Передаточные характеристики

В транзисторах передаточные характеристики можно понимать как построение графика зависимости выходного тока от величины, регулирующей ввод, которая, следовательно, демонстрирует прямую «передачу» переменных от входа к выходу на кривой, представленной на графике.

Мы знаем, что для биполярного переходного транзистора (BJT) выходной ток коллектора IC и управляющий входной базовый ток IB связаны параметром бета , который считается постоянным для анализа.

Обращаясь к приведенному ниже уравнению, мы находим линейную зависимость, существующую между IC и IB. Если мы сделаем уровень IB 2x, тогда IC также удвоится пропорционально.

Но, к сожалению, эта удобная линейная зависимость может быть недостижима в полевых транзисторах JFET по их входной и выходной величине. Скорее, соотношение между током стока ID и напряжением на затворе VGS определяется следующим образом: Уравнение Шокли :

Здесь квадратное выражение становится ответственным за нелинейный отклик по ID и VGS, что приводит к экспоненциальному росту кривой по мере уменьшения величины VGS.

Хотя математический подход было бы проще реализовать для анализа постоянного тока, графический способ может потребовать построения приведенного выше уравнения.

Это может представить рассматриваемое устройство и график сетевых уравнений, относящихся к идентичным переменным.

Мы находим решение, глядя на точку пересечения двух кривых.

Помните, что при использовании графического метода характеристики устройства не зависят от сети, в которой оно реализовано.

Когда пересечение двух кривых изменяется, это также меняет уравнение сети, но это не влияет на кривую переноса, определяемую приведенным выше уравнением 5.3.

Поэтому в целом можно сказать, что:

На передаточную характеристику, определяемую уравнением Шокли, не влияет сеть, в которой реализовано устройство.

Мы можем получить кривую передачи, используя уравнение Шокли, или из выходных характеристик как показано на рис. 5.10

На рисунке ниже мы видим два графика. Вертикальная линия измеряет миллиампер для двух графиков.

Один график отображает ID тока стока в зависимости от напряжения сток-исток VDS, второй график отображает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток или ID от VGS.

С помощью характеристик стока, показанных справа от оси «y», мы можем провести горизонтальную линию, начиная с области насыщения кривой, показанной как VGS = 0 В, до оси, показанной как ID.

Таким образом, достигнутый текущий уровень для двух графиков - IDSS.

Точка пересечения кривой ID и VGS будет такой, как указано ниже, потому что вертикальная ось определена как VGS = 0 V

Обратите внимание, что характеристики стока показывают взаимосвязь между величиной выхода одного стока и величиной выхода другого стока, при этом две оси интерпретируются переменными в одной и той же области характеристик полевого МОП-транзистора.

Таким образом, передаточные характеристики могут быть определены как график зависимости тока стока полевого МОП-транзистора от величины или сигнала, действующего как входной контроль.

Следовательно, это приводит к прямому «переносу» между входными / выходными переменными, когда кривая используется слева на рис. 5.15. Если бы это была линейная зависимость, график ID по сравнению с VGS был бы прямой линией между IDSS и VP.

Однако это приводит к параболической кривой из-за вертикального расстояния между VGS, выходящего за характеристики стока, которое уменьшается в значительной степени по мере того, как VGS становится все более отрицательным, как показано на рис. 5.15.

Если мы сравним расстояние между VGS = 0 В и VGS = -1 В с промежутком между VS = -3 В и отсечкой, мы увидим, что разница будет одинаковой, хотя она сильно отличается для значения ID.

Мы можем идентифицировать другую точку на кривой передачи, проведя горизонтальную линию от кривой VGS = -1 V до оси ID и затем продолжив ее до другой оси.

Обратите внимание, что VGS = - 1 В на нижней оси передаточной кривой при ID = 4,5 мА.

Также обратите внимание, что в определении ID при VGS = 0 В и -1 В используются уровни насыщения ID, в то время как омическая область не учитывается.

Двигаясь дальше, с VGS = -2 В и -3 В, мы можем закончить построение кривой передачи.

Как применить уравнение Шокли

Вы также можете напрямую получить передаточную кривую на рис. 5.15, применив уравнение Шокли (уравнение 5.3), при условии, что значения IDSS и Vp даны.

Уровни IDSS и VP определяют пределы кривой для двух осей и требуют построения только нескольких промежуточных точек.

Подлинность Уравнение Шокли Уравнение 5.3, являющееся источником передаточной кривой на рис. 5.15, может быть прекрасно выражено путем изучения определенных отличительных уровней конкретной переменной и последующего определения соответствующего уровня другой переменной следующим образом:

Это соответствует графику, показанному на рис. 5.15.

Обратите внимание на то, как тщательно обрабатываются отрицательные знаки для VGS и VP в приведенных выше расчетах. Отсутствие даже одного отрицательного знака может привести к совершенно ошибочному результату.

Из приведенного выше обсуждения довольно ясно, что если у нас есть значения IDSS и VP (на которые можно ссылаться из таблицы), мы можем быстро определить значение ID для любой величины VGS.

С другой стороны, с помощью стандартной алгебры мы можем вывести уравнение (с помощью уравнения 5.3) для результирующего уровня VGS для данного уровня ID.

Это можно было бы довольно просто получить:

Теперь давайте проверим приведенное выше уравнение, определив уровень VGS, который обеспечивает ток стока 4,5 мА для полевого МОП-транзистора, имеющего характеристики, соответствующие рис. 5.15.

Результат подтверждает, что уравнение соответствует рисунку 5.15.

Использование сокращенного метода

Поскольку нам нужно построить кривую переноса довольно часто, может оказаться удобным получить сокращенную технику построения кривой. Желательным был бы метод, который позволил бы пользователю построить кривую быстро и эффективно без ущерба для точности.

Уравнение 5.3, которое мы узнали выше, спроектировано таким образом, что определенные уровни VGS создают уровни ID, которые можно запомнить для использования в качестве точек графика при построении кривой передачи. Если мы укажем VGS как 1/2 значения отсечки VP, результирующий уровень ID можно определить с помощью уравнения Шокли следующим образом:

Следует отметить, что приведенное выше уравнение не создано для конкретного уровня VP. Уравнение является общей формой для всех уровней VP до тех пор, пока VGS = VP / 2. Результат уравнения предполагает, что ток стока всегда будет составлять 1/4 уровня насыщения IDSS до тех пор, пока напряжение затвор-исток имеет значение, которое на 50% меньше, чем значение отсечки.

Обратите внимание, что уровень ID для VGS = VP / 2 = -4V / 2 = -2V согласно Рис. 5.15.

Выбирая ID = IDSS / 2 и подставляя его в уравнение 5.6, мы получаем следующие результаты:

Хотя можно установить и другие точки, достаточный уровень точности может быть просто достигнут путем построения кривой переноса с использованием только 4 точек графика, как указано выше, а также в таблице 5.1 ниже.

В большинстве случаев мы можем использовать только точку графика, используя VGS = VP / 2, в то время как пересечения осей в IDSS и VP дадут нам кривую, достаточно надежную для большей части анализа.