Ćwiczenie A7 : Tranzystor unipolarny JFET i jego zastosowania Jacek Grela, Radosław Strzałka 3 maja 9 1 Wstęp 1.1 Wzory Poniżej zamieszczamy podstawowe wzory i definicje, których używaliśmy w obliczeniach. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora polowego ˆ V DS < V DS(sat) : ( I D = K (V GS V th )V DS 1 ) V DS (1) ˆ V DS > V DS(sat) : ˆ V DS = V DS(sat) : I D = 1 ( K (V GS V th ) 1 + V ) DS V A I D = 1 K (V GS V th ) (3) () albo inaczej: Gdzie: I D - prąd drenu; K - transkonduktancja statyczna; I DS - prąd nasycenia; V DS - napięcie między drenem a źródłem; V GS - napięcie między bramką a źródłem; V th - napięcie progowe (odcięcia); V DS(sat) - napięcie saturacji (nasycenia): V DS(sat) = V GS V th ; V A - napięcie Early ego; ( I D = I DS 1 V ) GS () V th. Charakterystyka przejściowa I D (V GS ) Wyk.1 Teoretyczna charakterystyka przejściowa I D (V GS ). 1
3. Charakterystyka wyjściowa I D (U DS ) Wyk. Teoretyczna charakterystyka wyjściowa I D(V DS). Charakterystyki statyczne tranzystora JFET.1 Charakterystyka przejściowa I D (V GS ) Polaryzacja dren-źródło V DS została ustawiona na 1 [V] i była stała w trakcie pomiaru. Pomiar polegał na wyznaczeniu prądu drenu I D w funkcji napięcia polaryzacji bramka-źródło V GS. Z punktów pomiarowych wykreśliliśmy charakterystykę, której teoretyczny przebieg przedstawia Wyk.1. Poniżej zamieszczamy naszą charakterystykę: 1 I DS = 11.5 ma 1 V th = -3. V I D = I DS (1 - V GS /V th ) - -3.5-3 -.5 - -1.5-1 -.5 V GS [V] Wyk.3 Doświadczalna charakterystyka przejściowa I D(V GS). Porównując nasz wykres z teoretycznym zauważamy znaczne rozbieżności. Niebieską linią zaznaczyliśmy przebieg, który powinien być obserwowany dla parametrów I DS i V th (wedle wzoru ()). Nasza charakterystyka poważnie załamuje się w zakresie początkowym napięć V GS. Parabola ma w tym przedziale charakter zbyt szybko rosnący. Dalsza część wykresu wydaje się mieć charakter zbliżony do pożądanego, jednakże jest przesunięta do góry. Próbowaliśmy doszukać się błędów poczynionych przez nas w trakcie wykonywania ćwiczenia (np. niewłaściwa regulacja zmian napięcia lub błędne podłączenie obwodu), jednakże odrzuciliśmy tę hipotezę. Podpięcie obwodu było dokładnie sprawdzone przez prowadzącego zajęcia. W dalszej części naszego opracowania pojawią się zaś argumenty, które skłoniły nas do stwierdzenia, że używany przez nas tranzystor pracował nieprawidłowo (być może był uszkodzony). W oparciu o tę charakterystykę spróbowaliśmy jednak wyznaczyć napięcie odcięcia V th oraz maksymalną konduktancję g m(max). Krzywa na Wyk.3 ma zero w punkcie V th 3. [V ], co jest szukanym napięciem odcięcia. Maksymalną konduktancję obliczymy ze wzoru g m(max) = I D / V GS w okolicy I DS. Wartość obliczona w ten sposób wynosi g m(max) =.75 [ms].
. Charakterystyka wyjściowa I D (V DS ) W tej części dokonaliśmy pomiarów prądu drenu w funkcji napięcia dren-źródło dla trzech stałych napięć V GS. Wybrane wartości napięcia bramka-źródło są naznaczone bezpośrednio na wykreślonych krzywych eksperymentalnych. 1 1 V GS = V 1 V GS = -1.1 V V GS = -. V V GS = -3.3 V Pomiary Napiecie kolana 1 Wyk. Charakterystyka wyjściowa I D (V DS ). Tym razem widzimy, że problem nieprawidłowej charakterystyki tranzystora dotyczy nie tylko kształtu kolana (będącego bezpośrednio Wyk.3 ) ale także zmierzonej charakterystyki wyjściowej. Początkowy obszar wypłaszczenia krzywych ma wyraźne zafalowania, których nie powinno być (zob. charakterystykę teoretyczną na Wyk. ). To sugeruje, że tranzystor, na którym pracowaliśmy nie działał poprawnie. Dla napięcia V GS = 3.3 [V ] uzyskaliśmy wykres oznaczający odcięcie tranzystora. Zgadza się to z przyjętym napięciem V th. 3
.3 Charakterystyka wyjściowa dla obydwu biegunowości V DS W tym punkcie zrealizowaliśmy pomiary jak poprzednio z tym, że napięcie V DS zmienialiśmy w zakresie ( 1, 1) [V ]. Jest to początkowy fragment krzywych z Wyk., również dla gałęzi napięć V GS. Przedstawia to poniższy wykres: 5-5 -1-15 - V GS = [V] V GS = -1.1 [V] V GS = -. [V] V GS = -3.3 [V] -1 -.5.5 1 Wyk.5 Charakterystyka wyjściowa I D (V DS ) dla obu biegunowości V DS. Wykres ten wydaje się być poprawny, mimo kształtu poprzednich wykresów. Dlatego praca na tych danych i wnioskowanie z nich wartości parametrów będzie poprawne. W tym punkcie należało wyznaczyć minimalną rezystancję dren-źródło R DS(min). Zrobimy to wyznaczając nachylenie stycznej do charakterystyki z powyższego Wyk.5 dla gałęzi V GS =. Pod uwagę bierzemy dwa ostatnie punkty charakterystyki, bliskie napięcia -1V. Wykorzystujemy wzór: R DS(min) = V GS I D. Wartość rezystancji minimalnej wynosi: R DS(min) = 13.3 [Ω].. Charakterystyka wyjściowa dla obydwu biegunowości V DS dla układu zlinearyzowanego Aby zlinearyzować charakterystykę I D (V DS ) w małym zakresie ±1V, podpięliśmy dwa jednakowe oporniki między drenem i bramką oraz przed podaniem sygnału V GS na bramkę, zgodnie z treścią polecenia. Wartość tej rezystancji powinna była wynosić przynajmniej 1R DS(min). Dla nas wartość ta powinna była być większa od 1.3 [kω], my dla pewności podpięliśmy opornik [kω]. Dla tak zmodyfikowanego układu znów wyznaczamy charakterystykę I D (V DS ), tym razem zlinearyzowaną. - - - V GS = [V] V GS = -1.1 [V] V GS = -. [V] V GS = -3.3 [V] - -1 -.5.5 1 Wyk. Charakterystyka wyjściowa I D(V DS) dla układu zlinearyzowanego.
.5 Przełącznik analogowy W tym podpunkcie zaprojektowaliśmy obwód wykorzystujący przełącznik analogowy do manipulowania sygnałem wejściowym. Poniżej przedstawiamy odpowiedź układu na sygnał trójkątny przy ustalonym prostokątnym przebiegu sterującym: Wyk.7 Odpowiedź obwodu. Na Wyk.7 zaznaczono zakresy zaporowego (brak sygnału) oraz przewodzenia (sygnał) działania układu. W wyniku odpowiedniej relacji częstotliwości sygnału do częstotliwości sterowania powstaje ustalony sygnał wyjściowy. Naszkicowano również porównawczy sygnał wejściowy przez co jest widoczne dokładne działanie układu. Wykonano pomiary dla większej częstotliwości sterowania, jednakże nie różnią się one jakościowo od tych przedstawionych powyżej - sygnał stał się bardziej poszarpany. 5