3.10. ПТ в качестве переменных резисторов
На рис. 3.17 показаны характеристики ПТ с p-n - переходом (зависимость тока стока от Ucи при различных Uзи) как в нормальном («насыщенном») режиме, так и в «линейной» области малых значений напряжения сток-исток. В начале этой главы мы привели также эквивалентую пару графиков для МОП - транзистооов (Рис. 3.2.). Зависимость Iс - Uси приблизительно линейна в области Uси, меньших Uзи - Uп, и кривые могут быть продолжены в обе стороны, так что устройство можно использовать в качестве управляемого напряжением резистора для малых сигналов любой полярности. Из формулы, выражающей Iс через Uзи в линейной области (разд. 3.04) легко найти, что отношение Iс/Uзи равно 1/Icи = 2k [(Uзи - Uп) - Uси/2]. Последний член в этом выражении представляет собой нелинейность, т. е. отклонение от резистивности характеристики (сопротивление резистора не должно зависеть от напряжения). Однако при напряжениях стока существенно меньших напряжения отсечки (при Uси → 0) этот последний член становится совершенно незначимым, и ПТ ведет себя приблизительно как линейное сопротивление Rси ≈ 1/[2k(Uзи - Uп)]. Поскольку зависящий от конкретного устройства параметр k - не та количественная характеристика, которую нам хотелось бы знать, полезнее записать Rси ≈ R0(Uз0 - Uп)/(Uз - Uп), где сопротивление Rси при любом напряжении затвора можно определить через известное сопротивление R0, измеренное при некотором напряжении затвора Uз0.
Упражнение 3.5. Выведите предыдущую «масштабную» формулу.
Обе приведенные выше формулы показывают, что проводимость (равная 1/Rси) пропорциональна величине, на которую напряжение затвора превышает напряжение отсечки. Другой полезный факт состоит в том, что Rси = 1/gm, т.е. сопротивление канала в линейной области есть величина, обратная крутизне в области насыщения. Это удобная в пользовании зависимость, поскольку gm - параметр, который почти всегда приводится в паспорте ПТ.
Упражнение 3.6. Покажите, что Rси = 1/gm, выведя крутизну из приведенной в разд. 3.04 формулы для тока стока в области насыщения.
Как правило, сопротивление, которое можно получить с помощью ПТ, изменяется от нескольких десятков ом (даже от 0,1Ом для мощных МОП - транзисторов) до бесконечности. Типичным применением ПТ в качестве сопротивления является использование его в схеме автоматической регулировки усиления (АРУ); в ней 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 - не более 200 мВ.
Диапазон значений Uси, в котором ПТ ведет себя как хороший резистор, зависит от конкретного ПТ, у которого сопротивление в первом приближении пропорционально напряжению, на которое потенциал затвора превосходит Uп (или Uотс). Как правило, при Uси < 0,1(Uзи - Uп) нелинейности составляют 2%, а при Uси ≈ 0,25 (Uзи - Uп) возможны нелинейности порядка 10%. Согласованные пары ПТ дают возможность строить наборы сопротивлений для управления сразу несколькими сигналами. ПТ с p-n - перехом для работы в качестве переменных резисторов (серия VCR Siliconix) имеют допуск по сопротивлению порядка 30%, заданный при некотором значении Uзи.
Ток ударной ионизации ПТ с p-n - переходом. В дополнение к обычным эффектам утечки затвора в n- канальных ПТ с p-n - переходом в гораздо большей степени проявляются токи утечки при работе с существенными уровнями Uси и Iс (ток утечки, оговариваемый в паспорте, измеряется при совершенно нереальных условиях Uси = Iс = 0!). Рис. 3.31 показывает, что происходит. Ток утечки затвора остается близким к IЗут до тех пор пока мы не достигнем критического напряжения сток-затвор, при котором кривая круто взмывает вверх. Этот дополнительный ток «ударной ионизации» пропорционален току стока и он растет экспоненциально с ростом напряжения и температуры. Появление этого тока наблюдается при напряжении сток-затвор, составляющем приблизительно 25% от U3макс, и он может добавлять в ток затвора микроампер и более. Очевидно, что «высокоомный буфер» с микроамперным входным током лишен смысла. Это то, что получится, если попытаться использовать 2N4868A в качестве повторителя с током стока 1 мА при напряжении питания 40 В.
Можно улучшить линейность и одновременно расширить диапазон иси, в котором ПТ ведет себя как резистор, с помощью простой компенсационной схемы. Проиллюстрируем это на практическом примере.
Метод линеаризации: электронное управление усилением. Из последней формулы для 1/Rси, видно, что линейность была бы почти идеальной, если бы к напряжению затвора мы добавили половину напряжения сток-исток. На рис. 3.33 показаны две схемы, которые именно это и делают. В первой из них ПТ с p-n - переходом образует нижнее плечо резистивного делителя напряжения, формируя тем самым управляемый напряжением аттенюатор (или «регулятор громкости»). Резисторы Rl и R2 улучшают линейность добавлением напряжения 0,5 Ucи к Uзи, как только что говорилось. Показанный на схеме ПТ с p-n - переходом имеет в проводящем состоянии (при заземленном затворе) сопротивление 60 Ом (максимум), что дает диапазон ослабления сигнала от 0 до 40 дБ.
Рис. 3.33.
Во второй схеме используется МОП - транзистор в качестве перестраиваемого эмиттерного сопротивления в усилителе переменного тока с эмиттерной обратной связью. Обратите внимание на то, что по постоянному ток с эмиттерная обратная связь обеспечивается источником стабильного тока (зеркало Вилсона или диодный стабилизатор тока на ПТ); эта часть схемы несет две нагрузки: а) она ведет себя на частоте сигнала как цепь с очень высоким полным сопротивлением, что позволяет ПТ с перестраиваемым сопротивлением задавать коэффициент усиления, изменяющийся в широком диапазоне (включая КU « 1), и б) обеспечивает простое смещение. За счет применение разделительного конденсатора мы организовали схему таким образом, что ПТ воздействует только на коэффициент усиления по переменному току (на усиление сигнала). Без этого конденсатора смещение биполярного транзистора изменялось бы с изменением сопротивления ПТ.
Упражнение 3.7. МОП - транзистор VN13 имеет в проводящем состоянии (Uзи = + 5 В) сопротивление 15 Ом (макс). Чему равен диапазон изменения коэффициента усиления усилителя во второй схеме (в предположении, что источник тока ведет себя как сопротивление 1 МОм)? Какова нижняя частота среза (на уровне 3 дБ) при таком смещении ПТ, что коэффициент усиления усилителя равен а) 40 дБ и б) 20 дБ?
Линеаризация Rси при помощи резистивного делителя напряжения затвора, представленная выше, исключительно эффективна. На рис. 3.34 приведены для сравнения полученные путем измерений графики зависимости Iс от Uси в линейной (с низким Uси) области характеристик ПТ при наличии и в отсутствие схемы линеаризации. Такая линеаризующая схема особенно важна для тех применений, где требуются малые искажения при размахе сигнала свыше нескольких милливольт.
Рис. 3.34. Измеренные зависимости Ic(Uси) для отдельно взятых ПТ (стева) и ПТ со схемами линеаризации (справа). а - ПТ с p-n - переходом 2N5484; б - МОП - транзистор VN0106.
Применяя ПТ для регулировки усиления, а именно в схемах АРУ или модуляторов, т.е. устройств, в которых амплитуда высокочастотного сигнала меняется пропорционально сигналу звуковой частоты, есть смысл обратиться также к ИМС «аналогового умножителя». Это - высокоточные устройства с хорошим динамическим диапазоном, обычно применяются 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 Iк, свойственная биполярному транзистору (gm = [Iк(мА)/25] См), и применяются группы согласованных транзисторов, чтобы избежать проблем разброса параметров и сдвига. На очень высоких частотах (100 МГц и выше) часто для этой же цели лучше использовать простые пассивные «балансные смесители».
Важно помнить, что ПТ в смысле проводимости ведет себя при малых напряжениях иси как линейное сопротивление, а не как источник тока, что характерно для коллектора биполярного транзистора, и он работает как сопротивление во всем диапазоне до 0 В между истоком и стоком (здесь нет ни диодных перепадов, ни чего-нибудь в этом роде, о чем стоило бы беспокоиться). Существуют ОУ и семейства логических элементов (КМОП), в которых используется это полезное свойство, так что насыщение на выходе у этих схем наступает именно на Уровне напряжения питания.