2.3. Регулировка коэффициента передачи изменением проводимости канала в крутой области
В крутой области ПТ ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением. Управляя проводимостью канала ПТ можно изменять либо коэффициент передачи напряжения аттенюатора, либо усиления каскада, охваченного регулируемой обратной связью и т.п. При этом к каналу ПТ прикладывается все напряжение сигнала или его часть, а к участку затвор-исток – управляющее напряжение (в общем случае изменяющееся по произвольному закону). Регулировка усиления проводимостью ПТ может осуществляться как при наличии постоянной составляющей тока в цепи канала, так и без нее. В первом случае регулировка, аналогична осуществляемым с помощью ламп и биполярных транзисторов и сопровождается изменением режима по постоянному току.
Рис. 2.8. Характеристики полевого тетрода КП306
В ряде устройств, например, в регуляторах уровня вещательных передач, это приводит к специфическим искажениям (искажениям типа «щелчки», «заикания», колебательным процессам и т.п.), для устранения которых требуется усложнение схемы. Важнейшей особенностью ПТ является возможность регулировки их выходной проводимости при отсутствии постоянной составляющей в цепи канала. В последнем случае точка покоя выбирается вначале координат. Регуляторы, реализующие такой режим работы ПТ, имеют ряд достоинств: простую схему, высокую экономичность (за счет отсутствия цепи питания стока и потребления ею энергии), а также максимальный диапазон регулирования.
Теоретические зависимости проводимости канала от напряжения затвор-исток при малых напряжениях на канале приведены на рисунке 2.9. Характер изменения проводимости канала зависит от конструкции прибора, распределения примесей в канале и технологии изготовления приборов. Кривые (1) и (2) на рисунке 2.9 построены по выражениям, полученным для приборов с резкими переходами простой и цилиндрической конструкций, соответственно:
,
(2.19)
.
(2.20)
Из работы [13], посвященной формальной аппроксимации вольтамперных характеристик ПТ всех типов, нетрудно получить следующее выражение для определения проводимости канала при малых напряжениях сток-исток:
,
(2.21)
где r и α – эмпирические коэффициенты.
Решение уравнения (2.21) может быть представлено графически в виде зависимостей нормированной проводимости от нормированного напряжения затвор-исток при разных значениях коэффициента.
Задаваясь двумя произвольными величинами коэффициента нетрудно убедиться в том, что в логарифмическом масштабе эти две зависимости имеют вид прямых линий (3 и 4 на рисунке 2.9), наклон которых зависит от выбора значения эмпирического коэффициента α.
Большинство отечественных ПТ, выпускаемых в настоящее время изготавливается методами диффузии. Применяемые методы диффузии обеспечивают создание приборов с требуемой геометрией канала и нужным законом распределения примесей. Существует тенденция разрабатывать приборы с характеристикой передачи близкой к квадратичной параболе. Теоретическая зависимость проводимости канала от напряжения затвор-исток таких приборов в крутой области линейная
.
(2.22)
В логарифмическом масштабе такая зависимость принимает вид кривой 5, изображенной на рисунке 2.9.
Последнее выражение получено для транзисторов с p-n-переходом, однако можно показать, что упомянутая зависимость справедлива для идеальных ПТ любого типа. В крутой области статические характеристики таких ПТ описываются уравнением:
.
(2.23)
Перейдя к мгновенным значениям напряжений и дифференцируя уравнение (2.19) при UСИ → 0 найдем выходную проводимость канала:
.
(2.24)
Таким образом, при малых напряжениях на стоке выходная проводимость канала идеального ПТ линейно зависит от напряжения затвор-исток. Как указывалось выше, характеристики реального ПТ отличаются от идеализированных. Оценить величину отклонения реальной характеристики ПТ от идеализированной, построенной по уравнению (2.22), можно с помощью рисунка 2.10. Наиболее близка к идеализированной характеристика ПТ простой конструкции, типа КП101. У транзисторов сложной конструкции, состоящих из большого количества элементарных ячеек, существенные отклонения от идеализированной характеристики наблюдаются при напряжениях затвор-исток, близких к нулю и напряжению запирания (кривая 1 и 2 на рисунке 2.10). В первом случае основной причиной отклонения является наличия немодулированных сопротивлений стока и истока, во втором – неидентичность элементарных ячеек прибора и неоднородности в канале. Необходимо отметить, что степень нелинейности ПТ не является контролируемым параметром у разработчиков. Транзисторы одного типа и группы нередко имеют разные характеристики, что иллюстрируют кривые 5 и 6 на рисунке 2.10. Поэтому в тех случаях, когда аппроксимация характеристик рассмотренными выше функциями не является удовлетворительной, требуется снятие экспериментальной зависимости
.
Оценим нелинейные искажения, вносимые ПТ в режиме управляемого сопротивления. Предположим, что к каналу ПТ приложено синусоидальное напряжение
.
(2.25)
Подставляя (2.25.) в (2.23.), найдем мгновенное значение выходного тока
(2.26)
Из (2.26.) следует, что выходной ток идеального ПТ, помимо основной гармоники, содержит вторую гармонику. Коэффициент гармоник определим, как отношение амплитуд второй гармоники к основной:
.
(2.27)
Уравнение можно представить в более удобной форме, выразив |U0-UРЕГ| через G и β:
.
(2.28)
Для транзисторов с p-n-переходом и МДП-транзисторов со встроенным каналом:
.
(2.29)
Уравнения (2.27 – 2.29) можно использовать при инженерном расчете регуляторов усиления апериодических усилителей. При точных расчетах коэффициента гармоник апериодических усилителей и расчетах искажений регулируемых селективных усилителей необходимо знать производные выходной проводимости канала G’’, G’’’ и т.д., существующие у реальных ПТ. Однако их невозможно определить из уравнения 2.24, справедливого для идеальных транзисторов. Найти производные выходной проводимости канала реального ПТ, можно используя модель ПТ приведенную на рисунке 2.11.
Рис. 2.11. Модель регулятора изменением проводимости ПТ
Здесь предполагается, что в цепь канала идеального ПТ включено эффективное сопротивление истока RИ для получения характеристик соответствующих реальному ПТ. Практически эффективное сопротивление истока RИ можно определить следующим образом
.
(2.30)
Выходным током ПТ, работающего в качестве управляемого сопротивления в области средних частот, как видно из рисунка 2.11, управляет напряжение:
.
(2.31)
Подставив (2.31) в (2.23) и решив относительно iC, получим:
.
(2.32)
Выходную проводимость ПТ с учетом RИ и ее производные найдем как функцию напряжения сток-исток, многократно дифференцируя (2.32):
,
(2.33)
,
(2.24)
,
(2.25)
,
(2.26)
и т.д.
Таким образом, наличие немодулированного сопротивления истока приводит к появлению составляющих G″, G″′ и т.д., а, следовательно, и к вызываемым ими специфическим типам искажений.
Рис. 2.12. Зависимости проводимости канала от управляющих
напряжений UЗИ1 и UЗИ2
Регулировку коэффициента передачи можно осуществлять, используя в качестве управляемого сопротивления полевой тетрод. Эффективность полевого тетрода как регулируемого элемента существенно зависит от потенциала второго затвора (рисунок 2.12).
При значительных амплитудах сигнала, прилагаемых к каналу ПТ, следует учитывать зависимость проводимости канала от напряжения сток-исток. Из уравнения (2.23) следует, что проводимость канала в крутой области линейно зависит от напряжения сток-исток. Характеристики реального транзистора, приведенные на рисунке 2.13, достаточно хорошо соответствуют теоретическим. Существенные отклонения проводимости от линейной зависимости при больших отрицательных напряжениях сток-исток обусловлены появлением прямых токов затвора, образующих на резисторе в цепи затвора запирающее напряжение, а при больших положительных напряжениях – переходом транзистора в пологую область.
Рис. 2.13. Зависимости проводимости канала ПТ типа КП302
от выходного напряжения UСИ