A térvezérlésű tranzisztorok legfontosabb tulajdonságai

A térvezérlésű tranzisztorok sok szempontból hasonlóan működnek, mint a bipoláris tranzisztorok, számos kapcsolás, működési leírás átvehető. Az egyik lényeges különbség az, hogy a bemeneti oldal szakadásként viselkedik, nem folyik bementi áram, feszültséggel vezérelhető a kimeneti áram. Lézetik egy viszonylag széles tartomány is, ahol ellenállásszerű viselkedést mutatnak a ezek a tranzisztorok. A térvezérlésű tranzisztor áramköri rajzjeleit és típusait az alábbi ábra foglalja össze:

N csatornás JFET, növekményes módú MOSFET, kiürítéses módú MOSFET

P csatornás JFET, növekményes módú MOSFET, kiürítéses módú MOSFET

A három elektróda neve gate, drain és source, ami megfelel a bipoláris tranzisztorok bázis, kollektor, emitter kivezetéseinek. A gate és source közötti feszültség szabja meg, hogy mekkora áram folyik a drain elektródától a source elektróda felé a tranzisztoron belül. Jegyezzük meg, hogy MOSFET-ek esetében néha a szubsztráthoz kötött negyedik elektródát is kivezetnek, aminek a gate-hez hasonló funkciója van. A három kivezetéses MOSFET-eknél ezt belül a source-szal kötik össze, erre utal a rajzjel is.

Karakterisztika

A térvezérlésű tranzisztorok esetében az I_D drain áramot a V_GS gate-source feszültség határozza meg:

MOSFET-ek esetén a V_p helyett V_th elnevezést használnak, jelentése megegyezik. Ez az elzáródási (pinch-off) vagy más néven küszöbfeszültség (threshold voltage), aminél kisebb gate-source feszültségeknél a tranzisztor zár, elenyésző draináram folyik. A fenti képlet tehát akkor érvényes, amikor V_GS > V_p.

JFET, kiürítéses módú MOSFET

Növekményes módú MOSFET

A tranzisztor karakterisztikaseregét a bipoláris tranzisztor esetéhez hasonlóan, különböző V_GS gate-source vezérlőfeszültségek mellett adják meg, ábrázolják az I_D draináramot a V_DS drain-source feszültség függvényében. Eltérően a bipoláris tranzisztoroktól az áramgenerátoros szakasz alatt szélesebb tartomány látható, ahol a görbe közelítőleg lineárisan emelkedik. Ebben a tartományban a viselkedés ohmikus jellegű, a D-S kivezetések ellenálláshoz hasonlóan viselkednek. Az aktív módban áramgenerátorként működik a tranzisztor, az áram valamennyire itt is függ a V_DS feszültségtől, a belső ellenállása véges.

Az áramgenerátor r_DS dinamikus belső ellenállásának jellemzésére most is a V_A Early-feszültség használható, mely egy nagy negatív érték, amely pontban a meghosszabbított karakterisztikák találkoznak. r_DS definíciója:

Aktív mód

Az aktív, más néven szaturációs módban V_DS > V_GS-V_p és V_GS > V_p. A leírás egyszerűbb, mint a bipoláris tranzisztorok esetében, mivel a vezérlő V_GS feszültség hat csak a kimeneti oldalra, nincs bemeneti áram, így a meghajtó jelforrás ellenállása sem befolyásolja a működést. A legfontosabb jellemző most is a g_m meredekség, ami megadja, hogy a V_GS feszültség kis változásának hatására mekkora draináram változás jön létre:

A g_m meredekséget a V_GS függvényében felrajzolt I_D görbe adott munkapontban vett érintőjének meredeksége adja meg V_DS állandó értéke mellett:

Az I_D áram V_GS-től függése most nem exponenciális, hanem négyzetes, a meredekség is kisebb. A függvény deriválásával ezt kapjuk:

Lineáris mód

Ohmikus, rezisztív vagy trióda módnak is nevezik, amikor V_DS < V_GS-V_p és V_GS > V_p. A D-S kivezetések feszültséggel vezérelhető ellenállásként viselkednek. Az áram-feszültség karakterisztika a következőképp adható meg:

MOSFET-eknél gyakran látható ebben a formában:

A μ_n a töltéshordozók effektív mobilitása, C_ox a gate oxidréteg egységnyi felületre eső része, W és L a gate elektróda szélessége és hossza.

Láthatjuk, hogy V_DS négyzetes tagja is szerepel az összefüggésben, de kis feszültségeknél a lineáris tag domináns.

Zárási tartomány

A zárási vagy gyenge inverziós módban V_GS < V_p, részletesebb leírását a referenciákban lehet megtalálni.

Modellek

A könnyebb áttekinthetőségért célszerűen választhatunk egyszerűsített helyettesítő modelleket.

Nagyjelű leírás

A nagyjelű viselkedést az aktív módban alábbi modellel adhatjuk meg.

Az I_D áram V_GS-től függ:

A lineáris módban a kimenet ellenállásként viselkedik, a nagyjelű modell ebben az esetben az alábbiként adható meg:

R_DS értéke V_GS segítségével hangolható.

Kisjelű leírás

A kisjelű viselkedést az alábbi modellel adhatjuk meg:

A bemeneti oldal szakadásként viselkedik, a kimenet vezérelt áramgenerátor, az áram nagysága a gate-source feszültséggel vezérelhető. Ez a modell megfelel egy olyan bipoláris tranzisztor kisjelű modelljének, ahol

A draináram kifejezése pontosan ugyanolyan alakú, mint a bipoláris tranzisztor kollektoráramának egyenlete:

Megállapíthatjuk ezért, hogy a bipoláris tranzisztoros kapcsolások kisjelű leírása átvehető térvezérlésű tranzisztorok esetére is ezek figyelembevételével.

Térvezérlésű tranzisztoros alapkapcsolások

Térvezérlésű tranzisztoros alapkapcsolásból is elvileg három létezik, függően attól, hogy a be- illetve kimenet melyik kivezetésekre jut. Az elnevezések arra utalnak, melyik kivezetés van állandó potenciálon a közös referenciaponthoz (földponthoz képest). Ennek megfelelően lézetik közös source-ú, közös drain-ű kapcsolás és közös gate-ű kapcsolás is, de ez utóbbi ritka, mivel a FET-ek fő előnye, a rendkívül nagy bemeneti ellenállás nem érvényesül. Ezeket nevezik földelt source-ú, földelt drain-ű, földelt gate-ű kapcsolásnak is. Ez nem feltétlen jelent közvetlen földelést, de a kivezetés feszültségének AC komponense 0 V, így AC szempontól földeltnek tekinthető.

Közös source-ú kapcsolás

Az alábbi áramkör a közös source-ú kapcsolás egyszerű megvalósítása.

Ha növeljük a bemeneti feszültséget, akkor ennek hatására nő a draináram. A kimeneti feszültséget megkapjuk, ha a V_S tápfeszültségből levonjuk az R_D ellenálláson eső feszültséget:

A kimeneti feszültség tehát csökken, ha a bemeneti feszültség nő. Az alábbi grafikon szemlélteti a be- és kimeneti feszültségek kapcsolatát különböző R_D értékek esetére.

Kiürítéses
Növekményes

A kisjelű feszültségerősítés ugyanolyan, mint bipoláris tranzisztor használata esetén:

A gyakorlatban sok esetben teljesül, hogy R_D≪r_DS, így

Munkapontbeállítás

A munkapontbeállítás egyszerűen megoldható az alábbi elrendezéssel:

A generátor jelének csak a váltókomponense jut a gate-re, az R_G ellenállás DC szempontból földpotenciálon tartja a bementet. Az R_S ellenálláson eső feszültség pozitív, így épp ekkora negatív feszültség jön létre a gate-source elektródapáron. Ennek értéke tehát:

FET-ek esetén I_D = I_S, így

A méretezést tehát úgy tehetjük meg, hogy megválasztjuk a munkaponti draináramot úgy, hogy V_GS megfelelő tartományba essen (JFET-nél V_P<V_GS<0 V) és ebből számítjuk ki V_GS-t:

Ebből már kiszámíthatjuk R_S értékét is:

R_D értékét ez megköti, mivel a drain munkaponti feszültségnek megfelelő értékűnek kell lennie a jó kivezérelhetőség érdekében. Ezzel az alacsonyfrekvenciás erősítés kicsi lesz, amit C_S segítségével tudunk a kívánt értékre növelni a jel frekvenciatartományában. R_S és C_S felüláteresztő szűrőt hoz létre, melynek pólusfrekvenciája:

Tranzisztor, mint kapcsoló

A növekményes MOSFET-ek különösen alkalmasak kapcsolásra. Nem terhelik a jelforrást, kicsi drain-source feszültség mellett képesek nagy áramot vezetni. Ebben a módban ellenállásuk kisteljesítményű MOSFET-eknél pár 10 Ω értékű, de teljesítmény-MOSFET-ekkel akár pár 10 mΩ is elérhető. Így akár több Ampernyi áramot kapcsolhatunk egy logikai jellel. A mai digitális áramkörök tápfeszültsége és így logikai magashoz tartozó feszültségszintje is elég alacsony lehet, ezekhez elérhetők kis küszöbfeszültségű, úgynevezett logic-level MOSFET-ek. Nagyobb küszöbfeszültségű MOSFET kapcsolókat gate-driver áramkörökkel hajthatunk meg, ami egyrészt biztosítja a megfelelő feszültségszintet, másrészt a kapcsolás idejére azt az áramot, ami a teljesítmény-MOSFET-ek jelentős gate kapacitását feltölti vagy kisüti.

Az alábbi példa egy induktív terhelés kapcsolását mutatja.

Az optionális R1 ellenállás szerepe a gate kapacitást töltő nagyobb áramtranziensek csökkentése.

Közös drainű kapcsolás

Az áramkört source-követő kapcsolásnak is nevezik.

Az AC erősítés közel 1, a pontos értékét is egyszerű kiszámítani. A drainfeszültség álladó, a kimeneti feszültség megegyezik a source-feszültséggel.

A bemeneti feszültség változása viszont ennek és a gate-source feszültségváltozásnak az összege:

A source és drain áram megegyezik, így:

A drain feszültség nem változik, ezért a drain-source feszültség és a kimeneti feszültség összege nulla, tehát

Ennek a felhasználásával és v_GS = v_in-v_out behelyettesítésével

Így tehát az erősítés:

Észrevehetjük, hogy ez egy olyan feszültségosztó képlete, aminek tagjai 1/g_m és R_S×r_DS, így a kimeneti ellenállás ezek párhuzamos eredője:

A kimeneti ellenállást tanulságos úgy is kiszámítani, hogy a kimeneten terhelést feltételezünk, ami kis kimeneti áramváltozást hoz létre:

A kimeneti dinamikus ellenállást megkapjuk, ha meghatározzuk a kimeneti feszültség (ami az emitterfeszültséggel azonos) és a kimeneti áram változásainak hányadosát állandó bemeneti feszültség mellett, azaz amikor v_in = 0 V. Ekkor v_GS és v_DS is azonos -v_out-tal, tehát:

A drain és source áram azonos, és kihasználva, hogy v_S=v_out, az alábbit kapjuk:

A kimeneti áram változását azért vettük negatív előjellel, mert ha a kifolyó áram megnő, a kimeneti feszültség csökken, tehát ellentétes előjelű a változás, a kimeneti ellenállás -1-szeresét kapnánk. A kimeneti ellenállás végül:

Ez megegyezik az előzőekben kapott eredménnyel.

Az source-követő kapcsolást a tulajdonságai alapján a kimenő teljesítmény növelésére, a jelforrás terhelésének megszüntetésére, kimeneti fokozatokban, teljesítményerősítőkben használhatjuk.

A kapcsolásoknál gyakran használt módszerek összefoglalása

A következőkben a kapcsolásokhoz több esetben használt áramköri rész és a hozzá tartozó alapvető összefüggések láthatók. Ezek sokat segítenek adott kapcsolások gyors áttekintésében, működésének megértésében. Ismertnek tételezzük fel a V₊, R_D, R_S, V_p mennyiségeket.

Áramgenerátorok

Egyszerű áramgenerátorok

Egyszerű áramgenerátor kapcsolása látható az alábbi ábrán. Az áramgenerátor kimenete a drain, az R_L terhelés erre van kötve. A kapcsolás ennek értékétől függetlenül biztosít állandó draináramot, amíg az aktív mód feltételei teljesülnek.

A működést viszonylag egyszerű megérteni. A gate állandó potenciálon van, amit az R₁ és R₂ ellenállásokból álló feszültségosztó hoz létre. Ebből következően a source-feszültség is állandó, mert ha csökkenne, akkor az áramnak is csökkennie kellene, azaz a gate-source feszültség nőne, ami viszont az áram növelésének irányába hat. Ugyanolyan negatív áramvisszacsatolásról beszélhetünk tehát, mint a közös drain-ű áramkör esetében.

A méretezéshez felhasználhatjuk, hogy

V_GS kifejeztető a drainárammal, így

A méretezéshez általában először megadjuk a draináramot, ebből kiszámítjuk a gate-source feszültséget, majd meghatározzuk R_S értékét. Ebből adódik a feszültségosztó méretezése is.

A kimeneti ellenállás ugyanúgy kapható meg, mint bipoláris tranzisztor esetén, felhasználhatjuk ugyanazt az összefüggést:

Kiürítéses módú FET-ekkel segédfeszültség nélkül is építhető áramgenerátor:

A beállítani kívánt draináram ismeretében kiszámíthatjuk az ellenállás értékét:

Áramtükör

Növekményes módú MOSFET-ekkel áramtükör építhető fel az alábbi módon:

Egy integrált áramkörön belül nagy pontossággal egyeznek meg a tranzisztorok paraméterei, a hőmérsékletük is egyforma. Mivel T1 és T2 gate-source feszültsége azonos, ez biztosítja, hogy draináramaik is nagy pontossággal megegyeznek. A gate irányába áram nem folyik, így ezzel sem kell számolnunk. T1 esetén a drain-source feszültség megegyezik a gate-source feszültséggel, az áram olyan értékre áll be, ami ennek megfelel, valamennyivel a V_th küszöbfeszültség fölé. Az referenciaáramot R₁ segítségével állíthatjuk be.

Differenciálerősítők

Térvezérlésű tranzisztorokkal nagy bemeneti ellenállású differenciálerősítők építhetők fel. Az elrendezés ugyanolyan, mint bipoláris tranzisztorok esetén, a kisjelű leírás összefüggései is átvehetők. Az alábbi ábra mutatja a FET-ekkel felépített differenciálerősítő alapáramkörét.

A differenciális erősítés értéke

A közös módusú erősítés (R_g az áramgenerátor belső ellenállása)

Ezek felhasználásával adódik a közös módusú elnyomás:

A kimeneti ellenállást az alábbi formulával adhatjuk meg:

A nagyjelű viselkedés eltér a bipoláris tranzisztorokkal felépített differenciálerősítőétől. A gate-ek közötti feszültségkülönbség:

Az ágáramok összege I₀:

Ezek felhasználásával

Láthatjuk, hogy I₀ és I_DSS arányától függ az, hogy a differenciális bemeneti feszültség milyen tartományú változása tartozik a kihasználható áramtartományhoz. Minél kisebb az áramgenerátor I₀ árama, annál kisebb a bemeneti feszültségváltozás tartománya. Az alábbi grafikon szemlélteti I₀ hatását. A piros szín I_D1/I₀-t, a kék I_D2/I₀-t mutatja.