Site Loader

Содержание

Линейный стабилизатор на полевом транзисторе

Современного человека в быту и на производстве окружает большое количество электротехнических приборов и оборудования. Для устойчивой, стабильной работы всей этой техники требуется бесперебойная подача электроэнергии. Однако из-за скачков сетевого напряжения, приборы довольно часто выходят из строя. Во избежание подобных ситуаций, применяются специальные устройства, в том числе и стабилизатор тока на полевом транзисторе. Его использование гарантирует нормальную работу электротехники, предотвращает аварии и поломки.

Работа стабилизаторов тока

Качественное питание всех электротехнических устройств можно гарантированно обеспечить лишь, используя стабилизатор тока. С его помощью компенсируются скачки и перепады в сети, увеличивается срок эксплуатации приборов и оборудования.

Основной функцией стабилизатора является автоматическая поддержка тока потребителя с точно заданными параметрами. Кроме скачков тока, удается компенсировать изменяющуюся мощность нагрузки и температуру окружающей среды. Например, с увеличением мощности, потребляемой оборудованием, произойдет соответствующее изменение потребляемого тока. В результате, произойдет падение напряжения на сопротивлении проводки и источника тока. То есть, с увеличением внутреннего сопротивления, будут более заметны изменения напряжения при увеличении токовой нагрузки.

В состав компенсационного стабилизатора тока с автоматической регулировкой входит цепь отрицательной обратной связи. Изменение соответствующих параметров регулирующего элемента позволяет достичь необходимой стабилизации. На элемент оказывает воздействие импульс обратной связи. Данное явление известно, как функция выходного тока. В зависимости от регулировок, стабилизаторы разделяются на непрерывные, импульсные и смешанные.

Среди множества стабилизаторов очень популярны стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Подключение транзистора в данной схеме осуществляется последовательно сопротивлению нагрузки. Это приводит к незначительным изменениям тока нагрузки, в то время, как входное напряжение подвержено существенным изменениям.

Устройство и работа полевого транзистора

Управление полевыми транзисторами осуществляется посредством электрического поля, отсюда и появилось их название. В свою очередь электрическое поле создается под действием напряжения. Таким образом, все полевые транзисторы относятся к полупроводниковым приборам, управляемым напряжением.

Канал этих устройств открывается только с помощью напряжения. При этом, ток не протекает через входные электроды. Исключение составляет лишь незначительный ток утечки. Отсюда следует, что какие-либо затраты мощности на управление отсутствуют. Однако на практике не всегда используется статический режим, в процессе переключения транзисторов задействована некоторая частота.

В конструкцию полевого транзистора входит внутренняя переходная емкость, через которую протекает некоторое количество тока во время переключения. Поэтому для управления затрачивается незначительное количество мощности.

В состав полевого транзистора входит три электрода. Каждый из них имеет собственное название: исток, сток и затвор. На английском языке эти наименования соответственно будут выглядеть, как source, drain и gate. Канал можно сравнить с трубой, по которой движется водяной поток, соответствующий заряженным частицам. Вход потока происходит через исток. Выход заряженного потока происходит через сток. Для закрытия или открытия потока существует затвор, выполняющий функцию крана. Течение заряженных частиц возможно лишь при условии напряжения, прилагаемого между стоком и истоком. При отсутствии напряжения тока в канале также не будет.

Таким образом, чем больше значение подаваемого напряжения, тем сильнее открывается кран. Это приводит к увеличению тока в канале на участке сток-исток и уменьшению сопротивления канала. В источниках питания применяется ключевой режим работы полевых транзисторов, позволяющий полностью закрывать или открывать канал.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

Стабилизаторы тока предназначены для поддержания параметров тока на определенном уровне. Благодаря этим свойствам, данные приборы успешно используются во многих электронных схемах. Чтобы понять принцип действия, следует рассмотреть некоторые теоретические вопросы.

Известно, что в идеальном источнике тока присутствует ЭДС, стремящаяся к бесконечности и бесконечно большое внутреннее сопротивление. За счет этого удается получить ток с требуемыми параметрами, независимо от сопротивления нагрузки.

Идеальный источник способен создавать ток, остающийся на одном уровне, несмотря на изменяющееся сопротивление нагрузки в диапазоне от короткого замыкания до бесконечности. Для поддержания значения тока на неизменном уровне, величина ЭДС должна изменяться, начиная от величины больше нуля и до бесконечности. Основным свойством источника, позволяющим получать стабильное значение тока, является изменение сопротивления нагрузки и ЭДС таким образом, чтобы значение тока оставалось на одном и том же уровне.

Но, на практике поддержка источником требуемого уровня тока происходит в ограниченном диапазоне напряжения, возникающего на нагрузке. Реальные источники тока используются вместе с источниками напряжения. К таким источникам относится обычная сеть на 220 вольт, а также аккумуляторы, блоки питания, генераторы, солнечные батареи, поставляющие потребителям электрическую энергию. С каждым из них может быть последовательно включен стабилизатор тока на полевом транзисторе, выход которого выполняет функцию источника тока.

Простейшая конструкция стабилизатора состоит из двухвыводного компонента, с помощью которого происходит ограничение протекающего через него тока, до необходимых параметров, устанавливаемых изготовителем. Своим внешним видом он напоминает диод малой мощности, поэтому данные приборы известны как диодные стабилизаторы тока.

Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.

Схема регулируемого стабилизатора

Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и припаял его к плате с помощью проводков.

Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.

Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.

Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.

Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала — Егор.

Обсудить статью СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

При построении источников питания с сильноточными стабилизаторами напряжения электронщики, как правило, используют специализированные интегральные микросхемы, как с опорным, так и с регулируемым напряжением. Часто применяются схемы с параллельно включенными стабилизаторами для усиления мощности .

Стабилизаторы напряжения на полевых транзисторах: схема включения и регулировки

Для корректной функциональности многих электротехнических устройств необходимо поддержание определенных рабочих параметров сети питания. Выход напряжения за границы нормированного диапазона сопровождается ухудшением КПД. Импульсные помехи провоцируют сбои. Исправить ситуацию поможет стабилизатор тока на полевом транзисторе схема которого представлена в этой публикации.

Мощный блок питания на полевом транзисторе

Принцип стабилизации тока

Целевое назначение специальной схемы – регулирование источника питания в автоматическом режиме для поддержания стабильных параметров цепей нагрузки. Основной компонент – достаточно мощный полупроводниковый прибор, ограничитель силы тока на выходе блока питания.

Требования к управляющему элементу

Критерии выбора можно сформулировать, если известны параметры силы тока (ампер). Однако даже без конкретного технического задания несложно перечислить базовые требования:

  • ток в контрольной цепи поддерживается с определенной точностью;
  • следует компенсировать перепады потребляемой мощности;
  • корректирующие изменения должны выполняться достаточно быстро;
  • для автоматической настройки оптимального режима и улучшения защиты от помех нужна организация обратной связи.

Суть стабилизации

Для уточнения функциональности управляющего элемента необходимо отметить особенности типичной нагрузки. Интенсивность излучения светодиода, например, существенно зависит от температуры в процессе эксплуатации. Соответствующим образом изменяется мощность потребления. При увеличении тока уменьшается напряжение.

Важно! Если установить обратную связь (отрицательную), отмеченное изменение будет регулировать рабочий режим управляющего устройства. В частности, при увеличении напряжения между затвором и стоком полевого транзистора ток через исток уменьшается. Тем самым без иных дополнительных действий обеспечивается стабилизация выходных параметров источника.

Выбор схемы включения

На практике применяют разные инженерные решения. В частности, для подключения светодиодных светильников производители предлагают импульсные источники питания. Эти устройства выполняют свои функции с помощью частотного преобразования и модуляции сигнала. Для управления ключом устанавливают микросхемы. Для дозированного накопления энергии используют дроссель.

Импульсный стабилизатор тока

Для упрощения в данной статье рассмотрена линейная стабилизация. Устройства, созданные по этой схеме, не создают сильные электромагнитные помехи. В этом – главное отличие от импульсных аналогов.

Работа стабилизаторов тока

Минимальное количество функциональных элементов в схемах этой категории подразумевает разумную стоимость. При выборе такого варианта нетрудно изучить рабочие режимы, особенности настройки.

Особенности полевых структур

В радиотехнических приборах этого типа p-n переходы расположены особым образом. Для регулировки прохождения тока через центральный канал изменяются напряжение и соответствующее электромагнитное поле. Разницу потенциалов создают на стоке и затворе.

Принцип действия полевого и биполярного транзисторов

На рисунке показаны принципиальные отличия, по сравнению с биполярным транзистором. При использовании полевой структуры управляющий ток отсутствует, а входное сопротивление становится значительно больше. При такой схеме прибор потребляет минимум энергии, но не способен обеспечить усиление сигнала. Впрочем, для решения обозначенной задачи (стабилизации) увеличивать напряжение не нужно.

Принцип управления переходом

В области между зонами р типа формируется канал. Для прохождения тока создается разница потенциалов «сток-исток». Управляют переходом изменением напряжения «затвор-исток» – Uзи.

Устройство и работа полевого транзистора

Для изучения функциональности полевого транзистора можно рассмотреть две схемы подключения. В первом варианте соединяют исток и затвор проводником, выравнивая соответствующий потенциал: Uзи= 0. Повышением напряжения Uси (сток-исток) обеспечивают прохождение тока в рабочей зоне.

Напряжение равно нулю

В показанном на рисунке состоянии прибор функционирует как типичный проводник. Специфическое название на графике «Омическая область» определяет зону пропорционального увеличения силы тока по мере увеличения разницы потенциалов. При переходе в режим насыщения количества свободных зарядов недостаточно для поддержания отмеченного изменения.

Уменьшение потенциала на затворе

На этом рисунке канал прохождения зарядов сужают дополнительным источником питания, который уменьшает Uзи<0. На определенном уровне (напряжение отсечки) ток не проходит.

Устройство полевого транзистора

На рисунке показаны зоны p и n типа. Регулировкой напряжения Uси изменяют сопротивления канала (силу тока). Как показано выше, при необходимости можно закрыть эту цепь.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

В идеальном примере источник питания обеспечивает стабильность тока, если электрическое сопротивление цепи нагрузки меняется от нуля (КЗ) до бесконечности. Однако в действительности рабочие параметры проводимости (напряжения) ограничены определенным диапазоном. Схема на полевом транзисторе с последовательным подключением к зарядному устройству, солнечной батарее или другому «реальному» источнику обеспечит поддержание тока в линии на заданном уровне.

Пример стабилизатора на полевом транзисторе

При создании радиотехнических устройств с применением ламп типовой анодный блок питания не обеспечивает необходимую стабильность выходных параметров. Добавление резистора в цепь увеличивает потери, не позволяет точно корректировать изменение мощности в нагрузке.

Электрическая схема простого стабилизатора

Своими руками несложно собрать этот стабилизатор тока на полевом транзисторе. С его помощью обеспечивается точность заданных параметров в диапазоне не более 6% от номинала.

Видео

Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В)

При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.

Принципиальная схема

Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис. 1. Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение около 13 В (эффективное значение) поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр.

На конденсаторах фильтра оно равно 16 В. Это напряжение поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор.

Рис. 1. Принципиальная схема  стабилизатора напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В).

Часть выходного напряжения через делитель R2, R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В.

В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т.е. частично закрывая его, и, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 1.6).

В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе.

Рис. 2. Печатная плата.

При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроенным резистором.

В стабилизаторе в качестве регулирующего элемента применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме.

Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30 А при температуре корпуса до 100°С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5…3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.

Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный аналог TL431). Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод.

Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа.

Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам C1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.

Печатная плата устройства приведена на рис. 2 Эта плата рассчитана на установку малогабаритных деталей в корпусах для поверхностного монтажа, в том числе и микросхема КР142ЕН19 требует замены на импортный аналог в корпусе SO-8.

Схема на биполярном транзисторе

Рис. 3. Схема блока питания без полевого транзистора.

В случае, если полевой транзистор найти не удалось, стабилизатор можно выполнить по другой схеме (рис. 3.), на мощных биполярных транзисторах, с использованием той же микросхемы. Правда, максимальный ток нагрузки у этого варианта стабилизатора не более 3…4 А.

Для повышения коэффициента стабилизации применен стабилизатор тока на полевом транзисторе, в качестве регулирующего элемента применен мощный составной транзистор. Трансформатор должен обеспечивать на вторичной обмотке напряжение не менее 15 В при максимальном токе нагрузки.

Первоисточник: неизвестен.

Мощный стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Приветствую, радиолюбители-самоделкины!

Очень часто для питания различных электронных устройств требуются напряжения разной величины — например, чувствительные микроконтроллеры могут питаться (в зависимости от конкретного экземпляра) только строго от 5В, другим микросхемам бывает нужно напряжение 9-12В, а есть и совсем низковольтные устройства, которые требуют уровня питания 3-3,3В. Для повышения напряжения, например, чтобы получить из 3,7В литий-ионного аккумулятора целых 9-12В используются импульсные источники питания — в них напряжение повышается за счёт использования явления самоиндукции в катушке индуктивности. Понижающие же преобразователи можно поделить на два типа: те же импульсные и линейные. Первые обладают высоким КПД, но имеют несколько более сложную схемотехнику с применением индуктивностей и специальных ШИМ-контроллеров. Линейные актуальны в том случае, если нужна простота, миниатюрность и отсутствие каких-либо помех на выходе — ведь линейные стабилизаторы, в отличие от импульсных, наоборот уменьшают пульсации напряжения, в отличие от импульсных, которые их наоборот генерируют за счёт высокой частоты работы. И если импульсные стабилизаторы, как повышающие, так и понижающие, очень удобно использовать в виде готовых модулей, которые по небольшим ценам продаются на Али, то вот линейные стабилизаторы имеет смысл изготавливать своими руками, под заданные параметры.


Существуют специальные микросхемы стабилизаторов, например, серия 78lхх, они имеют на выходе фиксированные значения напряжения, либо LM317, микросхема в корпусе ТО-220, которая позволяет регулировать напряжение на выходе в широких пределах. Казалось бы, зачем выдумывать что-то ещё, если можно просто взять готовую LM317 — но не так всё просто, ведь она имеет один недостаток — выходной ток всего 1,5А. Конечно, этого достаточно для большинства применений линейного стабилизатора, тем более, что уже даже на таком токе он будет сильно нагреваться, но всё же иногда может возникнуть использовать именно мощный линейный стабилизатор с током более 1,5А, например, для подачи стабилизированного питания на аудио-усилитель. Использовать для питания усилителей импульсные источники — не самый лучший вариант по той причине, что помехи от импульсного источника в последствии будут попадать и в звуковой тракт, что явится в виде постороннего шума в звуке. Сделать мощный линейный стабилизатор можно разными путями, например, по схеме, представленной ниже — и использованием мощного полевого транзистора в качестве силового элемента и микросхему TL431 в качестве регулирующего. Такая схема обеспечивает хорошую стабильность выходного напряжения — как пишет автор, напряжение на выходе изменяется лишь на доли вольта в течение большого промежутка времени, а мощный полевой транзистор обеспечивает максимальный ток через нагрузку в 10А и рассеиваемую мощность в 50Вт — при использовании радиатора соответствующих размеров. Схема такого стабилизатора представлена на картинке ниже.

На контакты в левой части схемы подаётся входное напряжение, оно может лежать в диапазоне 6-50 вольт, что, кстати, больше, чем диапазон входных напряжений у той же LM317. Плюс подаётся на верхний контакт, минус — на нижний, таким образом, минусовые контакты входного напряжения и нагрузки просто соединяются, а коммутация происходит через плюсовой контакт. Конденсатор С1 стоит параллельно питанию на входе, 22 мкФ — минимальная ёмкость, желательно взять побольше, хотя бы 100-470 мкФ, если от стабилизатора питается чувствительная к пульсациям напряжения нагрузка, например, усилитель, ёмкость конденсаторов можно поднять до уровня 2000-4000 мкФ. Далее по схеме в плюсовой цепи стоят контакты сток-исток полевого транзистора, а в цепи его затвора установлена микросхема TL431, которая и следит за напряжением на выходе стабилизатора, поддерживая его на заданном уровне. Купить эту микросхему можно за считанные рубли в магазинах радиодеталей, либо взять из неисправного сетевого импульсного блока питания — там они встречаются довольно часто.

Эта микросхема выпускается в корпусе ТО-92 и имеет три вывода, точно так же, как и транзисторов в этих корпусах, поэтому нужно читать маркировку и не перепутать. Три этих вывода являются катодом, который идёт непосредственно к затвору транзистора, анодом, он подключается к минусу всей схемы, а третий вывод — регулирующий, на него через делитель на резисторах поступает часть выходного напряжения стабилизатора. Соотношение сопротивлений в этом делителе определяет и выходное напряжение, поэтому один из резисторов делителя является постоянным, это R3 на схеме, а второй — переменным, его вращением можно будет регулировать напряжение, в данном случае это RV1 на схеме. Резистор R2, включенный последовательно с ним, нужен для ограничения крайнего положения и особой роли не играет.

Данные номиналы делителя, указанные на схеме, позволят регулировать напряжение на выходе в диапазоне от 3 до 27В, чего достаточно для большинства применений, но при необходимости этот диапазон можно менять в большую или меньшую сторону, подбирая общее сопротивление переменного резистора RV1. Здесь можно использовать либо полноценный переменный резистор с удобной ручкой для регулировки, либо небольшой подстроечный, например, такие, как на фото ниже. Также имеет смысл установить сюда многооборотный подстроечный резистор, он позволит устанавливать выходное напряжение с высокой точностью.

Конденсатор С3 служит для фильтрации помех в регулировочной части, для большей стабильности выходного напряжения, а С2 — фильтрующий на выходе. Его ёмкость на схеме указана как 22 мкФ, не стоит превышать это значение, слишком большая ёмкость на выходе может привести к неправильной работе схемы, для подавления пульсаций лучше установить большую ёмкость на входе стабилизатора. Для наглядности ниже приведено изображение все трёх электролитических конденсаторов, необходимых для сборки схемы. Обратите внимание, что все они имеют полярность и при впаивании их на плату важно её не перепутать, на схеме минусовые контакты конденсаторов помечены в виде заштрихованной обкладки, а на самих корпусах минусовой вывод отмечен в виде вертикальной полоски. Несоблюдение полярности электролитических конденсаторов обычно приводит к тому, что они начинают быстро разогреваться, а если вовремя не отключить питание от схемы, то вовсе взрываются, разбрасывая вокруг ошмётки бумаги.

Транзистор на схеме можно применить, например, один из следующих вариантов — IRLZ24/32/44, либо аналогичные им. Ключевыми параметрами здесь являются максимальное напряжение и ток через транзистор.



Схема собирается на небольшой печатной плате, рисунок которой для открытия в программе Sprint Layout представлен в архиве в конце статьи, изготовить плату можно методом ЛУТ.

Как можно увидеть, плата имеет довольно миниатюрные размеры, а потому её без труда можно встроить внутрь какого-либо устройства, того же усилителя. Транзистор не спроста стоит на краю плату спинкой в сторону — его необходимо установить на массивный радиатор. Чем больше будут токи, протекающие через стабилизатор, тем сильнее будет нагреваться транзистор, соответственно и большего размера потребуется радиатор. Не лишним будет и активное охлаждение с помощью кулера в особых случаях. Расчёт рассеиваемой на транзисторе мощности достаточно прост — нужно лишь умножить разницу в вольтах между входным напряжением и выходным и умножить её на ток, протекающий в цепи — в результате получится мощность в ваттах. Обратите внимание, что она не должна превышать 50Вт, иначе транзистор может не справится с таким большим тепловыделением.

Готовая плата будет иметь такой вид, как на картинках выше. Для подключения проводов весьма удобно использовать винтовые клеммники.

Таким образом, получился весьма простой и мощный стабилизатор, который обязательно найдёт себе применение в радиолюбительском деле. Удачной сборки! Все вопросы и дополнения пишите в комментариях.


Источник (Source)

Линейный стабилизатор постоянного напряжения на полевом транзисторе

 

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве сильноточного линейного стабилизатора постоянного напряжения для питания различного вида нагрузок. Устройство содержит источник постоянного напряжения 1, в цепь одного из выводов которого включен регулирующий полевой транзистор 2. Напряжение смещения подается через резистор 3 к затвору транзистора 3, подключенному также к выходу узла отрицательной обратной связи 4 и источнику смещения, компенсирующему пороговое напряжения на затворе. Управляющий вход узла ООС 4 присоединен к резистивному делителю напряжения 5. Источник смещения состоит из генератора прямоугольного напряжения 6 с выходным комплиментарным ключом и узла умножения его выходного напряжения. Узел умножения включает в себя первый конденсатор 7, соединенный через первый диод 8 с первым выходным выводом, и через второй диод 9 — с точкой соединения второго резистора 10 и второго конденсатора 11. При подключении устройства к источнику постоянного напряжения открывается регулирующий полевой транзистор 2, а комплиментарный ключ, включенный на выходе генератора 6, начинает коммутировать его выходное напряжение, обеспечивая заряд конденсатора 7 до уровня выходного напряжения Uвых., а конденсатора 11 — до уровня 2 Uвых. Через резистор 10 напряжение конденсатора 11 подается на затвор транзистора 2, компенсируя величину его порогового напряжения и обеспечивая его работу при низких уровнях напряжения (20-30 мВ). Для нормального функционирования схемы при высоких постоянных напряжениях питания (более 15 В) принудительно ограничивают напряжение питания генератора 6 с помощью стабилитрона 13, шунтирующего конденсатора 12 и токоограничивающего резистора 14. После запуска генератора 6 на затвор регулирующего транзистора поступает напряжение источника смещения, равное удвоенному напряжению стабилизации стабилитрона 13. Введение источника смещения, компенсирующего пороговое напряжение на затворе полевого транзистора, позволяет снизить потери мощности на транзисторе и повысить КПД устройства. Выполнение этого источника в виде узла умножения напряжения и генератора прямоугольных импульсов с выходным комплиментарным ключом позволило это реализовать в схеме линейного стабилизатора постоянного напряжения в его интегральном исполнении, т.е. обеспечить достижение технического результата. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве сильноточного линейного стабилизатора постоянного напряжения для питания различного вида нагрузок.

Известны схемы линейных стабилизаторов постоянного напряжения на транзисторах, включенных последовательно в шины питания. При использовании в подобных схемах мощных полевых транзисторов имеют место большие потери мощности из-за большого порогового напряжения на их затворах. Для того, чтобы компенсировать это напряжение используются дополнительные источники смещения, подключенные к затворам транзисторов «500 схем для радиолюбителей. Источники питания» А.П.Сельен, Изд. Наука и техника, 2005 г. «Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе»). При питании схем от сети переменного тока дополнительные источники смещения выполняют на базе входных трансформаторов (путем подключения к дополнительным либо непосредственно к их вторичным обмоткам). Однако при питании схем от источников постоянного напряжения (не содержащих входных трансформаторов) формирование дополнительного источника смещения вызывает затруднения.

Наиболее близким к полезной модели устройством является линейный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий полевой транзистор, включенный последовательно в шину питания. К выходным выводам стабилизатора подсоединен резистивный делитель напряжения, через который часть выходного напряжения подается на блок отрицательной обратной связи (ООС), который воздействует на величину напряжения затвора транзистора (International IR Rectifier AN-970 «Применение силовых полевых транзисторов в линейных стабилизаторах с малым падением напряжения»). Недостатком известного технического решения является большое пороговое напряжение на затворе полевого транзистора, что влечет за собой большие потери мощности на транзисторе, приводящие к снижению КПД всего устройства.

Техническим результатом, которого можно достичь при реализации полезной модели, является повышение КПД за счет снижения потерь мощности на полевом транзисторе.

Технический результат достигается за счет того, что в линейном стабилизаторе постоянного напряжения на полевом транзисторе, содержащем источник постоянного напряжения, первый вывод которого соединен через силовую цепь полевого транзистора с первым выходным выводом, а второй — со вторым выходным выводом, являющимся общим выводом схемы, при этом к выходным выводам подключен делитель напряжения, точка соединения резисторов которого присоединена ко входу узла отрицательной обратной связи, выходом подключенного к затвору полевого транзистора, соединенному также с источником смещения, в состав которого входит генератор прямоугольного напряжения с выходным комплиментарным ключом, цепи питания которого связаны с выходными выводами, и узел умножения его выходного напряжения, включающий в себя первый конденсатор, соединенный через первый диод с первым выходным выводом, и через второй диод — с точкой соединения второго резистора и второго конденсатора, связанного с вторым выходным выводом, при этом свободный вывод второго резистора является выходом узла умножения напряжения. Кроме того, параллельно цепи питания генератора прямоугольного напряжения могут быть подсоединены третий конденсатор и стабилитрон соответственно, при этом указанная связь цепи питания генератора прямоугольного напряжения и второго конденсатора с выходными выводами осуществлена через третий резистор.

В проанализированных источниках информации описан способ снижения потерь мощности на полевом транзистора линейного стабилизатора путем компенсации порогового напряжения на его затворе с помощью источника смещения («500 схем для радиолюбителей. Источники питания» А.П.Сельен, Изд. Наука и техника, 2005 г.). Однако из этой информации однозначно не следует возможность выполнения компенсирующего источника при питании стабилизаторов от источников постоянного напряжения не содержащих входных трансформаторов, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».

На Фиг.1 приведена электрическая схема линейного стабилизатора постоянного напряжения низкого уровня (менее 15 В).

На Фиг.2 приведена электрическая схема линейного стабилизатора постоянного напряжения высокого уровня (более 15 В).

Устройство (Фиг.1, 2) содержит источник постоянного напряжения 1, один из выводов которого соединен с первым силовым выводом полевого транзистора 2, второй силовой вывод которого соединен с первым выходным выводом схемы, второй выходной вывод которой является общим выводом схемы. Первый силовой вывод полевого транзистора присоединен через первый резистор 3 к его затвору, подключенному также к выходу узла отрицательной обратной связи (ООС) 4 и источнику смещения. Управляющий вход узла ООС 4 присоединен к делителю напряжения на резисторах 5. Источник смещения состоит из генератора прямоугольного напряжения 6 с выходным комплиментарным ключом и узла умножения его выходного напряжения. Узел умножения включает в себя первый конденсатор 7, соединенный через первый диод 8 с первым выходным выводом и через второй диод 9 — с точкой соединения второго резистора 10 и второго конденсатора 11. Свободный вывод резистора 10 является выходом узла умножения напряжения. Параллельно цепи питания генератора прямоугольного напряжения 6 (Фиг.2) подсоединены третий конденсатор 12 и стабилитрон 13 соответственно, а связь выводов питания генератора прямоугольного напряжения и второго конденсатора 11 с выходными выводами осуществлена через третий резистор 14.

Устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к источнику постоянного напряжения открывается регулирующий полевой транзистор 2 и на выходных выводах формируется выходное напряжение, поступающее также на выводы питания генератора прямоугольных импульсов 6. Комплиментарный ключ генератора 6 начинает коммутировать его выходное напряжение, обеспечивая заряд конденсатора 7 до уровня выходного напряжения Uвых., а конденсатора 11 — до уровня 2 Uвых. Через резистор 10 напряжение конденсатора 11 подается на затвор транзистора 2, компенсируя величину его порогового напряжения и обеспечивая его работу с минимальными потерями мощности.

Схему, изображенную на Фиг.1, целесообразно применять при относительно низких (до 15 В) значениях входного напряжения, при которых источник смещения снижает напряжение сток-исток транзистора до 20-30 мВ.

При относительно высоких постоянных напряжениях (более 15 В) использование данной схемы не целесообразно, т.к. в этом случае на выходе схемы умножения и, следовательно, затворе полевого транзистора формируется слишком большой сигнал, который препятствует открытию регулирующего транзистора.

Для обеспечения нормального функционирования схемы при высоких постоянных напряжениях питания (Фиг.2) принудительно ограничивают напряжение питания генератора 6 с помощью стабилитрона 13, шунтирующего конденсатора 12 и токоограничивающего резистора 14. После запуска генератора 6 на схему умножения поступает более низкое входное напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона 13, а не Uвых. При этом на затвор регулирующего транзистора поступает напряжение источника смещения, равное удвоенному напряжению стабилизации стабилитрона 13 (10 В), обеспечивая его нормальную работу при напряжении сток-исток 20-30 мВ.

Таким образом, подключение источника смещения, компенсирующего пороговое напряжение на затворе полевого транзистора, позволяет снизить потери мощности на транзисторе и повысить КПД устройства, причем выполнение источника смещения в виде блока умножения напряжения и генератора прямоугольных импульсов с выходным комплиментарным ключом позволило реализовать использование этого источника в схеме линейного стабилизатора постоянного напряжения при его интегральном исполнении.

Благодаря высокому КПД полезная модель может быть рекомендована для питания широкого спектра потребителей электроэнергии стабилизированного постоянного напряжения.

1. Линейный стабилизатор постоянного напряжения на полевом транзисторе, содержащий источник постоянного напряжения, первый вывод которого соединен через силовую цепь полевого транзистора с первым выходным выводом, а второй — со вторым выходным выводом, являющимся общим выводом схемы, при этом к выходным выводам подключен делитель напряжения, точка соединения резисторов которого присоединена ко входу узла отрицательной обратной связи, выходом подключенного к затвору полевого транзистора, соединенному также с источником смещения, в состав которого входит генератор прямоугольного напряжения с выходным комплиментарным ключом, цепи питания которого связаны с выходными выводами, и узел умножения его выходного напряжения, включающий в себя первый конденсатор, соединенный через первый диод с первым выходным выводом, и через второй диод — с точкой соединения второго резистора и второго конденсатора, связанного с вторым выходным выводом, при этом свободный вывод второго резистора является выходом узла умножения напряжения.

2. Линейный стабилизатор постоянного напряжения на полевом транзисторе по п.1, отличающийся тем, что параллельно цепи питания генератора прямоугольного напряжения подсоединены третий конденсатор и стабилитрон соответственно, а указанная связь цепи питания генератора прямоугольного напряжения и второго конденсатора с выходными выводами осуществлена через третий резистор.

Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

Добавлено 4 января 2020 в 22:18

Сохранить или поделиться

Рассмотрим простую версию схемы, которая имеет важное значение в разработке аналоговых интегральных микросхем.

Вспомогательная информация

Что за источник тока?

Источники стабилизированного тока занимают видное место в заданиях по анализу цепей и теориях цепей, а затем, кажется, они более или менее исчезают… если вы не разработчик микросхем. Хотя источники тока редко встречаются в типовых проектах печатных плат, они широко распространены в мире аналоговых микросхем. Это потому, что они используются 1) для смещения и 2) в качестве активных нагрузок.

  1. Смещение: транзисторы, работающие как усилители в линейном режиме, должны быть смещены так, чтобы они работали в нужной части своей передаточной характеристики. Лучший способ реализовать это в контексте разработки микросхем – это заставить заданный ток течь через сток транзистора (для MOSFET) или коллектора (для биполярного транзистора). Этот заранее определенный ток должен быть стабильным и независимым от напряжения на компоненте источника тока. Конечно, ни одна реальная схема никогда не будет абсолютно стабильной или абсолютно невосприимчивой к изменениям напряжения, но, как это обычно бывает в инженерном деле, совершенство не совсем необходимо.
  2. Активные нагрузки: В схемах усилителей вместо коллекторных/стоковых резисторов могут использоваться источники тока. Эти «активные нагрузки» обеспечивают более высокий коэффициент усиления по напряжению и позволяют цепи работать должным образом при более низком напряжении питания. Кроме того, технология изготовления микросхем отдает предпочтение транзисторам по сравнению с резисторами.

В данной статье я буду ссылаться на выход источника тока как на «ток смещения» или Iсмещ, потому что я считаю, что использование в качестве смещения является более простым средством для изучения основных функций этой схемы.

Схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

Ниже показана базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах:

Рисунок 1 – Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

На мой взгляд, она удивительно проста – два NMOS-транзистора и один резистор. Давайте посмотрим, как она работает.

Как видите, сток Q1 накоротко замкнут с затвором. Это означает, что Vзатвор = Vсток (VG = VD), и, следовательно, Vзатвор-сток = 0 В (VGD = 0 В). Итак, Q1 находится в области отсечки, области триода или области насыщения? Он не может быть заперт, потому что, если ток не протекает через канал, напряжение на затворе будет равно напряжению питания (VDD), и, следовательно, Vзатвор-исток (VGS) будет больше, чем пороговое напряжение Vпорог (можно смело предположить, что VDD выше, чем Vпорог).2\]

На данный момент мы игнорируем модуляцию длины канала; следовательно, как показывает формула, ток стока не зависит от напряжения сток-исток. Теперь обратите внимание, что истоки у обоих полевых транзисторов подключены к земле, и что их затворы замкнуты вместе – иными словами, оба имеют одинаковое напряжение затвор-исток. Таким образом, если предположить, что оба устройства имеют одинаковые размеры канала, их токи стока будут одинаковыми, независимо от напряжения на стоке Q2. Это напряжение обозначено как Vит, что означает напряжение на компоненте источника тока; это помогает напомнить нам, что Q2, как и любой хорошо работающий источник тока, генерирует ток смещения, который не зависит от напряжения на его клеммах. Еще один способ сказать это – Q2 имеет бесконечное выходное сопротивление:

Рисунок 2 – Q2 имеет бесконечное выходное сопротивление

В этих условиях ток никогда не протекает через выходное сопротивление Rвых, даже если Vит очень велико. Это означает, что ток смещения всегда в точности равен опорному току.

Распространенным названием для этой схемы является «токовое зеркало». Вы, вероятно, можете понять, почему – ток, генерируемый правым транзистором является зеркальным отражением (т.е. равным) опорному току, протекающему через левый транзистор. Это название особенно подходит, когда вы принимаете во внимание визуальную симметрию, демонстрируемую представлением типовой схемы.

Кстати, для старых микросхем часто требовался внешний резистор для Rнастр. Однако в настоящее время производители используют встроенные резисторы, которые обрезаются при производстве для достижения достаточной точности.

Важность пребывания транзистора в режиме насыщения

Первым серьезным вызовом этому идеализированному анализу данной схемы является тот факт, что всё разваливается, когда транзистор не находится в режиме насыщения. Если Q2 находится в области триода (т.е. в линейной), ток стока будет сильно зависеть от Vсток-исток (VDS). Другими словами, у нас больше нет источника тока, потому что на ток смещения влияет Vит. Мы знаем, что напряжение затвор-сток Q2, чтобы поддерживать насыщение, должно быть меньше порогового напряжения.

Другой способ сказать это: Q2 покинет область насыщения, когда напряжение стока станет на Vпорог вольт ниже, чем напряжение затвора. Мы не можем указать точное число, потому что и напряжение на затворе, и пороговое напряжение будут варьироваться от одной реализации к другой.

Пример: напряжение затвора, необходимое для генерации требуемого тока смещения, составляет около 0,9 В, а пороговое напряжение составляет 0,6 В; это означает, что мы можем поддерживать насыщение до тех пор, пока Vит остается выше ~ 0,3 В.

Модуляция длины канала

К сожалению, даже когда проект нашей итоговой схемы гарантирует, что Q2 всегда будет в насыщении, наш источник тока на MOSFET транзисторах будет не совсем идеален. Виновником является модуляция длины канала.

Суть области насыщения заключается в «отсечке» канала, который существует, когда напряжение затвор-сток не превышает пороговое напряжение.

Рисунок 3 – Отсечка канала

Идея состоит в том, что ток стока становится независимым от Vит после того, как канал отсекается, потому что дальнейшее увеличение напряжения стока не влияет на форму канала. Однако в действительности увеличение Vит заставляет «точку отсечки» перемещаться к истоку, и это позволяет напряжению стока оказывать небольшое влияние на ток стока, даже когда полевой транзистор находится в насыщении. Результат можно представить следующим образом:

 

Рисунок 4 – Влияние перемещения «точки отсечки»

Iсмещ теперь является суммой Iопор (определяется Rнастр) и Iошибки (ток, протекающий через выходное сопротивление). Iошибки подчиняется закону Ома: более высокое Vит означает больший Iошибки и, следовательно, больший Iсмещ, и, таким образом, источник тока больше не независим от напряжения на его клеммах.2\]

Ток стока прямо пропорционален отношению ширины к длине, и, таким образом, мы можем увеличить или уменьшить Iсмещ, просто сделав отношение W/L в Q2 выше или ниже, чем в Q1. Например, если мы хотим, чтобы ток смещения был в два раза больше опорного тока, все, что нам нужно сделать, это сохранить длины каналов одинаковыми и увеличить ширину канала в Q2 в два раза. (Это может показаться не таким простым, если вы привыкли работать с дискретными полевыми транзисторами, но указание размеров канала является стандартной практикой при проектировании микросхем).

Также очень просто использовать эту схему для «токового управления». Следующая схема иллюстрирует концепцию токового управления:

Рисунок 5 – Токовое управление

Это включение MOSFET транзисторов позволяет генерировать множество токов смещения от одного опорного тока. Более того, каждый из этих токов может быть разным – их можно индивидуально изменять, просто регулируя соотношения ширины канала к его длине.

Заключение

Мы рассмотрели работу и возможности базовой схемы источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах, а также обсудили ее ограничения. Как следует из прилагательного «базовый», существуют лучшие схемы. Но базовая схема – хорошая отправная точка, потому что двухтранзисторное токовое зеркало остается основным ядром схем с более высокой производительностью.

Оригинал статьи:

Теги

MOSFET / МОП транзисторИсточник токаМодуляция длины каналаСтабилизатор токаТоковое зеркало

Сохранить или поделиться

Стабилизатор тока для светодиодов: виды, схемы, как сделать

Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.

Назначение и принцип работы

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, как подключить светодиод от сети 220 вольт). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

  1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
  2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
  3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно здесь.

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и Rset.

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора Rsens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

Стабилизатор на LM317

В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.

LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.

Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:

R1=1.25*I0.

Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:

W=I2R1.

Регулируемый стабилизатор

Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:

Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками

Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.

Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.

Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.

Какой стабилизатор использовать в авто

Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, как подключить светодиодную ленту в авто). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.

Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема светодиодного драйвера.

Вывод

Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.

ТРАНЗИСТОР ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА; J-FET


ЗАДАЧИ

Знакомство с основными характеристиками и параметрами J-FET.

Применение J-FET в качестве источника тока и переменного резистора.

PRELAB

Изобразите схему для измерения характеристик режима обеднения, n-канальный JFET, описанный в части 1 Лаборатории (ниже). Основные характеристики эскиза n-канального J-FET (I D vs.V DS и I D по сравнению с V GS ) и объясните, почему его можно использовать в качестве источника постоянного тока и регулируемого напряжения резистор. Укажите части характеристик, в которых эти функции могут быть реализованным.


ЛАБОРАТОРИЯ

Необходимое оборудование со склада: комплект деталей ECE 392, аналоговый универсальный счетчик, коробка подстановки сопротивления, выводы.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ JFET; V

P И I DSS .

1. 1. Вставьте JFET в макетную плату, подключите источник на землю и сток на источник питания 15 В через амперметр, который буду измерять ток стока (I D ). Измерьте этот ток для разные значения напряжения между затвором и истоком (В GS ). Используйте только отрицательное напряжение на затворе. Определите напряжение отсечки (В P ), т.е. напряжение затвора при котором ток стока (практически) равен нулю.Сделайте несколько измерений при низком токе, с V GS близко к V P , так что у вас достаточно точек на графике log I D в сравнении с V GS , чтобы определить V P . (см. описание отчета ниже). Измерьте также I DSS , ток стока с V GS = 0. Этот ток течет через транзистор, когда затвор подключен к истоку. Повторите измерения значений V P и I DSS для другой транзистор того же типа в вашем комплекте и посмотрите, есть ли существенная разница между двумя транзисторами.Если да, убедитесь, что вы можете идентифицировать эти транзисторы, когда будете использовать их в других измерениях.

1. 2. Затем измерьте I D (V DS ) характеристики одного из транзисторов для GS V = 0 и двух разных отрицательные значения. Обратите внимание на линейную часть характеристик, где I D — это пропорционально V DS (ведет себя как резистор) и часть насыщения, где ток (почти) не зависит от напряжения.

Вы исследуете диапазон насыщения характеристики JFET-транзистора. в части 2 и линейном диапазоне в части 3 ниже.

2. FET КАК ИСТОЧНИК ТОКА.

Плоские части I D в сравнении с V DS характеристики полевые транзисторы позволяют использовать это устройство в качестве простого источника постоянного тока, т.к. ток (почти) не зависит от напряжения на нем.Проверить это идея с двумя транзисторами. Измерьте ток с разными значениями резистор нагрузки R L (100 Ом — 100 кОм) выбран из поле замены сопротивления.

Насколько это хорошо Источник тока? Определите диапазон значений резистора нагрузки, который позволяет току оставаться постоянным в заданном интервале (скажем, 2% или 5%). Каков диапазон напряжения на транзисторе, работающем как источник тока .

Вы можете купить полевые транзисторы с затвором, подключенным к источнику, т.н. диоды стабилизатора тока. Эти два оконечных устройства, откалиброванные для различные значения тока, являются токовыми эквивалентами стабилитронов, которые обеспечить постоянное напряжение.

Вариант источника тока на полевом транзисторе с самосмещением, показан на следующей схеме. Одним из его преимуществ является то, что вы можно получить разные значения тока, регулируя резистор R (a несколько k).Попробуйте эту простую схему и снова определите диапазон нагрузки. резистор R L который позволяет сохранить постоянный ток.

Этот источник тока лучше, чем без резистор? Как это работает? Вы видите обратную связь в этой цепи? Что здесь показывает вольтметр?

3. JFET КАК ПЕРЕМЕННЫЙ РЕЗИСТОР.

В линейной части JFET I D vs. V DS , ток через транзистор (примерно) пропорционален напряжению на нем, как в резистор. Причем крутизна этих характеристик зависит от V GS , поэтому что изменение последнего изменяет значение «сопротивления». Этот эффект можно использовать во многих «цепях, управляемых напряжением».

Поэкспериментируйте с JFET в качестве переменного резистора, используя это вместо штатного резистора в двухрезисторном делителе напряжения.
Выбрал R = 10 к.

Подайте небольшой синусоидальный сигнал (около 0,2 В) на вход и наблюдать изменение выходной амплитуды при изменении В GS (необходимо использовать отрицательное напряжение!). Чтобы узнать, работает ли транзистор действительно ведет себя как резистор, переключите генератор сигналов на треугольная волна. Нелинейная зависимость напряжения от тока будет показать как искажение прямых линий осциллограммы.Резистор имеет линейную ВАХ и не искажает треугольную волну.

Из наблюдения формы выходного сигнала с треугольным волна на входе оцените, в каком диапазоне входных напряжений транзистор ведет себя примерно как резистор? Объясните свое наблюдение.

Схема, показанная ниже, является улучшенной версией двух резисторов напряжения. делитель, где R — обычный резистор, а транзистор — регулируемый резистор.Коэффициент делителя можно регулировать управляющим напряжением V C . Схема компенсации (между выходом и затвором транзистора) значительно улучшает линейность схемы как часть выходного напряжения (какая доля?) добавлен в V GS . Убедитесь, что эта схема ведет себя намного лучше как резистивный делитель, управляемый напряжением.

Сравните диапазон V в с неискаженным треугольным осциллограмма с предыдущим случаем некомпенсированной схемы.Объяснять.

Подсказка:


Сопротивление истока:

, где k — постоянная величина. Для линейного поведения R DS должен зависеть только от V GS .


ОТЧЕТ

Кратко опишите измерения. Включите все схемы. Показать все результаты с собственными единицами. Не забудьте указать частоту, используемую при измерениях переменного тока. Для части 1 постройте график зависимости I D отV GS характеристика и укажите значения I DSS и V P на графике. V P лучше всего определяется по графику log I D vs. В GS . Если у вас есть данные для двух транзисторов, нанесите их на один график. Для части 2 вы можете построить график I D по сравнению с бревном R L до охватывают широкий диапазон сопротивлений. В обсуждении прокомментируйте, I DSS и V P одинаковы для данного типа транзистора.. Адрес темы и ответьте на вопросы, выделенные жирным шрифтом в руководстве. Добавить любые наблюдения или выводы, которые вы хотите сделать.


ИДЕЯ ПРОЕКТА (ДОПОЛНИТЕЛЬНО): ОДИН ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПЕРЕДАТЧИК AM.

Последнюю схему можно использовать для амплитудной модуляции высокой частоты. несущий сигнал, как это делается при радиопередаче AM. Поставляем вход с высокочастотным синусоидальным сигналом (около 1 МГц) и модулируйте его амплитуду на подача низкочастотного сигнала (в килогерцовом диапазоне) через конденсатор (~ 1 мкФ) на ползунок потенциометра.Низкочастотный сигнал может приниматься AM-радио, настроенным на соответствующую частоту (в этом корпус около 1 МГц). Если вы подаете усиленный сигнал с микрофона, вы может услышать ваш голос «в прямом эфире». Кусок проволоки, прикрепленный к сток может служить антенной передатчика, увеличивая дальность приема.

Полевые транзисторы — обзор

8.17.3.3.1 Полевые транзисторы

До сих пор полевые транзисторы являются наиболее распространенными электронными устройствами.В настоящее время производится около 10 19 полевых транзисторов в год, большинство из них (∼99%) на монокристаллических кремниевых пластинах в качестве строительных блоков интегральных схем для микропроцессоров, твердотельных запоминающих устройств или мобильных телефонов. 248 В результате непрерывного горизонтального и вертикального масштабирования современные кремниевые полевые транзисторы представляют собой наноэлектронные устройства; однако миниатюризация обходится дорого. Поэтому альтернативные полупроводники, совместимые с платформами кремниевых технологий, но обеспечивающие более высокую подвижность носителей по сравнению с кремнием, представляют большой интерес, особенно когда они естественным образом вписываются в архитектуру полевых транзисторов нанометрового масштаба.Важной вехой в этом направлении стало изготовление Че и его сотрудников первого полевого транзистора на основе УНТ в 1998 году. 13 Поскольку УНТ характеризуются очень большой подвижностью и почти баллистическим переносом, они открывают большие перспективы для следующего поколения наноэлектроники. 248

Отсутствие подходящих методов синтеза, которые позволяют получать исключительно полупроводниковые УНТ, что стимулировало множество попыток либо отделить полупроводниковые УНТ от материала в исходном состоянии, либо выборочно удалить металлические УНТ, является давней проблемой при изготовлении УНТ – полевых транзисторов. 248,249 Подход к разделению в основном основан на нековалентной химической функционализации с помощью различных видов полимеров, способных селективно оборачивать полупроводниковые ОСНТ, в первую очередь ДНК и полифлуорены. 250,251 Более того, самосортирующиеся полупроводниковые сети ОСНТ были успешно получены путем центрифугирования УНТ из раствора на должным образом функционализированных подложках Si / SiO 2 . 252 Принцип этого метода основан на селективном связывании полупроводниковых УНТ концевыми аминогруппами силанового слоя на кремнеземе. 253 Эффективные химические методы удаления металлических УНТ в ансамблях УНТ включают связывание бензолдиазониевых солей ( Рисунок 27, ) 254 и травление метановой плазмой. 255 В последнем процессе металлические УНТ в пленке предпочтительно функционализируются, в то время как полупроводниковые УНТ с диаметром больше 1,4 нм остаются в основном неизменными. Соответственно, функционализированные металлические УНТ могут быть окончательно удалены посредством термического отжига. 248

Рис. 27. Схема изготовления полевого транзистора на основе образца, содержащего как металлические, так и полупроводниковые УНТ.

Адаптировано с разрешения Balasubramanian, K .; Burghard, M. Small 2005 , 1 , 180. 25

Предпочтительное разрушение металлических УНТ также осуществлялось путем селективного фотоокисления с использованием лазерного излучения подходящей длины волны. 256 Совсем недавно Чжан с соавторами 257 продемонстрировали, что облучение длинной дугой Xe-лампой в условиях окружающей среды также может способствовать более быстрому разрушению металлических поверх полупроводниковых УНТ.Замещающий легирование УНТ — еще один многообещающий подход. В качестве первого шага в этом направлении группа Сюя 258 из Стэнфордского университета недавно сообщила о синтезе ОСНТ, содегированных бором и азотом. В соответствии с теорией, предсказывая ширину запрещенной зоны порядка 0,5 эВ для 10% содержания каждого бора и азота, было обнаружено, что совместно легированные B / N ОСНТ (BCN-ОСНТ) полностью полупроводниковые и очень подходят в качестве полевых транзисторов. каналы. Полевые транзисторы, изготовленные из обогащенных полупроводниковых ансамблей ОСНТ, могут легко достигать больших отношений включения / выключения, превышающих 10 5 , что достаточно для множества практических приложений. 248,250,252

Значительное улучшение было также достигнуто в разработке полевых транзисторов, включающих высокоупорядоченные массивы SWNT, произведенные посредством ориентированного на выращивания методом CVD на кварцевых подложках. 248 После переноса массивов на полимерную подложку и избирательного электрического пробоя металлических УНТ устройства демонстрируют очень хорошие характеристики, в том числе подвижность носителей 1000 см 2 В -1 с -1 в масштабе крутизна до 3000 См · м −1 , токовые выходы до 1 А. 259 Совсем недавно Форзани и соавторы 260 сообщили о методе функционализации ОСНТ в устройстве на полевых транзисторах для селективного обнаружения ионов тяжелых металлов в 2006 году. В их методе полимеры, функционализированные пептидами, были электрохимически осаждены на ОСНТ и селективное обнаружение ионов металлов проводили с использованием соответствующих пептидных последовательностей. Механизм передачи сигнала функционализированными пептидами SWNT FET также был изучен. Было замечено, что при воздействии ионов Ni 2+ наблюдался очевидный сдвиг в сторону отрицательного направления потенциала затвора, что, вероятно, связано с ослаблением взаимодействий между олигопептидами и ОСНТ. 2

Уроки электрических цепей — Том III (Полупроводники)

Уроки электрических цепей — Том III (Полупроводники) — Глава 5

*** НЕПОЛНАЯ ***


Транзистор представляет собой линейное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток с помощью электрического сигнала меньшей мощности.Транзисторы можно условно разделить на два основных подразделения: биполярный и полевой . В предыдущей главе мы изучали биполярные транзисторы, которые используют небольшой ток для управления большим током. В этой главе мы познакомимся с общей концепцией полевого транзистора — устройства, использующего небольшое напряжение для управления током — а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: полевом транзисторе junction . В следующей главе мы рассмотрим еще один тип полевого транзистора — вариант с изолированным затвором .

Все полевые транзисторы униполярные , а не биполярные устройства . То есть основной ток через них состоит либо из электронов через полупроводник N-типа, либо из дырок через полупроводник P-типа. Это становится более очевидным, если посмотреть на физическую схему устройства:

В соединительном полевом транзисторе или JFET управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку, в зависимости от обстоятельств.Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом ) представляет собой непрерывный блок из полупроводникового материала. На только что показанном изображении этот канал представляет собой полупроводник N-типа. Также выпускаются полевые транзисторы с каналом P-типа:

Как правило, N-канальные полевые транзисторы используются чаще, чем P-канальные.Причины этого связаны с неясными деталями теории полупроводников, которые я бы предпочел не обсуждать в этой главе. Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ ввести использование полевых транзисторов — это избегать теории, когда это возможно, и вместо этого сосредоточиться на рабочих характеристиках. Единственное практическое различие между полевыми транзисторами с N- и P-каналом, о которых вам нужно позаботиться сейчас, — это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.

При отсутствии напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для прохождения электронов.Однако, если между затвором и истоком прикладывается напряжение такой полярности, что оно смещает в обратном направлении PN-переход, поток между соединениями истока и стока становится ограниченным или регулируемым, как это было для биполярных транзисторов с заданной величиной базового тока. . Максимальное напряжение затвор-исток «отсекает» весь ток, протекающий через исток и сток, тем самым вынуждая полевой транзистор перейти в режим отсечки. Такое поведение происходит из-за того, что область обеднения PN-перехода расширяется под действием напряжения обратного смещения, в конечном итоге занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико.Это действие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг путем его сжатия: при достаточном усилии шланг сжимается настолько, что полностью перекрывает поток.

Обратите внимание на то, что это рабочее поведение прямо противоположно биполярному переходному транзистору. Биполярные транзисторы — это нормально выключенные устройства : нет тока через базу, нет тока через коллектор или эмиттер. С другой стороны, полевые транзисторы представляют собой обычные устройства : отсутствие напряжения, приложенного к затвору, обеспечивает максимальный ток через исток и сток.Также обратите внимание, что величина тока, допустимого через JFET, определяется сигналом напряжения , а не сигналом тока , как в случае биполярных транзисторов. Фактически, при обратном смещении PN-перехода затвор-исток должен быть почти нулевой ток через соединение затвора. По этой причине мы классифицируем JFET как устройство , управляемое напряжением, , а биполярный транзистор как устройство , управляемое током, .

Если PN-переход затвор-исток смещен в прямом направлении с небольшим напряжением, канал JFET будет «открываться» немного больше, чтобы пропустить большие токи.Однако PN-переход JFET не предназначен для обработки какого-либо значительного тока, поэтому не рекомендуется смещать переход в прямом направлении ни при каких обстоятельствах.

Это очень сжатый обзор работы JFET. В следующем разделе мы рассмотрим использование JFET в качестве переключающего устройства.


Как и его биполярный кузен, полевой транзистор может использоваться в качестве переключателя включения / выключения, управляющего подачей электроэнергии на нагрузку.Начнем наше исследование JFET как переключателя с нашей знакомой схемы переключатель / лампа:

Помня, что управляемый ток в полевом транзисторе протекает между истоком и стоком, мы заменяем соединения истока и стока полевого транзистора на два конца переключателя в приведенной выше схеме:

Если вы еще не заметили, соединения истока и стока на полевом транзисторе JFET выглядят идентично на условном обозначении.В отличие от транзистора с биполярным переходом, где эмиттер четко отделен от коллектора стрелкой, линии истока и стока полевого транзистора проходят перпендикулярно полосе, представляющей канал полупроводника. Это не случайно, так как линии истока и стока полевого транзистора на практике часто взаимозаменяемы! Другими словами, полевые транзисторы JFET обычно способны обрабатывать ток в канале в любом направлении, от истока к стоку или от стока к истоку.

Теперь все, что нам нужно в схеме, — это способ контролировать проводимость полевого транзистора.Если между затвором и истоком приложено нулевое напряжение, канал полевого транзистора будет «открыт», пропуская полный ток к лампе. Чтобы выключить лампу, нам нужно будет подключить другой источник постоянного напряжения между затвором и истоком полевого транзистора следующим образом:

Замыкание этого переключателя приведет к «защемлению» канала JFET, заставляя его отключаться и выключая лампу:

Обратите внимание, что через ворота не проходит ток.Как PN-переход с обратным смещением, он препятствует прохождению через него любых электронов. Как устройство, управляемое напряжением, JFET требует незначительного входного тока. Это преимущество JFET перед биполярным транзистором: управляющий сигнал практически не требует мощности.

Повторное размыкание переключателя управления должно отключить обратное напряжение постоянного смещения от затвора, что позволит транзистору снова включиться. Во всяком случае, в идеале это работает так.На практике это может вообще не сработать:

Почему это? Почему канал JFET не открывается снова и не пропускает ток лампы, как это было раньше, без напряжения между затвором и истоком? Ответ заключается в работе перехода затвор-исток с обратным смещением. Область истощения внутри этого перехода действует как изолирующий барьер, отделяющий затвор от источника. Таким образом, он обладает определенной величиной емкости , способной сохранять потенциал электрического заряда.После того, как этот переход был принудительно смещен в обратном направлении посредством приложения внешнего напряжения, он будет иметь тенденцию удерживать это напряжение обратного смещения в качестве накопленного заряда даже после того, как источник этого напряжения был отключен. Чтобы снова включить полевой транзистор, необходимо сбросить накопленный заряд между затвором и истоком через резистор:

Номинал этого резистора не очень важен. Емкость перехода затвор-исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно большой резистор утечки создает быструю постоянную времени RC, позволяя транзистору возобновлять проводимость с небольшой задержкой после размыкания переключателя.

Как и в случае с биполярным транзистором, не имеет значения, откуда и откуда исходит управляющее напряжение. Мы могли бы использовать солнечную батарею, термопару или любое другое устройство, генерирующее напряжение, для подачи напряжения, контролирующего проводимость полевого транзистора. Все, что требуется от источника напряжения для работы переключателя JFET, — это достаточное напряжение для обеспечения отсечки канала JFET. Этот уровень обычно находится в области нескольких вольт постоянного тока и называется напряжением отсечки или отсечки .Точное напряжение отсечки для любого данного JFET-транзистора зависит от его уникальной конструкции и не является универсальной величиной, например 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого BJT.

  • ОБЗОР:
  • Полевые транзисторы регулируют ток между соединениями истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В полевом транзисторе с переходом (JFET) есть PN переход между затвором и истоком, который обычно имеет обратное смещение для управления током исток-сток.
  • JFET — это нормально включенные (нормально насыщенные) устройства. Приложение напряжения обратного смещения между затвором и истоком заставляет обедненную область этого перехода расширяться, тем самым «зажимая» канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.
  • Может потребоваться установить «отводящий» резистор между затвором и истоком, чтобы разрядить накопленный заряд, накопленный на естественной емкости перехода, когда управляющее напряжение снимается.В противном случае может остаться заряд, чтобы JFET оставался в режиме отсечки даже после отключения источника напряжения.

Тестирование полевого транзистора с помощью мультиметра может показаться относительно простой задачей, учитывая, что у него есть только один PN-переход для тестирования: измеряется либо между затвором и истоком, либо между затвором и стоком.

Другое дело — проверка непрерывности через канал сток-исток.Помните из предыдущего раздела, как накопленный заряд на емкости PN перехода затворного канала мог удерживать полевой транзистор в отключенном состоянии без приложения к нему внешнего напряжения? Это может произойти, даже если вы держите JFET в руке, чтобы проверить его! Следовательно, любое показание измерителя непрерывности через этот канал будет непредсказуемым, поскольку вы не обязательно знаете, накапливается ли заряд в соединении затвор-канал. Конечно, если вы заранее знаете, какие клеммы на устройстве являются затвором, истоком и стоком, вы можете подключить перемычку между затвором и истоком, чтобы устранить любой накопленный заряд, а затем без проблем приступить к проверке целостности цепи исток-сток.Однако, если вы, , не знаете, какие терминалы какие, непредсказуемость соединения исток-сток может запутать ваше определение идентичности терминала.

Хорошая стратегия, которой следует придерживаться при тестировании JFET, — вставить контакты транзистора в антистатическую пену (материал, используемый для доставки и хранения статических электронных компонентов) непосредственно перед тестированием. Проводимость пены создает резистивное соединение между всеми выводами транзистора, когда он вставлен.Это соединение гарантирует, что все остаточное напряжение, возникающее на PN-переходе затворного канала, будет нейтрализовано, тем самым «открывая» канал для точного измерения целостности цепи исток-сток.

Поскольку канал JFET представляет собой единый непрерывный кусок полупроводникового материала, обычно нет разницы между выводами истока и стока. Проверка сопротивления от истока к стоку должна дать то же значение, что и проверка от стока к истоку.Это сопротивление должно быть относительно низким (максимум несколько сотен Ом), когда напряжение PN перехода затвор-исток равно нулю. При приложении напряжения обратного смещения между затвором и истоком отсечка канала должна быть очевидна по увеличенному показанию сопротивления на измерителе.


JFET, как и биполярные транзисторы, могут «дросселировать» ток в режиме между отсечкой и насыщением, который называется активным режимом .Чтобы лучше понять работу JFET, давайте настроим симуляцию SPICE, аналогичную той, которая использовалась для изучения основной функции биполярного транзистора:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 2 0,05
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Обратите внимание, что транзистор, обозначенный на схеме «Q 1 », представлен в списке соединений SPICE как j1.Хотя все типы транзисторов обычно упоминаются в схемах как «Q» -устройства — точно так же, как резисторы обозначаются буквой «R», а конденсаторы — буквой «C», SPICE необходимо указать, какой тип транзистора это. означает другое буквенное обозначение: q для биполярных переходных транзисторов и j для переходных полевых транзисторов.


Здесь управляющий сигнал представляет собой постоянное напряжение в 1 вольт, приложенное с отрицательной полярностью к затвору полевого транзистора и положительным полюсом к истоку полевого транзистора для обратного смещения PN перехода.В первом моделировании BJT главы 4 для управляющего сигнала использовался источник постоянного тока 20 мкА, но помните, что JFET — это устройство с регулируемым напряжением , а не устройство с регулируемым током, подобное биполярному переходному транзистору.

Как и BJT, JFET имеет тенденцию регулировать контролируемый ток на фиксированном уровне выше определенного напряжения источника питания, независимо от того, насколько высоко это напряжение может подняться. Конечно, это регулирование тока имеет ограничения в реальной жизни — ни один транзистор не может выдерживать бесконечное напряжение от источника питания — и при достаточном напряжении сток-исток транзистор «сломается», и ток стока будет увеличиваться.Но в нормальных рабочих пределах JFET поддерживает постоянный ток стока независимо от напряжения источника питания. Чтобы проверить это, мы запустим еще одно компьютерное моделирование, на этот раз увеличив напряжение источника питания (V 1 ) до 50 вольт:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.постоянного тока v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Разумеется, ток стока остается стабильным на уровне 100 мкА (1.000E-04 ампер) независимо от того, насколько высоким было отрегулировано напряжение источника питания.

Поскольку входное напряжение контролирует сужение канала JFET, имеет смысл, что изменение этого напряжения должно быть единственным действием, способным изменить точку регулирования тока для JFET, точно так же, как изменение базового тока на BJT является единственным действием. возможность изменения регулирования тока коллектора.Давайте уменьшим входное напряжение с 1 до 0,5 вольт и посмотрим, что произойдет:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянный ток 0,5
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Как и ожидалось, ток стока теперь больше, чем был в предыдущем моделировании.При меньшем напряжении обратного смещения, приложенном к переходу затвор-исток, обедненная область не такая широкая, как была раньше, таким образом «открывая» канал для носителей заряда и увеличивая ток стока.

Однако обратите внимание на фактическое значение этого нового значения тока: 225 мкА (2,250E-04 ампер). Последнее моделирование показало ток стока 100 мкА, и это было при напряжении затвор-исток 1 вольт. Теперь, когда мы уменьшили управляющее напряжение в 2 раза (с 1 вольт до 0.5 вольт) ток стока увеличился, но не в той же пропорции 2: 1! Давайте еще раз уменьшим напряжение затвор-исток еще в два раза (до 0,25 В) и посмотрим, что произойдет:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 0,25
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

При напряжении затвор-исток, установленном на 0.25 вольт, вдвое меньше, чем было раньше, ток стока 306,3 мкА. Хотя это все еще увеличение по сравнению с 225 мкА по сравнению с предыдущим моделированием, оно не пропорционально изменению управляющего напряжения.

Чтобы лучше понять, что здесь происходит, мы должны запустить другой тип моделирования: тот, который поддерживает постоянное напряжение источника питания и вместо этого изменяет управляющий сигнал (напряжение). Когда такое моделирование выполнялось на BJT, результатом был прямолинейный график, показывающий, насколько линейна зависимость входного тока / выходного тока BJT.Давайте посмотрим, какие отношения демонстрирует JFET:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока 25
.model mod1 njf
.dc vin 0 2 0,1
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Это моделирование непосредственно выявляет важную характеристику полевого транзистора с переходным эффектом: влияние напряжения затвора на ток стока является нелинейным .Обратите внимание на то, что ток стока не уменьшается линейно при увеличении напряжения затвор-исток. В случае биполярного переходного транзистора ток коллектора был прямо пропорционален базовому току: выходной сигнал был пропорционален входному сигналу. Не так с JFET! Управляющий сигнал (напряжение затвор-исток) все меньше и меньше влияет на ток стока по мере приближения к отсечке. В этом моделировании большая часть управляющего воздействия (75 процентов уменьшения тока стока — с 400 мкА до 100 мкА) происходит в пределах первого вольта напряжения затвор-исток (от 0 до 1 вольт), а оставшиеся 25 процентов Для уменьшения тока стока требуется еще один вольт входного сигнала.Отсечка происходит при входном напряжении 2 В.

Линейность обычно важна для транзистора, потому что она позволяет ему точно усиливать форму волны, не искажая ее. Если транзистор имеет нелинейное усиление на входе / выходе, форма входного сигнала каким-либо образом будет искажена, что приведет к возникновению гармоник в выходном сигнале. Единственная временная линейность не важна для транзисторной схемы — это когда она работает в крайних пределах отсечки и насыщения (включается и выключается как переключатель).

Характеристические кривые JFET демонстрируют то же поведение регулирования тока, что и BJT, а нелинейность между напряжением затвор-исток и током стока очевидна в непропорциональных вертикальных расстояниях между кривыми:

Чтобы лучше понять регулирующее ток поведение JFET, может быть полезно нарисовать модель, состоящую из более простых и распространенных компонентов, как мы это сделали для BJT:

В случае JFET именно напряжение на диоде затвор-исток с обратным смещением задает точку регулирования тока для пары диодов постоянного тока.В модель включена пара противоположных диодов постоянного тока для обеспечения протекания тока в любом направлении между истоком и стоком, что стало возможным благодаря униполярной природе канала. При отсутствии PN-переходов для прохождения тока исток-сток отсутствует чувствительность к полярности в регулируемом токе. По этой причине полевые транзисторы JFET часто называют двусторонними устройствами.

Сравнение характеристических кривых JFET и кривых для биполярного транзистора показывает заметную разницу: линейная (прямая) часть области насыщения каждой кривой (негоризонтальная область) удивительно длинна по сравнению с соответствующими частями характеристических кривых BJT:

JFET-транзистор в состоянии насыщения имеет тенденцию действовать очень похоже на простой резистор при измерении от стока к истоку.Как и у всех простых сопротивлений, его график тока / напряжения представляет собой прямую линию. По этой причине участок насыщения (негоризонтальный) характеристической кривой полевого транзистора иногда называют омической областью . В этом режиме работы, когда напряжения сток-исток недостаточно для доведения тока стока до регулируемой точки, ток стока прямо пропорционален напряжению сток-исток. В тщательно спроектированной схеме это явление можно использовать с пользой.Управляемый в этой области кривой JFET действует как управляемый напряжением резистор , а не регулируемый напряжением регулятор тока , и подходящая модель для транзистора отличается:

Здесь и только здесь модель транзистора с реостатом (переменным резистором) является точной. Однако следует помнить, что эта модель транзистора верна только для узкого диапазона его работы: когда он чрезвычайно насыщен (гораздо меньшее напряжение, приложенное между стоком и истоком, чем то, что необходимо для достижения полного регулируемого тока через сток ).Величина сопротивления (измеряется в омах) между стоком и истоком в этом режиме контролируется тем, сколько напряжения обратного смещения приложено между затвором и истоком. Чем меньше напряжение затвор-исток, тем меньше сопротивление (более крутая линия на графике).

Поскольку полевые транзисторы типа — это регуляторы тока, контролируемые напряжением (по крайней мере, когда им разрешено работать в активном режиме, а не в режиме насыщения), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен в виде безразмерного отношения, как в случае BJT.Другими словами, у полевого транзистора нет коэффициента β. Это верно для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако существует выражение от контролируемого тока (стока) до управляющего напряжения (затвор-исток), и оно называется крутизной . Его единица измерения — Siemens, такая же единица измерения проводимости (ранее известная как mho ).

Почему такой выбор единиц? Поскольку уравнение принимает общую форму тока (выходной сигнал), деленного на напряжение (входной сигнал).

К сожалению, значение крутизны для любого JFET не является стабильной величиной: оно значительно зависит от величины управляющего напряжения затвор-исток, приложенного к транзистору. Как мы видели в моделировании SPICE, ток стока не изменяется пропорционально изменениям напряжения затвор-исток. Чтобы рассчитать ток стока для любого заданного напряжения затвор-исток, можно использовать другое уравнение. При осмотре очевидно, что он нелинейный (обратите внимание на степень двойки), что отражает нелинейное поведение, которое мы уже испытали при моделировании:

  • ОБЗОР:
  • В своих активных режимах полевые транзисторы JFET регулируют ток стока в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком, подобно тому, как BJT регулирует ток коллектора в соответствии с током базы.Математическое соотношение между током стока (выход) и напряжением затвор-исток (вход) называется крутизной и измеряется в единицах Сименс.
  • Взаимосвязь между напряжением затвор-исток (управление) и током стока (управляемым) является нелинейным: при уменьшении напряжения затвор-исток ток стока увеличивается экспоненциально. Другими словами, крутизна JFET не является постоянной во всем рабочем диапазоне.
  • В своих режимах насыщения полевые транзисторы JFET регулируют сопротивление сток-исток в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком.Другими словами, они действуют как резисторы, управляемые напряжением.

*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***



Уроки в электрических цепях авторское право (C) 2000-2006 Тони Р.Kuphaldt, в соответствии с условиями Лицензии на научный дизайн.

Что такое полевой транзистор? — Блог Fusion 360

Полевой транзистор (FET) — это трехконтактный активный полупроводниковый прибор, в котором выходной ток регулируется электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, потому что, в отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы имеют либо электроны, либо дырки, работающие в качестве носителей заряда.Полевой транзистор использует напряжение, приложенное к его входной клемме (называемой затвором), для управления током, протекающим от истока к стоку, что делает полевой транзистор устройством, управляемым напряжением.

Полевые транзисторы

широко используются в интегральных схемах (ИС) из-за их компактных размеров и значительно более низкого энергопотребления. Кроме того, полевые транзисторы также используются в устройствах переключения высокой мощности, в качестве резисторов с переменным напряжением (VVR) в операционных усилителях (операционных усилителях), регуляторах тембра и т. Д., для работы микшера на ЧМ и ТВ приемниках и в логических схемах.

Психический обзор

Полевой транзистор имеет четыре терминала с именами Источник, Сток, Затвор и Корпус.

  1. Источник : Источник — это терминал, через который большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор.
  2. Дренаж : Дренаж — это терминал, через который большинство носителей заряда выходят из полевого транзистора.
  3. Затвор : Вывод затвора формируется путем диффузии полупроводника N-типа с полупроводником P-типа.Это создает сильно легированную область PN-перехода, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.
  4. Корпус : Это основа, на которой построен полевой транзистор. В дискретных приложениях он внутренне привязан к выводу источника, что позволяет полностью игнорировать его эффекты. Однако в интегральных схемах этот вывод обычно подключается к наиболее отрицательному источнику питания в цепи NMOS (наиболее положительному в схеме PMOS), поскольку он используется многими транзисторами. Тщательные соединения и конструкция имеют решающее значение для поддержания производительности полевого транзистора, когда задействовано соединение Body.

Канал : Это область, в которой большинство несущих проходят от терминала истока к терминалу стока.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы

подразделяются на полевые транзисторы (JFET) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

JFET (переходно-полевой транзистор)

Junction Field Effect Transistor (JFET) — это самый ранний тип полевых транзисторов.Ток протекает через активный канал между истоками и выводами стока. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком полевого транзистора. При подаче напряжения обратного смещения на вывод затвора канал деформируется, поэтому электрический ток полностью отключается. Вот почему полевые транзисторы JFET называют «нормально включенными» устройствами. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

N-канальный JFET

В N-канальном JFET канал легирован донорными примесями, что делает его полупроводником N-типа.Следовательно, ток через канал отрицателен в виде электронов. Отсюда и название N-канальный JFET. Две подложки P-типа, легированные с противоположных сторон от его средней части. Таким образом, два PN-перехода образованы этими сильно легированными областями P-типа и каналом N-типа между ними. Вывод затвора (G) подключается внутри к обоим клеммам P-типа, а выводы стока (D) и истока (S) подключаются к любому концу канала N-типа.

Как это работает?

Когда на вывод затвора не подается напряжение, канал становится широко открытым путем для прохождения электронов.Следовательно, максимальный ток протекает от истока к выводу стока. Величина протекающего тока определяется разностью потенциалов между выводами истока и стока и внутренним сопротивлением канала.

Но происходит обратное, когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение по отношению к выводу истока, что приводит к обратному смещению P-N перехода. В канале создается область истощения, которая сужает канал, увеличивая сопротивление канала между истоком и стоком, и ток становится меньше.

P-канальный JFET

Аналогичным образом, в JFET с P-каналом канал легирован акцепторными примесями, что делает его полупроводником P-типа. Следовательно, поток тока через канал является положительным в виде отверстий. Отсюда и название P-channel JFET. Противоположная сторона канала сильно легирована подложками N-типа. Как и в N-канальном JFET, вывод затвора формируется путем соединения областей N-типа с обеих сторон. Клеммы истока и стока взяты с двух других сторон канала.

Принцип работы также аналогичен N-канальному JFET. Единственное отличие состоит в том, что вам необходимо обеспечить положительное напряжение затвора к источнику, чтобы выключить его. Однако N-канальный JFET имеет более высокую проводимость по току из-за более низкого сопротивления канала, чем их эквивалентные типы P-каналов, поскольку электроны имеют более высокую подвижность через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным, чем их аналоги с P-каналом.

Характеристики

Здесь JFET смещен через источник постоянного тока, который будет управлять VGS JFET.Мы можем контролировать приложенное напряжение на клеммах стока и источника, изменяя VGS. Оттуда мы можем построить кривую ВАХ полевого транзистора.

Выходные характеристики JFET представлены между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS) при постоянном напряжении затвор-исток (VGS), как показано на следующем рисунке.

  • Область отсечки — это область, где JFET выключен, что означает отсутствие тока стока, ID течет от стока к истоку.
  • Омическая область — В этой области JFET начинает показывать некоторое сопротивление току стока, ID, который начинает течь от стока к истоку. Ток, протекающий через полевой транзистор, линейно пропорционален приложенному напряжению.
  • Область насыщения — Когда напряжение сток-исток достигает такого значения, что ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только с напряжением затвор-исток, устройство считается находящимся в состоянии насыщения. область.
  • Область пробоя — Когда напряжение сток-исток, VDS превышает максимальное пороговое значение, что вызывает пробой области истощения, JFET теряет способность сопротивляться току, и ток стока увеличивается бесконечно.

MOSFET (Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник)

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы, также известные как МОП-транзисторы, имеют большее значение и являются наиболее полезным типом среди всех транзисторов.МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку. MOSFET также является транзистором, управляемым напряжением, но основное различие между JFET и MOSFET заключается в том, что он имеет металлооксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком очень тонким слоем. из изоляционного материала, обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Трек создан с использованием двух сильно легированных зон N-типа, рассеянных в слаболегированной подложке P-типа.Эти две области N-типа известны как сток и исток, а область P-типа называется подложкой. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким по шкале мегаомов (МОм), тем самым делая его почти бесконечным. Таким образом, ток не может течь в ворота.

Как это работает?

Основной принцип устройства MOSFET заключается в том, чтобы иметь возможность управлять напряжением и током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного к выводу затвора.Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован из p-типа в n-тип путем приложения либо положительного, либо отрицательного напряжения затвора, соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дырки, находящиеся под оксидным слоем, толкаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал.Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется отверстие.

Типы полевых МОП-транзисторов

Широко используются два полевых МОП-транзистора:

1.Истощение MOSFET:

МОП-транзистор в режиме истощения аналогичен разомкнутому переключателю. В этом режиме для выключения устройства применяется напряжение затвора в источник (VGS). Когда напряжение затвора отрицательное, в канале накапливаются положительные заряды. Это вызывает область истощения в канале и предотвращает протекание тока. Таким образом, поскольку на протекание тока влияет формирование обедненной области, он называется истощенным MOSFET.

2.Расширение MOSFET:

МОП-транзистор расширенного режима аналогичен переключателю включения. В этом режиме для включения устройства применяется напряжение затвор-исток (VGS). Когда отрицательное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора, отверстия, несущие положительный заряд, накапливаются рядом с оксидным слоем, образуя канал от истока к выводу стока. По мере того, как напряжение становится более отрицательным, ширина канала увеличивается и ток увеличивается; поэтому он называется улучшенным MOSFET.

Кроме того, типы истощения и расширения подразделяются на типы N-канал и P-канал .

1.N-канальный полевой МОП-транзистор :

N-канальный полевой МОП-транзистор имеет канал N-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником N-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом P-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

2.P-канальный полевой МОП-транзистор:

Аналогично, P-канальный MOSFET имеет канал P-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником P-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом N-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за дыр. А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

Характеристики

В целом, полевой МОП-транзистор работает в основном в трех регионах, а именно:

  1. Область отсечки:
    В области отсечки полевой МОП-транзистор остается выключенным, поскольку в этой области нет тока.Здесь MOSFET ведет себя как разомкнутый переключатель и, таким образом, используется, когда они должны функционировать как электронные переключатели.
  2. Омическая область:
    В омической или линейной области ток между стоком и истоком увеличивается с увеличением напряжения между стоком и истоком. Когда в этой области работают полевые МОП-транзисторы, их можно использовать в качестве усилителей.
  3. Область насыщения:
    В этой области значение тока от стока к истоку остается постоянным без учета увеличения напряжения между стоком и истоком.Это происходит только один раз, когда напряжение на стоке к выводу истока увеличивается больше, чем напряжение отсечки. В этом случае устройство будет работать как замкнутый переключатель. Поэтому эта рабочая область используется всякий раз, когда требуются полевые МОП-транзисторы для выполнения операций переключения.

Приложения

MOSFET в качестве переключателя

Полевые МОП-транзисторы

используются во многих различных приложениях. Они широко известны своими коммутационными характеристиками. Как мы видели ранее, N-канальный MOSFET в режиме улучшения имеет очень высокое входное сопротивление и работает от положительного входного напряжения.Это позволяет нам переключать нагрузки с высоким током или высоким напряжением, используя сигнал относительно низкого логического уровня. В следующем примере мы будем использовать N-канальный МОП-транзистор в режиме улучшения для включения и выключения простой лампы.

Как видите, в этой схеме мы хотим переключить лампу 12 В с помощью логического сигнала 5 В. Мы подключили положительную клемму лампы к источнику питания 12 В, а другой конец — к клемме стока полевого МОП-транзистора. Клемма источника подключена к GND. Сопротивление затвора к истоку (RGS) используется для предотвращения любого внешнего шума на выводе затвора.

Когда напряжение не подается, лампа остается выключенной. Если мы подадим положительное входное напряжение (VGS) на вывод затвора полевого МОП-транзистора, лампа включится и останется включенной до тех пор, пока мы не удалим входной сигнал или не подадим отрицательное входное напряжение. Затем лампа погаснет.

Усилитель MOSFET

MOSFET или eMOSFET в режиме расширения требует минимального напряжения затвор-исток, называемого пороговым напряжением (VTH), которое должно быть приложено к затвору, чтобы он начал протекать ток от стока к истоку (VDS).По мере увеличения прямого смещения затвора ток сток-исток (IDS) также будет увеличиваться, что делает eMOSFET идеальным для использования в схемах усилителя MOSFET.

Эта простая конфигурация усилителя MOSFET в режиме расширения с общим истоком использует одиночный источник питания на выводе стока для генерации необходимого напряжения затвора (VG) с использованием резисторного делителя на резисторах R1 и R2. Схема резисторов создает необходимую схему смещения для работы в области насыщения. Нам также понадобятся резистор стока и истока и емкости связи.Значения R1 и R2 обычно большие, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и уменьшить омические потери мощности. Конденсаторы связи C1 и C2 изолируют напряжение смещения постоянного тока от сигнала переменного тока, который необходимо усилить. На изображении выше небольшой сигнал переменного тока (VGS) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к колебаниям тока стока, синхронному с приложенным входным переменным током.

Драйвер мотора H-моста

Н-мост — это конфигурация схемы, обычно используемая для управления скоростью и направлением щеточного двигателя постоянного тока.Как мы видели ранее, используя полевой МОП-транзистор, мы можем легко контролировать скорость двигателя. Но это работает только в одном направлении. Чтобы сделать его двунаправленным, нам нужно подключить 4 полевых МОП-транзистора таким образом, чтобы он мог одновременно переключать как верхнюю, так и нижнюю стороны.

При активации одной пары (диагонально противоположных) полевых МОП-транзисторов двигатель видит, что ток течет в одном направлении, а когда активируется другая пара, ток через двигатель меняет направление. Срабатывание как нижнего, так и верхнего полевых МОП-транзисторов (но никогда вместе) прерывает ток и останавливает двигатель.

Затворы полевого МОП-транзистора с N-каналом обычно подтягиваются понижающим резистором, а затворы полевого МОП-транзистора P-канала поднимаются высоко. Это приводит к тому, что полевые МОП-транзисторы с каналом P и N отключаются; следовательно, ток не может течь. Когда сигнал PWM подается на затворы полевого МОП-транзистора, полевые МОП-транзисторы с каналом N и P попеременно включаются и выключаются, контролируя мощность.

_____

Технология полевых транзисторов может использоваться в различных областях электроники, где биполярные транзисторы не подходят.Полевой транзистор имеет очень высокое входное сопротивление и является устройством, управляемым напряжением; они, возможно, являются наиболее широко используемым активным устройством. Поскольку они используются в КМОП и других технологиях интегральных схем, где потребляемая мощность является решающим фактором, полевые МОП-транзисторы обеспечивают работу с очень низким энергопотреблением. МОП-транзистор также можно использовать в качестве переключателя для управления большими нагрузками, такими как лампы или двигатели большой мощности. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора. Соответственно, полевой МОП-транзистор включается или выключается, таким образом поддерживая яркость лампы или скорость двигателя.

Вы уже знакомы с электронными возможностями Fusion 360? Fusion 360 предлагает доступ к комплексным средствам проектирования электроники и печатных плат на одной платформе разработки продуктов в облаке. Попробуйте сами сегодня.

Полевой насос: жидкий диэлектрофорез вдоль виртуального микроканала с электрическими полями исток-затвор-сток

Мы исследуем жидкий диэлектрофорез (LDEP) для реализации полевых насосов (FEP), которые направляют жидкости из источника, через затвор , в направлении электрических полей стока между параллельными пластинами без внешних насосов или проблемы мертвого объема.Соответствующее электрическое поле затвора создает виртуальный микроканал без стенки для переноса жидкости от истока к сливу с регулируемой скоростью потока ( Q ), управляемой разностью квадрата напряженности электрического поля (Δ E 2 DS ). Аналогично полевым транзисторам (FET), FEP могут работать в «линейной», «переходной» или «насыщенной» области в зависимости от Δ E 2 GD и Δ E 2 DS .При достаточном Δ E 2 GD и малом Δ E 2 DS , FEP работали в линейной области, где Q было линейно пропорционально Δ E 2 DS и обратно пропорционально сопротивлению потоку R , которое в основном определялось длиной ( L ), шириной ( W ) и высотой ( H ) стабильного и полностью занятого виртуального микроканала.При недостаточном Δ E 2 GD и от среднего до большого Δ E 2 DS наблюдалось сужение, сужение и даже отслаивание виртуальных микроканалов. , который увеличил R и изменил операцию на переходную или насыщенную область. Объединение потоков с полевым эффектом, регулирующее два потока, было построено на основе двух FEP с общими электродами затвора и стока. Универсальность FEP была продемонстрирована предварительными исследованиями цельной крови и растворов частиц.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз?

Источник тока на полевом транзисторе

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. Область изобретения

Настоящее изобретение относится к технологии реализации источника тока в технологии полевых транзисторов.

2. Описание предшествующего уровня техники

Большинство линейных цепей смещены с помощью источника тока. Обычно считается желательным, чтобы этот источник обеспечивал ток, не зависящий от температуры, источника питания и технологических изменений. Один широко используемый источник тока использует логарифмическую нечувствительность прямого напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, VBE, к источникам питания и изменениям технологического процесса. Резистор, установленный на переходе эмиттер-база активного транзистора (фиг.1) даст опорный ток, равный VBE / R. Интегральные схемы CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник) также использовали этот метод, используя преимущества внутреннего биполярного транзистора в структуре CMOS. К сожалению, этот источник тока имеет большую температурную зависимость, поскольку VBE имеет собственный отрицательный температурный коэффициент примерно -2 мВ / градус Цельсия, а резистор имеет положительный температурный коэффициент. Следовательно, ток от этого источника имеет большой отрицательный температурный коэффициент.

Большой объем работы был проделан над схемами, обеспечивающими постоянное опорное напряжение, но относительно меньше над явно аналогичной работой по созданию постоянного опорного тока. В случае источников тока на полевых транзисторах (FET) часто предпринимаются шаги для смягчения последствий значительных вариаций параметров устройства от партии к партии, которыми славятся полевые транзисторы. В частности, схемы обычно проектируются таким образом, чтобы минимизировать влияние изменений порога и усиления, которые возникают для полевых транзисторов на различных пластинах.Например, резистор обычно включается в тракт истока полевого транзистора для обеспечения вырождающейся обратной связи, которая уменьшает эти отклонения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Мы изобрели метод реализации источника постоянного тока с использованием полевого транзистора. В этом методе полевой транзистор, имеющий резистор, подключенный между электродами затвора и истока, обеспечивает опорный ток, который может иметь положительный, отрицательный или нулевой температурный коэффициент.При использовании с аналоговой или цифровой схемой полевого транзистора, реализованной на той же полупроводниковой подложке, эталонная схема также компенсирует вариации обработки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

РИС. 1 показан биполярный источник тока предшествующего уровня техники.

РИС. 2 показана эталонная схема источника тока на полевом транзисторе в соответствии с настоящим изобретением.

РИС. 3 иллюстрирует первую схему для реализации настоящего изобретения.

РИС. 4 иллюстрирует вторую схему для реализации настоящего изобретения.

РИС. 5 и 6 показаны управляемые транзисторы для реализации источников тока относительно клемм положительного и отрицательного напряжения соответственно.

РИС. На фиг.7 и 8 показан эталонный резистор источника тока предшествующего уровня техники.

РИС. На фиг.9, 10 и 11 показан эталонный резистор источника тока согласно настоящему изобретению.

РИС. 12 иллюстрирует влияние изменений процесса на выход источника тока для эталонных резисторов разной ширины для типа резистора, показанного на фиг.9-11.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Следующее описание относится к схеме, которая может обеспечивать независимый ток от температуры и источника питания и в предпочтительном варианте осуществления активно компенсирует присущие технологические изменения. Это приводит к меньшему разбросу параметров линейной схемы, таких как скорость нарастания, усиление и ширина полосы пропускания операционного усилителя, чем можно получить с «идеальным» источником тока. Настоящая методика частично является результатом признания того, что члены положительного и отрицательного температурных коэффициентов могут быть сбалансированы до желаемой степени в полевом транзисторе, чтобы получить желаемый температурный коэффициент.Настоящее изобретение также предусматривает, что полевой транзистор источника тока может быть изготовлен с помощью того же процесса изготовления (например, на той же полупроводниковой подложке), что и схемы, использующие управляемый ток. Затем изменения процесса вызывают изменения в полевом транзисторе источника тока, которые компенсируют изменения рабочих параметров (например, усиления, скорости нарастания и т. Д.) В управляемой схеме. По этой методике полевой транзистор с успехом используется в качестве источника тока.

Базовое ядро ​​источника показано на фиг.2, в котором полевой транзистор имеет опорный резистор (R), подключенный между затвором и истоком. Полевой транзистор обычно представляет собой тип с изолированным затвором (то есть IGFET), который может быть типом полевого транзистора металл-оксид-кремний (MOSFET). В области насыщения ток через канал IGFET равен: I = 1 / 2β (VGS-Vt) 2 (1)

, где β — коэффициент усиления, а Vt — пороговое напряжение IGFET. Для полевого МОП-транзистора коэффициент усиления (β) может быть аппроксимирован как β = (Z / L) μCox, где Z — ширина канала, L — длина канала, μ — подвижность основных носителей в канале, и Cox — емкость затвора на единицу площади.Значение Кокса можно рассчитать как: диэлектрическая проницаемость свободного пространства, умноженная на диэлектрическую проницаемость изолятора затвора (около 3,85 для оксида), деленная на толщину изолятора затвора. Уравнение (1) может быть решено для VGS: VGS = (2I / β) 1 /2 + Vt. (2)

Для постоянного тока канала I температурный коэффициент VGS является суммой двух членов. Первый связан с β, температурная зависимость которого обусловлена ​​зависимостью подвижности основных носителей заряда, протекающих в канале между истоком и стоком.Подвижность (μ) ограничена решеточным рассеянием, которое имеет температурную зависимость: μ = μ o (T / To) -3 /2 (3)

, где μ o — подвижность при температуре К. Типичные значения μ o находятся в диапазоне от 520 до 775 см 2 / вольт-сек для n-канальных полевых транзисторов и от 185-240 см 2 / вольт-секунд для p-канальных полевых транзисторов при To = 20 ° C На практике поверхностное рассеяние несколько изменяет показатель степени по сравнению с его теоретическим значением -3/2.

Пороговое напряжение (Vt) имеет собственный отрицательный температурный коэффициент, который слабо зависит от параметров процесса. Для типичной технологии комплементарной МОП-схемы (CMOS), основанной на правилах проектирования 3-5 микрометров, это значение составляет -2,3 мВ / градус C. Уравнение (2) теперь можно записать как: VGS = Vt + (2I / β o ) 1 /2 (приёмопередача) 3 /4. (4)

Отметим, что β o — это усиление при температуре To. Теперь очевидно, что VGS — это сумма двух членов с противоположными температурными коэффициентами; что β o является положительным, а Vt отрицательным.Кроме того, величина второго члена в уравнении (4) зависит от тока в канале, так что общий температурный коэффициент VGS можно легко регулировать. (Полная аналитическая обработка приведена в Приложении.) Поскольку эталонный ток I R = VGS / R, очевидно, что желаемый температурный коэффициент эталонного тока может быть получен путем выбора одного или нескольких из: порогового напряжения (Vt), ток канала (I) и коэффициент усиления (β). Коэффициент усиления, в свою очередь, может быть установлен согласно соображениям, известным в данной области техники, включая, например, приближение, приведенное выше.

Способность этого источника компенсировать изменения процесса также показана в уравнении 4. «Быстрый» (например, относительно тонкий оксид затвора и короткая длина канала) процесс будет иметь большое β и, следовательно, небольшое значение VGS. Контрольный ток (I R ) равен VGS / R, поэтому он будет уменьшаться. «Медленный» (например, относительно толстый оксид затвора и большая длина канала) процесс с малым β будет иметь больший VGS и, следовательно, больший опорный ток. С точки зрения физического процесса, быстрый процесс обычно является результатом относительно большего травления материала затвора, которое уменьшает его длину относительно больше, чем ширину.Следовательно, когда канал сформирован, отношение Z / L увеличивается. Обратное верно для медленного процесса. Также могут быть задействованы другие факторы, такие как глубина полупроводникового перехода, толщина изолятора затвора, уровни легирования и т. Д.

Простая схема, которая использует концепцию VGS / R для генерации постоянного тока, показана на фиг. 3. Чтобы получить желаемый температурный коэффициент (TC), ток канала через эталонный транзистор (M3) должен поддерживаться пропорциональным эталонному току (I R ).Для этого транзистор M1 отражает ток канала в M5, который подключен как диод. Этот ток канала также является опорным током, протекающим через R1. Если ток I протекает в M1 и M5, то ток 2I отражается в M4, что в два раза превышает размер M2. Канальный ток в опорном транзисторе M3 равен току в M4 за вычетом тока, подаваемого M5. Конечный результат состоит в том, что ток I течет через все транзисторы, кроме M4, который имеет ток 2I. Поскольку ток канала через M3 должен быть равен опорному току в R1, образуется стабильный контур обратной связи.В общем, эти токи не должны быть равными, а просто пропорциональными. Затем токовые зеркала являются средством, заставляющим ток канала в опорном транзисторе быть пропорциональным опорному току через опорный резистор. Из этой схемы доступны два выходных напряжения смещения. Положительный вывод смещения (BOP) подает напряжение на затвор одного или нескольких выходных токовых транзисторов M50 с каналом P; см. фиг. 5. Выходной ток I out пропорционален опорному току I R .Константа пропорциональности зависит от размера M50 по сравнению с M5 на фиг. 3 (или по сравнению с M48 на фиг. 4). Соответствующий отрицательный сигнал смещения (BON) может подаваться на один или несколько N-канальных токовых выходных транзисторов M60; см. фиг. 6. Однако схема на фиг. 3 имеет два стабильных токовых состояния, одно из которых I = 0. Следовательно, желательно включить средства предотвращения перехода схемы в состояние I = 0.

Более типичная схема, использующая концепцию изобретения, показана на фиг.4. Ширина и длина каналов транзистора в микрометрах указывается как W / L для каждого связанного транзистора. Транзистор M410 и его резисторы смещения включены для обеспечения надлежащих условий запуска; т.е. предотвратить I = 0. Для этой цели M410 рассчитан на потребление небольшого тока, обычно менее 0,1% от тока через эталонный резистор R1, номинальное значение которого установлено в 100 мкА. M410 и его резисторы смещения могут быть заменены истощающим транзистором. Другие дополнительные транзисторы могут быть включены для улучшения подавления подачи питания за счет каскадирования всех зеркал и для отражения тока на M413, который фактически управляет выходом отрицательного смещения (BON).Выход положительного смещения (BOP) обеспечивается стоком M48.

Эталонный резистор R1 может быть любого типа, обеспечивающего положительный температурный коэффициент сопротивления. Он преимущественно изготавливается с диффузией P +, которая имеет гораздо более низкие TCR (температурный коэффициент удельного сопротивления) и VCR (коэффициент удельного сопротивления напряжения), чем P-ванна. Абсолютный контроль сопротивления листа P + также очень хороший, обычно в пределах плюс-минус 15% от номинального значения. В качестве альтернативы R1 может быть изготовлен из поликремния или другого материала.Размеры R1 и эталонного транзистора M45 обычно устанавливаются так, чтобы обеспечить нулевой TCC (температурный коэффициент тока) в M413 и M48 при номинальных условиях. Сопротивление эталонного резистора (R1) обычно больше 100 Ом и обычно меньше 10 МОм, хотя возможен и более широкий диапазон. Размер эталонного транзистора (M45) желательно выбирать так, чтобы длина канала (L) была достаточно большой, чтобы минимизировать вариации обработки. Длина от 8 до 10 микрометров подходит для типичных условий обработки.Затем можно установить усиление, выбрав ширину Z, чтобы получить желаемый температурный коэффициент. Один из методов получения желаемого температурного коэффициента тока от источника следующий:

1. Определите температурный коэффициент эталонного резистора (например, путем измерения или оценок в зависимости от типа материала).

2. Выберите желаемый эталонный ток (например, I R = 100 мкА) и желаемую пропорциональность между током канала в эталонном транзисторе и эталонным током (например,г., (I / I R = 1).

3. Оцените приблизительный размер эталонного транзистора (например, W = 50 микрометров, L = 10 микрометров).

4. Определите Vt и β для выбранного эталонного транзистора.

5. Определите VGS для эталонного транзистора, используя уравнение (2) (например, VGS = 1,7 В).

6. Установите опорный резистор R = VGS / I R (например, 1,7 / 100 × 10 -6 = 17K).

7. Рассчитайте температурный коэффициент опорного тока: (i.е., I R = VGS / R) из 1 выше и уравнение (2).

8. Если температурный коэффициент I R не находится в желаемых пределах, измените переменную, отраженную в уравнении (2), и повторяйте шаги 3-7 до получения желаемого значения (например, уменьшите размер эталонного транзистора до W = 40). микрометров L = 10 микрометров, что уменьшает значение β и увеличивает VGS до 1,815 вольт, так что R = 18,15K, что дает приблизительно нулевое значение TC для I R ).

Обратите внимание, что положительный, нулевой или отрицательный T.C. для I таким образом может быть получен R . Возможны и другие методики.

Обратите внимание, что на ФИГ. 4, эталонный транзистор M45, как показано, находится в своем собственном P-баке со смещением обратного затвора, VBS = 0. Это желательно для минимизации отклонений, вызванных источником питания на заднем затворе. По этой причине характеристики схемы обычно лучше в CMOS, чем в NMOS. Если бы использовалась технология CMOS с использованием изолированных N-образных ванн, вся схема была бы просто «перевернута» по вертикали, и M45 был бы P-канальным устройством в изолированной N-образной ванне.Однако настоящая методика также может быть успешно реализована в технологии NMOS (или PMOS), когда изолированные ванны недоступны. В этом случае задний затвор транзистора управления током затем подключается к полупроводниковой подложке, которая подключается к отрицательному (N-канал) или положительному (P-канал) выводу источника питания.

Чтобы сравнить настоящую технику с методами предшествующего уровня техники, компьютерное моделирование было выполнено на четырех различных источниках тока. Номинальный ток при 25 ° С.был установлен на 100 мкА для всех четырех источников. Было исследовано влияние температуры на эти источники, а также изменения процесса как для низкой скорости (наихудший случай медленный), так и для высокой скорости (наихудший случай быстро). Четыре источника были следующими:

Источник A: идеальный источник 100 мкА

Источник B: источник запрещенной зоны, I = VBG / R, VBG = 1,2 В

Источник C: источник VBE / R

Источник D: Источник VGS / R (фиг. 4)

В источниках BD предполагалось, что резистор R изготовлен с диффузией P + и имеет максимальное отклонение плюс или минус 15% при обработке.

Изменение температуры от 0 ° до 100 ° C показало, что источник VBE / R имеет, безусловно, наибольшее изменение температуры. Однако источник запрещенной зоны (B) также имеет заметную TCC из-за конечной TCR резистора. Самокомпенсирующаяся особенность источника VGS / R была очевидна. При 25 ° низкоскоростной процесс дает ток на 35% выше, а высокоскоростной процесс на 30% ниже номинального. В обоих случаях TCC больше, чем при номинальном процессе, но не хуже, чем у источника с запрещенной зоной (B).

Также было исследовано влияние различных источников тока на характеристики типичного операционного усилителя (ОУ). Операционный усилитель, использованный в этих симуляциях, представлял собой простую двухступенчатую конструкцию.

Температурные характеристики операционного усилителя влияют на два независимых фактора. Первый — это внутреннее влияние температуры на операционный усилитель, не зависящее от тока. Второй — влияние изменения тока из-за температурной зависимости источника тока. Идеальный источник тока (A) используется в этих симуляциях для разделения этих двух эффектов.Скорость нарастания, произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (GBW) и коэффициент усиления в зависимости от температуры были исследованы для номинальной обработки при постоянном токе 100 мкА.

Влияние изменения тока на эти же параметры также было исследовано для условий «наихудшего случая (WC) быстро» и «наихудшего случая (WC) медленного», а именно:

______________________________________ и общий разброс, выраженный как% от медианного значения трех параметров, суммированы в таблице I.

______________________________________
Условия Транзисторы Температура
______________________________________

WC Быстрый

Быстрый 15% Низкий 0 Градусов C

WC Медленный

Медленный 15% Высокий 100 Градусов C

______________________________________
ТАБЛИЦА I
__________________________________________________________________________
Максимальный, минимальный и общий разброс скорости нарастания, GBW и усиления операционного усилителя при наихудшем быстром и наихудшем медленном состоянии: SLEW RATE GBW GAIN (v / us) (MHz) (dB) ТЕКУЩИЙ разброс Распространение разброс ИСТОЧНИК Мин. Максимум. (%) Мин. Максимум. (%) Мин. Максимум. (%)
__________________________________________________________________________

A.Константа

10,3

13,5

27 3,83

6,95

58 63,6

70,5

10,4

B. 71,3

12,1

C. VBE / R

7,5

16,1

73 3,52

7,63

73 62,7

72,3

14,3

D. VGS / R 11

9.8

10 4,08

6,66

48 63,9

69,6

8,6

__________________________________________________________________________

Улучшение производительности наиболее заметно в тех параметрах, которые наиболее сильно зависят от тока Источник VGS / R дает более высокое минимальное значение и более низкое максимальное значение. Некоторое представление об относительном влиянии изменений температуры и технологического процесса может быть получено путем независимого изменения этих входных сигналов при сохранении эталонного тока, установленного на уровне 100 мкА.Результаты представлены в таблице II. Как на скорость нарастания, так и на коэффициент усиления больше влияют изменения процесса, чем температура, в то время как GBW влияет в равной степени.

ТАБЛИЦА II
______________________________________
Общие отклонения в производительности операционного усилителя из-за (1) изменения температуры 100 ° C и (2) разницы между «быстрым» и «медленным» транзистором обработки, при номинальном токе, поддерживаемом на уровне 100 мкА: ИЗМЕНЕНИЕ ИЗ-ЗА ПАРАМЕТРА ТЕМПЕРАТУРЫ (%) ОБРАБОТКА (%)
______________________________________

Скорость нарастания 7.8 15,5

Усиление 1,3 13,8

GBW 27,0 28,0

______________________________________

Среди других параметров, представляющих интерес для операционных усилителей и других линейных цепей, являются коэффициент отклонения источника питания (PSRR), коэффициент отклонения синфазного сигнала ( CMRR) и синфазный диапазон. Компьютерное моделирование показывает, что предложение согласно изобретению (VGS / R) немного лучше, чем у других, как в PSRR, так и в CMRR.Однако диапазон синфазных сигналов несколько хуже. Это связано именно с функцией самокомпенсации, которая улучшает другие параметры. Наименьший диапазон синфазного режима существует, когда транзисторы работают медленно и ток большой. В других источниках нет никакой связи между этими двумя; даже когда делается предположение о высоком значении тока в худшем случае, он не такой высокий, как в самокомпенсирующемся источнике. Для используемого здесь операционного усилителя это приводит к потере входного диапазона 500 мВ в худшем случае.Этот операционный усилитель не был разработан для обеспечения особенно большого диапазона синфазного сигнала, и потери будут пропорционально меньше на операционных усилителях с большим отношением Z / L на входных транзисторах.

Все обсуждения и результаты до этого момента предполагали, что значение эталонного резистора R в источнике тока VGS / R не зависит от транзисторного процесса. Это хорошее предположение для резисторов, изготовленных обычным способом, как показано на фиг. 7 и 8. В этом методе отверстие, протравленное в оксиде поля, позволяет сформировать резистор путем легирования (например, ионной имплантации) полупроводника в определенной таким образом области.Для резистора, показанного на фиг. 7, полное сопротивление составляет: R = Rs (L / W) (5)

, где Rs — сопротивление слоя легированного полупроводника, а L и W — длина и ширина отверстия, определяемого оксидом поля. Изолирующий слой (например, стекло) обычно наносится поверх резистора, а затем через него протравливаются контактные окна.

Другой способ определения резистора показан на фиг. 9 и 10. В этом случае уровень поликремния (поли) используется вместо полевого оксида для определения размера элемента.Размер полилинии является одним из наиболее важных и хорошо контролируемых параметров процесса, а в технологии самовыравнивающихся кремниевых затворов слой поликремния определяет размер электрода затвора. Следовательно, размер полилинии часто определяет, является ли данная пластина «медленной» или «быстрой». По этой причине резистор, определяемый слоем, определяющим электрод затвора, может иметь более жесткие конструктивные допуски, чем резистор, определяемый оксидом поля. Предположим, что фактический размер полилинии отличается от номинального на величину DL.Положительный DL означает более широкий поли и более медленный процесс, отрицательный DL означает узкий поли и быстрый процесс. Как показано на фиг. 11, ширина резистора равна W-DL, так что: R = Rs (L / (W-DL)) (6)

Положительный DL (медленный процесс) вызывает увеличение резистора, а отрицательный DL (быстрый процесс ) вызывает его уменьшение от проектного значения. Это будет препятствовать функции «самокомпенсации» источника VGS / R, поскольку изменения в VGS, вызванные процессом, теперь будут отслеживаться аналогичным изменением в R.Относительное значение этих двух величин зависит от номинальной ширины резистора. Для очень широкого резистора R вообще не зависит от DL. По мере уменьшения ширины резистора влияние DL становится больше. Обратите внимание, что другие материалы самовыравнивающихся электродов затвора (например, тугоплавкий металл или силицид металла) могут использоваться для определения резистора, чтобы достичь этого эффекта.

Ток I = VGS / R для трех резисторов разной ширины показан на фиг. 12. Он был рассчитан с использованием N-канального транзистора N45 40/10 на фиг.4 и номинальные условия процесса. Случай бесконечной ширины резистора соответствует рассмотренному выше случаю. При 7 микронах ток практически не зависит от размера полилинии, а при 4 микронах компенсация процесса фактически обратна той, что обсуждалась выше.

Схема, показанная на фиг. 4 был реализован в типичном процессе КМОП с двумя трубками 3,5 микрон на подложке n-типа на участке, в котором ширина полилинии преднамеренно варьировалась. Резистор R1 был многослойным, с номинальной шириной 4 мкм.Были определены зависимости тока от температуры для трех различных пластин. Листовое сопротивление диффузии P + было измерено на 10 процентов ниже номинального значения для этой партии. Этим объясняется большая часть разницы между измеренным током 107 мкА и расчетным значением 100 мкА для номинального тока. Для пластины с измеренным DL = + 0,44 мкм ток, рассчитанный по фиг. 12 составлял 87% от номинального значения, а измеренный ток составлял 84% от номинала. Для пластины с измеренным DL = 0.22 мкм расчетный ток составлял 105% от номинала, а измеренный ток составлял 114% от номинала. Для номинального полиамида максимальное изменение тока в диапазоне температур 10-120 ° C составило 2,1%. При температуре от 25 ° C до 120 ° C оно составляет 1,5%. И узкий, и широкий поли имели одинаковые температурные вариации их тока.

Изложенное выше показало, что в настоящей методике температурный коэффициент тока может быть выбран равным нулю (номинально, поскольку эффекты второго порядка дают небольшую кривизну), положительным или отрицательным.Если желателен нулевой температурный коэффициент тока, результирующий регулируемый ток можно легко поддерживать в пределах ± 5 процентов, а обычно в пределах ± 2 процентов от среднего значения в диапазоне температур от 0 ° C до 100 ° C. , или даже шире. Эти значения еще легче получить в типичном промышленном диапазоне температур от 0 ° C до 70 ° C. Источник тока автоматически компенсирует изменения в транзисторном процессе, причем «быстрый» процесс дает более низкий ток, а «медленный». один дает более высокий ток.При желании эта компенсация может быть уменьшена или устранена по отношению к изменениям ширины линии поликремния за счет правильной конструкции резистора. Хотя приведенный выше пример относится к полевому МОП-транзистору, аналогичные соображения применимы и к полевым транзисторам с переходным эффектом. Кроме того, с настоящей технологией можно использовать полевые транзисторы с затвором Шоттки (например, MESFETS), реализованные из арсенида галлия или других материалов III-V. Обратите внимание, что если требуется только компенсация обработки (т.g., текущие зеркала) можно не устанавливать.

Хотя настоящее изобретение может использоваться в аналоговых интегральных схемах, его также можно использовать в цифровых интегральных схемах. Например, в некоторых схемах памяти с произвольным доступом известно использование источника тока для усилителей считывания для повышения скорости и чувствительности. Кроме того, известно, что управляемый источник тока используется с цифровыми логическими схемами для уменьшения колебаний производительности от кристалла к кристаллу. В прошлом источник тока, связанный с логическими вентилями, управлялся с помощью опорных часов и схемы компаратора; см. «Регулирование задержки — схемное решение для компромисса мощности / производительности», E.Берндлмайер и др., IBM Journal of Research and Development, Vol. 25, стр. 135-141 (1981). Настоящее изобретение может быть успешно реализовано на том же кристалле или пластине, что и логические вентили, для выполнения этой функции. Поскольку условия обработки одинаковы для всех схем на данной полупроводниковой пластине, настоящая технология позволяет использовать интеграцию в масштабе пластины. При желании одиночная схема смещения (например, фиг. 4) может обеспечивать управление множеством токовых выходных транзисторов (фиг. 5, 6), расположенных в различных местах на кристалле или пластине.Используемый здесь термин «интегральная схема» включает оба применения. Управляемый ток от настоящего источника можно использовать для создания регулируемого напряжения, например, пропуская его через резистор с заданным температурным коэффициентом или через комбинацию резистор-диод; т.е. эталон ширины запрещенной зоны и т. д. Характеристики эталона запрещенной зоны описаны в «New Developments in IC Voltage Regulators», R.J. Widlar, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-6, стр. 2-7 (1971). Поскольку регулируемый ток может иметь желаемый температурный коэффициент, выбираемый в широком диапазоне, полученное напряжение можно использовать для различных целей.Кроме того, устройство, принимающее управляемый ток, может быть выполнено на подложке, отличной от подложки источника тока. Например, оптический излучатель (например, светоизлучающий диод или лазерный диод) может управляться током, подаваемым из настоящего источника, и настраиваться так, чтобы I R имел положительный TC, чтобы компенсировать снижение оптического выхода из источника. при повышении температуры. Тем не менее, другие применения будут очевидны специалисту в данной области техники.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Что касается источника тока, показанного на фиг.3; задайте опорный ток I R как ток через R1, IDS3 как ток через M3 с напряжением затвор-исток VSG3 и KI R как ток через M4, где K — константа обратной связи, определяемая относительными размерами M1, M2, M4 и M5. Значение K, показанное на фиг. 3 равно двум, но это может быть любое значение, совместимое со стабильностью. Суммирование токов на стоке M4 дает: IDS3 = (K-1) I R . (1A)

Однако: ## EQU1 ## Подстановка (1A) в (2A) и перестановка дает: ## EQU2 ##, который является квадратичным в (I R ) 1/2.Решение дает: ## EQU3 ## Возведение в квадрат и преобразование дает: ## EQU4 ## Как видно из (5A), есть два реальных решения; однако решение со знаком минус в скобках является классом решений для VGS3 > 1 уравнение (5A) сводится к следующему: I R V t / R1 (6A)

, которому присущ отрицательный температурный коэффициент.Для R1β / (K = 1) << 1 уравнение (5A) сводится к: I R 2 (K-1) / R1 2 β

, который имеет положительный температурный коэффициент. Даже через 1 / R1 2 имеет отрицательное температурное поведение, оно перевешивается на 1 / β, которое обозначается как T 3 /2. Также можно показать, что если при 25 ° C R1β / (K-1) ≉2, то ## EQU5 ## и что I R при этом значении R1β / (K-1) медленно изменяется с температурой. .

Температурный режим этого источника тока может быть отрицательным или положительным или практически нулевым путем правильного выбора номинала опорного резистора R1, размера транзистора M3 и значения константы обратной связи K.Обратите внимание, что эти факторы влияют на ток канала через эталонный транзистор, как показано (1A).

Диоды, транзисторы и полевые транзисторы | Renesas

Введение в электронные схемы: 2 из 3

В нашей предыдущей сессии мы рассмотрели наиболее распространенные пассивные элементы, используемые в электронных схемах. На этот раз мы рассмотрим полупроводники и некоторые важные активные элементы, сделанные из них: диоды, транзисторы и полевые транзисторы.

Полупроводник между проводниками и изоляторами

Полупроводники расположены посередине между проводниками и изоляторами.Это материалы, такие как кремний (Si) и германий (Ge), которые сопротивляются электрическому току лучше, чем металлы, такие как серебро и алюминий, но не так хорошо, как изоляторы, такие как кварц и керамика.

Удельное сопротивление материала зависит от плотности свободных электронов, которые могут легко перемещаться при приложении напряжения. В общем, эту плотность можно довести до любого желаемого значения путем добавления соответствующих примесей к однородному материалу. Это позволяет создавать полупроводники, которые обеспечивают необходимый уровень проводимости для поставленной цели.

Полупроводник может быть N-типа или P-типа, в зависимости от того, как через него протекает ток.

Как ток проходит через полупроводник

(1) Полупроводники N-типа

На рисунке 1 показана типичная структура полупроводника N-типа. Этот полупроводник состоит из кристалла кремния, легированного атомами фосфора (P). Атом фосфора имеет пять валентных электронов, четыре из которых образуют прочные ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый остается свободным.При комнатной температуре свободные электроны часто меняются местами с соседними связанными электронами; или, другими словами, любой данный электрон иногда будет связан, а иногда и свободен. В результате всегда есть запас свободных подвижных электронов, способных переносить ток. Такой полупроводник называется «N-типом», потому что он в основном использует свои (отрицательно заряженные) электроны для переноса тока. Между тем, донорные (легирующие) атомы, отдающие электрон в этот процесс, приобретают положительный заряд.

Рисунок 1: Структура полупроводника N-типа

(2) Полупроводники P-типа

На рисунке 2 показана структура полупроводника P-типа. В этом случае кристалл кремния был легирован атомами бора (B). Опять же, каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона; но атомы бора, которых всего три, «недостаточны». Только небольшое количество кинетической энергии необходимо, чтобы освободить электрон от соседнего атома кремния; затем этот электрон быстро «принимается» атомом бора.В атоме кремния, однако, теперь остается «дыра», которая вскоре притягивает электрон из другого ближайшего атома кремния. По мере продолжения процесса отверстия «перемещаются», производя ток. Такой полупроводник называется «P-типом», так как большая часть его тока проходит через дырки. Атомы примеси, которые принимают электрон в этом процессе, становятся отрицательно заряженными.

Рисунок 2: Структура полупроводника P-типа

Диоды: улица с односторонним движением

Полупроводниковый диод состоит из полупроводника P-типа с одной стороны и полупроводника N-типа с другой.Носители с каждой стороны диффундируют через центральную область (соединение P-N) и объединяются в пары, создавая центральную область, в которой нет носителей. Электрически заряженные примеси в этой области образуют электрическую границу, которая останавливает дальнейшую диффузию и образование пар. Эта граничная область, свободная от носителей, называется обедненным слоем.

Если положительное напряжение приложено к клемме со стороны P-типа диода и отрицательное напряжение к клемме со стороны N-типа, это «прямое» напряжение будет подталкивать больше несущих (отверстия на стороне P-типа , электроны на стороне N-типа) в обедненный слой, делая его более узким и заставляя больше носителей диффундировать через границу, образовывать пары и исчезать.Между тем, приложенное напряжение генерирует ток, который продолжает подавать больше носителей, так что ток может продолжать течь.

Если, однако, приложено напряжение обратного смещения (отрицательное на стороне P, положительное на стороне N-типа), то это напряжение будет отодвигать носители от центра к соответствующим клеммам, расширяя слой обеднения, так что текущий поток заблокирован.

Рисунок 3: Структура диода с PN-переходом

В результате диод пропускает ток только в одном направлении (называемом прямым направлением) и блокирует движение тока в другом направлении (обратном направлении).Используемый таким образом диод также называется выпрямителем: компонент, пропускающий ток только в одном направлении.

Напряжение и ток характеристики диода

На рисунке 4 показаны электрические характеристики диода. Обратите внимание, что не будет тока вообще ― даже в прямом направлении ―, если не будет приложено напряжение. Напряжение, необходимое для начала протекания тока в прямом направлении, варьируется в зависимости от материала полупроводника: от 0,7 до 0,8 В для кремниевого диода, около 0.2 В для диода с барьером Шоттки и от 2 до 5 В или более для светодиода (LED).

Для протекания тока в обратном направлении потребуется значительно более высокое напряжение; Термин «напряжение пробоя» относится к обратному напряжению, выше которого ток увеличивается очень быстро с увеличением напряжения. Поскольку это напряжение пробоя по существу не зависит от тока, эти характеристики обратного напряжения могут использоваться для реализации регуляторов напряжения и других подобных функций.

Рисунок 4: Характеристики напряжения и тока диода

Твердотельный транзистор: основной компонент, впервые запущенный в эксплуатацию

Биполярный транзистор (в отличие от полевого транзистора, описанного ниже) состоит из центра P-типа или N-типа, зажатого между внешними поверхностями N-типа или P-типа. Существует два основных типа: NPN-типа (с P-типом в центре) и PNP-типа (с N-типом в центре).

На рисунке 5 показана работа транзистора NPN.База и эмиттер, вместе взятые, имеют такую ​​же структуру, как диод. В этом примере приложение прямого напряжения (около 0,7 В) вызывает протекание базового тока (I B ), так что много свободных электронов перемещаются из области эмиттера в область базы. Если эмиттер выкачивает больше носителей, чем может быть рекомбинировано в базовой области, избыточные свободные электроны перемещаются в область коллектора в соответствии с приложенным напряжением E 2 . В типичном применении количество свободных электронов, выходящих из эмиттера, будет в 10-100 раз больше количества, которое может рекомбинировать в базовой области.Следовательно, ток коллектора (I C ) будет превышать I B во столько же раз (от 10 до 100). Если I B равно 0, то I C также будет 0, поскольку эмиттер не будет высвобождать несущие.

Рисунок 5: NPN-транзистор

Другими словами, прямой ток I B между базой и эмиттером эффективно управляет током I C между эмиттером и коллектором. Благодаря этой особенности транзисторы могут использоваться отдельно для реализации переключателей и усилителей, в то время как они также являются наиболее важным компонентом в современной электронной схеме.Их можно комбинировать множеством разных способов для создания множества сложных схем.

Транзисторы как переключатели

Как объяснялось выше, транзистор может производить ток коллектора, который во много раз превышает ток его базы. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления прямого тока или hFE. Это усиление может принимать значение от 100 до 700.

Как видно из схемы, показанной на рисунке 6, приложение 0 В на клемме IN приводит к нулевому току базы и, следовательно, нулевому току коллектора.Соответственно, нет тока через сопротивление нагрузки R L , а выход на выводе OUT составляет 12 В.

Теперь, если мы подадим достаточно высокое напряжение между базой и эмиттером (обычно около 0,7 В или выше по сравнению с 0 В), это вызовет протекание базового тока, который, в свою очередь, создаст ток коллектора, который в hFE умножает на базу. Текущий; за исключением того, что фактический ток будет ограничен сопротивлением нагрузки R L до значения ((12 В — Vce-sat (напряжение насыщения)) / R L ).Этот тип коммутационной схемы часто используется, чтобы позволить микроконтроллеру, логической ИС или подобному небольшому компоненту управлять энергоемким устройством, которое он не может управлять напрямую, например, светодиодным индикатором питания, реле или двигателем постоянного тока.

Рисунок 6: Транзистор, работающий как переключатель

Ключевой компонент интегральных схем

Существует два основных типа полевых транзисторов (полевых транзисторов): полевые МОП-транзисторы (полевые транзисторы из металла, оксида и полупроводника) и полевые транзисторы с переходным соединением.В частности, полевые МОП-транзисторы имеют более плоскую структуру, чем биполярные транзисторы, рассмотренные выше, могут быть размещены ближе друг к другу, не подвергаясь перекрестным помехам, и могут работать с низким энергопотреблением. Поэтому они поддерживают лучшую интеграцию и миниатюризацию и стали важными компонентами ИС и БИС. Давайте кратко рассмотрим, как работает полевой МОП-транзистор.

На рисунке 7 показан МОП-транзистор N-типа. Он имеет вывод затвора («G»), под которым находится оксидная пленка, служащая изолятором. Также имеется вывод истока («S») с одной стороны от G и вывод стока («D») с другой стороны.Когда между затвором и истоком нет напряжения, полупроводник P-типа, разделяющий исток и сток, действует как изолятор. Таким образом, ток не течет между истоком и стоком.

Рисунок 7: МОП-транзистор N-типа

Однако, когда на затвор подается напряжение, оно притягивает и подтягивает свободные электроны, которые находятся прямо под затвором, в результате чего этих электронов становится много в области между истоком и стоком. Эти электроны образуют канал, по которому теперь может свободно течь ток.

Другими словами, напряжение затвора используется для управления током между истоком и стоком. МОП-транзисторы в основном используются в схемах переключателей и усилителей. Их также можно использовать для обеспечения постоянного тока, поскольку приложение фиксированного напряжения на затворе будет генерировать фиксированный ток между истоком и стоком.

На MOSFET N-типа канал является N-типом. На МОП-транзисторе P-типа канал является P-типом.

Полупроводники КМОП: важный элемент цифровых схем

Полупроводник CMOS (комплементарный MOS) — это набор полевых МОП-транзисторов, подключенных, как показано на рисунке 8.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *