книги из ГПНТБ / Александров В.С. Электронные гальванометры постоянного тока

тора от 0,1 до 3 В коэффициент шума практически остается постоян­ ным для всех схем включения транзистора.

Полевой транзистор, как и электронная лампа, может исполь­ зоваться как для усиления напряжения, так и для усиления тока. Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим истоком (рис. 2-14) определяется формулой

то динамическая крутизна транзистора определяется выражением

Очевидно, что включение сопротивления R H уменьшает динамиче­ скую крутизну.и коэффициент усиления каскада и увеличивает их стабильность. При S R a > 1 и S R ( > 1 получаем, что К и = — R J R n, т. е. коэффициент усиления по напряжению не зависит от парамет­ ров транзистора.

Если полевой транзистор используется для усиления тока, то коэффициент усиления по току можно определить по формуле

gc = 1/Rc. Таким образом, коэффициент усиления по току опреде­ ляется проводимостью утечки затвора и увеличивается при умень­ шении последней.

В связи с этим очень важным параметром полевого транзистора является ток утечки затвора. Направление и величина тока утечки затвора зависят от напряжений на электродах транзистора и ка­ чества его изоляции.

Снижение тока утечки затвора осуществляется выбором со­ ответствующих напряжений на электродах транзистора, совершенст­ вованием изоляции затвора и применением охранных электродов. Для очистки полевого транзистора от загрязнений можно применить фреон с последующей осушкой теплым воздухом. Экспериментально установлено, что такая очистка позволяет снизить токи утечки по

70

корпусу транзистора с 10 12 А до 10 16 А. После очистки транзи­ стор монтируется в защищенном корпусе с минимальными токами утечки (< Ч 0-16 А).

Ток утечки затвора при постоянных напряжениях на затворе и истоке зависит от напряжения на стоке. При изменении напряжения на стоке ток утечки затвора меняет знак, проходя через нулевое значение. Таким образом, для снижения тока утечки затвора не­ обходимо применить защитный электрод у затвора и выбрать опре­ деленный потенциал стока.

Эквивалентная схема дифференциального каскада на полевом транзисторе с изолированным затвором (ПТИЗ) со следящими по-

тенциалами на охранном электроде затвора и стоке приведена на рис. 2-15. Для этой схемы ток утечки затвора / з1 транзистора Т1 можно выразить через напряжения между затвором и стоком и3. с1 и затвором и истоком и3, н1:

-^зі = ^yl ~"Ь -^у2»

где / у1 = gyl из и1 + gyl и3 с1 — ток утечки через объем и поверх­

ность герметизирующего материала, через который проходят вы­ воды прибора; / у2 = gy2 из н! + g y2' из сІ — ток утечки через объем

и поверхность диэлектрика затвора полупроводникового типа, на котором формируется прибор; gyl и ду1 — проводимости утечки

через объем и поверхность герметизирующего материала соответст­ венно на исток и сток транзистора; gy2 и g-y2 —• проводимости

утечки через объем и поверхность диэлектрика затвора соответст­ венно на исток и сток транзистора.

Абсолютные значения gyl и gyl определяются степенью загряз­

нения герметизирующего материала и, следовательно, зависят от таких факторов, как влажность среды, например, тогда как их относительные величины являются функцией расстояния между

71

выводами. Значения gy2 и g 2 можно считать постоянными для чи­

стых герметичных приборов, находящихся в условиях постоянного смещения при работе в схеме.

Для того чтобы ток утечки затвора был равен нулю, необходимо раздельное выполнение условий 1) / у1 = 0 и 2) / у2 = 0. Чтобы выполнить условие 1, достаточно затвор снабдить охранным элек­ тродом, потенциал которого поддерживается равным потенциалу затвора. Для выполнения условия 2 необходимо выбрать такое на­ пряжение на стоке (при заданных потенциалах затвора и истока), чтобы удовлетворялось уравнение

§ у 2 и з. H1 + SV2W3. сі — 0-

Это условие может быть выполнено, если токи с истока и со стока на затвор равны по величине и противоположны по направ­

лению. Для этого необходимо выбрать определенное напряжение на стоке.

. Автоматическое поддержание необходимого напряжения на стоке осуществляется при помощи операционного усилителя К 2 и дели­ теля R1—R2. При этом для схемы рис. 2-15 оказываются справед­

Изменяя сопротивление R 2 , можно выбрать напряжение на стоке таким образом, чтобы выполнялось условие 2. При этом, так как из с1 в соответствии с уравнением (2-21) не зависит от напряжения

w3 i> то условие 2 выполняется при любом напряжении на затворе транзистора Т1.

Практически выбор необходимого напряжения на стоке осущест­ вляется изменением сопротивления R2 так, чтобы выходное напря­ жение на затворе транзистора Т2 , измеряемое вольтметром постоян­ ного тока, оставалось неизменным, когда затвор Т1 размыкается и замыкается на землю. Все эти мероприятия позволяют снизить ток утечки затвора для качественных транзисторов до значения ІО-16 А.

Основные характеристики отечественных полевых транзисторов с изолированным затвором приведены в табл. 2-3. Полевой тран­ зистор типа КП305 получается методом диффузии на кристалле размером 0,25 мм2. Исток и сток выполнены в виде алюминиевых контактов. Область между истоком и стоком покрыта тонким двух­ слойным диэлектриком из окиси и нитрида кремния, на котором находится алюминиевый контакт затвора.

Менаду областями стока и истока при нулевом напряжении на затворе имеется проводящий канал п-типа. При подаче на затвор положительного напряжения происходит обогащение канала' элек-

72

Таблица 2-3

Основные параметры полевых транзисторов с изолированным затвором

тронами из подложки, что приводит к увеличению тока стока. При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит обедне­ ние канала, что приводит к уменьшению тока стока и дальнейшему запиранию транзистора.

В отличие от транзистора КП305 полевой транзистор типа КП304А имеет индуцированный канал р-типа. При нулевом напря­ жении на затворе ток в канале практически отсутствует. Отпирание транзистора происходит при подаче на затвор отрицательного на­ пряжения, превышающего пороговое напряжение (примерно

3—5 В).

Дрейф нулевого уровня в усилителях с полевыми транзисторами определяется нестабильностью тока стока. В некоторых типах

пературный коэффициент при определенном напряжении на затворе. На участке насыщения ток стока ПТИЗ определяется формулой

Ä = (и3- и 0Г = I , и (і - > (2-22)

где ß — удельная крутизна транзистора—параметр, зависящий от

73

Второй член в круглых скобках формулы (2-24) определяет по­ грешность нелинейности, обусловленную квадратичной зависи­ мостью тока стока от напряжения на затворе. При малых входных сигналах и3 « 2U0 и /с ^ / СІІ -|. S 0u3.

Для дифференциальных усилителей

г"с2 = / с . и *^0и з ( 1 Ф

2U0

и уg можно выбрать такое смещение на затворе и3, при котором дрейф тока стока будет отсутствовать. Типичная зависимость тем­ пературного коэффициента тока стока от напряжения на затворе приведена на рис. 2-16.

Так же, как и в электронных лампах, в полевых транзисторах имеется три вида шума: тепловой шум сопротивления канала и па­ разитных сопротивлений стока и истока; дробовые шумы тока утечки затвора и тока стока; генерационно-рекомбинационный шум на поверхности раздела полупроводник-диэлектрик. На низких

74

Рис. 2-19. Зависимости эквивалентного шумового со­ противления полевого транзистора от режима работы (а, б) и полного шумового сопротивления от темпе­ ратуры (в)

75

частотах генерационно-рекомбинационный шум со спектральной плотностью вида 1// является доминирующим. На рис. 2-17 пока­

зана зависимость от частоты генерационно-рекомбинационного шума ПТИЗ.

Так как ток утечки затвора очень мал (до ІО-10 А), то состав­ ляющая дробовых шумов, зависящая от тока утечки, может быть весьма незначительна. Малосигнальная эквивалентная схема ПТИЗ

с эквивалентными источниками шума г3, ш и гСі ш во входной и вы­ ходной цепях соответственно приведена на рис. 2-18. Тепловой шум представлен источником іт.

Коэффициент шума полевого транзистора можно определять также по формуле (2-17). Следует, однако, иметь в виду, что экви­

валентное шумовое сопротивление Дэк существенно зависит от ре­ жима работы транзистора. На рис. 2-19, а показаны зависимости эквивалентного шумового сопротивления от режима. В достаточно широких пределах изменения напряжения £/с. н йа стоке шумовое сопротивление остается постоянным и лишь при значительных ве­ личинах напряжения начинается лавинообразное нарастание шу­ мового сопротивления (рис. 2-19, а).

Зависимость шумового сопротивления от тока стока / с имеет явно выраженный минимум (рис. 2-19, б). Зависимость от тока бо­ лее сильно выражена на низких частотах. Для получения мини­ мальных шумов ток стока нужно выбирать в пределах 0,1—1 мА. Шумовое сопротивление зависит также от температуры транзистора. С понижением температуры шумовое сопротивление уменьшается. Имеются сведения о понижении шумового сопротивления полевых транзисторов, работающих при криогенных температурах [28]. Зависимость шумового сопротивления Дш от температуры в диапа­ зоне от —120° С до +160° С приведена на рис. 2-19, в.

2-5. Усилители с преобразователями на полевых транзисторах

В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы имеют весьма малые остаточный ток и напряжение смещения, хо­ рошую изоляцию и малые емкости между управляющим электро­ дом и проводящим каналом. При симметричном расположении за­ твора относительно стока и истока для транзисторов обычной тех­ нологии емкости затвор—сток С3. с и затвор—исток С3. н равны между собой и значительно меньше емкости коллектор—база низ­ кочастотных биполярных транзисторов (Сз с = С3. „ = 1 пФ). Еще меньше эти емкости для транзисторов с ионным легированием канала или с кремниевым затвором.

Для модуляции малых постоянных токов можно использовать параллельный преобразователь на полевом транзисторе. Преобра­ зователи на полевых транзисторах стали применять сравнительно недавно. Первые сведения о таких преобразователях были опубли­ кованы в 1967 г. [39].

76

Основным препятствием для применения полевых транзисторов в преобразователях малых постоянных токов является помеха, образующаяся за счет прохождения на выход преобразователя напряжения возбуждения через емкости С3. с и С3. „. Величина по­ мехи зависит от сопротив­ лений открытого г0 и закры- а)

того г3 транзистора и сопро­ тивлений гс и г„ пассивных

Исток Затвор Сток

і

Сэ.и Сз.с

Эквивалентная схема транзистора в ключевом режиме приве­ дена на рис. 2-20. Выключатель К на эквивалентной схеме транзи­ стора соответствует каналу и управляется напряжением на емко­ стях С3. с и С3 „. Лучше всего использовать в преобразователях полевые транзисторы с изолированным затвором. Применение по­ левых транзисторов с р—«-переходом ограничено сравнительно большой емкостью затвор—канал и малым сопротивлением канала закрытого транзистора. Среди ПТИЗ предпочтение следует от­ дать приборам с индуцированным каналом, так как пороговое на­ пряжение в них может быть сделано достаточно малым, а напря­ жение управления однополярным. В то же время ПТИЗ со встро­ енным каналом для получения высокого коэффициента передачи требуют двухполярного управления.

Для надежного отпирания ПТИЗ с индуцированным каналом требуется подавать на затвор напряжение на 3—5 В больше поро­ гового напряжения. При этом сопротивление открытого канала

77

составляет величину 30—500 Ом в зависимости от.типа транзи­ стора.

На рис. 2-21, а приведена схема параллельного преобразователя с ПТИЗ. Для нормальной работы преобразователя необходимо, чтобы размах управляющего напряжения 0 у был бы больше поро­ гового напряжения U0.

Полный цикл Т работы преобразователя можно разбить на че­ тыре участка. На первом участке от момента подачи на затвор им­ пульса напряжения и до момента запирания транзистора і3 сопро­

В таком состоянии канал остается до половины цикла 772, когда управляющее напряжение на затворе становится равным нулю. При этом можно считать, что емкости С3. с и С3. „ за время первого полуцикла управляющего напряжения заряжаются до полного размаха управляющего напряжения Uy.

Во втором полуцикле управляющего напряжения Uy = 0, и транзистор до момента времени t0 находится в закрытом состоянии, так как напряжение на емкостях С3. с и С3, н превышают пороговое напряжение. Момент отпирания транзистора определяется из ус­ ловия снижения напряжений на этих емкостях до напряжения от­ сечки.

Четвертый участок начинается с момента отпирания транзистора и продолжается до возвращения его к исходному состоянию. В конце цикла управляющего напряжения емкости С3. с и С3, и разряжаются до нуля.

Рассмотрим чувствительность преобразователя к измеряемому сигналу. Эквивалентная схема для расчета чувствительности по­ казана на рис. 2-21, б.

Проводимость канала Ут транзистора зависит от состояния ПТИЗ и рабочей частоты. Для сравнительно низкой частоты моду­ ляции (со 1/tjJ проводимость канала Ут_0 открытого транзистора (при замкнутом ключе К на рис. 2-21, е) во много раз превышает

78

Таким образом, в соответствии с (2-28) значение выходного на­ пряжения преобразователя в течение одного периода управляющего напряжения имеет вид

(2-29)

T / 2 < t < T .

Если для усиления выходного напряжения преобразователя используется селективный усилитель, пропускающий только пер­ вую гармонику выходного напряжения, то действующее значение напряжения на выходе усилителя после разложения (2-29) в ряд Фурье будет определяться формулой

<w*VlngiКи V Л і+ ß i

Таким образом, чувствительность преобразователя к измеряе­ мому сигналу не зависит от частоты при условии сот-^ 1. На более высоких частотах' чувствительность к измеряемому сигналу умень­ шается, и при сот1 )§> 1 выходное напряжение

и й = ІХV 2 Ки

ясоСу

Однако с ростом частоты модуляции сильно увеличиваются помехи на выходе преобразователя от источника управляющего напряжения. Эквивалентная схема преобразователя для расчета помехи показана на рис. 2-21, в. Уравнения узловых потенциалов для этой схемы имеют вид:

gl + g* + £c

схемы, g0 — проводимость открытого канала (g12 = g 21 = g0); g„ — проводимость цепи истока; gc — проводимость цепи стока.

79