книги из ГПНТБ / Важенина, З. П. Транзисторные генераторы импульсов миллисекундного диапазона

Рис. 2.2. Ключевые схемы полевых транзисторов.

измеренная при напряжении на стоке и0т, равном поро говому напряжению во, при напряжении на затворе ик равном нулю. Для МДП-транзисторов с индуцирован­ ными каналами / м— это величина тока стока, измерен­ ная при ист= е0 и u3 = 2ßo [27].

Из выпускаемых в настоящее время полевых тран­ зисторов с управляемым р-п переходом большинство имеет канал p-типа (транзисторы 2П101, КП 101, КП102, 2П102, 2П103 и КП 103); большинство выпускаемых МДП-транзисторов с проводящим каналом имеет канал «-типа (ТН-12М). Большинство выпускаемых в настоящее время интегральных схем основано на МДП-транзисто- рах с индуцированным каналом /7-типа. Поэтому на рис. 2.2 представлены эти типы транзисторов. Однако преимущество схем на дополняющих транзисторах, со­ стоящее в малом потреблении мощности, необходимой для их нормальной работы, по-видимому, приведет к выпуску транзисторов обоих типов проводимости для каждого из видов полевых транзисторов, представлен­ ных на рис. 2.1.

При проектировании пленочных гибридных импульс­ ных микросхем верхний предел емкости тонкопленоч­ ных конденсаторов ограничен площадью подложки мик­ росхемы и составляет величину в 10 000 пФ. Поэтому для реализации больших постоянных времени в им-

60

пульсных генераторах миллисекундного диапазона при использовании в качестве активных элементов биполяр­ ных транзисторов приходится использовать навесные конденсаторы. Это затрудняет повышение уровня инте­ грации.

Полевые транзисторы позволяют решить проблему повышения уровня интеграции. Высокое входное сопро­ тивление полевых транзисторов, используемых в каче­ стве активных элементов пленочных гибридных им­ пульсных схем, позволяет сократить число навесных конденсаторов и даже обойтись без них, а использова­ ние полевого транзистора в качестве управляемого на­ пряжением сопротивления позволяет обойтись и без резисторов.

При проектировании импульсных схем на дискрет­

ектировании твердотельных микросхем — МДП-транзи­ сторы с индуцированным каналом. Полевые транзисто­

в режиме насыщения). Большое входное сопротивление полевых транзисторов позволяет осуществлять управле­ ние изменением тока в выходной цепи входным напря­ жением. Поэтому усилительные свойства полевого тран­ зистора характеризуются крутизной 5 вольт-амперной характеристики і'ст (п3) при Пет= const.

Высокое входное сопротивление полевых транзисто­ ров позволяет осуществлять запуск ждущих импульсных генераторов от очень маломощных источников с боль­ шим внутренним сопротивлением; низкое потребление мощности по управляющей цепи позволяет использовать эти схемы в микроваттных режимах. Большое входное

61

Сопротивление позволяет реализовать логические схемы с большим разветвлением по входу. Наконец, большое входное сопротивление и хорошая изоляция между вхо­ дом II выходом позволяют выбирать в импульсных схе­ мах величины сопротивлений хронирующих резисторов

10 МОм и тем самым реализовать нормальную работу схемы при минимальных значениях емкостей хронирую­ щих конденсаторов. Это, во-первых, улучшает качествен­ ные показатели импульсных генераторов, обеспечивая предельно малое время перезаряда хронирующих кон­ денсаторов, и, во-вторых, в генераторах импульсов боль­ шой длительности при пленочно-гибридной технологии их изготовления позволяет обойтись без навесных кон­ денсаторов.

По величине входного сопротивления полевые тран­ зисторы с р-п переходом уступают МДП-транзисторам,

укоторых величина гвхдостигает значений ІО14. .. ІО15Ом.

ВМДП-транзнсторах под управляющим электродом рас­ положен слой диэлектрика. Вследствие этого токи утеч­ ки оказываются незначительными, а входное сопротив­

ление чрезвычайно высоким.

2. Радиационные свойства. Радиационная стойкость

сравнивать транзисторы, выполненные из одинакового материала. Это связано с тем, что в полевых транзисто­ рах ток обусловлен только свободными основными носи­ телями в проводящем канале, а в биполярных транзи­ сторах— неосновными носителями. Для изменения же концентрации основных носителей заряда требуются значительно большие дозы облучения, чем для измене­ ния концентрации неосновных носителей. Так, крутизна S-кремниевых полевых транзисторов с р-п переходом уменьшается на 30% при облучении потоком нейтронов ІО15 нейтрон/см2, а коэффициент усиления ß низкочастот­ ных кремниевых биполярных транзисторов уменьшается на 70% при облучении дозой 3-1013 нейтрон/см2 [68].

Радиационная стойкость МДП-транзисторов с инду­ цированным каналом хуже, нежели полевых транзисто­ ров с р-п переходом, что объясняется возникновением в МДП-транзисторах поверхностных эффектов, вызван­ ных облучением.

3. Температурная стабильность. При изменении тем­ пературы окружающей среды дестабилизирующее дей­

62

ствие на работу импульсных генераторов оказывают из­ менения трех параметров: крутизны вольт-амперной ха­ рактеристики S, порогового напряжения е0 и величины тока утечки /а0 (обратного тока затвора). Как видно из рис. 2.3—2.6, повышение температуры окружающей сре-

ды приводит к уменьшению S, увеличению |ео| и увели­ чению /3о (уменьшению вход­ ного сопротивления). Изме­ нение S оказывает такое же дестабилизирующее дейст­ вие на работу импульсных генераторов (ГПН, фантастрона), как изменение ß бипо-

\\р. лярных транзисторов. Преи-

2П102А а КП102Е

Рис. 2.3. Сток-затворные характеристики полевых транзисторов 2П102 и КП102 различных групп при ист= —10 В. Характеристика транзистора 2П102Г представлена для 20 °С и 80 °С [32].

вышение температуры приводит к понижению S (к пони­ жению тока стока), поэтому исключается саморазогрев прибора. В биполярных транзисторах повышение темпе­ ратуры приводит к повышению ß (к повышению коллек­ торного тока); при этом возможен саморазогрев транзи­ стора.

Изменение величины |ео| с изменением температуры оказывает такое же дестабилизирующее действие на дли-

63

тельность генерируемых релаксационными генераторами импульсов, как и изменение е0 биполярных транзисторов.

Величина обратного тока затвора Іа0 полевых тран­ зисторов с р-п переходом столь незначительна, что влия­ ние ее изменения (рис. 2.5) следует учитывать лишь в схемах, где в цепь затвора включено сопротивление, превышающее 10 МОм, а ве­ личина обратного тока за­ твора МДП-транзисторов на­ столько мала, что его вели­ чина и ее изменение не учи­ тываются даже при значении сопротивления в цепи затво­ ра в 100 МОм. В этом со­ стоит преимущество полевых транзисторов перед бипо-

Рис. 2.4. Сток-затворные характеристики полевых транзисторов

2ПІ02А и КП102Е [46].

лярными. Как показано во введении и в гл. I, из-за влия­ ния изменения обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры максимальное значение хро­ нирующего сопротивления импульсных генераторов на биполярных транзисторах ограничено значениями 30...

... 50 кОм и только в схемах со сложной коммутацией может достигать значений в 1 МОм. Поэтому в генера­ торах на биполярных транзисторах для генерации им­ пульсов в миллисекундном диапазоне приходится брать значительными величины емкости хронирующих конден­ саторов. В генераторах же на полевых транзисторах при­ емлемыми величинами сопротивлений резисторов, нахо­ дящихся в цепи затвора, являются значения 1... 100 МОм. При этих значениях хронирующих сопротивлений легко

6 4

1СХ,МА

6&

тйвлением. Активнее сопротивления схемы определяют* режим работы прибора в статических состояниях, а емко­ сти определяют скорость переключения из одного устой­ чивого состояния в другое (рис. 2.9,6). Минимальное сопротивление полевого транзистора в состоянии «вклю­ чено»

Ro — І'ст " Ь ,-и + ''вкл — 'ст + гя + 7^“ ^ ~ Г ~ ~ ~ Г ' (2-1)

где гст, /•„ — объемные сопротивления в областях истока и стока; /•Ст~/Ті~75 Ом<'ГВкл= (500 .. .3000) Ом. Сопро­ тивление Ro= (500 ... 3000) Ом.

Напряжение на выходе ключевого каскада при вклю­ ченном полевом транзисторе определяется выражением

Справедливость приближения в выражении (2.3) обу­ словлена тем, что сопротивление полевого транзистора

вотключенном состоянии

Аэакр имеет-порядок 10® Ом,

так что полевой транзистор в отключенном состоянии можно рассматривать как разомкнутую цепь.

При подаче на вход схе­ мы в момент ti отрицатель­ ного перепада напряжения амплитудой UBxm напряже­ ние на выходе скачком изме­

Затем выходное напряжение

Рис. 2.8. Зависимость сопротивле­ ния канала полевых транзисторов 2П102 и КПІ02 от напряжения на затворе (измерено при «Ст= 0,1 В)

[32].

Рис. 2.9. Ключевой каскад па полевом транзисторе:

а — схема; 6 — эквивалентная схема: в — временные диаграммы.

возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени

стремясь к значению «„ыхоткрЗнак приближения в фор­ муле (2.4) введен потому, что в начале переключения сопротивление полевого транзистора R>Ro. Однако в связи с тем, что /?3>/?ст, приближение (2.4) приемлемо для определения времени включения в практических схе­ мах. Время включения

.ходное напряжение снова скачком изменяется на вели­ чину tzUnxin, а затем снижается по экспоненциальному закону с постоянной времени

68

Для полевых транзисторов 2П102 и КП 102 значения емкостей С3„, Ссти п ССТя соответственно равны 5; 0,2

Если внутреннее сопротивление источника входных сигналов Rr не равно нулю, то происходит увеличение времени переключения. Постоянная времени в цепи за­ твора

= 0,7 мА/В (КП102Е) т3= 1• 103(5-10-l2+ 0 ,7 -10~3- 1 X X ІО3-2 -ІО“12) =6,4 нс и ДІ(Л= Зт^20 нс.

Использование в импульсных генераторах гибридных схем из полевого и биполярного транзисторов (рис. 2.10)

Рис. 2.10. Гибридные схемы ключевого каскада на полевом и би­ полярном транзисторах:

а — с раздельным; б — с общим питанием стоковой и коллекторной цепей; в — схема с большим входным и малым выходным сопротивлениями.

69