Усилительные и частотные свойства полевых транзисторов

Подобно биполярным транзисторам полевые транзисторы находят применение как усилители электрических колебаний. При этом возможна работа в схемах с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Наиболее распространен­ной является схема включения с общим истоком, представленная на рис. 5.16.

Б этой схеме подложка обычно соединяется с истоком. Режим работы транзисто­ра по постоянному току определяется так же, как и режим работы биполярного транзистора: на поле выходных характеристик строится нагрузочная линия, а на затвор подается постоянное напряжение такой величины, чтобы исходная рабо­чая точка располагалась примерно на середине участка выходных характеристик, соответствующего режиму насыщения. При подаче на затвор переменного на­пряжения с амплитудой U_вх.m ток стока изменяется с амплитудой I_cm создавая на резисторе R_н падение напряжения с амплитудой U_вых.m = -I_cm *R_н, которое находится в противофазе с током, что учитывается знаком «минус». Коэффициент усиле­ния напряжения

(5.47)

То есть этот коэффициент зависит от сопротивления нагрузки и крутизны.

Для выяснения частотной зависимости К_U необходимо рассмотреть эквивалент­ную схему полевого транзистора (рис. 5.17), которая определяется его структу­рой. В нее входят междуэлектродные емкости, распределенное сопротивление канала и генератор тока S*U_зи, вырабатывающий ток, зависящий от входного напряжения U_зи. Распределенное сопротивление канала состоит из двух частей: сопротивления неперекрытой части канала R_к (оно сравнительно невелико) и сопро­тивления перекрытой части канала R_i (оно сравнительно велико). Строго говоря, эти два сопротивления включены последовательно между истоком и стоком, одна­ко учитывая, что R_i во много раз больше R_к, для упрощения анализа целесообраз­но R_i соединить непосредственно с истоком.

К междуэлектродным емкостям относятся:

□ емкости С_зи между затвором и истоком и С_зп между затвором и подложкой, оп­ределяющие реактивную составляющую входного тока, сумма этих емкостей составляет входную емкость транзистора С_вх = С_зи + С_зп;

□ емкость между затвором и каналом С_зк, образующая совместно с сопротивлением R_к неперекрытой части канала RС -цепочку, снижающую крутизну, то есть эффективность управления на высоких частотах;

□ емкость между затвором и стоком С_зс, создающая цепь обратной связи выход­ной цепи с входной;

□ емкость между стоком и подложкой С_сп, обусловливающая реактивную состав­ляющую выходного тока.

Влияние емкости С_зк. Эта емкость вместе с сопротивлением канала R_к образует частотно-зависимый делитель напряжения, Напряжение определяет эффект управления:

(5.48)

Здесь

Подставив значение в (5.48), получим

Здесь (5.49)

Поскольку с ростом частоты уменьшается напряжение , управляющее током через канал, то соответственно уменьшается крутизна, которая равна

(5.50)

Здесь значение крутизны при ώ = 0.

Модуль крутизны равен:

(5.51)

При ώ=ώ_s крутизна ,

поэтому частоту ώ_s называют предельной частотой крутизны. Частота ώ_s опреде­ляется постоянной времени , которая называется постоянной времени крутизны.

Емкость С_зк определяется площадью затвора и толщиной подзатворного диэлект­рика:

Сопротивление R_к определяется из уравнения (5.46):

Величина b определяется уравнением (5.42). Следовательно,

Предельная частота крутизны равна

(5.52)

Из соотношения (5.52) следует, что предельная частота f_s тем выше, чем меньше дли­на канала, больше подвижность электронов в канале и выше напряжение затвора. Эта частота достаточно высокая. При L_к = 1 мкм, μ_ns - 500 см²/В*с и u_зи – u_пор = 4 В величина f_s ≈ 30 ГГц.

Влияние емкостей С_зи, С_зп и С_сп. На рис. 5.17 показано, что между истоком и сто­ком включен резистор нагрузки R_н, параллельно которому включены выход­ная емкость предыдущего каскада С_сп и входная емкость последующего С_вх = С_зи + С_зп, Эти три емкости можно объединить в одну, обозначив ее через С_н = С_сп + С_зи + С_зп.

Емкость С_н шунтирует резистор нагрузки R_н, вследствие чего сопротивление нагрузки оказывается комплексным. Модуль этого сопротивления равен

В этом случае коэффициент усиления равен

(5.53)

Здесь

На частоте ώ_в модуль коэффициента усиления уменьшается в раз. Чем мень­ше сопротивление R_н, тем выше частота ώ_в, но одновременно уменьшается коэф­фициент усиления К_о на низких частотах, на которых можно пренебречь влияни­ем емкости С_н. Модуль этого коэффициента равен

(5.54)

Подставим в (5.54) значение R_н, полученное из (5.53), тогда

(5.55)

Влияние С_н на усилительные и частотные свойства принято оценивать путем введе­ния граничной частоты f_гр. Если в формуле (5.55) принять и , то

(5.56)

Из (5.56) следует, что для улучшения частотных и усилительных свойств полево­го транзистора необходимо увеличивать крутизну S и уменьшать емкость С_н = С_сп + С_зи + С_зп. Практически частота f_гр значительно меньше частоты f_s. Поэтому с час­тотной зависимостью крутизны обычно не считаются.

Вредное влияние емкости С_н на частотные свойства проявляется не только в по­левых транзисторах, но и биполярных, однако в биполярных транзисторах это влияние обычно не учитывают ввиду того, что крутизна биполярных транзисто­ров существенно выше крутизны полевых. Поэтому граничная частота f_гр оказы­вается много больше частоты , определяемой инерционностью процессов в базе биполярного транзистора. Сравним значения крутизны биполярных и полевых транзисторов.

У биполярного транзистора . Следовательно,

(5.57)

У полевого транзистора . Следовательно,

(5.58)

Полагая, что i_к = i_c определим отношение

(5.59)

Величина u_т ≈ 0,026 В, а величина u_зи – u_пор ≈ (1...4) В. Следовательно, крутизна биполярного транзистора многократно превышает крутизну полевого.

Влияние емкости С_зс. Из эквивалентной схемы следует, что к емкости С_зс приложе­на сумма двух напряжений: входного и выходного. Причем выходное напряже­ние . Входной ток транзистора разветвляется на две ветви: часть тока течет через входную емкость С_вх = С_зи + С_зп, часть через емкость С_зс. С учетом того, что к емкости С_зс приложена сумма входного и выходного напряжений, входной ток будет равен

(5.60)

Здесь

Из полученного уравнения следует, что наличие проходной емкости С_зс увеличи­вает входную емкость транзистора, что ведет к снижению граничной частоты f_гр поскольку емкость С_н, входящая в формулу (5.56), включает в себя входную емкость транзистора, шунтирующую резистор нагрузки R_н.