Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е]

На рис. 3.17 показаны характеристики ПТ с p-n-переходом (зависимость тока стока от U_СИ при различных (U_ЗИ) как в нормальном («насыщенном») режиме, так и в «линейной» области малых значений напряжения сток-исток. В начале этой главы мы привели также эквивалентную пару графиков для МОП-транзисторов (рис. 3.2). Зависимость I_С- U_СИ  приблизительно линейна в области U_СИ, меньших U_ЗИ — U_П, 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 I_С  через U_ЗИ в линейной области (разд. 3.04) легко найти, что отношение I_С/U_ЗИ равно 1/R_СИ= 2k[(U_ЗИ — U_П) — U_СИ/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 U_СИ -> 0) этот последний член становится совершенно незначимым, и ПТ ведет себя приблизительно как линейное сопротивление R_СИ ~= 1/[2k(U_ЗИ — U_П]. Поскольку зависящий от конкретного устройства параметр k — не та количественная характеристика, которую нам хотелось бы знать, полезнее записать R_СИ ~= R₀(U_З0 — U_П)/(U_З — U_П), где сопротивление R_СИ при любом напряжении затвора можно определить через известное сопротивление R₀, измеренное при некотором напряжении затвора U_З0.

_{Упражнение 3.5. Выведите предыдущую «масштабную» формулу.}

Обе приведенные выше формулы показывают, что проводимость (равная 1/R_СИ) пропорциональна величине, на которую напряжение затвора превышает напряжение отсечки. Другой полезный факт состоит в том, что R_СИ = 1/g_m, т. е. сопротивление канала в линейной области есть величина, обратная крутизне в области насыщения. Это удобная в пользовании зависимость, поскольку g_m - 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 0,1 Ом 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 U_СИ, 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 U_П(или U_отс). Как правило, при U_СИ < 0,1(U_ЗИ — U_П) нелинейности составляют 2 %, а при U_СИ ~= 0,25(U_ЗИ — U_П) возможны нелинейности порядка 10 %. Согласованные пары ПТ дают возможность строить наборы сопротивлений для управления сразу несколькими сигналами. ПТ с p-n-переходом для работы в качестве переменных резисторов (серия VCR Siliconix) имеют допуск по сопротивлению порядка 30 %, заданный при некотором значении U_ЗИ.

Можно улучшить линейность и одновременно расширить диапазон U_СИ, 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/R_СИ 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.

Рис. 3.33.

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 R₁ и R₂ улучшают линейность добавлением напряжения 0,5U_СИ к U_ЗИ, 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.