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无线电电子与电气工程百科全书 场效应晶体管的异常工作模式。 无线电电子电气工程百科全书
传统的基于场效应晶体管的线性放大器电路主要提供工作点在反向（关闭）偏差，即在 Uots 作者进行的研究表明，使用工作点可以在开路偏压区域的模式可以显着简化场效应晶体管上的节点电路。 在对最少元素数量的要求证明有必要选择其中一些元素的情况下，即在业余无线电实践和特别微型设计的开发中，使用此类方案是合理的。
图上。 图 1 显示了 pn 栅 FET 的一般漏栅和输入特性。 根据这些电流-电压特性 - Iс=f(Uin) 和 Iz=f(Uin) - 可以区分三个特性区域：1 - 关闭偏置 Uzi，2 - 开启偏置，此时几乎没有栅极电流，以及 3 - 开路偏压，这会导致很大的栅极电流。 区域 2 和区域 3 之间没有明确的边界，因此，为了明确起见，我们将它们之间的条件边界取为对应于 1 μA 栅极电流的纵坐标 - 在此电流下，栅极电阻仍然很高，并且这值可以相对容易地测量。 我们还用符号 Im 表示该边界处的漏极电流和栅极 Um 处的正向电压。 在电压 Uzi 大于限制时，栅极电流开始急剧增加，场效应晶体管失去其主要优势 - 高输入电阻。 因此，不考虑在 3 区工作。 由上可知，无需完全排除场效应晶体管在正向偏压区的工作，工作点不进入区3就足够了，即条件Uzi 尽管由于添加正向偏置区而导致的工作电压范围 Uzi 的扩展在绝对值上很小，但它非常重要，因为它允许对场效应晶体管的电路采用稍微不同的方法。 从图中可以看出。 如图 1 所示，排水门特性平稳地过渡到区域 2，没有中断。 晶体管中物理过程的本质是，当向栅极施加正向偏置电压时，沟道扩展并且其电导率增加，晶体管开始在富集模式下工作。 很容易看出，考虑到正向偏压区，具有 pn 栅极的晶体管在特性上与具有绝缘栅极和内置沟道的晶体管相似，后者能够在正向和反向偏压下工作。门。 区别只是数量上的 - 在第一个中，直接位移区域的工作区域较短，因为它受到 Um 值的限制。 因此，pn栅场效应晶体管可以用于被认为仅适用于具有绝缘栅和集成沟道的晶体管的模式。 具有绝缘栅极的晶体管存在严重的缺点——特性的显着扩展、抗静电能力低以及其他一些——极大地限制了这些器件的实际应用范围，即使它们的单独选择是允许的。 目前生产的带有 pn 栅极的晶体管的范围比隔离晶体管的范围要广得多，它们更便宜并且具有更小的特性分布。 由于这些原因，pn 栅晶体管应该被认为是更优选的。
让我们看看这些晶体管使用栅极正向偏置模式的一些应用。 图上。 图2a展示线性放大器的示意图。 使用无初始偏置的操作模式可以消除晶体管 VT1 的源极电路中的自动偏置电阻和隔直电容。 直流阶跃的计算被简化并简化为使用以下公式确定负载电阻器 R2 的电阻： R2 \uXNUMXd (Upit-Uout o) / Io 其中 Uout o 是没有输入信号时的输出电压，Io 是晶体管的初始电流。 选择UOUT O = 0,5 UPIT时，公式（1）被简化并采用表格：R2 = UPIT/2IO。 在根据这种方案开发放大器时，应牢记，对于初始漏极电流为几十毫安的晶体管，可能会超过其允许功率。 如果需要降低增益，则在源极电路中包括一个电阻器 R3。 需要强调的是，在这种情况下，隔直电容不能开启。 交流模式根据已知公式计算； 增益由表达式 Ku \u2d S • R10 求得，其中 S 是晶体管特性的斜率。 显然，在 Ku>1,1 时，在大多数情况下，输出信号的幅度放大到 Upit 发生在 Uin 如果需要将正输入电压的允许幅值提高到Um以上，则需要在源极电路（阴极到公共线）中导通二极管而不是电阻R3。 硅二极管的正向偏置电压可以在 0,4 ... 0,8 V（大多数情况下为 0,5 ... 0,7 V）的范围内，具体取决于二极管的类型和晶体管的源极电流。 对于锗二极管，类似的值是0,2 ... 0,6 V（0,3 ... 0,5 V）。 当二极管导通时，由于闭合偏置，漏极电流减小，因此，为保证之前的直流模式，需要增加电阻R2的阻值。 这反过来又导致 Kn 增加，因为陡度略有下降。 由于二极管的动态电阻很小，用电容器将其分流是无效的。 二极管的引入会导致增益的小幅下降（不超过 10%）。 直流这一步骤的模式由公式 (1) 计算，其中代替 Io，用 Iod 代替 - 漏极电流与连接到源极电路的二极管。 如有必要，可以通过在二极管上串联一个反馈电阻来降低 Ku。 尽管存在额外的二极管，但在某些情况下实施这种电路是合理的，因为它会导致电流消耗减少和增益增加。 这些特性对于自供电设备尤其有价值。 从上面可以看出，带有二极管的级的操作接近于带有偏置电阻的经典级。 主要优点是没有隔直电容器，这也导致工作频带从以下扩展到直流。 此外，简化了设备的计算和调整。 当使用变压器、耦合线圈、录音机磁头和其他类似信号源操作该级时，不需要漏电电阻 R1，电路采用图 2 所示的极其简单的形式。 XNUMX，乙。
上面讨论的在正向偏压下运行具有 pn 栅极的场效应晶体管的可能性也可以有效地用于构建另一类重要的器件 - 源极跟随器。 图上。 如图3所示，传统电路的源极跟随晶体管VT2。 该节点的主要缺点是输出电压的限制相对较窄。 传统的射极跟随器（VT2，图 3，b）没有这个缺点。 此外，它的细节较少。 但是射极跟随器的输入电阻比较低：Rin = h21eRe（h21e是晶体管的静态电流传递系数；Re是发射极电路中电阻的阻值）。 所有注意到的矛盾都通过源跟随器的直接连接完全消除，如图所示。 3，C。 在这里，源极跟随器和射极跟随器的优势得到了成功的结合。 该方案没有找到实际应用，显然是因为无法避免栅极上的正向偏置电压。 但这不是必需的，排除晶体管在栅极正向电流区域（图 3 中的区域 1）的操作就足够了。 这个问题很简单地解决了，这使得在实践中应用这种方案成为可能。 源极跟随器的传递特性由一般表达式确定： Uout=Uo+UinxKp， (2) 其中Uo为Uin=0时的初始输出电压； Kp——源跟随器的传输系数。 为了使跟随器在栅极上的闭合偏压区域内工作，有必要满足条件 Uz 事实上，真正的要求没有那么严格，因为满足一个更简单的条件就足够了：U 和 Upit（Ri 是源电路中电阻的电阻）。 考虑到根据该公式计算的暂定性质，在使用不超过 100 μA 的箭头全偏转电流的微安表对节点进行原型设计时，应检查 Uz = Upit 处的栅极电流是否缺失。 这种源极跟随器的输出电压在 Uo ... (Upit-Usi) 范围内。
对于 KPZOZA 和 KPZOZE 晶体管在不同电阻值 Ri 下在 Upit=12V 下实验取得的依赖关系 Uout=f(Uin) 如图 4 所示。 0. 从图中可以看出，可以确保从 Uout (at Uin = 1) 到 (Upit- -2) V 范围内的传输特性的线性度。要扩展本节，您应该首先首先，减小Uo，为此您需要使用Uotc最小值的晶体管，然后选择电阻R和（图3中的R1，c）的最佳电阻值。 图表上的星号表示电流 Iz 达到 XNUMX μA 的点。 作为图 5 中描述的线性放大模式的实际应用示例。 图3是双通道3H信号混频器的示意图。 一般来说，通道的数量不受任何限制，可以是任意的。 电阻R1的阻值由公式(XNUMX)确定，其中用Iod n 代替Io，其中n为通道数。
在设备中，最好使用具有接近 Uots 和 Io（或 Iod）值的晶体管，但是，这些参数的扩展高达 50 ... 100% 是完全可以接受的，因为通道之间的增益差异可以通过输入稳压器 R1、R5 轻松补偿务必检查输入电压工作范围内没有通道进入限幅模式。 使用硅二极管时，每个场效应管的栅极正半波的允许幅度至少为 1 V。 当一个通道工作在电源电压 Upit=9 V，输出电压 Uout=0,1 V（有效值），信号频率 fc=0,1 kHz 时，混频器增益约等于 3，就非线性电平而言失真它并不逊于根据经典电路构建的失真。 作者：A. Mezhlumyan，莫斯科； 出版物：N. Bolshakov，rf.atnn.ru
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