Полевые транзисторы МДП (МОП)

У этих ПТ затвор изолирован от токопроводящего канала слоем диэлектрика. Из-за наличия диэлектрика у этих ПТ очень высокое входное сопротивление R_ВХ » 1000 ГОм. Принцип действия основан на изменении проводимости приповерхностного слоя полупроводника (канала) на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. В общем случае эти ПТ – четырёхэлектродный прибор: электроды исток, сток, затвор и подложка.

Подложка – полупроводниковая основа ПТ и её вывод иногда выполняет вспомогательную управляющую функцию.

ПТ вида МДП делятся на два типа. Со встроенным каналом, рисунок 3.29.

Рисунок 3.29 – ПТ со встроенным каналом

Запитывают такой ПТ по схеме, приведённой на рисунке 3.30.

Рисунок 3.30 – Запитка ПТ со встроенным каналом

Рассмотрим входные и выходные ВАХ таких полевых транзисторов. При U_ЗИ = 0 имеется конкретное значение I_C, рисунок 3.31.

Рисунок 3.31 – Стоко-затворная и выходные характеристики ПТ

со встроенным каналом

При U_ЗИ < 0 отрицательный потенциал на затворе создает поле, отталкивающее электроны в канале n-типа, концентрация их уменьшается, сопротивление канала увеличивается и I_C уменьшается. Это режим обеднения. При U_ЗИ > 0, электроны полем потенциала затвора втягиваются в канал из p-подложки. Концентрация электронов в канале увеличивается, его сопротивление уменьшается и I_C увеличивается. Это режим обогащения.

С индуцированным каналом, рисунок 3.32.

Канал проводимости в этом ПТ заранее не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из p-подложки при приложении к затвору положительного потенциала.

Рисунок 3.32 – ПТ с индуцированным каналом

Транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения. Его входные и выходные ВАХ отражены на рисунке 3.33.

Рисунок 3.33 – ВАХ ПТ с индуцированным каналом

Для таких МДП ПТ входное сопротивление R_ВХ > 1000 ГОм и C_ЗИ, С_ЗС и С_СИ примерно на порядок меньше, чем у ПТ с p-n-переходом.

Включение ПТ

Включение ПТ схоже со схемами включения БПТ. Это схемы с общим стоком (ОС) – аналогична схеме с ОК, общим истоком (ОИ) – аналогична схеме с ОЭ, общим затвором (ОЗ ) – аналогична схеме с ОБ. Включение ПТ по схеме с ОЗ из-за малого входного сопротивления практически не используется.

Схема с ОИ. Её можно представить по рисунку 3.34 [5].

Рисунок 3.34 – Включение ПТ по схеме с ОИ

Добавление источника входного сигнала u_C и R_Н позволяет снять выходной сигнал (при воздействии входного). Коэффициент усиления каскада по напряжению определяется: К_u » SR_H. Выходное сопротивление определяется: R_ВЫХ » R_H. Входной сигнал в каскаде по схеме с ОИ инвертируется.

Схема с ОС. Её часто называют истоковым повторителем, рисунок 3.35. Используется для получения: малой входной емкости; для преобразования сопротивления вход-выход в сторону уменьшения; для работы с большим входным сигналом.

Рисунок 3.35 – Включение ПТ по схеме с ОС

Для этой схемы К_u £ 1. Входное сопротивление каскада примерно равно сопротивлению входной цепи. При больших R_H величина R_вых » 1/S. Входной сигнал не инвертируется.

Схема с ОЗ. Используется для преобразования низкого R_ВХ в высокое R_ВЫХ, рисунок 3.36.

Рисунок 3.36 – Включение ПТ по схеме с ОЗ

Входное сопротивление схемы мало и определяется выражением:

. (3.13)

Коэффициент усиления по напряжению можно найти по формуле:

, (3.14)

а выходное сопротивление велико и определяется выражением:

. (3.15)

Вопросы для самотестирования

1 В каком направлении проводит ток симистор?

2 Что называется временем восстановления обратного сопротивления диода?

3 Когда у p-n–перехода появляется барьерная ёмкость?

4 Поясните выражение «вентильные свойства p-n–перехода».

5 Как в полупроводнике образуются положительно заряженные частицы (дырки)?

Источники питания

Первый функциональный узел источника питания – это выпрямитель: устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть [4].

Выпрямители с потребляемой нагрузкой мощностью до нескольких сотен ватт относят к классу маломощных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д. При указанной мощности нагрузки задачу преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока. Структурная схема однофазного выпрямителя показана на рисунке 3.37. Трансформатор на входе диодной схемы выполняет вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного напряжения u₂ при заданном первичном напряжении u₁.

Рисунок 3.37 – Структура маломощного источника питания

Имеются схемы выпрямителей, в которых трансформатор является их неотъемлемой частью, например схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора. Мостовая схема выпрямления нашла наибольшее применение в маломощных выпрямителях однофазного тока. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения u₂(wt) однополярных полуволн напряжения на u_d(wt) (рисунок 3.38). Напряжение u_d(wt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая U_d определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Рисунок 3.38 – Временные диаграммы выпрямления

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую, которая определяется разностью напряжений u_d(wt) – U_d. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих фильтров (рисунок 3.37).

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и, наоборот – постоянному току. Сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор – параллельно ей.

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Путем выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам на пассивных компонентах, кроме одиночной ёмкости, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для сглаживающего фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой может быть стабилизатор напряжения (рисунок 3.37), обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.