изи + Бэ)- Конечно, можно было бы просто отрегулировать к значению /с нач для конкретного ПТ в схеме 6.19, а или отрегулировать также/?см на схеме 6.19, б. Но это решение плохо по двум причинам: а) требуется индивидуальная регулировка для каждого ПТ; б) даже и при этом /с может сильно меняться (почти двукратно) при изменении температуры в рабочем диапазоне при данном t/зи.

В более качественных схемах применяются согласованные пары ПТ С нулевым смещением (рис. 6.20). Ti и Га -- это согласованная пара

+f/i

Выход

Выход

Рис. 6.20.

Рис. 6.21.

на отдельном кремниевом кристалле. Га отбирает ток, в точности отвечающий условию t/зи = О, поэтому, так как для обоих ПТ t/3H=0, Ti есть повторитель с нулевым смещением. Так как оба ПТ находятся в одних и тех же температурных условиях, смещение остается почти нулевым при любой температуре.

Обычно в предыдущей схеме добавляют небольшие истоковые резисторы (рис. 6.21). Если чуть подумать, то станет ясно, что резистор Ri необходим, а равенство /?i=/?2 гарантирует, что t/gb,x = Bx. если Ti и Га согласованы i. Эта модификация схемы улучшает предсказуемость /с, позволяет установить значение тока стока, отличное от снач и улучшает линейность, в силу того что ПТ как источник тока работает лучше при значениях рабочего тока, меньших /с ач-Такой повторитель широко применяется в качестве входного каскада усилителя вертикального отклонения осциллографа.

Пример: повторитель с очень малой входной емкостью.

Выходное полное сопротивление повторителя на ПТ можно уменьшить, добавив выходной биполярный транзистор. Пример такой схемы приведен на рис. 6.22. Для этой схемы характерны следящие связи.

При этом ток нагрузки должен быть мал по сравнению с /с.- Прим. ред.

Защита (экран)

3,3 В

МКФ

понижающие входную емкость кабеля ( защитный электрод), и умень-и1ающие за счет активной стоковой нагрузки входную емкость. В схе-ге обеспечены условия согласования двух ПТ по О^и. Эта схема обладает очень высоким Zbx, малой емкостью нулевым постоянным смещением выходного сигнала относительно входного, малым выходным сопротивлением и хорошей частотной характеристикой. Ti - это входной повторитель, а Тцз обеспечивает постоянный отбор тока

-сс для создания постоянных

и одинаковых напряжений 4,7 (/зи- Ток задается Т,б, и

кОм его ток стока соответствует

смещению затвор - исток, -I равному перепаду на диоде

0,1 (напряжение на транзисто--рмкФ ре Тз). При этом за счет

ликвидируется постоянное смещение выходного сигнала относительно входного, а именно: оба парных транзистора Ti проводят один и тот же ток, поэтому так как затвор смещен на (/бэ вниз относительно истока, то это же оказывается верно и для Г]а. Но устанавливает уровень выходного сигнала усилителя на (/б.) ниже уровня истока Tia, т. е. на уровень входного сигнала. Эта схема организована так, что соответствующие перепады (/бэ компенсируют друг друга. Так как Тз и Т^ согласованы (транзисторы Та - Те являются частью монолитной сборки с хорошо согласованными наиря-

- Выход

Рис. 6.22. Истоковый повторитель с буферным эмиттерным повторителем, следящей связью и нулевым сдвигом выходного напряжения. Ту : : 2N3954A; Га - Т'е : СА3146 (сборка из пяти пр/г-транзисторов); T : 2N4126; : 2N5950.

жениями (Увэ), а токовое зеркало Тз, Т^ устанавливает коллекторный ток Т, равным коллекторному току Тз, то перепады (/вэ У транзисторов Тз и Т5 практически одинаковы.

Транзистор Tj подсоединен к стоку Tja для уменьшения влияния емкости сток - затвор. Та играет ту же роль по отношению к Т,(, - у согласованной пары ПТ напряжения сток - исток и затвор -- исток поддерживаются одинаковыми и постоянными. Каскодный транзистор Tj удерживает коллектор Т^ при постоянном напряжении, что улучшает свойства источника тока Т^ за счет устранения эффекта Эрли

(см. разд. 2.06). Величина /с нач для должна быть больше, чем рабочий ток схемы (т. е. ток стока Ti), чтобы мог работать в этой кас-кодной структуре. Можно заменить биполярным п - р п-тран-зистором, подключив его базу к базе Т^. И наконец, выходной сигнал подключен к экрану на входе, что уменьшает эффективное значение емкости кабеля, которая в противном случае свела бы на нет большое полное входное сопротивление, свойственное данному типу усилителя.

6.09, Входное сопротивление ПТ с /7-и-переходом и утечка затвора

Согласованные пары ПТ в качестве буферных усилителей входного сигнала. В некоторых применениях простой истоковый повторитель на ПТ отлично работает в качестве буферного усилителя потоку входного сигнала. Например, некий компаратор подходит для ваших целей и по малому времени задержки сигнала, н по выходным параметрам, но его входной ток слишком велик. Здесь проблема

2N3955A или 2N590Z

Логический выход

Рис. 6.23. Входной повторитель ОУ на согласованной паре ПТ.

решается применением буферного повторителя входного сигнала, показанного на рис. 6.23. Монолитный двойной ПТ обеспечивает приемлемое смещение (5 мВ) и очень большое входное полное сопротивление. Для применения в этой схеме безразличен тот факт, что коэффициент усиления такого повторителя может быть несколько меньше 1 (за счет малого значения gm)- ИМС 529 - это быстродействующий компаратор с входным током 5 мкА.

Хотя наиболее общепринятым видом входного буферного каскада является истоковый повторитель на согласованных ПТ, можно также применять дифференциальный усилитель на согласованных ПТ с общим истоком. Последняя схема может иметь лучшее подавление синфазного напряжения на входах, особенно если использовать полупроводниковую ИМС-сборку из четырех ПТ, попарно включенных в каскодные схемы. На рис. 6.24 приведен пример. С учетом использова-

ния согласованных ПТ эта схема имеет КОСС 125 дБ. Если учесть усиление входного каскада 35 дБ, то от ОУ требуется для получения КОСС всей схемы, равного 125 дБ, достаточно скромное значение КОСС 90 дБ. Вместе с тем получить КОСС 125 дБ в обычном ОУ было

+1SB

/см KOCG-

5пА \Ъ дБ

NDF9406 (25мкА)=400 мкСм Л=80

-15 В

Рис. 6.24. Дифференциальный усилитель на согласованных к ОУ для улучшения КОСС.

ПТ, подключенный

бы трудно. Корректирующие элементы R иС необходимы в связи с увеличением петлевого усиления, вносимым входным каскадом. Значение R выбирается l/gm, а С подбирается так, чтобы постоянная времени RC\ мс.

Утечка затвора. Полное входное сопротивление буферного каскада на ПТ с р - п-переходом - усилителя или повторителя - на низких частотах ограничено утечкой затвора. В паспорте ПТ обычно указывается напряжение пробоя (Уз акс, определяемое как напряжение между затвором и каналом (исток и сток закорочены), при котором ток затвора достигает 1 мкА. При меньших напряжениях затвор - канал ток утечки затвора, опять-таки при соединенных накоротко истоке и стоке, значительно меньше, и этот ток быстро падает до пикоамперного диапазона, когда напряжение затвор - сток существенно меньше напряжения пробоя.

Эти малые значения тока утечки и являются тем свойством, из-за которого ПТ целесообразно использовать при усилении сигналов источников с высоким выходным сопротивлением. Но здесь есть серьезный подводный камень. Оказывается, что п-канальный Ш с р - п-

переходом может иметь большие токи утечки затвора, если сток с истоком не связаны, как при паспортных измерениях, а разъединены, как требуется для реальных целей. На графике рис. 6.25 показано, что именно происходит. Ток утечки затвора имеет значение около /3 ут, пока напряжение между стоком и затвором не достигнет некоторого

/з = /сГ

1Q 20 30 4Q 50 GO

Рис. 6.25. Утечка затвора ПТ с р~п-переходом быстро растет с ростом на-пряжеиия сток - затвор и пропорциональна току стока.

0,2 0.4 0,6 о,а 1,а

Рис. 6.26. Утечка затвора п-канальных (/) и /5-канальных (2) ПТ с р-П' переходом при 25°С.

критического значения, выше которого этот ток круто растет. Этот дополнительный ток ударной ионизации пропорционален току стока и растет экспоненциально с напряжением и температурой. Этот ток появляется при значениях напряжения сток - затвор порядка 25% °т Змакс, и из-за него ток затвора может достигать микроампера и более. Очевидно, что буферный каскад с высоким входным полным сопротивлением и микроамперным входным током лишен смысла. Это то, что получится, если например, в качестве повторителя взять 2N4868A с током стока 1 мА при напряжении питания 40 В.

На рис. 6.26 показана зависимость тока утечки затвора в долях тока стока от напряжения затвор - сток. Видно, что эта утечка есть недостаток, свойственный в первую очередь п-канальным ПТ, и что она быстро растет при увеличении напряжения затвор - сток.

Утечка затвора - серьезное препятствие для использования ПТ с р - п-переходом в качестве буферного каскада пли аналогового клчоча. Эта проблема допускает несколько решений:

1. Работайте при малых напряжениях затвор-сток. Это означает очень малые напряжения исток - сток.

2. Используйте каскодные связи, поддерживая таким образом малое напряжение (/сз У входного ПТ. Каскодные схемы на ПТ с р - п-

переходом выпускаются в виде отдельных устройств, например NDF9401 фирмы National Semiconductor. На рис. 6.27 показаны для сравнения характеристики утечки затвора для одного из таких устройств и обычного ПТ с р - п-переходом.

3. Используйте р-канальные приборы вместо п-канальных. Меньшая подвижность их носителей резко снижает эффекты, вызывающие утечку (см. рис. 6.26). 5IJ 4. Применяйте МОП-транзисторы. Заметьте, что этот эффект является специфической проблемой для

20 30

Рнс. 6.27. Зависимость тока утечки за- .,..r. д..л

твора от напряжения сток - затвор при п-канальных 1U с р п-перехо-

Т=200 мкА, дом, и проблема эта более серьезна

/ - одиночный триод 2N5I96} 2 - каекад ДЛЯ ПТ С бОЛЬШИМИ ЗНаЧСНИЯМИ k

NDF9406. (отношение ширины канала к его

длине), спроектированных для получения больших значений gm, малых /?зкл и малого шума. На рис. 6.28 приведены для сравнения кривые токов утечки затвора для нескольких популярных видов ПТ с р - п-переходом (п-канальных).

2N519B-3

2NS515-24

/(.=200 мкИ /с=0 . 2N3354 И т.д.

Рис, 6,28. Ток утечки затвора п-кана.эьных ПТ с р-/г-переходом.

6.10. ПТ в качестве переменных резисторов

На рис. 6.29 показаны характеристики ПТ (ток стока в зависимости от Ucvi при различных f/зи) в области малых значений напряжения сток - исток. Эта зависимость в области f/си. меньших t/зи-fn приблизительно линейна, и кривые могут быть продолжены в обе стороны, так что устройство может быть использовано в качестве управляемого напряжением резистора для малых сигналов любой полярности. Из формулы, выражающей /с через t/зи (разд. 6.04), можно найти зависимость /?си от f/зи на линейном участке, 1 ?си=2й [(t/зи-t/n)- -Vat/cnlf а это значит, что при напряжениях сток -затвор, меньших напряжения отсечки (при f/cH -> 0), ПТ ведет себя как линейное сопротивление /?си= = l/2(t/3H-Uu)- Заметим, что /?си= = 1/01; таким образом, сопротивление канала на линейном ненасьиценном участке есть величина, обратная крутизне на участке насыщения (при данном t/зи). Это полезно помнить на случай, если в паспорте устройства приведен только один параметр.

Если известно сопротивление при некотором значении напряжения затвора, то при других значениях этого напряжения сопротивление можно вычислить по формуле /?си = Ц^зо-t/n)/(t/3- п)Шси о, где си о - сопротивление, измеренное при напряжении затвора t/30.

0,1 0,2

Рис. 6.29,

Упражнение 6.6. Выведите предыдущую масштабную формулу.

Как правило, сопротивление, которое можно получить с помощью ПТ, изменяется от нескольких десятков ом (даже от 0,1 Ом для мощных ПТ) до бесконечности. Типичным применением ПТ в качестве сопротивления является использование его в схеме автоматической регулировки усиления (АРУ), в которой коэффициент усиления меняется с помощью обратной связи таким образом, чтобы выходной сигнал Удерживался в границах линейного диапазона. Применяя ПТ в схеме АРУ, следует внимательно следить, чтобы амплитуда сигнала была невелика - предпочтительно не более 200 мВ.

Диапазон значений Uw, в котором ПТ ведет себя как хороший резистор, зависит от конкретного ПТ, у которого сопротивление в первом приближении пропорционально напряжению, на которое потенци-13*

ал затвора превосходит Un (или (/охс)- Как правило, при /си<1 <0,1((/з-Un) имеются нелинейности порядка 2%, а при (/си~ 0,25((/3-Un) возможны нелинейности порядка 10%. МОП-транзисторы благодаря своему более широкому диапазону (7зи позволяют расширить линейный диапазон до больших значений (/си- Согласованные пары ПТ дают возможность строить наборы сопротивлений для управления сразу несколькими сигналами. Полевые транзисторы, предназначенные для работы в качестве переменных резисторов (серия VCR Siliconix), имеют допуск по сопротивлению порядка 30%, заданный при некотором значении (/3.

Электронное управление усилением. Из последней формулы для /?си видно, что линейность была бы почти идеальной, если бы мы к напряжению затвора добавили половину напряжения сток - исток. На рис. 6.30 показан хороший усилитель с управляемым коэффициентом усиления, в котором именно это и сделано. Полевой транзистор с р- ге-переходом образует нижнее плечо делителя обратной связи в обычном неинвертирующем усилителе. Полный коэффициент усиления регулируется в диапазоне от 1 до 1000 напряжением (/упр. Резисторы Ri, Ri и блокирующий конденсатор Ci улучшают линейность добавлением напряжения 0,5 (/си к (/зи, как только что говорилось. Благодаря этому приему схема мало искажает выходной сигнал вплоть до уровня 8,5 В.

Рассматривая применения ПТ для регулировки усиления, а именно в схемах АРУ или модуляторов, т. е. устройств, в которых амплитуда высокочастотного сигнала меняется пропорционально сигналу звуковой, например, частоты, есть смысл обратиться также к ИМС аналогового умножителя . Это высокоточные устройства с хорошим динамическим диапазоном, обычно применяемые для получения произведения двух напряжений. Один из этих сомножителей может быть управляющим сигналом постоянного тока, устанавливающим масштабный множитель для второго входного сигнала, т. е. коэффициент усиления. В аналоговом умножителе используется зависимость gm от /к, свойственная биполярному транзистору (Гт=[/к(мА)/251 См) и применяются группы согласованных транзисторов с целью избежать проблем разброса параметров и сдвига. На очень высоких частотах (100 мГц и выше) часто для той же цели оказываются лучше простые пассивные балансные смесители .

1,0 МОм -ф-

Рис. 6,30. Усилитель переменного тока с управляемым коэффициентом усиления и малыми искажениями.

Важно помнить, что ПТ в смысле проводимости ведет себя при малых напряжениях Ucn как линейное сопротивление, а не как источник тока, что характерно для коллектора биполярного транзистора, и он работает как сопротивление во всем диапазоне до ОВ между истоком и стоком (здесь нет ни диодных перепадов, ни чего-нибудь в этом роде, о чем стоило бы беспокоиться). Существуют ОУ (а именно 3130/3160) и семейства логических элементов (КМОП), в которых используется это полезное свойство.

6.11. Источник тока с управлением от ОУ

Полное отсутствие тока затвора делает нз ПТ идеальный источник тока при включении его совместно с ОУ. Пример такой схемы показан на рис. 6.31. п-Канальный МОП-транзистор отбирает ток от нагрузки; ток протекает и через резистор Ri, и падение напряжения на Ri сравнивается с напряжением на неинвертирующем входе ОУ. Так как ток затвора отсутствует, то сигнал на Ri, пропорциональный выходному току и снимаемый с резистора, не содержит ошибки - исключается ошибка, которую вносил бы ток базы в подобной схеме на биполярном транзисторе. Любое отклонение от идеальной характеристики источника тока может быть обязано своим появлением только нелинейности токоотбирающего резистора и погрешностям ОУ, таким, как смещение, сдвиг и дрейф. Для улучшения характеристик при малых токах

разумно использовать операционный усилитель с ПТ-входом для исключения ошибок, вызванных током входного смещения. С помощью такого типа схем можно получать источники тока с точностью 0,1% или даже выше.

Если Ti - МОП-транзистор обогащенного типа, то на выходе ОУ заведомо будут только положительные сигналы относительно земли, поэтому схема может работать от одиночного положительного источника питания. В этом случае важно использование такого ОУ, у которого входной диапазон синфазного сигнала доходит до земли и выходной сигнал также может отклоняться до земли (чтобы обеспечить отсечку тока); здесь были бы хороши ИМС вроде 358, 799 или 3160.

Схема с добавочным усилителем тока на биполярном транзисторе. Для получения выходного тока, большего, чем /с ач /с вкл, Просто добавим биполярный транзистор к ПТ-источнику тока

Рис. 6.31.

2N5459

(рис. 6.32). Та начинает проводить ток, когда имеет ток стока порядка 0,6 мА. При минимальном /свач для Ti порядка 4 мА и разумном значении р для Та можно получить ток нагрузки 100 мА и более

(для намного более сильных то- cG ков Тз может быть заменен схе-

мой Дарлингтона при соответственном уменьшении значения/?1), / =г/р^/10(1 Как и описанный выше, этот источник тока является совершенным , т. е. не имеет ошибки, связанной с током базы. Хотя для разнообразия можно в этой схеме употреблять ПТ с р - tt-переходом, МОП-транзистор все же лучше. При использовании ПТ с р - п-переходом (устройство обедненного типа) ОУ должен работать от расщепленного источника питания, чтобы обеспечить достаточный для отсечки Рис. 6.32. диапазон напряжений затвора.

,2N519Z

100 Ом

ключи НА ПТ

6.12. Аналоговые ключи на ПТ

Очень часто ПТ, главным образом МОП-транзисторы, применяются в качестве аналоговых ключей. В силу своих свойств, таких, как малое сопротивление в проводящем состоянии ( ВКЛ ), крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки ( ВЫКЛ ), малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Идеальный аналоговый ключ ведет себя как механический выключатель: пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений. Заметьте, что это не то же самое, что описанный в гл. 2 транзисторный ключ . То был пример логического ключа, неприменимого для аналоговых сигналов.

Рассмотрим пример (рис. 6.33). Ti - это п-канальный ПТ обогащенного типа, не проводящий ток при заземленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление сток - исток, как правило, больше 10 ООО МОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор напряжения -flS В приводит канал

Входной сигнал

+15 В г- Вкл-OB-J ивыкл

~ Выходнои Г t сигнап 4Т кОм

Управление

Рис. 6.33.