Zastosowanie tranzystorów unipolarnych

Tranzystory znajdują szerokie zastosowania w elektryce, elektronice, technice i podobnych dziedzinach. Ze względu na ilość tych zastosowań przedstawię tylko niektóre wybrane.

1. Właściwości małosygnałowe podstawowych układów włączenia.
Trójkońcówkowy tranzystor polowy może być włączony w jednym z następujących układów podstawowych: ze wspólnym źródłem, ze wspólnym drenem i ze wspólną bramką.

- Układ ze wspólnym źródłem – OS
Podstawową konfigurację ze wspólnym źródłem wraz z jej układem zastępczym pokazano na rys.1a oraz 1b.

Układ ze wspólnym źródłem
- Układ ze wspólnym drenem - OD
Druga podstawowa konfiguracja, pokazana na rys. 2a,oraz układ zastępczy konfiguracji rys. 2b charakteryzuje się dużą impedancją wejściową, stosunkowo małą impedancją wyjściową, wzmocnieniem napięciowym mniejszym od jedności oraz brakiem przesunięcia fazowego między sygnałem wyjściowym i wejściowym. Impedancja wyjściowa jest koło rząd wielkości większa niż w tranzystorze bipolarnym o porównywalnych rozmiarach, pracującym w układzie ze wspólnym kolektorem.

Układ ze wspólnym drenem
- Układ ze wspólną bramką – OG
Układ ze wspólną bramką może służyć do transformacji małej impedancji w dużą. Układ ten charakteryzuje się małą impedancją wejściową, wzmocnieniem prądowym równym jedności oraz w przypadku podłoża zwartego dla prądu zmiennego z bramką, bardzo małą pojemnością przejściową. Na rys. 3a pokazano konfiguracje w której podłoże jest połączone ze źródłem. Na rys. 3b układ zastępczy konfiguracji.

2. Wzmacniacze.
Omówienie wzmacniaczy z tranzystorami polowymi w sposób ogólny jest trudne z uwagi na dużą różnorodność możliwych kombinacji elementów czynnych.

Wzmacniacze
Dlatego ograniczymy się do ilustracyjnego przedstawienia przypadków niektórych użytecznych rozwiązań układowych oraz tam, gdzie to jest pożądane. Zaczniemy od rozpatrzenia wzmacniaczy o sprzężeniu zwrotnym

- Wzmacniacz o bezpośrednim sprzężeniu z tranzystorami MOS
Wzmacniacz małej częstotliwości, którego schemat przedstawiono na rys. 4a ma trzy stopnie z tranzystorami o kanale wzbogaconym typu p oraz stopień wyjściowy z tranzystorem o kanale zubożanym typu n w układzie wspólnego drenu. Bezpośrednie sprzężenie stopni umożliwia wyeliminowanie kondensatorów sprzęgających, lecz w celu stabilizacji punktu pracy wymaga obcięcia całego układu pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Obwód R1, R2, C stanowi 100-procentowe sprzężenie zwrotne dla bardzo małych częstotliwości, natomiast nie działa w zakresie wielkich częstotliwości. Napięciowe sprzężenie drenu tranzystora T4 ze źródłem tranzystora T1 stabilizuje wzmocnienie układu. Ten rodzaj sprzężenia zwrotnego jest lepszy niż sprzężenie napięciowe do bramki tranzystora T1, gdyż w tym ostatnim przypadku niekorzystnie maleje efektywna rezystancja wejściowa wzmacniacza.

Wzmacniacz o bezpośrednim sprzężeniu z tranzystorami MOS
3. Wzmacniacze różnicowe.
Tranzystorowy wzmacniacz różnicowy posiada szereg istotnych zalet jako wzmacniacz małych sygnałów prądu stałego. Po pierwsze, ze względu na kompensowanie się temperaturowych zmian parametrów pary tranzystorów wpływ temperatury jest znacznie zmniejszony. Po drugie, sygnały sumacyjne mogą być właściwie wyeliminowane przy starannym zaprojektowaniu układu.

- wzmacniacze różnicowe na tranzystorach polowych złączowych
Zastosowanie tranzystorów polowych we wzmacniaczu różnicowym pozwala uzyskać dużą rezystancję wejściową. Na rys. 5a pokazano podstawowy układ wzmacniacza z tranzystorami polowymi, w którym rezystory RS, włączone w obwodzie źródeł, służą do stabilizowania wzmocnienia oraz wyrównania prądów drenu


W celu zilustrowania dalszych sposobów wykorzystania szczególnych własności tranzystorów polowych w układach praktycznych rozpatrzymy dwa zakresy zastosowań: wyłączniki analogowe, rezystory sterowane napięciem. Wykażemy, że tranzystor polowy w tych zastosowaniach daje wyraźne korzyści w porównaniu z tranzystorem bipolarnym lub lampą próżniową w funkcjonalnie analogicznym układzie.

4. Wyłączniki analogowe
We współczesnych systemach telemetrii wielokrotnej szeroko stosuje się wyłączniki analogowe dla próbkowania odcinkami czasu sygnału wejściowego. W typowym przypadku pewna ilość kanałów informacyjnych musi być próbkowana sekwencyjnie za pomocą jedno – lub dwubiegunowych (wejście różnicowe) wyłączników wielokanałowych. Jest oczywiste, że takie wyłączniki powinny przenosić informację bez zniekształceń w stanie „włączony”,, mieć wystarczająco dużą rezystancję w stanie „wyłączony”, by przesłuch był znikomo mały mieć czas wyłączania rzędu części mikrosekundy.

W tych i innych zastosowaniach wyłącznik analogowy na tranzystorach polowych ma istotne zalety w porównaniu z układami na tranzystorach bipolarnych.

Brak prostujących złącz p-n na drodze źródło-dren w istotny sposób eliminuje kłopotliwe napięcie niezrównoważenia, występujące w nasyconych wyłącznikach bipolarnych. Kolejna zaletą, wynikającą z bardzo dużej rezystancji wejściowej bramki, jest sterowanie wyłącznika bez przepływu prądu z obwodu sterującego do odwodu sygnałowego. Pozwala to wyeliminować izolację transformatorową obwodu sterującego, często stosowaną w wyłącznikach bipolarnych oraz umożliwia statyczne sterowanie wyłącznika.

Niekorzystną własnością wyłączników na tranzystorach polowych, zarówno złączowych jak i MOS, jest nieco większa ich rezystancja w stanie włączenia. Rezystancja w stanie włączenia dla tranzystora polowego na ogół wynosi 20 Ω do 500 Ω i więcej. Tę trudność zwykle pokonuje się na drodze odpowiedniego doboru wartości impedancji w obwodzie.

5. Zastosowania tranzystora polowego jako rezystora sterowanego napięciem
W poprzednim punkcie omawiano te zastosowania tranzystorów polowych, w których wykorzystuje się duży stosunek rezystancji w stanie wyłączenia do rezystancji w stanie włączenia. Ten punkt dotyczy przede wszystkim możliwości ciągłego sterowania rezystancją dren-źródło tranzystora pracującego w zakresie nienasycenia.

Rezystancja rds dla małych wartości napięć dren-źródło jest w miarę stała i może być przedstawiona jako rezystancja liniowa RDS, której wartość jest określona przez napięcie UGS. Zatem tranzystor polowy może działać jako rezystor sterowany napięciem. Taki element jest przydatny do wielu zastosowań, wśród których przykładowo wymienimy następujące:
- Tłumiki sterowane napięciowo.
- Mostki z automatycznym równoważeniem.
- Sterowaniem częstotliwością rezonansową oraz dobrocią filtrów aktywnych i pasywnych.
- Mnożenie i dzielenie sygnałów analogowych.
- Regulacja współczynnika sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu lub generatorze.
- Sterownie napięciowe przesuwników fazowych.