что такое напряжение отсечки полевого транзистора

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:

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 I_DSS.

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 V_GS(off) или реже как V_p.

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

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:

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

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

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

или, учитиывая равенство:

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

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.

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

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

Расчет сопротивления R_S для установки требуемого тока стока I_D для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока I_DSS и напряжения отсечки V_GS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики (1):

откуда получаем равенство:

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

Соответственно выражение для значения сопротивления R_S примет следующий вид:

Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока I_DSS и напряжения отсечки V_GS(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 V_GS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвор-исток при I_D = 0,1·I_DSS, а затем, подставив эти значения в формулу (1), вычисляют уже соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:

В [2] также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки V_GS(off), при котором величина тока стока I_D становится нулевой или равной нескольким микроамперам, «не всегда будет удовлетворять равенству (1), поэтому удобнее вычислять величину как функцию V_GS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока I_D=0″.

Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, то величина напряжения отсечки V_GS(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 I_DSS. 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 V_GS было близким к напряжению отсечки V_GS(off) или к нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную характеристику (1) на всём её протяжении от I_D=0 до I_D=I_DSS, достаточно сделать это для некоего рабочего участка от I_D1=I_D(V_GS1) до I_D2=I_D(V_GS2). Для этого решим следующую задачу.

Пусть путём измерения получены значения тока стока I_D1 и I_D2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток V_GS1 и V_GS2:

Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы (1).

Сначала определим значение . Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:

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

А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы (1):

Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки и начального тока стока после 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 I_DSS и напряжение отсечки V_GS(off) полевого транзистора. Затем были измерены значения напряжений затвор-исток V_GS1 и V_GS2 для двух соответствующих им значений тока стока I_D1 и I_D2, несколько отстоящих от нулевого значения при V_GS=V_GS(off) и начального тока стока I_DSS. Подстановка V_GS1, V_GS2, I_D1 и I_D2 в формулы (10) и (11) давала искомые значения и . Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, — I_DSS и V_GS(off) или и , — 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 I_DSS, то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток. Полученные таким образом значения I_D0 и V_GS0 — это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Осталось подставить теперь значение V_GS0 в формулу (1) сначала с парой параметров I_DSS и V_GS(off), а затем с и , и сравнить оба вычисленных значения тока стока с измеренным I_D0.

Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже.

Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2, то линия, построенная по значениям (; ), пройдёт гораздо ближе к точке (V_GS0; I_D0), чем построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока (V_GS(off); I_DSS).

Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (V_GS1; I_D1) и (V_GS2; I_D2) 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