безразмерное отношение, как у биполярного транзистора. Другими словами, для полевого транзистора нет отношения β. Это справедливо для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако есть связь между управляемым током (стока) и управляющим напряжением (затвор-исток), и называется она крутизна. Измеряется она в Сименсах, та же единица измерения, что и у проводимости (ранее известная как «мо» – «ом» наоборот).

Почему выбрана именно эта единица измерения? Потому что формула представляет собой общую форму тока (выходного сигнала), деленного на напряжение (входной сигнал).

\[g_{fs} = { \Delta I_с \over \Delta V_{зи}}\]

где

• g_fs – крутизна в Сименсах;
• ΔI_с – изменение тока стока (ΔI_D);
• ΔV_зи – изменение напряжение затвор-исток (ΔV_GS).

К сожалению, значение крутизны для любого полевого транзистора не является стабильной величиной: оно значительно меняется в зависимости от величины управляющего напряжения затвор-исток, приложенного к транзистору. Как мы видели в моделированиях SPICE, ток стока изменяется непропорционально изменению напряжения затвор-исток. Чтобы рассчитать ток стока для любого заданного напряжения затвор-исток, существует другое уравнение. Очевидно, оно нелинейное (обратите внимание на степень 2), что отражает нелинейное поведение, которое мы увидели при моделировании:

\[I_с = I_{с0} {\left( 1 - {V_{зи} \over V_{зи(отс)}} \right)} ^2\]

где

• I_с – ток стока (I_D);
• I_с0 – ток стока при затворе, замкнутом накоротко с истоком, (I_DSS);
• V_зи – напряжение затвор-исток (V_GS);
• V_зи(отс) – напряжение отсечки затвор-исток (V_GS(cutoff)).

Подведем итоги

• В активном режиме полевые транзисторы регулируют ток стока в зависимости от величины напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истока, так же как биполярный транзистор регулирует ток коллектора в соответствии с током базы. Математическое соотношение между током стока (выходом) и напряжением затвор-исток (входом) называется крутизной, она измеряется в Сименсах.
• Связь между (управляющим) напряжением затвор-исток и (управляемым) током стока не линейна: при уменьшении напряжения затвор-исток ток стока увеличивается экспоненциально. То есть крутизна полевого транзистора не является постоянной величиной во всем диапазоне его работы.
• В своей триодной области полевые транзисторы регулируют сопротивление сток-исток в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком. Другими словами, они действуют как сопротивление, управляемое напряжением.

Теги