Térvezérlésű tranzisztorok és alapkapcsolásaik

Elektronika I

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2020 © CC BY 4.0,

Tartalom

A lecke az egyik legalapvetőbb, erősítésre alkalmas aktív félvezető áramköri komponenst, a térvezérlésű tranzisztort mutatja be. A tranzisztor a diódához hasonlóan erősen nem-lineáris működésű, de váltóáramú jelek esetén kiemelten fontos szerepe van a kisjelű leírásnak, amikor a jelek szűk tartományában lineáris közelítést használhatunk. A különböző alkalmazásokhoz többféle egyszerűsített áramköri modell adható, melyekben csak alapvetőbb komponensek (generátorok, ellenállások, kondenzátorok) szerepelnek, így a leírás is egyszerűbbé válik. Az alkalmazási példák segítenek megérteni az elméleti hátteret, a kapcsolási rajzok ábrái alatti linkeken azonnali on-line áramkörszimuláció is indítható. Az on-line interaktív grafikonok példákat mutatnak az áramkörökben előforduló jelekre. A kiemelten fontos, alapismereti részeket piros keret jelöli meg, ezek magabiztos tudása elengedhetetlen az elektronika egyetemi szintű ismeretéhez.

Tartalom

Olvasási idő: 50 perc

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. Létezik 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

A baloldali kivezetés a gate, a felső a drain, az alsó a source.
A gate a source-hoz közelebbi.

P csatornás

JFET, növekményes módú MOSFET, kiürítéses módú MOSFET

A baloldali kivezetés a gate, a felső a source, az alsó a drain.
A gate a source-hoz közelebbi.

A három elektróda neve gate, drain és source, ami megfelel a bipoláris tranzisztorok bázis, kollektor, emitter kivezetéseinek, hasonló az elrendezés is, ahogy az ábrafeliratból látható. A rajzjelen a gate elektródát szokták középre is rajzolni, ez is helyes, de célszerűbb a fenti megadás, mert ebből jó látható, melyik a drain és source kivezetés. Minden típusnál a gate van a source-hoz közelebb.

A gate és source közötti feszültség szabja meg, hogy mekkora áram folyik a drain elektródától a source elektróda felé a tranzisztoron belül. A 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 ID drain áramot a VGS gate-source feszültség határozza meg:

IDSS a szaturációs áram, lényegében a legnagyobb megengedett áram. Vp az úgynevezett elzáródási (pinch-off) vagy más néven küszöbfeszültség (threshold voltage), aminél kisebb gate-source feszültségeknél a tranzisztor zár, elenyésző draináram folyik. MOSFET-ek esetén a Vp helyett Vth elnevezést használnak, jelentése megegyezik. A fenti képlet tehát akkor érvényes, amikor VGS > Vp.

JFET, kiürítéses módú MOSFET

Növekményes módú MOSFET

A tranzisztor karakterisztikaseregét a bipoláris tranzisztor esetéhez hasonlóan, különböző VGS gate-source vezérlőfeszültségek mellett adják meg, ábrázolják az ID draináramot a VDS 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 VDS feszültségtől, a belső ellenállása véges.

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

Aktív mód

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

A gm meredekséget a VGS függvényében felrajzolt ID görbe adott munkapontban vett érintőjének meredeksége adja meg VDS állandó értéke mellett:

Az ID áram VGS-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 VDS < VGS-Vp és VGS > Vp. A D-S kivezetések feszültséggel vezérelhető ellenállásként viselkednek. Az áram-feszültség karakterisztika a következőképp adható meg:

MOSFET-eknél gyakran látható ebben a formában:

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

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

Zárási tartomány

A zárási vagy gyenge inverziós módban VGS < Vp, 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 ID áram VGS-től függ:

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

RDS értéke VGS segítségével hangolható.

Kisjelű leírás

A kisjelű viselkedést az alábbi modellel adhatjuk meg:

A bemeneti oldal szakadásként viselkedik, a kimenet feszültségvezérelt 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.

Referenciák

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 létezik közös source-ú, közös drainű 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 drainű, 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+ tápfeszültségből levonjuk az RD ellenálláson eső feszültséget:

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





A kisjelű feszültségerősítés ugyanolyan, mint bipoláris tranzisztor használata esetén:

A gyakorlatban sok esetben teljesül, hogy RD≪rDS, így

Munkapontbeállítás

A munkapontbeállítás egyszerűen megoldható az alábbi elrendezéssel:

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

FET-ek esetén ID = IS, így

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

Ebből már kiszámíthatjuk RS értékét is:

RD értékét ez megköti, mivel a drain munkaponti feszültségnek megfelelő értékűnek kell lennie a jó kivezérelhetőség érdekében. Ezzel az alacsonyfrekvenciás erősítés kicsi lesz, amit CS segítségével tudunk a kívánt értékre növelni a jel frekvenciatartományában. RS és CS 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 ugyanúgy, ahogy a közös kollektoros kapcsolásnál. 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 vGS = vin-vout behelyettesítésével

Tovább alakítva

gm-mel osztva és átrendezve

Így tehát az erősítés:

Észrevehetjük, hogy ez egy olyan feszültségosztó képlete, aminek tagjai 1/gm és RS∥rDS, 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 sourcefeszültséggel azonos) és a kimeneti áram változásainak hányadosát állandó bemeneti feszültség mellett, azaz amikor vin = 0 V. Ekkor vGS és vDS is azonos -vout-tal, tehát:

A drain és source áram azonos, és kihasználva, hogy vS=vout, az alábbit kapjuk:

A kimeneti áram változását azért vettük negatív előjellel, mert ha a kifolyó áram megnő, a kimeneti feszültség csökken, ami az ekvivalens Thevenin-féle kép alapján is érthető. Minél jobban terhelünk egy reális feszültséggenerátort, annál kisebb lesz a kimeneti feszültség a belső ellenálláson (jelen esetben a kimeneti ellenálláson) eső feszültség növekedése miatt. 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+, RD, RS, Vp mennyiségeket.

  • A tranzisztor aktív módjában \( V_D > V_S \) és \( V_{GS} > V_P \)
  • VD-nek, VG-nek és VS-nek a kisjelű változásokkal együtt is teljesítenie kell az aktív mód feltételeit.
  • \( V_G = V_{GS}+V_S \)
  • VD és ID egymásból kiszámítható az Ohm törvénnyel.
  • VS és IS egymásból kiszámítható az Ohm törvénnyel.
  • \( I_D = I_S \) és \( i_D = i_S \).
  • Ha ID ismert, akkor:
    • gm kiszámítható
    • \( i_D=g_m \cdot v_{GS}+\frac{v_{DS}}{r_{DS}} \approx g_m \cdot v_{GS} \)
    • \( i_G = \text{0 V} \)
    • az erősítés gm, RD és RS felhasználásával kiszámítható
    • a gate felőli ellenállás végtelen nagy
    • a drain kimeneti ellenállása \( R_D \parallel r_{DS} \approx R_D \)
    • az source kimeneti ellenállása \( R_S \parallel r_{DS} \parallel \frac{1}{g_m} \approx R_S \parallel \frac{1}{g_m} \)
  • Közös drainű kapcsolásnál \( R_D = \text {0 } \Omega \).

Elektronika I

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2020 © CC BY 4.0,

Jelen tananyag a Szegedi Tudományegyetemen készült az Európai Unió támogatásával. Projektazonosító: EFOP-3.4.3-16-2016-00014