3.05. Производственный разброс характеристик ПТ
Перед тем как рассматривать какие-нибудь схемы, оценим сначала диапазон параметров ПТ (таким как IСИнач и UП) а также их «разброс» среди приборов одного типа с целью получения более полного представления о ПТ. К сожалению, многие характеристики ПТ имеют разброс намного больше, чем соответствующие характеристики биполярных транзисторов, - факт, который проектировщик должен помнить. Например, в паспорте на NV01 (типичный n- канальный МОП - транзистор) оговорено, что UП может составлять от 0,8 до 2.4 В (при Ic = 1 мА), в сравнении с тем, что аналогичный параметр биполярного n-p-n - транзистора, ивэ имеет разброс от 0.63 до 0.83 В (также при Iк = 1 мА). Итак, вот что мы можем ожидать:
| Характеристика | Диапазон номинальных значении |
Разброс |
|---|---|---|
| IСИнач, IСвкл | от 1 мА до 1 А | x5 |
| RСИвкл | 0.05Ом - 10кОм | x5 |
| gm при 1mA | 500 - 3000 мкс | x5 |
| Uост(p-n - ПТ) | 0,5 - 10 В | 5 В |
| UП (МОП) | 0,5 - 5 В | 2 В |
| UСИпр | 6 - 1000 В | |
| UЗИпр | 6 - 125 В |
В этой таблице RСИвкл сопротивление сток исгок (линейная область, т.е. малое напряжение Uзи) для полностью открытого ПТ, т. е. при заземленном затворе в случае ПТ с p-n - переходом или при большом (обычно принимается 10 В) напряжении затвор-исток у МОП - транзистора. IСинач и ICвкл - значения тока стока в области насыщения (большое Ucи) при тех же самых отпирающих условиях возбуждения затвора. Uотс есть напряжение отсечки (ПТ с p-n - переходом), Uп - пороговое напряжение затвора (МОП-транзисторы), а UСИпр и UЗИпр - соответствующие напряжения пробоя. Как можно видеть, ПТ с заземленным истоком может быть хорошим источником тока, но нельзя точно предсказать, каким будет этот ток. Напряжение Uзи, при котором получается заданный ток стока, может заметно варьировать в отличие от предсказуемого (≈ 0,6 В) Uбэ у биполярных транзисторов.
Согласование характеристик. Как вы можете видеть, ПТ уступают биполярным транзисторам в предсказуемости Uзи, т. е. значения Uзи, обеспечивающие заданный Iс. имеют большой разброс. Приборы, обладающие большим разбросом, будут, вообще говоря, давать больший сдвиг (напряжение небаланса), если их применять в качестве дифференциальных пар. Например, типичный серийный биполярный транзистор дает разброс Uбэ в 50 мВ или около того при некотором заданном токе коллектора без всякого отбора транзисторов (берем подряд любой прибор, имеющийся под рукой). Соответствующая цифра для МОП - транзисторов - более 1 В! Но поскольку ПТ обладают весьма желательными характеристиками, имеет смысл затратить некоторые дополнительные усилия для уменьшения сдвига путем изготовления согласованных пар. Проектировщики ИС пользуются такими приемами как перемежающаяся (гребенчатая) структура (два прибора разделяют между собой один и тот же участок подложки ИС) и выравнивание температурных градиентов в схеме между приборами (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Гребенчатая структура (а) и гемпературно-гралиентная компенсация (6).
Получаемые результаты впечатляют. Хотя ПТ не могут сравняться с биполярными транзисторами в согласованности Uзи, 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, грубо говоря, в 10 раз лучше. Операционные усилители (универсальные дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления, о которых мы будем говорить в следующей главе) выпускаются как на полевых, так и на биполярных транзисторах, для высокоточных применений вы сможете, вообше говоря, выбрать ОУ с биполярной «начинкой» (ввиду тесного согласования входных транзисторов по Uбэ). в то время как ОУ с ПТ - входом, очевидно, является наилучшим выбором для высокоомных схем (их входы - затворы ПТ - не потребляют тока). Например, недорогой ОУ типа LF 411 со входом на ПТ с p-n - переходом, который мы используем повсеместно в схемах, приводимых в следующей главе, имеет типичное значение входного тока 50 пА и стоит 60 цент; популярный TLC212 со входом на МОП - транзисторах стоит примерно столько же и имеет типичное значение входного тока всего 1 пА! Для сравнения укажем, что обычный биполярный ОУ иА741 имеет типичное значение входного тока 80000 пА (80 нА).