Ćwiczenie A7 : Tranzystor unipolarny JFET i jego zastosowania

Ćwiczenie A7 : Tranzystor unipolarny JFET i jego
zastosowania
Jacek Grela, Radosław Strzałka
30 maja 2009
1
Wstęp
1.1
Wzory
Poniżej zamieszczamy podstawowe wzory i definicje, których używaliśmy w obliczeniach.
1. Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora polowego
ˆ VDS < VDS(sat) :
1 2
ID = K (VGS − Vth )VDS − VDS
2
(1)
1
VDS
2
= K (VGS − Vth ) 1 +
2
VA
(2)
ˆ VDS > VDS(sat) :
ID
ˆ VDS = VDS(sat) :
1
2
K (VGS − Vth )
2
(3)
2
VGS
ID = IDS 1 −
Vth
(4)
ID =
albo inaczej:
Gdzie:
ID - prąd drenu;
K - transkonduktancja statyczna;
IDS - prąd nasycenia;
VDS - napięcie między drenem a źródłem;
VGS - napięcie między bramką a źródłem;
Vth - napięcie progowe (odcięcia);
VDS(sat) - napięcie saturacji (nasycenia): VDS(sat) = VGS − Vth ;
VA - napięcie Early’ego;
2. Charakterystyka przejściowa ID (VGS )
Wyk.1 Teoretyczna charakterystyka przejściowa ID (VGS ).
1
3. Charakterystyka wyjściowa ID (UDS )
Wyk.2 Teoretyczna charakterystyka wyjściowa ID (VDS ).
2
Charakterystyki statyczne tranzystora JFET
2.1
Charakterystyka przejściowa ID (VGS )
ID [mA]
Polaryzacja dren-źródło VDS została ustawiona na 10 [V] i była stała w trakcie pomiaru. Pomiar polegał na wyznaczeniu prądu drenu ID w funkcji napięcia polaryzacji bramka-źródło VGS . Z punktów pomiarowych wykreśliliśmy
charakterystykę, której teoretyczny przebieg przedstawia Wyk.1. Poniżej zamieszczamy naszą charakterystykę:
12
IDS = 11.5 mA
10
8
6
4
2
Vth = -3.4 V
0
2
ID = IDS(1 - VGS/Vth)
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
VGS [V]
Wyk.3 Doświadczalna charakterystyka przejściowa ID (VGS ).
Porównując nasz wykres z teoretycznym zauważamy znaczne rozbieżności. Niebieską linią zaznaczyliśmy przebieg,
który powinien być obserwowany dla parametrów IDS i Vth (wedle wzoru (4)). Nasza charakterystyka poważnie
załamuje się w zakresie początkowym napięć VGS . Parabola ma w tym przedziale charakter zbyt szybko rosnący.
Dalsza część wykresu wydaje się mieć charakter zbliżony do pożądanego, jednakże jest przesunięta do góry. Próbowaliśmy doszukać się błędów poczynionych przez nas w trakcie wykonywania ćwiczenia (np. niewłaściwa regulacja
zmian napięcia lub błędne podłączenie obwodu), jednakże odrzuciliśmy tę hipotezę. Podpięcie obwodu było dokładnie sprawdzone przez prowadzącego zajęcia. W dalszej części naszego opracowania pojawią się zaś argumenty, które
skłoniły nas do stwierdzenia, że używany przez nas tranzystor pracował nieprawidłowo (być może był uszkodzony).
W oparciu o tę charakterystykę spróbowaliśmy jednak wyznaczyć napięcie odcięcia Vth oraz maksymalną konduktancję gm(max) . Krzywa na Wyk.3 ma zero w punkcie Vth ≈ −3.4 [V ], co jest szukanym napięciem odcięcia.
Maksymalną konduktancję obliczymy ze wzoru gm(max) = ∆ID /∆VGS w okolicy IDS . Wartość obliczona w ten
sposób wynosi gm(max) = 4.75 [mS].
2
2.2
Charakterystyka wyjściowa ID (VDS )
ID [mA]
W tej części dokonaliśmy pomiarów prądu drenu w funkcji napięcia dren-źródło dla trzech stałych napięć VGS .
Wybrane wartości napięcia bramka-źródło są naznaczone bezpośrednio na wykreślonych krzywych eksperymentalnych.
14
VGS = 0 V
12
10
VGS = -1.1 V
8
6
4
VGS = -2.2 V
2
VGS = -3.3 V
0
Pomiary
Napiecie kolana
0
2
4
6
8
10
VDS [V]
Wyk.4 Charakterystyka wyjściowa ID (VDS ).
Tym razem widzimy, że problem nieprawidłowej charakterystyki tranzystora dotyczy nie tylko kształtu kolana
(będącego bezpośrednio Wyk.3 ) ale także zmierzonej charakterystyki wyjściowej. Początkowy obszar wypłaszczenia
krzywych ma wyraźne zafalowania, których nie powinno być (zob. charakterystykę teoretyczną na Wyk.2 ). To
sugeruje, że tranzystor, na którym pracowaliśmy nie działał poprawnie. Dla napięcia VGS = −3.3 [V ] uzyskaliśmy
wykres oznaczający odcięcie tranzystora. Zgadza się to z przyjętym napięciem Vth .
3
2.3
Charakterystyka wyjściowa dla obydwu biegunowości VDS
ID [mA]
W tym punkcie zrealizowaliśmy pomiary jak poprzednio z tym, że napięcie VDS zmienialiśmy w zakresie
(−1, 1) [V ]. Jest to początkowy fragment krzywych z Wyk.4, również dla gałęzi 4 napięć VGS . Przedstawia to
poniższy wykres:
5
0
-5
-10
-15
VGS = 0 [V]
VGS = -1.1 [V]
VGS = -2.2 [V]
VGS = -3.3 [V]
-20
-1
-0.5
0
0.5
1
VDS [V]
Wyk.5 Charakterystyka wyjściowa ID (VDS ) dla obu biegunowości VDS .
Wykres ten wydaje się być poprawny, mimo kształtu poprzednich wykresów. Dlatego praca na tych danych i wnioskowanie z nich wartości parametrów będzie poprawne. W tym punkcie należało wyznaczyć minimalną rezystancję
dren-źródło RDS(min) . Zrobimy to wyznaczając nachylenie stycznej do charakterystyki z powyższego Wyk.5 dla
gałęzi VGS = 0. Pod uwagę bierzemy dwa ostatnie punkty charakterystyki, bliskie napięcia -1V. Wykorzystujemy
GS
wzór: RDS(min) = ∆V
∆ID . Wartość rezystancji minimalnej wynosi: RDS(min) = 13.23 [Ω].
2.4
Charakterystyka wyjściowa dla obydwu biegunowości VDS dla układu zlinearyzowanego
ID [mA]
Aby zlinearyzować charakterystykę ID (VDS ) w małym zakresie ±1V , podpięliśmy dwa jednakowe oporniki między drenem i bramką oraz przed podaniem sygnału VGS na bramkę, zgodnie z treścią polecenia. Wartość tej rezystancji powinna była wynosić przynajmniej 100RDS(min) . Dla nas wartość ta powinna była być większa od 1.3 [kΩ],
my dla pewności podpięliśmy opornik 2 [kΩ]. Dla tak zmodyfikowanego układu znów wyznaczamy charakterystykę
ID (VDS ), tym razem zlinearyzowaną.
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
VGS = 0 [V]
VGS = -1.1 [V]
VGS = -2.2 [V]
VGS = -3.3 [V]
-8
-1
-0.5
0
0.5
1
VDS [V]
Wyk.6 Charakterystyka wyjściowa ID (VDS ) dla układu zlinearyzowanego.
4
2.5
Przełącznik analogowy
W tym podpunkcie zaprojektowaliśmy obwód wykorzystujący przełącznik analogowy do manipulowania sygnałem wejściowym. Poniżej przedstawiamy odpowiedź układu na sygnał trójkątny przy ustalonym prostokątnym
przebiegu sterującym:
Wyk.7 Odpowiedź obwodu.
Na Wyk.7 zaznaczono zakresy zaporowego (brak sygnału) oraz przewodzenia (sygnał) działania układu. W wyniku
odpowiedniej relacji częstotliwości sygnału do częstotliwości sterowania powstaje ustalony sygnał wyjściowy. Naszkicowano również porównawczy sygnał wejściowy przez co jest widoczne dokładne działanie układu. Wykonano
pomiary dla większej częstotliwości sterowania, jednakże nie różnią się one jakościowo od tych przedstawionych
powyżej - sygnał stał się bardziej poszarpany.
5