Link: OLE-Object-Data VA-charakteristiky tranzistoru JFET Úkol: 1. Změřte VA charakteristiky unipolárního tranzistoru (JFET) v zapojení se společnou elektrodou S 2. JFET v zapojení se společnou elektrodou S jako zdroj proudu řízený napětím 3. Určete pro dané zapojení admitanční parametry NLO 1.1 Pokyny pro měření 1. Výstupní Obrázek 40: charakteristika I[D] = f(U[DS]) / při U[GS] = konst. (5 Zapojení pro měření křivek) a) Nastavte napájecí napětí U[CC] = Omezení: I[Dmax] = 10mA ; U[DSmax] = 10V 10V Poznámka: Vodivý kanál tranzistoru je plně otevřen při nulovém předpětí na elektrodě G(I[D] = max); Přivedením b) Napětí U[GS] záporného předpětí na elektrodu G se zvětšujte až do zániku vodivost kanálu zmenšuje. proudu I[D]. Zjištěné napětí rozdělte na 5 úrovní tak, aby hodnoty odpovídaly pěti charakteristikám s přibližně stejnou vzdáleností v grafu. c) Pro takto určené hodnoty U[GS] proměřte jednotlivé charakteristiky, hodnoty zapište do tabulky a zakreslete je do grafu. d) V průběhu měření kontrolujte stabilitu nastaveného U[GS]. 2. Převodní 3. Admitanční parametry NLO charakteristika (zdroj proudu řízený napětím) Ze změřených charakteristik určete admitanční parametry náhradního lineárního obvodu. stejné zapojení přenosová admitance strmost [S ], [mA/V] I[D] = f(U[GS]) / při U[DS] = konst. a) Nastavte U[DS] = přenosová admitance 5V a udržujte toto strmost napětí konstantní. [S ], [mA/V] b) Napětí U[GS] zvětšujte, nejlépe po úrovních určených v předchozí úloze. c) Naměřené hodnoty zapište do tabulky a vyneste do grafu. Výstupní vodivost [S ] d) Totéž proveďte pro U[DS] = 3V Výstupní vodivost [S ] 1.2 Měření a jeho vyhodnocení Výstupní charakteristika: I[D] = f(U[DS]) / při U[GS] = konst. U[GS] = +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ | U[DS] [V] | | | | | | | | | | |-----------------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------| | I[D] [mA] | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ U[GS] = +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ | U[DS] [V] | | | | | | | | | | |-----------------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------| | I[D] [mA] | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ U[GS] = +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ | U[DS] [V] | | | | | | | | | | |-----------------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------| | I[D] [mA] | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ U[GS] = +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ | U[DS] [V] | | | | | | | | | | |-----------------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------| | I[D] [mA] | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ U[GS] = +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ | U[DS] [V] | | | | | | | | | | |-----------------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------| | I[D] [mA] | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ Převodní charakteristika: I[D] = f(U[GS]) / při U[DS] = konst. U[DS] = 5V +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ | U[GS] [V] | | | | | | | | | | |-----------------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------| | I[D] [mA] | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ U[DS] = 3V +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ | U[GS] [V] | | | | | | | | | | |-----------------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------| | I[D] [mA] | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ Charakteristiky +--------------------------------------------------------------------------------------------+ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | |I[D | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |] | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | převodní | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | výstupní| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | |U[GS | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |U[DS| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |] | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |] | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-+----------+-+-+-+-+-+-+-+-+----+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+---------+-+----+-+-+-| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | +--------------------------------------------------------------------------------------------+ 3. Admitanční koeficienty: = = Závěr: 1.3 Teoretické poznámky 1.3.1 Princip funkce unipolárního tranzistoru Potřeba aktivního prvku v pevné fázi s vysokým vstupním odporem vedla k objevu a konstrukci tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického field effect transistor). Jsou to tranzistory, jejichž fyzikální princip funkce je odlišný od principu, na kterém pracují bipolární tranzistory. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen velmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO[2], takže jí neteče prakticky žádný proud (představuje ss odpor o velikosti cca 10^12 W ). Historicky první vznikly tranzistory s izolovanou řídicí elektrodou (hradlem) a závěrně pólovaným přechodem PN, tzv. tranzistory JFET (junction FET). Princip funkce tohoto tranzistoru je naznačen na obrázku 41. Obrázek 41: Princip funkce unipolárního tranzistoru JFET Základem je polovodičová destička s nevlastní vodivostí typu N opatřená na obou koncích neusměrňujícími přívodními kovovými kontakty a mají, ve srovnání s bipolárním tranzistorem, význam emitoru a kolektoru . Do horní i dolní stěny základní destičky je vytvořena difúzí silně dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti (P+) nazvaná hradlo (G- gate). Obě části hradla jsou spolu vodivě spojeny. Hradlo tvoří řídící elektrodu tranzistoru. Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál. Jsou-li hradlo G i drain D spojeny s elektrodou source S (U[DS] =U[GS] = 0) vytvoří se v okolí hradla vyprázdněná oblast A, která se nesymetricky rozšiřuje do oblasti N s nízkou dotací. Tloušťku vyprázdněné oblasti je možno měnit napětím přiloženém k přechodu. Přiložíme-li tedy mezi hradlo a source napětí U[GS] tak, aby přechod byl polarizován ve zpětném směru, můžeme obě vyprázdněné oblasti rozšířit, čímž zúžíme vodivou část kanálu a zvětšíme jeho odpor. Přitom přívodem hradla neprochází téměř žádný proud (řádově pA). Při nulovém nebo velmi malém napětí U[DS] je vyprázdněná část kolem části hradla rovnoměrná a proud při vzrůstu U[DS] se zvyšuje lineárně. Při dalším zvyšování napětí U[DS] začíná kladné napětí připojené v místě drainu na kanál vodivosti typu N působit jako předpětí HRADLO- KANÁL ve zpětném směru a tím rozšiřovat vyprázdněnou oblast. Toto rozšíření je největší v blízkosti drainu, neboť napětí mezi kanálem a hradlem se v důsledku napěťového úbytku působeného proudem I[D] ve směru od D k S zmenšuje. Výsledkem je nerovnoměrné rozložení vyprázdněné oblasti podél hradla. Při maximálním zúžení kanálu však stále prochází nasycený proud I[D] v důsledku velkého rozdílu potenciálů mezi S a D a v důsledku průchodu nosičů podél siločar elektrického pole přechodu PN - nasycená oblast (saturace). Z tohoto popisu vycházejí následující VA charakteristiky JFETu (obr.42). Obrázek 42: VA-charakterisky JFETu Podobně jako u bipolárních tranzistorů používáme ke stanovení parametrů zesilovače malého signálu s tranzistorem JFET náhradního lineárního obvodu (NLO). K popisu je vhodné použít admitančních rovnic dvojbranu, jelikož soustava rovnic se zjednoduší pouze na jednu rovnici vzhledem k prakticky nulovému proudu hradla I[G]. Soustava koeficientů se tak ze stavu nakrátko a naprázdno zjednoduší pouze na dva - y[21S] a y[22S] ( pro zapojení se společnou elektrodou S). 1.3.2 pro unipolární tranzistor i[G] = y[11s]u[GS] + y[12s]u[DS ]i[D] = y[21s]u[GS] + y[22s]u[DS ] pro obecný dvojbran i[1] = y[11]u[1] + y[12]u[2 ]i[2] = y[21]u[1] + y[22]u[2 ] Admitanční rovnice náhradního lineárního obvodu Obrázek 43: Náhradní lineární obvod Potom: Definuje přenosovou admitanci v přímém směru při výstupu nakrátko, která se číselně rovná hodnotě změny výstupního proudu nakrátko při jednotkové změně vstupního napětí. Označuje se jako strmost – rozměr [S ], [mA/V] Definuje přenosovou vodivost nakrátko a je rovna hodnotě změny výstupního proudu při jednotkové změně výstupního napětí a vstupu nakrátko – rozměr [S ]. V porovnání s bipolárními tranzistory mají unipolární tranzistory větší impedance,vyžadují menší řídící příkon,ale mají rovněž menší výstupní výkon.Pro aplikace např. v logických obvodech je tato okolnost výhodná.V planárním provedení zaujímá JFET asi pět krát menší plochu než bipolární tranzistor a je tedy vhodný pro velkou integraci.Strmost JFETů je menší než u bipolárních tranzistorů,což se projevuje nepříznivě při velmi rychlém zpracování informací (daná kapacita se nabíjí pomaleji), kde mají bipolární tranzistory lepší parametry.Neobyčejně velká vstupní impedance JFETů umožňuje speciální aplikace a relativně malá teplotní závislost umožňuje pracovat i při velmi nízkých teplotách. Šum JFETů je u středních frekvencí menší než šum bipolárních tranzistorů.