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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Modo incomum de operação do transistor de efeito de campo. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador O circuito tradicional de amplificadores lineares baseados em transistores de efeito de campo com uma porta na forma de uma junção pn (doravante referida como uma porta pn para abreviar) fornece principalmente o modo quando o ponto de operação está na região do polarização reversa (fechamento), ou seja, em Uots Os estudos realizados pelo autor mostraram que o uso de um modo em que o ponto de operação pode estar na zona de polarização de abertura permite simplificar significativamente os circuitos de nós em transistores de efeito de campo. A utilização de tais esquemas é racional nos casos em que a exigência de um número mínimo de elementos justifique a necessidade de selecionar alguns deles, ou seja, na prática de radioamadorismo e no desenvolvimento de projetos especialmente em miniatura.
Na fig. 1 mostra as características generalizadas de porta de drenagem e entrada de um FET de porta pn. Nestas características de corrente-tensão - Iс=f(Uin) e Iz=f(Uin) - podem ser distinguidas três zonas características: 1 - polarização de fechamento Uzi, 2 - polarização de abertura, na qual praticamente não há corrente de porta e 3 - polarização de abertura, que causa uma corrente de porta significativa. Não há um limite claro entre as zonas 2 e 3, portanto, para definição, tomaremos como limite condicional entre elas a ordenada correspondente a uma corrente de porta de 1 μA - nessa corrente, a resistência de porta ainda é muito alta, e isso valor pode ser medido com relativa facilidade. Vamos também denotar pelo símbolo Im a corrente de dreno neste limite e a tensão direta na porta Um. Quando a tensão Uzi é maior que o limite, a corrente do portão começa a aumentar acentuadamente e o transistor de efeito de campo perde sua principal vantagem - alta resistência de entrada. Portanto, o trabalho na zona 3 não é considerado. Pelo exposto, fica claro que não há necessidade de excluir completamente a operação do transistor de efeito de campo na zona de polarização direta, basta que o ponto de operação não entre na zona 3, ou seja, a condição Uzi Apesar do fato de que a expansão da faixa de tensão operacional Uzi devido à adição de uma zona de polarização direta é pequena em valor absoluto, é muito importante, pois permite uma abordagem ligeiramente diferente dos circuitos dos transistores de efeito de campo. Como pode ser visto a partir da fig. 1, a característica do obturador de drenagem passa para a zona 2 suavemente, sem interrupção. A essência dos processos físicos no transistor é que quando uma tensão de polarização direta é aplicada ao portão, o canal se expande e sua condutividade aumenta, o transistor começa a funcionar no modo de enriquecimento. É fácil ver que, levando em consideração a zona de polarização direta, um transistor pn-gate torna-se semelhante em características a um transistor de porta isolada com um canal integrado, capaz de operar com polarização direta e reversa na porta. A diferença é apenas quantitativa - no primeiro deles, a área de trabalho da zona de deslocamento direto é menor, pois é limitada pelo valor de Um. Portanto, um transistor de efeito de campo de porta pn pode ser usado em modos que eram considerados possíveis apenas para transistores com porta isolada e canal integrado. A presença de sérias deficiências em transistores com porta isolada - uma dispersão significativa de características, baixa resistência à eletricidade estática e várias outras - limita drasticamente o escopo da aplicação prática desses dispositivos, mesmo que sua seleção individual seja admissível. A gama de transistores produzidos atualmente com porta pn é muito mais ampla do que com um isolado, eles são mais acessíveis e têm uma distribuição menor de características. Por essas razões, os transistores de porta pn devem ser considerados mais preferíveis.
Vejamos algumas aplicações desses transistores usando o modo de polarização direta do portão. Na fig. 2a mostra um diagrama de um amplificador linear. O uso de um modo de operação sem polarização inicial possibilitou eliminar o resistor de polarização automática e o capacitor de bloqueio no circuito fonte do transistor VT1. O cálculo do passo DC é simplificado e se resume a determinar a resistência do resistor de carga R2 usando a fórmula: R2 \uXNUMXd (Upit-Uout o) / Io onde Uout o é a tensão de saída na ausência de um sinal de entrada e Io é a corrente inicial do transistor. Ao escolher Uout o= 0,5 Upit, a fórmula (1) é simplificada e assume a forma: R2=Upit/2Io. Ao desenvolver amplificadores de acordo com este esquema, deve-se ter em mente que, para transistores com uma corrente de drenagem inicial de várias dezenas de miliamperes, sua potência permitida pode ser excedida. Se for necessário reduzir o ganho, um resistor R3 é incluído no circuito da fonte. Deve-se enfatizar que neste caso o capacitor de bloqueio não pode ser ligado. O modo de corrente alternada é calculado de acordo com fórmulas conhecidas; o ganho é encontrado a partir da expressão Ku \u2d S • R10, onde S é a inclinação da característica do transistor. Obviamente, em Ku>1,1, na maioria dos casos, a amplificação do sinal de saída em amplitude até Upit ocorre em Uin Se for necessário aumentar a amplitude permitida da tensão de entrada positiva acima de Um, é necessário ligar o diodo em vez do resistor R3 no circuito da fonte (cátodo ao fio comum). A tensão de polarização direta para diodos de silício pode estar na faixa de 0,4 ... 0,8 V (na maioria dos casos 0,5 ... 0,7 V), dependendo do tipo de diodo e da corrente da fonte do transistor. Para diodos de germânio, valores semelhantessão 0,2 ... 0,6 V (0,3 ... 0,5 V). Quando o diodo é ligado, a corrente de dreno diminui devido à polarização de fechamento, portanto, para garantir o modo DC anterior, é necessário aumentar a resistência do resistor R2. Isso, por sua vez, leva a um aumento no Kn, uma vez que a inclinação diminui ligeiramente. Como a resistência dinâmica do diodo é pequena, desviá-lo com um capacitor é ineficaz. A introdução de um diodo causa uma pequena - não mais de 10% - diminuição no ganho. O modo de tal estágio para corrente contínua é calculado pela fórmula (1), na qual, em vez de Io, Iod é substituído - a corrente de dreno por um diodo conectado ao circuito da fonte. Se necessário, Ku pode ser reduzido conectando um resistor de realimentação em série com o diodo. Apesar da presença de um diodo adicional, a implementação de tal circuito em alguns casos se justifica pelo motivo de levar a uma diminuição no consumo de corrente e a um aumento no ganho. Essas propriedades são especialmente valiosas para dispositivos autoalimentados. Como pode ser visto acima, a operação de um estágio com um diodo é próxima da clássica com um resistor de polarização. A principal vantagem é a ausência de um capacitor de bloqueio, o que também leva a uma expansão da banda de frequência de trabalho de baixo para corrente contínua. Além disso, o cálculo e o ajuste dos dispositivos são simplificados. Quando este estágio é usado com um transformador, bobina de acoplamento, cabeçote de gravador e outras fontes de sinal semelhantes, nenhum resistor de fuga R1 é necessário e o circuito assume a forma extremamente simples mostrada na Fig. 2b.
A possibilidade de operação de um transistor de efeito de campo com uma porta pn sob polarização direta, discutida acima, também pode ser efetivamente usada para construir outra classe importante de dispositivos - seguidores de fonte. Na fig. 3, e mostra o circuito tradicional do transistor seguidor de fonte VT2. A principal desvantagem deste nó são os limites relativamente estreitos da tensão de saída. O seguidor de emissor tradicional (VT2, Fig. 3, b) está livre dessa desvantagem; além disso, tem menos detalhes. Mas o seguidor do emissor tem uma resistência de entrada relativamente baixa: Rin = h21eRe (h21e é o coeficiente de transferência de corrente estática do transistor; Re é a resistência do resistor no circuito do emissor). Todas as contradições observadas são completamente eliminadas com a conexão direta do seguidor de fonte, conforme mostrado na Fig. 3, c. Aqui, as vantagens dos seguidores de fonte e emissor são combinadas com sucesso. Este esquema não encontrou aplicação prática, aparentemente porque é impossível evitar uma tensão de polarização direta na porta. Mas isso não é necessário, basta excluir a operação do transistor na região da corrente direta do portão (na zona 3 da Fig. 1). Este problema é resolvido de forma bastante simples, o que torna possível aplicar esse esquema na prática. A característica de transferência do seguidor de fonte é determinada pela expressão geral: Uout=Uo+UinxKp, (2) onde Uo é a tensão de saída inicial em Uin=0; Kp - coeficiente de transmissão do seguidor da fonte. Para que o seguidor opere na região da polarização de fechamento do portão, é necessário que a condição Uz De fato, os requisitos reais são menos rigorosos, pois basta cumprir uma condição mais simples: U e Upit (Ri é a resistência do resistor no circuito da fonte). Considerando a natureza provisória do cálculo de acordo com esta fórmula, a ausência da corrente de porta em Ug = Upit deve ser verificada ao prototipar o nó com um microamperímetro com uma corrente de deflexão total da seta não superior a 100 μA. A tensão de saída de tal seguidor de fonte está dentro de Uo ... (Upit-Usi).
As dependências Uout=f(Uin) tomadas experimentalmente em Upit=12V para transistores KPZOZA e KPZOZE em diferentes valores de resistência Ri são mostradas na Fig. 4. Como pode ser visto nos gráficos, é possível garantir a linearidade da característica de transferência na faixa de Uout (em Uin = 0) a (Upit--1) V. Para expandir esta seção, você deve, primeiro de tudo, reduza Uo, para o qual você precisa usar transistores com o valor mínimo de Uotc e, em seguida, selecione a resistência ideal do resistor R e (R2 no diagrama da Fig. 3, c). Um asterisco nos gráficos marca os pontos onde a corrente Iz atinge um valor de 1 μA. Como exemplo da aplicação prática do modo de amplificação linear descrito na Fig. 5 mostra um diagrama de um misturador de sinal 3H de dois canais; em geral, o número de canais não é limitado por nada e pode ser qualquer um. A resistência do resistor R3 é determinada pela fórmula (1), na qual Iod n é substituído por Io, onde n é o número de canais.
No dispositivo, é desejável o uso de transistores com valores próximos de Uots e Io (ou Iod), porém, a propagação desses parâmetros até 50... 100% é bastante aceitável, pois a diferença de ganho entre os canais pode ser facilmente compensado pelos reguladores de entrada R1, R5. Certifique-se de verificar se nenhum dos canais entrou no modo de limitação de amplitude na faixa de operação da tensão de entrada. Ao usar um diodo de silício, a amplitude permitida da meia onda positiva na porta de cada transistor de efeito de campo é de pelo menos 1 V. Quando um canal é operado com tensão de alimentação Upit=9 V, tensão de saída Uout=0,1 V (valor efetivo), frequência de sinal fc=0,1 kHz, o ganho do mixer é aproximadamente igual a 3, e em termos do nível de não linear distorções não é inferior ao construído de acordo com os circuitos clássicos. Autor: A. Mezhlumyan, Moscou; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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