Параллельное включение полевых транзисторов: Динамические и статические характеристики SiC MOSFET при параллельном включении

Динамические и статические характеристики SiC MOSFET при параллельном включении

Нюансы, связанные с параллельной работой высокоскоростных приборов SiC MOSFET, по сравнению с кремниевыми ключами исследованы очень слабо. В статье рассматриваются особенности параллельного включения карбидокремниевых (SiC) полевых транзисторов. Изучаются параметры, влияющие на статическое и динамическое распределение токов данных устройств, исследована зависимость этих параметров от температуры полупроводника. Разность температур параллельных модулей MOSFET была экспериментально измерена в преобразователе SEPIC при различных сопротивлениях резистора затвора и разных частотах коммутации. Полученные результаты показывают, что токи и температуры могут быть хорошо сбалансированы для последнего поколения SiC MOSFET при низком сопротивлении затвора.

Введение

Параллельное включение кремниевых MOSFET-и IGBT-модулей является обычной практикой и хорошо изучено в различных приложениях [1–3]. Однако в отношении SiC MOSFET доступно не так много информации. Поскольку карбидокремниевые транзисторы являются сравнительно новыми и используются, в основном, в маломощных схемах, у разработчиков есть большое желание включить их в параллель для повышения мощности. По сравнению с коммерчески доступными модулями SiC MOSFET [4], можно отметить следующие преимущества параллельного использования дискретных приборов:

• Тепло, выделяемое несколькими параллельными дискретными приборами, может быть более равномерно распределено по радиатору. Это снижает перегрев чипов и уменьшает градиент температуры между кристаллами и окружающей средой.
• Для наращивания мощности можно включить в параллель два или более модулей, в зависимости от конкретного применения.
• Параллельное соединение является экономически эффективным решением, поскольку стоимость набора дискретных серийных компонентов может быть ниже, чем цена мощных специализированных модулей.

При параллельном включении двух или более SiC MOSFET может возникнуть небаланс токов из-за разброса сопротивлений открытого канала R_ds(on) и пороговых напряжений V_th от образца к образцу. На рис. 1 и 2 показано распределение значений R_ds(on) и V_th для 30 случайно выбранных транзисторов (номинальный ток и напряжение 10 А, 1200 В) второго поколения SiC MOSFET C2M — C2M0160120D при комнатной температуре. Максимальное значение R_ds(on) примерно в один-два раза превышает минимальное (в пределах испытанных 30 образцов), а максимальное пороговое напряжение составляет 3,08 В, что намного больше минимальной величины V_th = 2,48 В.

При работе параллельных MOSFET вариации R_ds(on) определяют статическое распределение токов между транзисторами, а разница пороговых напряжений влияет на разброс динамических переходных процессов. Транзистор с меньшим значением V

th включается раньше и выключается позже, чем другие MOSFET с более высоким пороговым напряжением. При анализе параллельной работы транзисторов параметры R_ds(on) и V_th являются критическими, поэтому необходимо исследовать их чувствительность к другим характеристикам полупроводникового прибора, таким как температура кристалла.

В предыдущих работах [7, 8] были предложены решения для балансировки тока в процессе коммутации транзисторов путем добавления дополнительной обратной связи. Такие решения увеличивают стоимость устройства и не могут применяться при параллельном соединении более чем двух ключей. Нашей целью является экспериментальное исследование способности SiC MOSFET к собственной балансировке без добавления каких-либо датчиков или цепей управления.

В качестве единственных регулируемых параметров рассматривается напряжение и сопротивление затвора. В качестве образцов для данного исследования выбраны коммерчески доступные транзисторы 10 А, 1200 В компании Cree первого поколения (Gen-I) CMF10120D [5] и второго поколения C2M SiC MOSFET C2M0160120D [6] с аналогичными номинальными характеристиками Inc.

Из каждого поколения для проведения экспериментов и анализа наихудшего случая были выбраны два образца из 30 с наибольшим разбросом величины порогового напряжения.

Влияние R

_ds(on) на статическое распределение токов

Очевидно, что положительный температурный коэффициент (PTC) сопротивления открытого канала кремниевых MOSFET способствует выравниванию токов при параллельной работе и помогает исключить условия возникновения теплового убегания для всех MOSFET. Для двух параллельных транзисторов (рис. 3) ток через каждый прибор определяется следующим образом:

MOSFET с максимальным значением R_ds(on) будет проводить минимальный ток.

Как и у кремниевых полевых транзисторов, сопротивление канала R_ds(on)SiC MOSFET также имеет РТС (рис. 4 и 5). Модуль с большей температурой кристалла проводит меньший ток при параллельном соединении, в результате чего достигается тепловое равновесие. Однако у SiC MOSFET температурная зависимость R

ds(on) не так сильна, как у кремниевых транзисторов. Как отмечено в [9], величина R_ds(on) при температуре +150 °С в 2,6 раза превышает R_ds(on) при температуре +25 °С для типового Si CoolMOS с рабочим напряжением 600 В. У SiC MOSFET эти значения различаются всего в 1,2 раза для CMF10120D и примерно в 1,5 раза для C2M0160120D.

Сопротивление открытого канала SiC MOSFET сильно зависит от V_th, как показано на рис. 4. При напряжении на затворе 16 В для CMF10120D величина R_ds(on) даже демонстрирует отрицательный температурный коэффициент (NTC). Это объясняется тем, что сопротивление MOSFET, в основном, состоит из трех компонентов: сопротивление канала 4 (R_ch) с NTC; сопротивление JFET области (R_jeft

) c PTC и сопротивление дрейфовой области (R_drift), которое также имеет РТС. При малом напряжении на затворе составляющая R_ch становится доминирующей, поэтому общее сопротивление также приобретает NTC.

Сопротивление канала C2M0160120D демонстрирует более сильную температурную зависимость R_ds(on) благодаря улучшенной характеристике канальной проводимости (рис. 5). Таким образом, для обеспечения хорошего распределения токов при параллельном соединении, а также снижения потерь в проводящем режиме включение SiC MOSFET следует производить при высоком напряжении V_gs.

Влияние V

_th на динамическое распределение токов

Без учета коммутационных потерь ток и температура параллельных SiC MOSFET могут быть сбалансированы за счет РТС-характеристики R_ds(on). К сожалению, динамические потери у параллельных транзисторов с разным пороговым напряжением всегда отличаются. Два образца из 30 с минимальным (образец А) и максимальным (образец B) значением V

th были выбраны для каждого поколения MOSFET — Gen-I и C2M, их параметры при комнатной температуре приведены в таблице 1.

Таблица 1. Пороговое напряжение и сопротивление открытого канала

Образец	Vth, B	Rds(on), мОм
CMF10120D-A	2,74	133
CMF10120D-B	3,50	144
C2M0160120D-A	2,48	146
C2M0160120D-B	3,08	161

Режимы параллельной работы двух Gen-I MOSFET анализировались для следующих условий: V_ds = 600 В, сопротивление затвора R_g = 41 Ом для каждого транзистора, средний суммарный ток Ids = 20 А. На рис. 7а и 7б показаны эпюры сигналов включения и выключения соответственно. Видно, что образец А с меньшим значением V

th включается раньше, чем образец В, и он берет на себя больший ток во время переходного процесса. Его потери при включении (252,5 мкДж) выше, чем у образца B (165,2 мкДж). Во время выключения образец А запирается позже и, соответственно, он имеет большие потери при выключении — 296,7 мкДж против 81,2 мкДж у образца В. Разница коммутационных потерь преобразуется в разницу температур кристаллов. Градиент температуры «кристалл–корпус» Тjc может быть вычислен с помощью формул:

P_sw = (E_on + E_off) × f_sw, (3)

Tjc = (P_sw + P_con) × R_th(jc). (4)

Образец А будет иметь более высокий перегрев кристаллов, если потери в проводящем режиме и температура радиатора одинаковы для обоих случаев. За счет NTC-характеристики V_th (рис. 6) пороговое напряжение уменьшается при увеличении температуры кристалла. Разница коммутационных потерь также растет, что формирует положительную обратную связь. Однако РТС-характеристика R

ds(on) в какой-то степени помогает скомпенсировать разницу температур.

Важно иметь как можно меньшие различия коммутационных потерь, вызванных вариациями порогового напряжения. Снижение величины R_g повышает скорость переключения и уменьшает уровень динамических потерь. На рис. 7в и 7г показаны эпюры сигналов включения и выключения для упомянутых выше двух образцов Gen-I с резистором R_g = 5,1 Ом. Коммутационные потери и разница между ними сокращены более чем в два раза по сравнению с предыдущим случаем, соответствующим R_g = 41 Ом.

Аналогичные эксперименты, выполненные для C2M MOSFET (рис. 8), продемонстрировали гораздо меньший уровень динамических потерь и их разброса между модулями. Это связано с тем, что транзистор C2M имеет меньшую площадь кристалла и меньший уровень напряжения V

gd, он может переключаться быстрее, чем MOSFET Gen-I при том же значении R_g. При более высокой скорости коммутации влияние разброса V_th становится менее значимым. С учетом предыдущих исследований можно сделать вывод, что транзисторы C2M SiC имеют два очевидных преимущества при параллельной работе по сравнению с Gen-I SiC MOSFET. Во-первых, у них меньше разброс динамических потерь, вызванных вариациями порогового напряжения, благодаря высокой скорости коммутации. Во-вторых,более сильная РТС-зависимость сопротивления канала способствует лучшей балансировке температуры кристаллов, определяемой коммутационными потерями.

Экспериментальные исследования параллельной работы MOSFET в конвертере SEPIC

Для безопасной работы параллельных MOSFET температура их кристаллов должна отличаться как можно меньше. Образцы с большим значением порогового напряжения, упомянутые ранее, были использованы в преобразователе SEPIC (рис. 9) для оценки разницы их температурных зависимостей при разных значениях сопротивления затвора и разных частотах переключения. Схема управления SEPIC имеет фиксированный коэффициент заполнения 50%, поэтому выходное напряжение равно входному, согласно выражению (5):

V_out = D/(1–D) × V_in. (5)

В этом случае выходной сигнал поступает на входные клеммы схемы SEPIC. Таким образом, происходит рециркуляция энергии, что ограничивает потребление мощности от внешнего источника питания и снижает потери преобразователя.

В схеме использованы два резистора R1 и R2 в цепи управления каждого MOSFET, один их них подключен к затвору, а другой — к истоку транзистора. В такой схеме (рис. 10) ток стока каждого ключа проходит через вывод истока в цепь заземления, где установлен резистивный датчик тока, что позволяет независимо измерять ток обоих MOSFET.

Напряжение питания установлено на уровне 600 В, ток циркуляции составляет 10 А, что соответствует мощности 6 кВт для всех экспериментов. Для каждого поколения MOSFET было проведено четыре теста при следующих условиях:

• R_g = 41 Ом, f =30 кГц;
• R_g = 41 Ом, f = 100 кГц;
• R_g = 5,1 Ом, f =30 кГц;
• R_g = 5,1 Ом, f = 100 кГц.

Указанные величины R_g относятся к обоим сопротивлениям R1 и R2. Измеренные значения коммутационных потерь и температуры корпуса указаны в таблице 2. Формы сигналов переключения на частоте 30 кГц приведены выше.

Таблица 2. Динамические потери MOSFET и температура корпуса при различных условиях испытаний

	Rg, Ом	Fsw, кГц	Psw-A, Вт	Psw-В, Вт	Тс-А, °С	Тс-В, °С	ΔТс, °С
CMF10120D	41	30	16,5	7,4	63,0	41,9	21,1
		100	57,9	24,2	119	67,7	51,3
	5,1	30	6,3	4,1	43,7	37,5	6,2
		100	21,4	14,0	64,5	51,5	13,0
C2M0160120D	41	30	7,3	4,8	49,2	41,6	7,6
		100	23,9	16,3	72,1	58,4	13,7
	5,1	30	2,1	1,8	44,0	38,3	5,7
		100	6,8	6,1	55,6	46,6	9,0

Результаты тестов, приведенные в таблице, позволяют сделать некоторые выводы. Во-первых, выбор меньшего значения R_g или меньшей частоты переключения позволяет снизить динамические потери и градиент температур для образцов А и В. Во-вторых, транзистор C2M MOSFET (10 A, 1200 В) демонстрирует меньшую разность температур корпуса по сравнению с MOSFET Gen-I (10 А, 1200 В) при тех же условиях испытаний. В-третьих, параллельное соединение SiC MOSFET при использовании низкого значения R_g, как правило, можно выполнять непосредственно, без добавления дополнительного контура балансировки. На рис. 11 показаны формы сигналов переключения для двух C2M SiC MOSFET при f = 100 кГц и сопротивлении затвора 41 Ом и 5 Ом соответственно. Большая разница статических токов на рис. 11а объясняется более высокой разностью температур кристаллов.

Заключение

На основании приведенного анализа параллельной работы SiC MOSFET можно сделать следующие выводы:

• R_ds(on) и V_th — два основных параметра, определяющих статическое и динамическое распределение токов параллельных MOSFET.
• Использование высокого напряжения управления затвором позво- ляет уменьшить потери в проводящем режиме.
• Уменьшение сопротивления затвора может улучшить динамическое распределение токов и снизить разницу потерь переключения.
• C2M SiC MOSFET лучше подходят для параллельного включения, чем Gen-I SiC MOSFET с таким же номинальным током.

При проведении описанных выше испытаний использова- лась печатная плата с симметричными трассами для подключе- ния параллельных SiC MOSFET, что позволило свести к миниму- му паразитную индуктивность соединительных цепей. Однако в ряде случаев очень трудно обеспечить симметричную топо- логию соединений, при этом цепи подключения параллельных транзисторов будут иметь различные значения распределен- ной индуктивности. Было бы интересно исследовать, как это влияет на поведение SiC MOSFET в процессе переключения, этот вопрос является предметом дальнейшей работы.

Литература

1. www.irf.com/technical-info/appnotes/para.pdf
2. Lopez T., Elferich R. Current Sharing of Paralleled Power MOSFETs at PWM Operation // Proc. on the 37th IEEE Power Electronics specialists. PESC 06. Vol. 1. № 1. 18-22 June, 2006.
3. Palmer P. R., Joyce J. C. Current Redistribution in Multi-chip IGBT Modules Under Various Gate Drive Conditions // Proceedings of the Power Electronics and Variable Speed Drives. London. September, 1998.
4. Wang G., Wang F., Gari M., Yang L. , Alex H., Mrinal D. Performance comparison of 1200V 100A SiC MOSFET and 1200V 100A silicon IGBT // EneR_gy Conversion Congress and Exposition (ECCE). Sept, 2013.
5. www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/CMF10120 D.pdf
6. www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/C2M016012 0D.pdf
7. Chimento F., Raciti A., Cannone A., Musumeci S., Gaito A. Parallel connection of super-junction MOSFETs in a PFC application // EneR_gy Conversion Congress and Exposition. 2009.
8. Yang X., Junjie L., Zhiqiang W., Leon M. T., Benjamin J. B., Fred W. Active current balancing for parallel-connected silicon carbide MOSFETs // EneR_gy Conversion Congress and Exposition. 2013.
9. Zheng Chen, Boroyevich D., BuR_gos R., Wang F.Characterization and modeling of 1.2 kv, 20 A SiC MOSFETs // EneR_gy Conversion Congress and Exposition. 2009.
10. www.wolfspeed.com/~/media/Files/Cree/Power/Articles%20and%20 Papers/White_Paper_Dynamic%20and%20Static%20Behavior%20 of%20Packaged%20Silicon.pdf

Ганьджао Ванг (Gangyao Wang), Джон Моокен (John Mookken), Джулиус Рик (Julius Rice), Марчело Шупбах(Marcelo Schupbach)

Перевод: Евгений Карташов, Андрей Лебедев

[email protected]

Инвертор, преобразователь напряжения, частотный преобразователь

Преобразователь частоты

Сделать заказ прямо сейчас!

Контакты для заказов частотного преобразователя:
+38 050 4571330
[email protected]

Вы можете оставить свой телефон, нажав на кнопку:
ПЕРЕЗВОНИТЕ МНЕ

Внимание! Налажено мелко серийное производство частотных преобразователей 7,5кВт 220 в 380В, отличительные особенности частотников 7,5 кВт:
— работа с любым однофазным напряжением от 100В
— кратковременная работа с больше нагрузкой(как на видео ниже)
Цена — 9900грн.
Видео испытаний на примере с нагрузкой до 11кВт:

Преобразователь сетевого напряжения 220В в трехфазное напряжение для питания трехфазных двигателей. Или три фазы в доме. Регулятор оборотов электродвигателей.

Гарантия завода изготовителя 2 года. Производитель — Украина, г. Днепропетровск. Почему стоит покупать этот частотник, а не другие, скажем, китайские, американские или японские аналоги? Ответ: цена — на порядок дешевле известных аналогов (это, конечно, не основной параметр, но почему-то решающий), надежность, в случае чего (зарекаться нельзя) ремонт производится в течении трех дней, простой в управлении и настройке. Консультант технической поддержки ответит на все Ваши вопросы.

Мощность выпускаемых приборов: 0,25кВт; 0,37кВт; 1кВт; 1,5кВт; 2,2кВт; 3,3кВт; 7,5кВт.

Цены на преобразователи частоты(03.03.15г.):
Модель Мощность Цена
Модель Мощность Цена
CFM110 0.25кВт 2300грн
CFM110 0.37кВт 2400грн
CFM110 0.55кВт 2500грн
CFM210 1,0 кВт 3200грн
CFM210 1,5 кВт 3400грн
CFM210 2,2 кВт 4000грн
CFM210 3,3 кВт 4300грн
AMF310 7,5 кВт 9900грн.

Вы можете оставить свой телефон, нажав на кнопку:
ПЕРЕЗВОНИТЕ МНЕ

На все частотники можно сделать выносной пульт управления, стоимость — 150грн с 3-5м шнуром.

Цены на частотные преобразователи с питанием от ~380В (три фазы вход — три фазы выход):

Модель Мощность ВхШхГ, мм Масса Цена, грн
CFM310 4.0 кВт 280х152х143 3,9 6800
CFM310 5.5 кВт 280х152х143 4,1 7500
CFM310 7.5 кВт 280х152х143 4,2 8500

Контакты для заказов:
+38 050 4571330
[email protected]

Возможна бестаможенная доставка по СНГ в страны ТС — Россия, Белоруссия, Казахстан

Видео частотника с выносным пультом управления:

Топ 5 MOSFET транзисторов с минимальным сопротивлением сток-исток

Полевые транзисторы являются монополярными транзисторами. Ток, проходящий от стока к истоку, не пересекает P-N-переход, как в биполярном транзисторе. Из-за этого внутри него образуется внутреннее сопротивление, когда вы включаете его с помощью сигнала затвора. Сопротивление полевого транзистора является основной характеристикой транзистора. Чем оно ниже, тем меньше тепла выделяется в нем током, проходящим через него. Сопротивление при включении зависит от легирующего примеси в кремниевой матрице, размера металло-свинцового корпуса и размера соединительных проводов, которые производитель использует для соединения матрицы с контактами.

Физически большой кубик будет иметь более низкое сопротивление при прочих равных условиях. Номинал пробоя транзистора прямо пропорционален сопротивлению. Сопротивление в несколько миллиомов гораздо чаще встречается для устройств низкого напряжения, чем для устройств с напряжением пробоя 150 В. Напряжение 1000 В будет иметь сопротивление включения 10 Ом.

Из-за более медленной подвижности дырок по сравнению с электронами полевые транзисторы с P-каналом будут иметь более высокое сопротивление по сравнению с N-канальными типами. Напряжение затвора является еще одним фактором, который следует учитывать. Управление клеммой затвора с напряжением 10 В даст меньшее сопротивление при включении, чем напряжение 5 В. Если вы управляете транзисторной логикой, вы должны внимательно изучить параметры транзистора, чтобы узнать его сопротивление при определенном напряжении затвора.

Одно из преимуществ резистивной природы полевых MOSFET-транзисторов заключается в том, что вы можете распараллеливать их, чтобы уменьшить общее сопротивление цепи. Биполярные транзисторы «имеют тенденцию» брать немного больше тока, что заставляет их нагреваться больше и, таким образом, потреблять еще больше тока. Хотя параллельное включение полевых транзисторов задача не сверх тяжелая, необходимо убедиться, что дорожки на печатной плате, подводящие питание к затворам, имеют одинаковую длину и полное сопротивление, чтобы несколько транзисторов включались и выключались одновременно, без временных задержек. Размещение небольшого последовательного резистора на каждой дорожке платы затвора может помочь ослабить колебания тока за счет более медленного переключения.

Для получения выборки из пяти полевых транзисторов с низким сопротивлением, мы сосредоточились на одном пакете, DPAK, также называемом TO-252 или SC-63. Это хороший транзистор среднего размера, который может управлять токами до 100 А, но при этом достаточно мал, чтобы его можно было использовать в компактных конструкциях. DPAK также имеет гораздо лучшую номинальную мощность, чем пакеты TO-92 или SOT-23, но вдвое меньше пакета T0-220. Вот пять полевых транзисторов в пакете DPAK с низким сопротивлением включения, иногда называемые RDS (включено) (сопротивление от стока до источника включено):

1. IPD100N04S402ATMA1 от Infineon имеет RDS (сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии) 2 мОм с напряжением пробоя 40 В. Напряжение управления затвором 10 В.
2. TK55S10N1, LQ от Toshiba имеет RDS 6,5 мОм с напряжением пробоя 100 В. Напряжение управления затвором 10 В.
3. FDD86250-F085 от ON Semiconductor имеет RDS 22 мОм с напряжением пробоя 150 В. Напряжение управления затвором 10 В.
4. AOD424 от Alpha и Omega Semiconductor имеет RDS 5,7 мОм с напряжением пробоя 20 В. Напряжение управления затвором 2,5 В.
5. P-канал SQD50P03-07_GE3 от Vishay Siliconix имеет RDS 7 мОм с напряжением пробоя 30 В. Напряжение управления затвором 10 В.

Если вам нужно контролировать большой ток с малыми потерями мощности в вашей электрической схеме, обратите внимание на приведенные выше транзисторы.

Последовательное включение полевых транзисторов – Яхт клуб Ост-Вест

Для анализа работы усиливающее устройство удобно представлять в виде 4–полюсника с двумя входными и двумя выходными клеммами. Полевой транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. Если представить ПТ в виде 4–полюсника, то какой-то его электрод будет использован дважды, т.е. будет общим для входной и выходной цепей. Таким образом, имеются три возможных схемы включения ПТ: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС) (рис. 4).

Схемы включения полевого транзистора с ОИ (а), ОЗ (б), ОС (в)

с ис и

з

з

U_ВЫХU_ВЫХU_ВЫХ

U_ВХU_ВХU_ВХ

ии з з с с

Рис.4 .

4. Усилитель на полевом транзисторе

Среди усилителей, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил усилитель, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком (ОИ). На рис. 5 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта усилительного каскада.

В данной схеме использован ПТ с р-n–переходом и каналом n–типа. Поэтому полярность “+” напряжения источника питания Е_Сподается на сток, а “-” – на исток ПТ. Направления токов I_Си I_Иуказаны на схеме. Из I закона Кирхгофа следует, что I_С+ I_З– I_И= 0, где I_З— ток затвора. Но I_З 0, и, следовательно, I_СI_И.

Данная схема экономична, так как позволяет обходиться одним источником напряжения. Вместо второго источника Е_ЗИ, в цепь истока ПТ включен резистор R_И.

Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе

Этот резистор необходим, чтобы обеспечить разность потенциалов U_ЗИмежду затвором и истоком ПТ. Ток истока, проходя через R_И, создает на нем падение напряжения U_ЗИо= -I_ИоR_И= -I_СоR_И, где I_Ио, I_Сои U_ЗИо— постоянные составляющие токов I_Ии I_Си напряжения U_ЗИ. Причем, более высокий потенциал U “+” имеет исток ПТ. Чтобы отрицательный потенциал “–” был приложен к затвору транзистора в цепь его затвора включен резистор R_З. Так как I_З 0, то напряжение на R_Зпрактически отсутствует. Говорят, что резистор R_Зосуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т. е. потенциал затвора равен нулю. Поэтому напряжение U_ЗИопрактически приложено к электродам ПТ затвор–исток и называется напряжением смещения.

Помимо этой функции резистор R_Звместе с резистором R_Иобразуют цепь обратной связи по постоянному току. Обратной связью называют передачу части энергии сигнала с выхода некоторого устройства на его вход. В усилителях, как правило, используется отрицательная обратная связь: часть напряжения с выхода усилителя (напряжение обратной связи U_ОС) вычитается из входного напряжения U_ВХи результирующее напряжение равное разности U_ВХ– U_ОС, подается на вход транзистора. Усилители, охваченные отрицательной обратной связью, работают более устойчиво, так как стабилизируется режим покоя усилителя. Покажем это.

Предположим, что за счет каких-то внешних воздействий (повышения температуры, случайных изменений напряжения Е_с, появления радиации и т.д.) ток стока I_Cовозрастает. Так как I_СоI_Ио, то растет и ток истока I_Ио(рис. 5), увеличивается падение напряжения на резисторе R_И, уменьшается потенциал затвора ПТ относительно истока, растет сопротивление канала, что приводит к уменьшению и, следовательно, к стабилтзации токов I_Сои I_Ио. Таким образом, с помощью резисторов R_Ии R_Збудет поддерживаться постоянство I_Сои I_Иопри воздействиях внешних факторов.

Резистор R_Иобразует, кроме того, еще цепь отрицательной обратной связи по переменному току. Действительно, пусть на вход усилителя подается положительный импульс напряжения относительно общей шины схемы. Так как в данной схеме используется транзистор с каналом n–типа, то при увеличении потенциала затвора сечение канала увеличивается и токи стока I_Си истока I_Ивозрастают. Ток истока, проходя через резистор R_И, создает на нем дополнительное падение напряжения, увеличивающее потенциал истока, и равноеI_ИR_И. Это напряжение и является напряжением обратной связи U_ОС. Следовательно, ко входу транзистора прикладывается напряжение U_ЗИ, представляющее разность двух напряжений U_ВХи U_ОС. Это следует из того, что в цепи, подключаемой к затвору и истоку транзистора, источники напряжения U_ВХи U_ОСвключены последовательно и навстречу друг с другом. Действительно, положительный импульс U_ВХповышает потенциал затвора, а напряжение обратной связи U_ОС, как было показано, увеличивает потенциал истока относительно общей шины схемы. Следовательно, разность потенциалов или напряжение между затвором и истоком U_ЗИуменьшается. К сожалению, это приводит к уменьшению модуля коэффициента усиления усилителя К, но зато другие параметры усилителя улучшаются. Если же однокаскадный усилитель должен иметь большой коэффициент усиления, то от отрицательной обратной связи по переменному току отказываются, как это сделано в данной схеме (рис. 5). Для этого достаточно параллельно резистору R_Иподключить конденсатор С_И, шунтирующий R_И. Цепь R_ИC_Иназывается цепью автоматического смещения рабочей точки и предназначена для обеспечения обратного напряжения на затворе транзистора.

Конденсаторы С_Зи С_Ииграют роль разделительных конденсаторов. Конденсатор, стоящий в цепи затвора, служит для предотвращения протекания постоянной составляющей:

тока затвора через источник входного сигнала;

тока от источника входного сигнала через резистор R_З.

Конденсатор С_С, стоящий в цепи стока, необходим для предотвращения протекания постоянной составляющей тока стока через сопротивление нагрузки усилительного каскада .

Резистор R_Сстоящий в цепи стока, является нагрузкою транзистора. С него, через разделительный конденсатор С_С, снимается выходное напряжение U_ВЫХ= – i_СR_С, i_С— переменная составляющая в цепи стока, которая появляется при подаче сигнала на вход транзистора. Изменения I_Сприводит к изменению напряжения U_СИ. U_ВЫХ= U_СИ= – i_СR_С. Знак минус говорит о том, что выходное напряжение и ток стока (или выходное и входное напряжения ПТ) находятся в противофазе. Действительно, если на вход транзистора приходит отрицательный импульс напряжения —, сечение канала становится меньше, сопротивление канала возрастает, а ток стока уменьшается. На резисторе R_Спадение напряженияi_СR_Сстановится меньше, т.е. потенциал стока транзистора возрастает, что соответствует положительному импульсу напряжения на стоке —. Таким образом, если на вход транзистора поступает отрицательный импульс, то на его выходе появляется положительный импульси наоборот. Следовательно, ПТ усиливает сигнал и инвертирует его на 180 0 .

Подобно тому, как в различных электронных устройствах биполярные транзисторы работают с включением по схеме с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой, полевые транзисторы во многих случаях можно использовать аналогичным образом включая их: с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором.

Разница заключается в способе управления: биполярный транзистор управляется током базы, а полевой транзистор — зарядом затвора.

С точки зрения затрат энергии на управление, управление полевым транзистором получается в целом более экономичным, чем управление транзистором биполярным. Это один из факторов, объясняющих нынешнюю популярность полевых транзисторов. Рассмотрим, однако, в общих чертах типичные схемы включения полевых транзисторов.

Включение с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с общим истоком является аналогом схемы с общим эмиттером для биполярного транзистора. Такое включение весьма распространено в силу возможности давать значительное усиление по мощности и по току, фаза напряжения цепи стока при этом переворачивается.

Входное сопротивление непосредственно перехода затвор-исток достигает сотен мегаом, хотя оно может быть уменьшено путем добавления резистора между затвором и истоком с целью гальванически подтянуть затвор к общему проводу (защита полевого транзистора от наводок).

Величина этого резистора Rз (от 1 до 3 МОм обычно) подбирается так, чтобы не сильно шунтировать сопротивление затвор-исток, при этом не допускать перенапряжения от тока обратносмещенного управляющего перехода.

Существенное входное сопротивление полевого транзистора в схеме с общим истоком является важным достоинством именно полевого транзистора, при его использовании в схемах усиления напряжения, тока и мощности, ведь сопротивление в цепи стока Rс не превышает обычно единиц кОм.

Включение с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с общим стоком (истоковый повторитель) является аналогом схемы с общим коллектором для биполярного транзистора (эмиттерный повторитель). Такое включение используется в согласующих каскадах, где выходное напряжение должно находиться в фазе с входным.

Входное сопротивление перехода затвор-исток как и прежде достигает сотен мегаом, при этом выходное сопротивление Rи сравнительно небольшое. Данное включение отличается более высоким частотным диапазоном, чем схема с общим истоком. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, так как напряжение исток-сток и затвор-исток для данной схемы обычно близки по величине.

Включение с общим затвором

Схема с общим затвором — подобие каскаду с общей базой для биполярного транзистора. Усиления по току здесь нет, потому и усиление по мощности многократно меньше, чем в каскаде с общим истоком. Напряжение при усилении имеет ту же фазу, что и управляющее напряжение.

Поскольку выходной ток равен входному, то и коэффициент усиления по току равен единице, а коэффициент усиления по напряжению, как правило, больше единицы.

В данном включении присутствует особенность – параллельная отрицательная обратная связь по току, ибо при повышении управляющего входного напряжения, потенциал истока возрастает, соответственно ток стока уменьшается, и снижает напряжение на сопротивлении в цепи истока Rи.

Так с одной стороны напряжение на сопротивлении истока увеличивается благодаря росту входного сигнала, но уменьшается снижением тока стока, это и есть отрицательная обратная связь.

Данный феномен делает шире полосу пропускания каскада в области высоких частот, поэтому схема с общим затвором популярна в усилителях напряжения высоких частот, и особенно востребована в высоко устойчивых резонансных схемах.

С ростом мощности силового оборудования повышаются требования к электронике управления высоковольтной и сильноточной нагрузкой. В мощных импульсных преобразователях, где элементы работают одновременно с высокими уровнями напряжений и токов, зачастую требуется параллельное соединение силовых ключей, таких, например, как IGBT транзисторы, хорошо работающие в подобных схемах.

Существует множество нюансов, которые необходимо учитывать при параллельном включении двух и более IGBT. Один из них – соединение затворов транзисторов. Затворы параллельных IGBT могут подключаться к драйверу через общий резистор, отдельные резисторы или комбинацию общего и отдельных сопротивлений (Рисунок 1). Большинство специалистов сходится во мнении, что обязательно нужно использовать отдельные резисторы. Однако существуют веские доводы в пользу схемы с общим резистором.

а) Индивидуальные резисторы
б) Общий резистор
в) Комбинированное включение резисторов
Рисунок 1.	Различные конфигурации схем управления затворами IGBT.

В первую очередь при расчете схемы с параллельными IGBT нужно определить максимальный ток управления транзисторами. Если выбранный драйвер не может обеспечить суммарный базовый ток нескольких IGBT, придется ставить отдельный драйвер на каждый транзистор. В этом случае индивидуальный резистор будет у каждого IGBT. Быстродействия большинства драйверов достаточно, чтобы обеспечить интервал между импульсами включения и выключения в несколько десятков наносекунд. Это время вполне соразмерно с временем переключения IGBT, составляющим сотни наносекунд.

При использовании одного драйвера предметом обсуждения может быть конфигурация резисторов в цепях затворов. Недостатком схемы с отдельными резисторами (Рисунок 1а) является возможность увеличения разброса времени переключения вследствие того, что управляющие напряжения затворов не будут отслеживать выходные сигналы драйвера. Даже если импульсы управления, подающиеся на резисторы с драйвера, будут абсолютно идентичны, различия в зарядах затворов в совокупности с сопротивлениями затворов и импеденсами проводников печатной платы приведут к несовпадению времен нарастания, спада и задержки сигналов на затворах IGBT. Тем не менее, многие выступают в защиту индивидуальных резисторов, поскольку последние минимизируют вероятность возникновения паразитной генерации между IGBT.

Причиной генерации может стать паразитная индуктивность платы (обычно в цепи эмиттера) в сочетании с емкостью затвора и усилением транзисторов. Минимизация индуктивности в цепи эмиттера играет важную роль в предотвращении паразитной генерации.

Общий резистор (Рисунок 1б) гарантирует, что потенциалы затворов обоих IGBT в любой момент времени будет практически одинаковыми, имея лишь незначительный разброс, обусловленный вариациями паразитных импедансов платы. При переходных процессах это может уменьшить различие в уровнях потерь и способствовать более равномерному распределению тока между транзисторами. С точки зрения режима по постоянному току не имеет значения, используются ли отдельные резисторы или один общий, поскольку, в конечном счете, затворы всех IGBT заряжаются до напряжения смещения. Аргументы в пользу общего резистора можно найти и в других источниках, но приводимые там рекомендации нельзя использовать как общие указания в случае с отдельными резисторами в цепях затворов.

Для тестирования различных конфигураций резисторов из 22 выпускаемых ON Semiconductor IGBT типа NGTB40N60IHL были выбраны два транзистора с наибольшим взаимным разбросом параметров. Их потери при включении составляли 1.65 мДж и 1.85 мДж, а потери при выключении 0.366 мДж и 0.390 мДж, соответственно. Транзисторы рассчитаны на рабочее напряжение 600 В и ток 40 А.

При использовании одного общего драйвера с отдельными 22-омными резисторами, наблюдалось ярко выраженное несовпадение кривых тока в момент выключения из-за несоответствия скоростей переключения, неравенства порогов, крутизны и зарядов затворов двух приборов. Замена двух резисторов одним общим с сопротивлением 11 Ом в любой момент времени уравнивает потенциалы на затворах обоих IGBT. В такой конфигурации существенно уменьшается перекос токов в момент выключения. С точки зрения рассогласования по постоянному току конфигурация резисторов значения не имеет.

Поскольку до разработки и сборки реального прототипа определить, возникнет ли между приборами паразитная генерация, невозможно, рекомендуется использовать комбинированную схему включения резисторов в цепях затворов (Рисунок 1в).

Комбинированная схема обеспечивает гибкость подбора сопротивлений резисторов, основанную на учете паразитных импедансов реальной схемы. Если в схеме с общим резистором наблюдается генерация, активную часть полного сопротивления цепи затвора можно разделить на отдельный и общий компонент. Для получения оптимальных характеристик сопротивления индивидуальных резисторов должны, насколько возможно, превышать значение сопротивления затвора, но оставаться в пределах, при которых исключается риск возникновения генерации. Эта схема легко может быть приведена в соответствие с конкретными условиями эксплуатации и использоваться в качестве самостоятельного функционального блока. Таким способом можно обеспечить максимальную близость потенциалов на затворах IGBT в моменты переключения, но с учетом опасности возникновения генерации лучше добавить небольшие индивидуальные сопротивления.

Оптимизация параметров мощных схем с параллельным включением силовых ключей позволяет повысить надежность устройства и улучшить его рабочие характеристики. Рассмотренные в статье схемы управления затворами IGBT – один из факторов повышения эффективности мощных коммутационных узлов преобразовательной техники.

Перевод: Антон Юрьев по заказу РадиоЛоцман

МОП транзистор – полевой транзистор с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП транзисторы) отличаются по характеристикам от биполярных транзисторов. Как правило, они используются в качестве переключателей, хотя МОП транзисторы можно применять и в аналоговой электронике, о чем свидетельствуют многочисленные ИС усилителей на этих приборах. МОП транзистор в состоянии проводимости можно сравнить с замкнутым выключателем: он имеет остаточное сопротивление около 2 Ом для маломощных приборов и порядка 0,1 Ом для мощных. При высоких токах, которые способны пропускать данные компоненты, такие величины сопротивлений могут вызывать заметное падение напряжения. Например, резистор 0,1 Ом, через который проходит ток 10 А, имеет падение напряжения 1 В. При высоких рабочих напряжениях этой величиной можно пренебречь. Иначе обстоит дело при управлении регулятором скорости вращения двигателя, получающего питание от батарейки или аккумулятора напряжением 6 В (например, в радиоуправляемых моделях).

Для снижения остаточного сопротивления МОП транзисторы можно соединять параллельно. Два параллельно включенных идентичных транзистора с остаточным сопротивлением по -0,1 Ом составят один прибор с сопротивлением 0,05 Ом, который может пропускать удвоенный ток. Теоретически допустимо соединять подобным образом любое число транзисторов, но на практике обычно ограничиваются несколькими приборами (не более четырех).

В справочниках представлены мощные МОП транзисторы, которые могут коммутировать токи до 100 и даже до 150 А. Как правило, приборы могут выдержать максимально допустимые токи лишь в течение очень короткого времени. Например, транзистор IRF540 (в корпусе ТО 220) имеет максимальный ток 28 А при напряжении 100 В. Однако из анализа его характеристик следует, что такой ток допустим лишь в импульсном режиме, когда длительность импульсов не превышает 100 мкс. При ее увеличении до 10 мс приходится довольствоваться током 4 А. Превышение указанных значений сопряжено с риском вывода из строя самого транзистора или встроенного в него защитного диода.

Ограничения по току распространяются и на случай параллельного включения транзисторов. Если учесть разброс параметров приборов, становится очевидным, что два параллельно включенных МОП транзистора никогда не имеют идентичные сопротивления в открытом состоянии. Вследствие этого через них будут проходить неравные токи и риск превышения допустимых значений увеличивается. Наконец, следует отметить, что МОП транзисторы, как правило, менее надежны, чем биполярные.

Одно из несомненных достоинств полевых транзисторов – простота управления при малом токе, потребляемом от источника сигнала. Поданный на вход импульс напряжения 5 В, генерируемый логическим вентилем, позволяет коммутировать большие токи в выходной цепи. Именно в этом и заключается основное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными, при использовании которых для достижения аналогичных выходных мощностей требуется каскадное соединение нескольких приборов. Обычно МОП транзистор начинает проводить ток при управляющем напряжении 4 В. Однако для полного открывания на его вход нужно подать напряжение 10 или 12 В (последнее значение соответствует стандарту RS232).

Для наиболее распространенной схемы включения с общим истоком управляющим напряжением является Uзи, а выходным напряжением – Uси (рис. 1.а). Между источником входного сигнала и затвором, как правило, включается низкоомный резистор. Одно и то же управляющее напряжение может подаваться на несколько параллельно включенных полевых транзисторов. В этом случае на каждый транзистор требуется по отдельному резистору (рис. 1.б). Примеры управления МОП транзистором с помощью логического инвертора и каскада на биполярных транзисторах показаны на рис. 1.в,г.

Аналогично существованию биполярных транзисторов n -р – n и р-n-р типов имеются полевые транзисторы с каналом n-типа и p-типа. Транзисторы с p-каналом редко применяются в виде дискретных элементов. Объединение МОП транзисторов обоих типов позволило создать комплементарные интегральные схемы, характеризующиеся исключительно низкой потребляемой мощностью.

 

 

Рис. 1. Схемы включения МОП транзистора: схема с общим истоком (а), параллельное включение МОП транзисторов (б), управление через логический вентиль (в) и управление с помощью транзисторов (г)

Тестирование МОП транзистора при помощи мультиметра затруднено, поскольку затвор фактически изолирован от двух других. Можно лишь получить информацию о состоянии защитного диода, включенного между стоком и истоком, и проверить отсутствие короткого замыкания между выводами.

Следует помнить, что входной электрод МОП транзистора, как и вход логического вентиля КМОП типа, не должен оставаться свободным. Под воздействием наводок потенциал электрода способен принимать любое значение, что, в частности, может вызвать открывание транзистора и протекание высокого тока в выходной цепи при отсутствии входного сигнала. Поэтому во всех режимах, в том числе и на этапе тестирования, между затвором и общей точкой должно быть включено сопротивление утечки (обычно порядка 1 МОм).

6.07. Специальные вопросы проектирования сильноточных источников питания

Cтабилизаторы напряжения и источники питания

Проектирование теплоотвода мощных схем

Использование отдельных нестабилизированных источников для питания сильноточных цепей. Как уже упоминалось в разд. 6.03, хорошо, как правило, использовать отдельный источник для стабилитрона в мощном источнике питания. Таким путем рассеивание мощности на проходном транзисторе можно свести к минимуму, поскольку нестабилизированное напряжение, которое подается на проходной транзистор, может быть выбрано точно таким, какое нужно для достаточного «запаса сверху» (стабилизаторы типа 723 имеют для этой цели выводы питания U₊). Например, стабилизатор, дающий на выходе +5 В. 10 А, может работать от входного напряжения 10 В с размахом пульсаций около 1-2 В и отдельного источника питания +15 В для питания элементов стабилизатора (опорный источник, усилитель ошибки и т.д.). Как говорилось выше, нестабилизированное входное напряжение должно быть выбрано достаточно большим в расчете на наихудший случай напряжения в силовой линии переменного тока (200 В), а также на допуски параметров трансформатора и конденсатора.

Линии связей. Для источников питания с большим выходным током или источников прецизионного напряжения следует тщательно продумать линии соединений в самом стабилизаторе и между стабилизатором и его нагрузкой. Если несколько различных приборов работают в качестве нагрузки одного стабилизатора, то все они должны присоединяться к источнику питания в точке, в которой подключен и датчик выходного напряжения стабилизатора, иначе флуктуации тока в одной из нагрузок повлияют на напряжение, поступающее к остальным нагрузкам (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Заземление питания в общей точке («Мекка» заземления).

В действительности хорошо иметь, как показано на схеме, общую точку заземления («Мекка») для нестабилизированного питания, опорного источника и т.д. Проблему падения напряжения в соединительных проводах между источником питания и нагрузкой с большим током иногда можно решить путем вынесения измерительных элементов: клеммы, ведущие обратно к усилителю ошибки и опорному источнику, выводятся отдельно на клеммную колодку источника питания и могут или присоединяться к выходам стабилизированного напряжения прямо на этом месте (обычный способ), или от них могут быть проложены шины дальше и присоединены к нагрузке рядом с выводами напряжения питания (этот способ требует наличия четырех проводов, два из которых должны быть рассчитаны на большие токи нагрузки). У большинства серийных источников питания имеется перемычка на задней стенке, соединяющей измени тельные входы стабилизатора с его выходом, которую можно убрать для «вынесения» измерительных входов. Аналогично включаются четырехпроводные резисторы для измерения тока нагрузки при построении источников питания с точно удерживаемым постоянным значением тока в нагрузке. Более подробно об этом описано в разд. 6.24.

Параллельное включение проходных транзисторов. Если от источника питания требуются большие значения выходного тока, то приходится применять несколько проходных транзисторов, соединенных параллельно. При этом из-за разброса параметра U_бэ приходится последовательно с эмиттером каждого из них ставить небольшой резистор, как показано на рис. 6.11. Эти резисторы приблизительно одинаково распределяют ток между проходными транзисторами. Значение R выбирается таким, чтобы падение напряжения на резисторе было ~ 0.2 В при максимальном значении выходного тока. Мощные ПТ могут быть соединены параллельно без дополнительных элементов благодаря отрицательному наклону зависимости их тока стока от температуры (рис. 3.13).

Рис. 6.11. Применение «балластных» эмиттерных резисторов при параллельном включении мошны биполярных транзисторов.

Область безопасной работы (ОБР). Последнее замечание о мощных транзисторах: явление, известное как «лавинный пробой», ограничивает одновременно и ток, и напряжение, которое может быть приложено к любому конкретному транзистору, поэтому изготовителем указывается область безопасной работы (это совокупность диапазонов безопасных напряжений при данном токе в зависимости от времени его протекания). Лавинный пробой связан с образованием «горячих точек» в транзисторных переходах и возникающем вследствие этого неравномерном распределении полного тока нагрузки. Этот факт накладывает на ток коллектора более жесткие ограничения, чем максимум рассеиваемой мощности (кроме случаев малых напряжений между коллектором и эмиттером). На рис. 6.12 показана область безопасной работы для широко применяемого транзистора 2N3055. При U_кэ > 40 В лавинный пробой ограничивает постоянный ток коллектора до величин меньших, чем позволяет максимальное значение рассеиваемой мощности (115 Вт). На рис. 6.13 показана область безопасной работы для двух подобных друг другу мощных высокочастотных транзисторов: биполярного n-p-n – транзистора 2N6274 и n – канального МОП – транзистора VNE003A. При U_кэ > 10 В лавинный пробой ограничивает постоянный ток коллектора n-p-n – транзистора значениями, соответствующими мощности рассеяния меньшей, чем максимально допустимая паспортная величина 250 Вт. Эта проблема не столь серьезна для коротких импульсов и фактически перестает просматриваться при длительности импульсов менее 1 мс. Обратите внимание на то, что МОП – транзистор не подвержен лавинному пробою; его ОБР ограничена максимально допустимым током (ограничение вносит сечение проводников, а их сопротивление для коротких импульсов тока выше, чем на постоянном токе), допустимой мощностью рассеяния и максимально допустимым напряжением затвор-исток. Более подробно об этом сказано в гл. 3, там где рассматриваются мощные транзисторы.

рис. 6.12. Область безопасной работы мощного биполярного транзистора 2N3055 (с разрешения Motorola, Inc.), – – – ограничен сечением выводов: температурное ограничение Т_к = 250°С (отдельные импульсы), ^_____ ограничение лавинного пробоя

Рис. 6.13. Сравнение ОБР мощного биполярного n-p-n – транзистора и n – канального МОП – транзистора. – – – 2N6274 (прп): ^_____ (n – канальный МОП) VNE003A

Нестабилизированные источники питания

Параллельное включение – транзистор – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Параллельное включение – транзистор

Cтраница 4

Рассмотрим второй пример, полагая, что выходное сопротивление насыщенного транзистора не зависит от тока базы. Поэтому при параллельном включении лтр транзисторов суммарный базовый ток считаем неизменным.  [46]

Буферный каскад служит для раскачки выходного каскада. В каскаде применено параллельное включение транзисторов TZ и Г4 для получения необходимой мощности раскачки выходного каскада.  [47]

Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей.  [49]

На рис. 8.9 приведена схема И, собранная на двух последовательно включенных транзисторах. Применяют также схемы с параллельным включением транзисторов. При отсутствии сигналов на входах оба транзистора заперты. Сигнал ( отрицательный импульс) на выходе появится только в том случае, когда на оба входа одновременно подают отрицательные отпирающие импульсы. Конденсаторы в входных цепях уменьшают длительность фронта выходного импульса.  [50]

В усилителе постоянного тока ( транзистор TZ) используют транзисторы с большим коэффициентом усиления по току, а в качестве регулируемого транзистора Т нужно выбрать транзистор, у которого допустимый ток коллектора превышает ток нагрузки стабилизатора. Если ток нагрузки превышает допустимый для данного транзистора, то применяют шунтирование его резистором или параллельное включение транзисторов. В последнем случае для равномерного распределения токов между транзисторами в цепи базы или эмиттера включают резисторы небольшого сопротивления. Коэффициент стабилизации составляет 50 – 80, а для получения больших его значений можно применить многокаскадные усилители постоянного тока. В некоторых случаях для повышения стабильности используют термокомпенсацию измерительного элемента.  [51]

На рис. 1.51 приведен другой вариант схемы НЕ, И-ИЛИ-НЕ с применением МДПДТ с вентильным и блокирующим транзисторами, где лишь одна из двух схем И имеет запрещающий вход и выполнена на ВТ р-типа и БТ тг-типа. Число входов НЕ, И может быть увеличено за счет ярусного включения транзисторов р-типа и параллельного включения транзисторов n – типа и подключения к объединенным затворам пар этих транзисторов дополняющей пары из ВТ и БТ. На рис. 1.52 показан пример такой схемы, реализующей функцию НЕ, И – т – ИЛИ-НЕ.  [52]

В схемах транзисторных стабилизаторов можно использовать как последовательный, так и параллельный тип включения регулирующего транзистора. Однако стабилизаторы первого типа находят наибольшее применение, так как в случае применения в АВМ стабилизаторов с параллельным включением транзистора получались бы, как правило, дополнительные потери выпрямленного тока.  [53]

Если температура переходов получается ниже предельно допустимой / пмакс, то данный тип транзисторов может быть применен. Если tntnMBKC, необходимо понизить температуру переходов, что достигается: применением транзисторов с меньшим тепловым сопротивлением переход – среда Rne, установкой транзисторов на радиаторе, параллельным включением транзисторов.  [54]

Однако при этом увеличивается мощность, рассеиваемая в цепи базы. Меньшим выходным сопротивлением в области насыщения обладают германиевые транзисторы; значительно более высоким выходным сопротивлением обладают кремниевые транзисторы, применение которых в силовых каскадах, работающих в режиме переключения, является нежелательным. Весьма эффективным методом уменьшения выходного сопротивления в области насыщения является параллельное включение транзисторов. Всегда желательно применение транзисторов с максимально большим усилением по току.  [55]

Страницы:      1    2    3    4

Работа полевого транзистора в качестве переключателя – Электронный концентратор

В этом руководстве мы узнаем о полевых транзисторах или полевых транзисторах, их работе, областях работы и увидим работу полевого транзистора как переключателя. Мы увидим, как и JFET, и MOSFET могут использоваться в коммутационных приложениях.

Введение

Широкий спектр преимуществ, таких как высокий входной импеданс, простота изготовления, простые операции и т. Д., Делает полевые транзисторы (FET) широко используемыми в различных приложениях, особенно в системах интегральных схем.

полевых транзисторов – это 2 транзистора ^{-го поколения} после биполярных транзисторов. Их можно использовать в качестве усилителей в осциллографах, испытательных и измерительных приборах, электронных вольтметрах и т. Д., А также в коммутационных действиях.

Давайте посмотрим подробно на работу полевого транзистора как переключателя. Но перед этим мы должны сначала взглянуть на основы полевого транзистора и его работы.

[adsense1]

НАЗАД В начало

FET и его рабочие зоны

Полевой транзистор – это униполярное устройство, в котором ток переносится только основными носителями (либо мотыгами, либо электронами).FET – это устройство, управляемое напряжением, что означает, что, управляя напряжением между затвором и истоком, выходной ток изменяется.

Давайте рассмотрим N-канальный JFET для понимания рабочих регионов. Работа или характеристики JFET разделены на три различных области, а именно омическую область, область насыщения и область отсечки. Напряжение, приложенное к стоку, обозначается как V _DS (иногда также обозначается как V _DD ), а напряжение на затворе обозначается как V _GS или V _GG .

N-Channel JFET Режимы работы полевого транзистора

Омическая область (V _DS > 0 и V _DS P )

В этой области слой истощения канала очень мал, а полевой транзистор действует как переменный резистор.

В этом случае значение V _DS больше нуля и меньше, чем V _P , поэтому нет отсечки канала и ток I _D увеличивается. Когда мы увеличиваем напряжение затвора истока V _GS , проводимость канала падает, а сопротивление увеличивается.Следовательно, области истощения будут расширяться, образуя узкий канал. Сопротивление канала обычно изменяется от 100 Ом до 10 кОм и, очевидно, регулирует напряжение. Следовательно, в этой области транзистор действует как резистор, управляемый напряжением.

[adsense2]

Область насыщенности (V _DS > V _GS – V _P )

Эта область начинается с точки, где V _DS больше, чем V _GS минус V _P , здесь V _P – напряжение отсечки.В этой области ток стока I _D полностью зависит от V _GS , а не от V _DS . Полевой транзистор работает в этой области для усиления сигналов, а также для операций переключения. Из рисунка видно, что когда V _GS равен нулю, протекает максимальный ток I _D . Когда мы меняем V _GS на более отрицательный, то ток стока падает. При определенном значении V _GS ток стока постоянно течет через устройство.Следовательно, эту область также называют областью постоянного тока.

Область отсечки (V _GS P )

Это область, в которой ток стока I _D равен нулю и устройство выключено. В этом случае напряжение затвора истока V _GS меньше напряжения отсечки V _P . Это означает, что значение V _GS более отрицательное, чем значение V _P . Таким образом, канал закрывается и не пропускает ток через устройство.

НАЗАД В начало

Полевой транзистор как переключатель (JFET)

Из вышеприведенного обсуждения ясно, что полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя, управляя им в двух областях, это область отсечки и область насыщения. Когда V _GS равен нулю, полевой транзистор работает в области насыщения, и через него протекает максимальный ток. Следовательно, это похоже на полностью включенное состояние. Точно так же, когда приложенный VGS является более отрицательным, чем напряжение отсечки, полевой транзистор работает в области отсечки и не допускает протекания тока через устройство.Следовательно, полевой транзистор находится в полностью выключенном состоянии. Полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя в различных конфигурациях, некоторые из них приведены ниже.

НАЗАД В начало

FET Используется как шунтирующий переключатель

Давайте посмотрим на рисунок ниже, где полевой транзистор подключен параллельно нагрузке и действует как аналоговый переключатель.

• Когда примененное VGS равно нулю, полевой транзистор включается, работая в области насыщения, и его сопротивление очень мало, почти 100 Ом. Выходное напряжение на полевом транзисторе составляет V _OUT = V _в * {R _DS / (R _D + R _{DS (ON)} )}.Поскольку сопротивление R _D очень велико, выходное напряжение примерно считается нулевым.
• Когда мы прикладываем отрицательное напряжение, которое равно напряжению отсечки на затворе, полевой транзистор работает в области отсечки и действует как устройство с высоким сопротивлением, а выходное напряжение равно входному напряжению.

Полевой транзистор как схема параллельного переключения

НАЗАД В НАЧАЛО

FET Используется в качестве последовательного переключателя

На рисунке ниже показана другая конфигурация схемы переключателя на полевых транзисторах. В этой схеме полевой транзистор действует как последовательный переключатель. Он действует как замкнутый переключатель, если управляющее напряжение равно нулю, и разомкнутый переключатель, если управляющее напряжение отрицательное. Когда полевой транзистор включен, входной сигнал появляется на выходе, а когда он выключен, выход равен нулю.

FET как последовательная схема переключения

НАЗАД В НАЧАЛО

Пример N-канального JFET в качестве коммутатора

На рисунке ниже показано, как N-канальный JFET-транзистор используется для переключения светодиода. Светодиод подключается между клеммами питания и истока через резистор.Здесь резистор используется для ограничения тока через светодиод. Клемма затвора транзистора подключена к отрицательному питанию.

• Из приведенного выше обсуждения, нулевое напряжение на выводе затвора заставляет ток течь через светодиод, потому что полевой транзистор находится в режиме насыщения. Таким образом, светодиод загорается.
• При достаточном отрицательном напряжении на выводе затвора (около 3-4 вольт) JFET переходит в режим отсечки, поэтому светодиод гаснет.

N-канальный JFET для переключения цепи светодиода

НАЗАД В НАЧАЛО

П-канальный полевой транзистор в качестве переключателя

До сих пор мы обсуждали N-канальный JFET в качестве переключателя.Другой тип JFET – это P-канальный JFET, и работа этого полевого транзистора также аналогична N-типу, но разница только в положительном напряжении на выводе затвора.

• Когда напряжение затвора истока равно нулю, полевой транзистор работает в области насыщения, поэтому полевой транзистор включается, что, в свою очередь, заставляет ток течь от стока к истоку.
• А положительное напряжение между затвором и истоком приводит к отключению тока через полевой транзистор. Итак, полевой транзистор находится в состоянии разомкнутой цепи.

P-канальный JFET в качестве схемы переключения

НАЗАД В НАЧАЛО

Пример P-канального JFET в качестве переключателя

Подобно светодиоду с N-канальным JFET, схема коммутируемого светодиода с P-каналом JFET приведена ниже. Разница между двумя схемами заключается в источнике питания на выводе затвора.

• Состояние включения остается одинаковым для обеих цепей, когда нулевое напряжение на клемме затвора заставляет светодиод светиться, когда полевой транзистор активен.
• Для переключения полевого транзистора в режим отсечки достаточное положительное напряжение (в данном случае от 3 до 4 вольт) останавливает ток через цепь.Поэтому светодиод выключен. Мы также можем использовать полевые транзисторы для включения цепей реле, драйверов двигателей и других электронных схем управления.

P-Channel JFET для переключения светодиода

НАЗАД В НАЧАЛО

МОП-транзистор как переключатель

Другой тип полевого транзистора – это полевой МОП-транзистор, который также является устройством, управляемым напряжением. Уровень V _GS , при котором ток стока увеличится или начнет течь, называется пороговым напряжением V _T .Следовательно, если увеличить V _GS , ток стока тоже возрастет. И если мы увеличим V _GS , оставив постоянным V _DS , то ток стока достигнет уровня насыщения, как в случае JFET.

MOSFET работает в режиме отсечки, когда V _GS ниже порогового уровня. Следовательно, в этом режиме ток стока не течет. Следовательно, действует как переключатель ОТКРЫТЬ

.

Для лучшего понимания рассмотрим рисунок ниже, на котором N-канальный полевой МОП-транзистор расширенного типа переключается на разные напряжения на выводе затвора.

• На приведенном ниже рисунке вывод затвора MOSFET подключен к V _DD , так что напряжение, подаваемое на вывод затвора, является максимальным. Это приводит к тому, что сопротивление канала становится таким маленьким и позволяет протекать максимальному току стока. Это называется режимом насыщения, и в этом режиме полевой МОП-транзистор полностью включен как замкнутый переключатель. Для полевого МОП-транзистора с P-каналом для включения потенциал затвора должен быть более отрицательным по отношению к источнику.
• В области отсечки приложенное V _GS меньше порогового уровня напряжения, поэтому ток стока равен нулю.Следовательно, полевой МОП-транзистор находится в режиме ВЫКЛ, как и разомкнутый переключатель, как показано на рисунке.

МОП-транзистор как схема переключения

НАЗАД В начало

Пример полевого МОП-транзистора в качестве переключателя

Давайте рассмотрим схему MOSFET, которая управляет светодиодом, как показано на рисунке. Здесь N-канальный полевой МОП-транзистор используется для переключения светодиода с помощью простого переключателя.

• Когда переключатель в разомкнутом состоянии вызывает нулевое напряжение на затворе относительно земли или источника.Таким образом, полевой МОП-транзистор остается выключенным, и светодиод не светится.
• Когда переключатель нажимается, чтобы закрыть его, соответствующее положительное напряжение (в данном случае 5 В) подается на вывод затвора. Итак, полевой МОП-транзистор включен, и светодиод начнет светиться.
• Здесь это простая резистивная нагрузка, но в случае любых индуктивных нагрузок, таких как двигатели, реле, мы должны использовать свободно вращающиеся диоды через нагрузку, чтобы защитить полевой МОП-транзистор от наведенных напряжений.

MOSFET для переключения светодиода

В большинстве схем MOSFET используется в качестве переключателя по сравнению с JFET из-за его преимуществ.Мы также можем использовать схему переключения (для управления нагрузкой на определенной частоте переключения) для полевых транзисторов JFET и полевых МОП-транзисторов для получения сигналов ШИМ в зависимости от требований к нагрузке.

Мы надеемся, что эта общая информация, возможно, позволила вам понять, как мы можем переключать нагрузки с помощью полевых транзисторов с условиями переключения и необходимыми цифрами. Вы также можете написать нам о любых сомнениях или технической помощи по этой концепции в разделе комментариев ниже.

НАЗАД В начало

ПРЕДЫДУЩИЙ – ТРАНЗИСТОР КАК ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

СЛЕДУЮЩИЙ – ТРАНЗИСТОР ДАРЛИНГТОНА

Устройства на полевых транзисторах с карбидокремниевым переходом для масштабируемых твердотельных автоматических выключателей

Армейская исследовательская лаборатория, Адельфи, Мэриленд

Силовые электронные преобразователи, работающие как компоненты в мощных системах, например, в гибридных военных наземных транспортных средствах, требуют быстрой локализации неисправностей и в большинстве случаев дополнительно выигрывают от двунаправленной изоляции неисправностей.Чтобы предотвратить повреждение или отказ преобразователя, необходима скорость прерывания тока короткого замыкания в диапазоне от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. Используемые в настоящее время механические контакторы не обеспечивают адекватных скоростей срабатывания и серьезно ухудшаются во время устранения повторяющихся повреждений. Вместо этого желательно использовать большой массив полупроводниковых устройств, имеющих в совокупности низкие потери проводимости, чтобы обеспечить большую способность управления током и быструю скорость перехода для прерывания тока.

Тестовая конфигурация VJFET-транзистора.Двунаправленный демпфер был соединен поперек деталей. Изолированный источник питания постоянного тока использовался в качестве источника, а нагрузка на 50 Ом была подключена последовательно с VJFET-транзисторами. Разработан твердотельный контактор для защиты неизолированного преобразователя постоянного тока в постоянный. Твердотельный контактор был разработан с использованием параллельно включенных полевых транзисторов (MOSFET) из карбида кремния (SiC), металлооксидных полупроводниковых полупроводников. Большое количество кристаллов SiC MOSFET номиналом 20 А было размещено параллельно, чтобы выдерживать ток свыше 500 А с желаемым падением проводимости на детали 1 В.Чтобы вести себя как механический контактор, останавливая ток в обоих направлениях, контактор на основе полевого МОП-транзистора потребует дополнительного набора параллельно включенных полевых МОП-транзисторов, размещенных последовательно с исходным набором, но в противоположном направлении от него (соединенные спиной МОП-транзисторы) с выводом истока полевых МОП-транзисторов, соединенных вместе. Этот добавленный набор полевых МОП-транзисторов фактически удвоит как количество необходимых устройств, так и количество потерь контактора по сравнению с первоначальными оценками.

Полевой транзистор на SiC-переходе (JFET) рассматривался как возможный кандидат для использования вместо MOSFET в конструкции твердотельного контактора.В этом приложении нормально включенный полевой транзистор JFET будет обеспечивать работу в качестве прерывателя цепи, прерывая ток при срабатывании, подобно защите от неисправностей, обеспечиваемой автоматическими выключателями в энергосистемах общего пользования. Из-за отсутствия паразитного основного диода между выводами стока и истока полевого транзистора было высказано предположение, что одно устройство может обеспечивать двунаправленную проводимость тока и двунаправленную блокировку напряжения. Двунаправленный демпфер был разработан для снижения напряжения полупроводникового выключателя во время изоляции короткого замыкания.Было проведено моделирование для определения подходящих номиналов компонентов на основе расчетных индуктивностей линии наихудшего случая.

Корпорация Northrop Grumman Corporation (NGC) разработала SiC вертикальные полевые транзисторы (VJFET) с номинальным током 20 А и 50 А с соответствующими блокирующими напряжениями до 1900 В и 1200 В. Образцы VJFET-транзисторов меньшего размера с номиналом 8А были получены для тестирования приложений в уменьшенном масштабе. Изолированный драйвер был разработан и изготовлен для обеспечения регулируемого смещения затвор-исток (VGS) номинально +2 В для проводимости VJFET и регулируемого смещения VGS до –24 В для условий блокировки.Драйвер был протестирован на небольшой емкостной нагрузке затвора.

После того, как были охарактеризованы асимметрии VJFET, эти детали предложили преимущества по сравнению с MOSFET в конфигурации «спина к спине». По сравнению с MOSFET, VJFET-транзисторы предлагают более высокие рабочие температуры из-за отсутствия оксидного слоя. Существующие VJFET-транзисторы также имеют более низкое сопротивление в открытом состоянии для данной площади кристалла. Наконец, полевые транзисторы VJFET имеют значительно меньшую емкость затвора, что приводит к более высокой скорости перехода.

Оценка деталей проводилась на простой испытательной установке.Две части VJFET на 8 А были подключены по схеме «спина к спине» с общими источниками. Двунаправленный демпфер был соединен поперек деталей. Изолированный источник питания постоянного тока использовался в качестве источника, а нагрузка 50 Ом была подключена последовательно с полевыми транзисторами типа VJFET. Эта установка позволила легко поменять местами соединения пары VJFET для двунаправленного тестирования. Драйвер был соединен с линией затвора с затворами обоих VJFET через отдельные резисторы на 5 Ом, а линия истока была подключена к общему истоку обеих частей.

Для правильной работы конфигурации VJFET с обратной связью в этом приложении требуется либо уменьшенный VGS (по крайней мере, для устройства с обратной проводимостью), либо достаточное количество пар устройств должно быть подключено параллельно для предотвращения падения напряжения. между истоком и стоком устройства обратной проводимости ниже 1В. В любом случае эти действия фактически снизят номинальные параметры устройств почти в два раза, в результате чего для данного уровня тока потребуется почти вдвое больше пар устройств, соединенных друг с другом. Применение уменьшенного VGS в открытом состоянии только к устройству с обратной проводимостью также увеличило бы сложность драйвера затвора в дополнение к обнаружению и согласованию, необходимым для определения направления тока для отправки правильных задержек стробирования.

Эту работу выполнил Дамиан П. Урчиуоли из лаборатории армейских исследований. Для получения дополнительной информации загрузите пакет технической поддержки (бесплатный технический документ) по адресу www.defensetechbriefs.com/tsp в категории «Электроника / компьютеры». ARL-0092

---

Это краткое описание включает пакет технической поддержки (TSP).

Устройства на полевых транзисторах с карбидокремниевым переходом для масштабируемых твердотельных прерывателей цепи

(номер ARL-0092) в настоящее время можно загрузить из библиотеки TSP.

ВОЙТИ ДЛЯ ЗАГРУЗКИ

Нет учетной записи? Подпишите здесь.

---

---

Defense Tech Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в февральском выпуске журнала Defense Tech Briefs за февраль 2010 г.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Другие статьи из архивов читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Junction Field Effect Transistors (JFET)

Соединительные полевые транзисторы (JFET)

В разделе 10-2 Junction полевые транзисторы иногда упоминаются как JFET от J-F-E-T. Полевые транзисторы – это еще один класс электронных компонентов. Полевые транзисторы похожи на биполярные транзисторы в том, что их можно использовать в качестве усилителей и переключателей. Обратите внимание, что упомянутые они похожи на биполярные, потому что они представляют группу, которая называется униполярной, и мы поговорим о том, почему через несколько минут.Полевые транзисторы также очень уникальны по своей конструкции и принципам работы по сравнению с биполярными транзисторами.

Конструкция полевого транзистора

Полевые транзисторы

построены из материалов p- и n-типа, но совершенно иначе, чем биполярные транзисторы. Подложка из материала p-типа имеет диффузионный карман из материала n-типа. Вы начинаете с куска материала p-типа. В него распылен материал N-типа. Затем другой кусок материала P рассеивается в материале n-типа, так что у вас есть конфигурация, которая выглядит следующим образом.Провода подключаются к источнику. Здесь, здесь и к этим двум точкам, составляющим ворота, будет подключен провод. Теперь в этом случае ток протекает только через N материалов. Ток будет течь от источника к стоку. Он протекает только через материал n-типа, в данном случае через полевой транзистор n-типа. Отсюда термин униполярный, потому что ток проходит только через один тип материала.

Только что описанный полевой транзистор был n-канальным полевым транзистором. Полевые транзисторы с P-каналом сконструированы таким же образом, за исключением того, что расположение типов материалов поменяно местами.Ток течет по каналу между истоком и стоком. Помните, что у нас была наша конфигурация транзисторов. Мы сказали, что ток в основном течет от счетчика к коллектору. Это схематический символ полевого транзистора, и опять же, ток будет течь по нему, но не сразу к коллектору. Это будет сливаться. Вот и ворота. Снова у нас есть стрелка. Эта линия прямо здесь указывает канал. Это канал, по которому ток течет от истока к стоку. На самом деле это ворота, вот этот круг.Это будет канал p-типа. И снова стрелка указывает на материал N ворот. Это указывает на то, что p-канал здесь является каналом в этом случае. Ток течет по каналу между истоком и стоком.

Смещение

Смещение для n-канальных полевых транзисторов показано справа. Здесь у нас есть предвзятость. К нему приложено некоторое напряжение. Обратите внимание, что у нас есть VDD, это напряжение на стоке. Вы заметите, что здесь к n-материалу подключено отрицательное напряжение, а с другой стороны материала N. – положительное.Ток будет течь через материал N как таковой. Это определило бы ток в стоке. Подается другое напряжение, и это напряжение находится между затвором и каналом. Обратите внимание, что здесь положительный полюс идет к материалу N, а отрицательный – к P. Итак, это конфигурация обратного смещения. Здесь обратная предвзятость. Обратите внимание, здесь мы показываем один вольт. Мы собираемся показать возрастающие значения напряжения здесь, на экранах, которые появятся позже здесь.

Два параллельных PN перехода имеют обратное смещение, вызывающее образование обедненной области в канале.Обратите внимание на положительный результат на N и отрицательный на P. Мы уже указывали на это. Поскольку у них было обратное смещение между P и N, у нас будет область истощения на границах PN и материала N. Теперь это низкое напряжение. Он на 1 вольт, и у нас есть истощение, но оно не очень большое.

Повышенное обратное смещение вызывает расширение обедненной области, увеличивая сопротивление. Когда мы увеличиваем здесь значения напряжения, мы собираемся увеличивать области истощения.Следовательно, мы собираемся увеличить сопротивление N-канала. В этом случае значение VGG составляет 1 вольт. Обычно это значение равно нулю для максимального тока, поэтому не будет смещения по стихам. Если бы это было при нулевом напряжении, у вас был бы максимальный ток, протекающий от истока к стоку. Это прямо противоположно тому, как работает биполярный транзистор. Если бы у вас было нулевое напряжение на базе биполярного транзистора, у вас не было бы тока. С нулевым напряжением полевого транзистора на эквивалентном затворе будет обеспечиваться максимальный ток.

По мере увеличения значения обратного смещения от VGG, обратите внимание, что область обеднения увеличивается и начинает подавлять ток через материал N. На предыдущем экране было 1 вольт, теперь 3 вольта. Вы заметите, что область истощения здесь становится больше. Электроны хотят лететь отсюда сюда, но их буквально душат. Мы наблюдаем увеличение сопротивления в канале и уменьшение тока через него. Поведение N-канала очень похоже на резистор.При низком обратном смещении он имеет очень небольшое сопротивление току. С увеличением обратного смещения сопротивление увеличивается.

Теперь у нас 3 вольта обратного смещения. Когда на P-канал подается высокий уровень обратного напряжения, N-канал – вот интересный термин – «защемлен». Здесь у нас 6 вольт. Теперь области истощения стали настолько большими, что полностью перекрыли весь поток, и ток через это устройство прекратится. Это эквивалентно отсечке в биполярном транзисторе.Следует отметить, что N-канал не имеет специального легирования, которое различает сток и исток. В биполярном транзисторе легирование эмиттера и коллектора было разным. В этом случае разницы нет. В большинстве наборов сток и исток взаимозаменяемы. Биполярный требует прямого смещения PN-перехода для проведения. JFET требует нулевого напряжения, и мы уже упоминали об этом ранее.

Это наша отправная точка с полевыми транзисторами, и мы рассмотрели смещение и немного о конструкции этих устройств.

Видеолекции, созданные Тимом Фигенбаумом в Общественном колледже Северного Сиэтла.

Усилитель на полевом транзисторе – TINA и TINACloud

Усилитель на полевом транзисторе

В этой главе мы проводим параллель с подходом, который мы использовали для транзисторов BJT, на этот раз сосредоточившись на полевом транзисторе. Изучив этот материал, вы

• поймете разницу между полевыми транзисторами и биполярными транзисторами.
• Изучите различия между различными формами полевых транзисторов.
• Знайте, как смещать полевые транзисторы для линейной работы.
• Узнайте о моделях слабого сигнала и о том, как их использовать.
• Уметь анализировать схемы усилителя на полевых транзисторах.
• Уметь разрабатывать схемы усилителя на полевых транзисторах в соответствии со спецификациями.
• Узнайте, как программы компьютерного моделирования моделируют полевые транзисторы.
• Знайте, как изготавливаются полевые транзисторы как часть интегральных схем.

ВВЕДЕНИЕ

Современный полевой транзистор (FET) , предложенный W.Шокли в 1952 году отличается от BJT. FET – это устройство основной несущей . Его работа зависит от использования приложенного напряжения для управления основными носителями (электроны в материале типа n и дырки в материале типа p ) в канале. Это напряжение регулирует ток в устройстве с помощью электрического поля.

Полевые транзисторы – это устройства с тремя выводами, но в отличие от биполярных транзисторов, напряжение на двух выводах управляет током, протекающим на третьем выводе.Три вывода в полевом транзисторе – это сток , исток и затвор .

Сравнивая полевые транзисторы с биполярными транзисторами, мы увидим, что сток (D) аналогичен коллектору, а исток (S) аналогичен эмиттеру. Третий контакт, вентиль , (G), аналогичен основанию. Исток и сток полевого транзистора обычно можно менять местами, не влияя на работу транзистора.

Мы подробно обсуждаем два класса полевых транзисторов, это переходные полевые транзисторы (JFET) и металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).

Глава начинается с обсуждения характеристик полевых МОП-транзисторов и полевых транзисторов JFET и сравнения этих характеристик. Затем мы исследуем способы использования этих устройств в схемах и методы смещения различных конфигураций усилителей.

По мере детального изучения методов анализа мы представляем компьютерные имитационные модели. Далее следуют подробные разделы, посвященные методам анализа и методологии проектирования.

Глава завершается кратким описанием других специальных устройств.

Симуляторы схем TINA и TINACloud, поддерживающие этот ресурс, включают в себя множество сложных компьютерных имитационных моделей MOSFET и JFET и схем, которые будут использоваться для моделирования схем.

NEXT- 1. Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Характеристики аналоговых переключателей на переходных полевых транзисторах

% PDF-1.4 % 292 0 объект >>>>> / StructTreeRoot 287 0 R / Тип / Каталог >> эндобдж 285 0 объект > эндобдж 286 0 объект > поток 1ACVISION Technologiesapplication / pdf

Jomeswarng, Paichitr

Характеристики аналоговых переключателей на переходных полевых транзисторах

PdfCompressor 6.0.5152014-04-10T13: 55: 16-08: 002014-04-16T08: 41: 44-07: 002014-04-16T08: 41: 44-07: 00uuid: 7995c416-167e-4da4-93f5-9009f3dd6ce7uuid: 205b76bd- 0b9d-4a49-ab5f-e0ca95f90e33 конечный поток эндобдж 289 0 объект > эндобдж 287 0 объект > эндобдж 288 0 объект > эндобдж 293 0 объект > эндобдж 1 0 объект > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 25 0 объект > эндобдж 31 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 43 0 объект > эндобдж 49 0 объект > эндобдж 55 0 объект > эндобдж 61 0 объект > эндобдж 67 0 объект > эндобдж 73 0 объект > эндобдж 79 0 объект > эндобдж 85 0 объект > эндобдж 91 0 объект > эндобдж 97 0 объект > эндобдж 103 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 115 0 объект > эндобдж 121 0 объект > эндобдж 127 0 объект > эндобдж 133 0 объект > эндобдж 139 0 объект > эндобдж 145 0 объект > эндобдж 151 0 объект > эндобдж 157 0 объект > эндобдж 163 0 объект > эндобдж 169 0 объект > эндобдж 175 0 объект > эндобдж 181 0 объект > эндобдж 187 0 объект > эндобдж 193 0 объект > эндобдж 199 0 объект > эндобдж 205 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 211 0 объект > эндобдж 217 0 объект > эндобдж 223 0 объект > эндобдж 229 0 объект > эндобдж 235 0 объект > эндобдж 241 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 247 0 объект > эндобдж 253 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 259 0 объект > эндобдж 265 0 объект > эндобдж 271 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 277 0 объект > эндобдж 278 0 объект > / ProcSet [/ PDF / ImageB / Text] / XObject >>> эндобдж 279 0 объект > поток

Схемы полевых транзисторов, май 1967 г. Electronics World

Май 1967 Мир электроники Таблица содержания Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники.См. Статьи из Electronics World , опубликовано в мае 1959 г. – Декабрь 1971 г. Все авторские права подтверждаются.

Если вы только вводите области электроники, концепции, представленные в этой статье полувековой давности для основные полевые транзисторы по-прежнему актуальны. Значительные улучшения есть сделано с тех пор, но основы остаются в силе. Один из самых полезных предметов в Эта статья представляет собой Таблицу 1, в которой сравниваются и противопоставляются вакуумные лампы, биполярный переход транзисторы и полевые транзисторы.Рассматриваемые темы включают общие свойства полевых транзисторов, повторителей источников (а-ля повторителей эмиттеров в BJT), усилителей с общим истоком (как усилители с общим эмиттером в биполярных транзисторах), генератор Миллера, комбинации Полевые транзисторы и биполярные транзисторы, а также стробируемый амплитудный модулятор.

Схемы на полевых транзисторах

Джозеф Х. Вуджек-младший и Макс Э. Макги

Группа из шести простых и недорогих схем, которые иллюстрируют многие принципы. работы полевого транзистора.

Рис. 1 – Табличное сравнение ламп, транзисторов и полевых транзисторов.

Рис. 2 – Схема «исток-повторитель» с АЧХ.

Рис. 3 – Схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком и характеристика.

Рис. 4 – Схема генератора Миллера.

Рис. 5 – Пара полевой транзистор / транзистор имеет усиление и высокое входное сопротивление.

Рис. 6 – Схема расширителя импульсов с полевым транзистором и транзисторами.

Одним из важнейших новых полупроводниковых устройств является полевой транзистор. (FET). В этой статье описываются шесть недорогих схем, которые могут быть построены для демонстрации важные свойства полевых транзисторов. Используются полевые транзисторы с р-каналом U-110 и / или U-112. в обсуждаемых схемах и относительно невысокая цена. Siliconix предлагает U-110 и U-112 вместе в пакете по 2 доллара.75. У-110 можно оставить в одиночестве для 1 доллар США по этому предложению. Полевые транзисторы промышленного типа, U-146 и U-147, немного выше в цене. В качестве биполярных транзисторов используются эпоксидные устройства General Electric. которые продаются по цене от 0,50 до 1 доллара за штуку.

Общие свойства полевого транзистора

Для удобства сходства среди электронных ламп, транзисторов и полевых транзисторов показаны на рис. 1. Мы должны признать внутренние различия, которые существуют между электронными лампами, транзисторами и полевыми транзисторами и таблица служит только для помощи в указании полярностей предубеждений.

Полевой транзистор похож на вакуумную лампу тем, что сопротивление, смотрящее на затвор очень высока и может составлять порядка сотен МОм. Кроме того, полевой транзистор – это устройство с низким уровнем шума, лучше, чем биполярные транзисторы, и конкурирует с электронными лампами. С другой стороны, полевые транзисторы похожи на транзисторы по токам утечки, которые протекают между их электродами, когда устройство отключено.

Последователь Источника

Схема истокового повторителя аналогична катодному повторителю на электронных лампах. или транзисторный эмиттер-повторитель.Мы можем ожидать аналогичного поведения от этих схем. так оно и есть. Таким образом, у нас высокий входной импеданс, относительно низкий выходной импеданс, и коэффициент усиления по напряжению, который можно сделать очень близким к единице.

На рис.2 показана простая схема истокового повторителя и характеристики полосы пропускания. получается с двумя разными полевыми транзисторами. Резистор 2 МОм устанавливает затвор. смещения и аналогичен резистору утечки сетки, используемому в ламповой работе. Однако этот резистор должен быть достаточно маленьким, чтобы увеличился ток утечки между затвором и источник не изменит кардинально предвзятость.Для У-110 и У-112 утечка между затвором и истоком при комнатной температуре порядка 5 наноампер (5 x 10 ^-9 amp), поэтому резистор на 1 или 2 МОм будет достаточным.

При повышенных температурах увеличение тока утечки приведет к тому, что резистор меньшего размера, чтобы уменьшить изменения смещения с током утечки. Это можно смещать полевые транзисторы так, чтобы получился очень небольшой температурный дрейф.

Усилитель с общим истоком

Схема с общим истоком аналогична транзистору с общим эмиттером и общим катодом. ламповые схемы.Опять же, свойства этой схемы аналогичны транзистору. и ламповые аналоги. Входное и выходное сопротивление имеют промежуточное значение и может быть реализовано усиление по напряжению больше единицы.

На рис. 3 показаны схема с общим источником и диаграмма полосы пропускания, полученная с использованием либо полевой транзистор U-110, либо U-112.

Осциллятор Миллера

Очень высокий входной импеданс полевого транзистора позволяет нам построить простую схему Миллера. осциллятор рис.4. Высокое сопротивление схемы затвора приводит к небольшой нагрузке. кристалла. Комбинация LC в контуре стока настроена так, чтобы слегка резонировать ниже параллельного резонанса кристалла. Для рассматриваемого типа устройств В этой статье верхний предел работы по частоте составляет всего несколько мегагерц. Для кристаллов, отличных от показанного блока 512 кГц, необходимо изменить комбинацию LC. соответственно.

Выход генератора не выдержит большой нагрузки, но источник-повторитель Схема может использоваться в качестве драйвера для обеспечения низкого выходного сопротивления без нагрузки ступень генератора чрезмерно.Учитывая различия в типах полевых транзисторов и деталях компоновки, также может потребоваться некоторая модификация сети LC. Для тестируемой схемы «чистые» колебания наблюдались для четырех типов полевых транзисторов, указанных на рисунке. без перенастройки схемы и при напряжении питания от 6 до 22 вольт.

Пара полевых транзисторов / транзисторов

Схема, которая работает как улучшенный повторитель-источник или повторитель-эмиттер. показан на рис.5. Полевой транзистор снова обеспечивает очень высокое входное сопротивление, в то время как транзисторный выход обеспечивает низкий выходной импеданс. В отличие от последователя-источника или ведомого-эмиттера, эта схема может быть построена так, чтобы коэффициент усиления по напряжению был больше единицы. Это выполнено резистором в цепи обратной связи, как показано на рис. 5A (внизу справа).

На рис. 5В приведены характеристики полосы пропускания при использовании с коэффициентом усиления по напряжению, равным единице. и с усилением по напряжению больше единицы. Полоса пропускания зависит от импеданса. источника движения.При возбуждении испытательным генератором на 600 Ом верхние 3 дБ точка составляет 2 МГц. Полоса пропускания уменьшается по мере увеличения импеданса источника возбуждения. В на низких частотах входное сопротивление усилителя составляет около 100 МОм, а выходное сопротивление сопротивление менее 2000 Ом.

На рис. 6 показан стретчер, который измеряет пиковую амплитуду импульса и удерживает этот уровень напряжения на время, намного превышающее ширину импульса. Диаграмма включает кнопку для подачи импульса, но, конечно, импульс может быть связан из подходящего внешнего источника.

Транзисторы Q1 и Q3 обеспечивают преобразование импеданса и изолируют полевой транзистор от как источник, так и нагрузка. При появлении входного импульса конденсатор заряжается через Q1 и диод. По окончании входного импульса Q1 отключается, и диод с обратным смещением. Входное сопротивление Q2 очень велико, так что заряд утекает из конденсатора в основном за счет тока утечки через диод и конденсатор. Затем полевой транзистор (Q2) представляет постоянный ток. уровень до Q3, который действует как драйвер вывода.На рис. 6 также показана длительность выходного сигнала, полученного с четырьмя различными полевыми транзисторами. (Обратите внимание, что полевой транзистор подключен в обратном порядке, чтобы сделать сток отрицательным.)

Постоянная времени может быть увеличена за счет использования полевого транзистора с очень низкой утечкой затвора. и выбрав диод и конденсатор с очень низкой утечкой. Используя эти больше дорогие компоненты, схемы стретчера на полевых транзисторах с длительностью выходных импульсов до 30 часов построено. Схема может использоваться как детектор пиковой амплитуды или для получения необходимой выдержки времени.Сброс осуществляется либо путем разрешения выхода на распад или замыканием конденсатора на массу.

Полевой транзистор также можно использовать в качестве линейного затвора или электронного переключателя, как показано на рис. 7. Сопротивление между истоком и стоком при «замкнутом» переключателе составляет примерно 1 / г _м . Когда переключатель находится в “разомкнутом” положении, только небольшой ток утечки протекает между исток и сток. Этот тип схемы также может использоваться в качестве амплитудного модулятора.

Рис.7 – Схема линейного стробирования или амплитудного модулятора.

Мы представили шесть простых и недорогих схем, которые иллюстрируют многие принципы работы полевого транзистора. Эти схемы предназначены для понимания устройств и стимулировать размышления о других приложениях.

Авторы выражают признательность г-ну Чарльзу Макдональду за сотрудничество. из Siliconix, Inc. и г-на Эл Кенрика из General Electric Company.

Опубликовано: 22 июля 2019 г. (оригинал 3/1/2012)

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его.