наружу отдельным выводом. Если есть вывод подложки, его обычно соединяют с истоком, но из соображений, учитывающих утечку, входную емкость, полярность сигнала, может оказаться желательным подать на этот вывод какое-нибудь другое напряжение, как мы увидим ниже. Подача на подложку другого напряжения t/пи приводит к сдвигу порогового напряжения на величину At/n 0,5{/п'и в направлении, приводящем к уменьшению тока стока при данном напряжении затвора (Узи'.

6.05. Производственный разброс характеристик ПТ

Перед тем как рассматривать какие-нибудь схемы, оценим сначала диапазон параметров ПТ (таких, как /снач), а также их разброс от прибора к прибору с целью получения более полного представления о ПТ. Под разбросом мы понимаем производственные отличия между приборами одного типа. К сол<алению, многие характеристики ПТ имеют разброс немного больше, чем соответствующие характеристики биполярных транзисторов,- факт, который проектировщик должен помнить.

В этой таблице Нвкл - сопротивление сток - исток для полностью открытого ПТ при малых напряжениях сток - исток, т. е. в случае ПТ с р-п-переходом и МОП-транзистора обедненного типа при заземленном затворе или транзистора обогащенного типа при большом отпирающем напряжении затвор - исток (10 В). 11 п есть напряжение отсечки ПТ с р-п-переходом или пороговое напряжение затвора МОП-транзистора обогащенного типа, а f/сипр и Узи пр - соответствующие напряжения пробоя. Как можно видеть, ПТ с заземленным истоком может быть хорошим источником тока, но нельзя точно предсказать, каким будет этот ток. Напряжение f/зи при заданном значении тока стока (подобное /Убэ Для биполярного транзистора) может заметно варьировать. По этой причине трудно изготовить пару ПТ с малым напряжением сдвига, и операционные усилители, собранные на ПТ, могут иметь большое входное напряжение сдвига (10-25 мВ -обычное значение). Характеристики полевых транзисторов даны в табл. 6.1, 6.2.

Согласование характеристик. Как вы можете видеть, ПТ уступают биполярным транзисторам в предсказуемости {/зи, т.е.значения

Подложка действует как дополнительный затвор р - л-типа. - Прим. ред.

Гмва 6

Полевые транзисторы с /> - п-переходом

(/зи имеют большой разброс при данном /с- Приборы, обладающие большим разбросом, будут, вообще говоря, давать больший сдвиг, если их применять в качестве дифференциальных пар. Например, типичный серийный биполярный транзистор дает разброс (/бэ в 25 мВ при некотором заданном токе коллектора без всякого отбора транзисторов (берем подряд любой прибор, имеющийся под рукой). Соответствующая цифра для МОП-транзисторов обогащенного типа - более 1 В! Но поскольку ПТ обладают весыма желательными характеристиками, имеет смысл затратить некоторые дополнительные усилия для

МОП-траизисторы

Таблица 6.2

Тип

Сбогащеи-

и-Канальные

SD210 SD21) МЕМ563С МЕМ571С МЕМ711 MEM7I2A 2N4351

р-Канальиые

3N163 МЕМ517С МЕМ560 MEM8I7

1Т1700 2N4065

2N4352 2N4353

t/n. в

45 45 150

100 50 300

250 100 150

400 1500

600 300

S S .

0,5 0,5 0,5 0,3 0,5 0,5 1,5

2,5 1,5 2,5

2 2 4 4

5 5 3

10 10

5 20 15

2 30

0,5 0,5 0,8 0,5 0,1 0,8 2,5

0,7 15 3,5 2,5

1,2 0,7

2,5 4

40 15 30 6

30 30 25

40 25 35 ?00

35 ЯО

Примечания

0,1 10

0,01 10 1 I

0,01

0,01

0,5 0,001

0,01 0,003

0,01

Малое /? кл Малое У?вкл

СВЧ-усилптель Популярный Малое Популярный

Высокое и

малое J

Старые, сейчас не

используются Популярный

уменьшения сдвига путем специального изготовления согласованных пар. Проектировщики ИС пользуются такими приемами, как согласование параметров (два прибора изготовляются совсем рядом на одной и той же общей полупроводниковой подложке), и выравниванием температурных градиентов в схеме между прибора.ми (рис. 6.12).

Поток тепла

иЧсправаГ^ РУР температурно-градиентная компенса-

Г лава 6

Получаемые результаты впечатляют. Хотя ПТ не могут сравняться с биполярными транзисторами в согласованности t/зи, их параметры вполне пригодны для большинства применений. Например, наилучшим образом согласованная пара ПТ имеет сдвиг 0,5 мВ и температурный коэффициент 5 мкВ/°С (макс), в то время как у лучшей биполярной пары эти значения будут 25 мкВ и 0,6 мкВ/°С (макс), грубо говоря, в 10 раз лучше. Один из видов ОУ на ПТ со сдвигом Усдв=3 мВ (типичное значение) стоит меньше доллара. Эти ОУ имеют входной ток смещения порядка пикоампер, и их быстродействие, вообще говоря, выше, чем у их аналогов на биполярных транзисторах. Характеристики сдвоенных -канальных транзисторов даны в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Согласованные пары ПТ с /> - га-переходом

) При ЮО Гц При 1 <Гц Обычное ) При 10 кГц.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ

6.06. Источник тока на ПТ с /?-п-переходом

Простейший источник тока на ПТ показан на рис. 6.13. Из приведенной выше выходной характеристики видно, что при t/си больше 2 В ток будет приблизительно постоянным. Но в силу разброса /с нач величина этого тока непредсказуема. Например, устройство 2N5484 (типичный п-канальный транзистор с р - -переходом) имеет паспортную величину /с нач от 1 до 5 мА. И все же эта схема привлекает своей

простотой двухвыводного устройства, дающего постоянный ток. Существуют дешевые серийные диодные стабилизаторы тока , представляющие собой всего лишь ПТ с р - -переходом и затвором, оединенным с истоком, отобранные по току. Приведем характеристики таких схем CR022 - CR470, выпускаемых фирмой Siliconix (известные также как 1N5283 - Ш5313).

Номинальные токи стабилизации

Температурный коэффициент Рабочий диапазон

Динамическое (дифференциальное) сопротивление

от 0,22 до 4.7 мА 10%

0,15%/°С

I -100 в при 5%-ной вариации тока 0,8 МОм (худш.), 4 МОм (тип.)

Источник тока с автоматическим смещением. Можно построить регулируе- +V мый источник тока, установив в цепь истока резистор автоматического смещения, как показано на рис. 6.14. Значение R выбирается по выходным характеристикам или по характеристике тока стока в зависимости от (Узц, Такой резистор дает возможность как устанавливать ток, так и предсказывать его значение. Кроме того, эта схема является лучшим источником тока (большее выходное сопротив- Рис. 6.13. Рис. 6.14. ление) в силу того, что: а) истоковый резистор

обеспечивает увеличение выходного полного сопротивления за счет обратной связи и б)самПТ имеет большее дифференциальное сопротивление при смещении затвора, как видно из сопоставления горизонтальности характеристик /с в зависимости OTt/си при малых токах (рис.6.7) или из сходимости семейства кривых для отдельных t/си на логарифмическом графике /с относительно f/зи (рис. 6.8). Однако, конечно, надо помнить, что значение /с, полученное при каком-то значении U для данного конкретного ПТ, может отличаться от взятого из характеристики на значительную величину, связанную с технологическим разбросом. Если надо получить строго заданный ток, то можно использовать в цепи истока регулируемый резистор. Необходимо также осознавать, что хороший источник тока на биполярных транзисторах или операционный усилитель имеет гораздо большую стабильность и предсказуемость. Источник тока на ПТ может отклониться на 5% от типичного значения температурного коэффициента или диапазона напряжения нагрузки, даже если подгонкой истокового резистора установить желаемый ток; в то же время любой ОУ/транзисторный Источник тока даст без усилий со стороны разработчика предсказуемость и стабильность порядка 0,5%.

Упражнение 6.2. Подберите значение R для получения тока 100 мкА с помощью р-канального варианта схемы, изображенной на рис. 6.14, на основе 2N5033, имеющего логарифмическую характеристику тока стока в зависимости от Узи, показанную йа рнс. 6.8.

6.07. Усилители на ПТ

Истоковые повторители и ПТ с общим истоком - это аналоги эмиттерных повторителей и усилителей с общим эмиттером на биполярных транзисторах. Для ПТ обедненного типа достаточно приме-

Вьадд

1 11

1 1

.У

ТВь

Выход

1 11

нить описанную ранее схему автоматического смещения с добавлением резистора, соединяющего затвор с землей. У приборов обогащенного типа на затвор должно быть подано смещение от делителя, питаемого от источника напряжения стока, как для биполярного транзистора (рис. 6.15). Резистор смещения затвора может иметь очень большое сопротивление (порядка МОм), поскольку ток утечки затвора измеряется наноамперами.

Крутизна. Коэффициент усиления ПТ может быть оценен либо по характеристике, либо с помощью ПОНЯТИЯ крутизны:

ёГш(/с) = гс/ зи-Напомним, ЧТО строчными латинскими буквами обозначаются приращения величин, обозначаемых соответствующими прописными буквами. Из выражения для получаем KuuqI

lu3]A=-Rcidum=~gmRc-Как правило, крутизна ПТ равняется нескольким тысячам микроси-менс при токе стока в несколько миллиампер. Как будет видно из дальнейшего, крутизна зависит от тока стока, так что следует говорить о крутизне при заданном режиме работы. Поэтому существует определенная нелинейность, связанная с зависимостью коэффициента усиления от изменений тока стока на протяжении периода сигнала, подобно тому как это бывает в усилителе с заземленным эмиттером, где gm Пропорциональна току коллектора. Обычно зависимость gm от f/зи известна. Если неизвестна, то можно воспользоваться приведенным ранее приближенным соотношением для тока стока в насыщении:

Выход

Рис. 6.15.

а - обедненный тнп; б - обогащенный тнп

lc=k(U3H-Uu)\ чтобы из него найти g =2fe(f/3H-f/n)=2(fe/c)/. Если известно при заданном значении тока стока /q то можно воспользоваться соотношением gm=gmo(/c co)s где gmo- крутизна при заданном значении тока стока /со-

Упражнение 6.3. Выведите последнее соотношение.

В случае ПТ обедненного типа gm всегда задается для {/зи=0 при t/cH>fri. т. е. для /с нач- В этом случае для других значений тока

есть просто ёГт(/с)=(/с с uYgm{fc нач)- Всличина g может быть выражена н через напряжение затвора: gfm(t/3H)=[(t/3H-t/n)/(t/3H о- -UnlgmiUsM о), при этом крутизна при произвольном напряжении затвора выражается через его значение при напряжении затвора f/зи о-

Формула, выражающая зависимость тока насыщения стока от f/зи, может также применяться для определения рабочей точки при автоматическом смещении истока в усилителе на ПТ обедненного типа, если известны /с нач и t/n- В упражнении 6.4 предложен для этого способ.

Упражнение 6.4. Используйте соотношение Uh= IcRn, чтобы показать, чтодля получения заданного тока стока /с следует выбирать сопротивление резистора истока в источнике тока или усилителе по формуле Rw-{Uullc) U-UcHc нач)/21.

Сравнение крутизны биполярных транзисторов и ПТ,.

Основной недостаток ПТ состоит в том, что их крутизна гораздо ниже, чем у биполярных транзисторов при тех же значениях тока (кроме, быть может, крайне малых токов). Например, усилитель, имеющий ток покоя 1 мА при напряжении питания -Ы5 В, у которого сток имеет напряжение, равное половине напряжения питания (максимальный размах выходного сигнала), будет иметь коэффициент усиления по напряжению всего лишь -7,5 при обычном значении крутизны около 1000 мкСм (1 мА/В), в то время как биполярный транзистор будет иметь при тех же условиях крутизну порядка 1/гэ, или 40 ООО мкСм, давая коэффициент усиления по напряжению порядка -300.

Коэффициент усиления можно улучшить, если использовать источник тока в качестве нагрузки, но и в этом случае биполярный транзистор в той же самой схеме оказывается лучше. Поэтому редко приходится встречать ПТ, используемый в качестве простого усилителя, кроме тех случаев, когда используются их уникальные качества по входу (очень высокое входное полное сопротивление, малый входной ток и малая емкость обратной связи).

Упражнение 6.5. Покажите, что коэффициент усиления усилителя с общим и'сто^ ком с автоматическим смещением и нешуитированным емкостью резистором в цепи истока дается формулой K[j=Rcl{/gm+Ru)-

Сравнение крутизны ПТ и биполярных транзисторов выявляет некоторые интересные закономерности, как видно из рис. 6.16. На субпороговом участке кривой тока стока у ПТ и биполярного тран-

зистора наблюдается линейное возрастание крутизны при возрастании тока стока (коллектора). Тем не менее у ПТ крутизна здесь несколько меньше (порядка /с/40 мВ для р-канальных и /с/60 мВ для -канальных МОП-транзисторов), чем у биполярных транзисторов (ёГт = 1/э =

= /к,/25 мВ). По мере того как ток д^,шШ X , , п стока, возрастая, входит в область.

роГ0ВЪ1Й

где /с пропорционально (/зц, крутизна ПТ начинает расти пропорционально корню квадратному из как это видно из предыдущих формул, и становится намного меньше крутизны биполярного транзистора при тех же значениях рабочего тока (растущей пропорционально коллекторному току). Увеличение по-0,1 1м^А 10 100~1мП0 100 оянной k за счет увеличения отношения ширины канала к его дли- паевых ?рГГстор'ов. не увеличивает крутизну и ток

/ - биполярный транзистор; 2 - р-каналь- СТОКЭ ПрИ ДЭННОМ ЗНачеНИИ (Узц В вый МОП-транзистор; 5-п-канальный МОП- НадПОрОГОВОЙ ОбЛЭСТИ, НО ВСС равНО

транзистор. крутизна остэстся меньше, чем у

биполярного транзистора при том же токе .

Дифференциальные усилители. Мол<но использовать согласованные пары ПТ для построения входных каскадов с высоким полным входным сопротивлением компараторов, ОУ и других транзисторных усилителей. Как отмечалось выше, значительный разброс t/зи у ПТ приведет, вообще говоря, к большим значениям входного напряжения сдвига и дрейфа, чем у аналогичного усилителя, построенного исключительно на биполярных транзисторах; зато входное полное сопротивление колоссально возрастет. В разд. 6.09 мы обсудим подобные схемы наряду с повторителями на согласованных ПТ.

Генераторы, По своим характеристикам ПТ могут использоваться вместо биполярных транзисторов в любой схеме, которая выигрывает благодаря их уникально высокому входному сопротивлению и малому входному току смещения. Примерами таких схем являются высокостабильные /.С-генераторы и кварцевые генераторы, описанные в разд. 4.15, 4.16, а также 13.11.

Активная нагрузка. Так же как и для транзисторных усилителей, можно в схемах на ПТ заменить резистор нагрузки стока активной нагрузкой, т. е. источником тока. При этом можно получить очень большой коэффициент усиления по напряжению:

Ku=-g Rc (резистор нагрузки стока),

fU = - ёто (источник токз),

Ч При относительном увеличении ширины канала ПТ существенно ухудшаются другие характеристики, в частности полное входное сопротивление.-/7рмж. ред.

где Rq - полное сопротивление в цепи стока, обычно лежащее в диапазоне значений от 100 кОм до 1 МОм.

Одним из вариантов активной нагрузки является токовое зеркало, включенное в качестве нагрузки стока в дифференциальном каскаде на ПТ, как это часто делается и в каскадах на биполярных транзисторах или в операционных усилителях (см., например, рис. 3.27). Другой интересный пример активной нагрузки мы встретим в разд. 6.16 при обсуждении линейных усилителей на КМОП (комплементарных МОП-транзисторах).

6.08. Истоковые повторители

Полевые транзисторы часто применяются в качестве истоковых повторителей. Это хороший способ получить высокое полное входное сопротивление, поэтому повторитель на ПТ обычно применяется как входной каскад в осциллографах и других измерительных приборах. Во многих случаях высокое полное сопротивление бывает неотъемлемой особенностью источника сигнала, как, например, у конденсаторных микрофонов, рН-метров, микроэлектродов для измерения мышечных и нервных биопотенциалов; во всех этих случаях полезен входной каскад на ПТ. В схемотехнике встречаются ситуации, в +у

которых и последующий каскад должен иметь малый входной ток или вообще его не иметь. Примеры тому -

схемы слежения и хранения и пиковые детекторы, в которых конденсатор, запоминающий уровень напряжения, сбросится , если последующий усилитель проводит слишком большой ток. Здесь в отличие от ситуаций, рассмотренных в предыдущем разделе, где биполярные транзисторы в качестве усилителей с общим эмиттером давали лучшие характеристики, истоковый повторитель оказывается весьма выгодной заменой эмиттерного по- р . с .у вторителя на биполярных транзисторах. На рис. 6.17

показан простейший истоковый повторитель. Как и раньше, амплитуду входного сигнала мы можем выразить через крутизну. Имеем: и=н с-Так как ток г'з пренебрежимо мал, а гс=ёГт зи=ёГт( з- и), то Ми =

= [Hgm/(l+ gm)] 3- При Ri.\$>\lgm МЫ ИМССМ ХОрОШИЙ ПОВТОрИ-

тель (ми мз) с коэффициентом усиления, близким к единице, хотя Всегда меньшим единицы.

Выходное сопротивление. Предыдущую формулу для ии/ з можно было бы получить, считая, что выходное сопротивление повторителя на ПТ равняется \lg (попробуйте сделать этот подсчет, считая, что Истоковое напряжение з питает делитель, состоящий из llgm и /?н). Это полностью совпадает с ситуацией для эмиттерного повторителя, у которого выходное полное сопротивление равно гэ=2Ъ11 или \lgm- егко показать, что истоковый повторитель имеет выходное полное Сопротивление Mgm- Для этого достаточно вычислить ток истока для сигнала на выходе при заземленном затворе (режим короткого замы-

г

кания - рис. 6.18). Ток стока в этом случае равен ic=gmiin\=gmU,

поэтому вых= С=1/Ят- ОбЫЧНО г^ СОСТЗВЛЯСТ НССКОЛЬКО СОТ ом

при токах в несколько миллиампер. Как легко видеть, истоковые повторители почти столь же близки к источникам э. д. с, как и эмиттерные повторители. Но у этой схемы есть два недостатка:

1. Относительно большое выходное полное сопротивление означает, что алшлитуда выходного сигнала может быть значительно меньше, чем амплитуда входного, даже при значительном полном сопротивлении нагрузки, поскольку любое /?н образует в сочетании с выходным сопротивлением истока делитель. Кроме того, так как ток сгока меняется на протяжении периода сигнала, gm и вместе с ним выходное полное сопротивление будут изменяться, внося в выходной сигнал некоторую нелинейность (искажения). Эту ситуацию можно улучшить, используя ПТ с большой крутизной, но л ЧИИ1М решением является комбинированный (ПТ - биполярный транзистор) повторитель.

2. Так как параметр t/зи при изготовлении контролируется с трудом, то пстоковый повторитель имеет непредсказуемое смещение по постоянному току - серьезный минус при использовании в схемах со связями по постоянному току.

ф

Рис. 6.18.

Активная нагрузка. Добавлением нескольких элементов истоко-вый повторитель может быть очень сильно улучшен. Рассмотрим это поэтапно. у.

Во-первых, заменим Ri со сс

источником тока (отбирающим ток, рис. о. 19). Постоянный ток истока стабили- -J- или(лцчше) зир^ет напряжение Узи, а это устраняет нелинейно

СТИ. Можно для простоты J

считать, что значение /?н см( становится бесконечным - эффект, создаваемый источником тока в качестве нагрузки. Схема на рис.6.19,6 ~йт имеет еще одно преимуще- а 6

ство в виде малого выход- Рис 6.19. ного сопротивления при сохранении приближенного постоянства тока истока UslRcu- По-прежнему, правда, существует проблема непредсказуемого (а потому ненулевого) напряжения смещения от входа к выходу f/зи (для схемы 6.19, б -

Здесь и - напряжение источника В, подключенного к истоку.- Прим. ред.