Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (BJT) (образующий силовой канал) и полевой (MOSFET), образующий канал управления. Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного.
Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и обычного биполярного транзистора транзистора , он имеет преимущества как транзисторов, так и MOSFET. MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а BJT, с другой стороны, имеет преимущество высокого коэффициента усиления и низкого напряжения насыщения, и оба этих преимущества присутствуют в IGBT-транзисторе. По сути, IGBT — это полупроводник, управляемый напряжением , который обеспечивает большие токи коллектор-эмиттер при почти нулевом токе затвора.
Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. Выпускаются как отдельные приборы IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе.
Эквивалентная схема и обозначение IGBT
На рисунке ниже показана эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором. Такая же структура схемы используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены точно таким же образом.
Как мы видим на изображении, IGBT сочетает в себе два устройства: N-канальный MOSFET и PNP-транзистор . N-канальный МОП-транзистор управляет PNP-транзистором. Стандартная распиновка BJT включает коллектор, эмиттер, базу, а стандартная распиновка MOSFET (МОП) включает затвор, сток и исток. Но в случае выводов транзистора IGBT это затвор, который поступает от N-канального МОП-транзистора, а коллектор и эмиттер — от PNP-транзистора.
В PNP-транзисторе коллектор и эмиттер представляют собой путь проводимости, и когда IGBT включен через него проходит ток. Этот путь контролируется N-канальным МОП-транзистором.
В случае биполярного транзистора мы рассчитываем коэффициент усиления, обозначаемый как Бета (β), путем деления выходного тока на входной ток.
β = Output Current / Input Current
Но, как мы знаем, МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления биполярных транзисторов, неприменима для технологии MOSFET. Затвор МОП-транзистора изолирован от пути проводимости тока. Напряжение затвора МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой соотношение изменений выходного напряжения с изменениями входного напряжения. Это справедливо для IGBT. Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменения выходного тока к изменению напряжения на входном затворе .
Из-за больших токов большой ток биполярного транзистора контролируется напряжением затвора MOSFET.
На изображении выше показано обозначение IGBT-транзистора на схемах. Как мы видим, его обозначение включает в себя часть коллектор-эмиттер транзистора и часть затвора МОП-транзистора. Три клеммы показаны как затвор, коллектор и эмиттер.
В проводящем или включенном режиме ток течет от коллектора к эмиттеру. То же самое происходит и с биполярным транзистором. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate. Разница между напряжением затвор-эмиттер называется Vge, а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .
Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , Ie = Ic . Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, Vce очень мало.
Применение IGBT транзисторов
IGBT в основном используется в приложениях, связанных с энергетикой. Стандартные силовые биполярные транзисторы имеют очень медленный отклик, тогда как MOSFET подходят для приложений с быстрым переключением, но MOSFET является дорогостоящим выбором, когда требуется более высокий номинальный ток. Поэтому IGBT подходит для замены силовых биполярных транзисторов и силовых MOSFET .
Кроме того, IGBT обеспечивает более низкое сопротивление в открытом состоянии по сравнению с биполярным транзистором, и благодаря этому свойству IGBT является термоэффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором находят очень широкое применение в современной электронике. Благодаря низкому сопротивлению в открытом состоянии, очень высокому номинальному току, высокой скорости переключения, приводу с нулевым затвором, IGBT используются в системах управления мощными двигателями, инверторах, импульсных источниках питания с высокочастотными областями преобразования.
На изображении выше показано использование IGBT транзистора для переключения. RL — это резистивная нагрузка, подключенная между эмиттером IGBT и землей. Разность напряжений на нагрузке обозначается как VRL. Нагрузка также может быть индуктивной. А с правой стороны показана другая схема. Нагрузка подключается через коллектор, а резистор токовой защиты подключается к эмиттеру. В обоих случаях ток будет течь от коллектора к эмиттеру.
В случае биполярного транзистора нам необходимо подавать постоянный ток через его базу. Но в случае IGBT, как и в случае с MOSFET, нам необходимо обеспечить постоянное напряжение на затворе, а насыщение поддерживается в постоянном состоянии.
В левом случае разность напряжений VIN, которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей/VSS, контролирует выходной ток, текущий от коллектора к эмиттеру. Разница напряжений между VCC и GND практически одинакова на нагрузке.
В правой схеме ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно включить и выключить, активировав его затвор. Если мы сделаем напряжение на затворе более положительным, подав напряжение на затвор, эмиттер IGBT удержит IGBT в состоянии «ON», а если мы сделаем напряжение на затворе отрицательным или нулевым, IGBT останется в состоянии «OFF». Это то же самое, что и переключение биполярного транзистора и MOSFET.
Характеристики IGBT транзистора
На изображении выше показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от различного напряжения затвора или Vge. Ось X обозначает напряжение коллектор-эмиттер или Vce, а ось Y обозначает ток коллектора . В выключенном состоянии ток, протекающий через коллектор и напряжение на затворе, равен нулю. Когда мы меняем Vge или напряжение на затворе, устройство переходит в активную область. Стабильное и непрерывное напряжение на затворе обеспечивает непрерывный и стабильный ток через коллектор. Увеличение Vge пропорционально увеличивает ток коллектора: Vge3 > Vge2 > Vge3. BV — напряжение пробоя IGBT.
ВАХ IGBT транзистора почти идентична кривой передачи биполярного транзистора, но только на ней вместо тока показано Vge, поскольку IGBT является устройством, управляемым напряжением.
На следующем рисунке показана передаточная характеристика IGBT транзистора. Она практически идентична передаточной характеристике MOSFET. IGBT перейдет в состояние «ON» после того, как Vge превысит пороговое значение, зависящее от спецификации IGBT.
Приведем сравнительную таблицу, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT, силовым биполярным транзистором и силовым MOSFET.
| Характеристики устройства | IGBT | Силовой MOSFET | Силовой биполярный транзистор |
| Напряжение | Более 1 кВ (очень высокое) | Менее 1 кВ (высокое) | Менее 1 кВ (высокое) |
| Ток | Более 500 А (высокий) | Менее 200 А (высокий) | Менее 500 А (высокий) |
| Устройство ввода | Напряжение, Vge, 4-8V | Напряжение, Vgs, 3-10V | Ток, hfe, 20-200 |
| Входное сопротивление | Высокое | Высокое | Низкое |
| Выходное сопротивление | Низкое | Среднее | Низкое |
| Скорость переключения | Среднее | Быстрое (нс) | Медленное (мкс) |
| Стоимость | Высокая | Средняя | Низкая |
На следующем рисунке показано использование IGBT транзистора для переключения в схеме.
Использование IGBT транзистора для переключения более наглядно можно посмотреть в следующем видео.
FET: (F)дружелюбный (E)эффективный (T)транзистор
Работая со схемой, управляющей приличной силой тока, вы зачастую сталкиваетесь с полевыми транзисторами (FET, Field-Effect Transistor). Независимо от того, хотите ли вы управлять парой мощных светодиодов, двигателем или включать/отключать USB-устройство, в схеме обычно присутствует полевой транзистор, выполняющий часть ответственной работы. Вы можете не знать, как именно он функционирует, как его использовать и какие нюансы при этом учитывать — поэтому начнём с основ.
Ниже представлена простая схема полевого транзистора, которая позволяет включать питание для, скажем, USB-порта, в некотором смысле подобно клапану, прерывающему подачу тока. В этой схеме используется P-FET — для включения питания мы открываем затвор транзистора путём притягивания сигнала GATE к земле, а для выключения закрываем его, возвращая GATE к верхнему уровню, на котором резистор удерживает затвор по умолчанию. Если вы хотите контролировать положение затвора с помощью микроконтроллера 3,3 В, который неспособен обрабатывать на своих выводах напряжение на стороне питания (high side), то можете добавить секцию NPN-транзисторов, как показано на схеме — таким образом вы инвертируете логику, приведя её к более интуитивной форме «высокий = вкл., низкий = выкл.» и уже не будете рисковать интерфейсом ввода-вывода.
Эта схема называется переключателем на стороне питания — она позволяет по желанию активировать подачу питания на устройство через полевой транзистор. Чаще всего она используется именно для этих транзисторов, и если вам интересно побольше узнать о переключателях на стороне питания, то очень рекомендую прекрасную статью Learn and build a high side switch от нашего друга Била Херда, в которой он простым и доступным языком рассказывает об их основах. Для этой статьи вы можете использовать в качестве ориентира приведённую схему, демонстрирующую типичное использование полевых транзисторов в электроцепи.
▍ Немного общей теории
Существуют разные виды полевых транзисторов — MOSFET, JFET и пара десятков менее популярных. Говоря о полевых транзисторах, люди обычно подразумевают MOSFET, и мы в этой статье рассмотрим тоже именно их — прочие разновидности не столь востребованы в среде хакинга электроники, да и с JFET я, честно говоря, не особо знакома. Тем не менее все они являются полевыми транзисторами и родственниками ещё одной разновидности — биполярных транзисторов (BJT, Bipolar Junction Transistor) — достаточно популярными, поэтому обычно мы просто называем их NPN- или PNP-транзисторами. И хотя все они попадают под одно определение транзистора, говоря «транзистор», люди обычно подразумевают биполярные, а говоря «полевой», имеют ввиду MOSFET.
Можете представить себе полевой транзистор как управляемый вами резистор, сопротивление которого может опускаться вплоть до уровня одного Ома (открыт) или подниматься до бесконечно высокого значения (закрыт). Открытие полевого транзистора происходит путём зарядки/разрядки его затвора — в простейшей форме можете представить затвор в виде конденсатора. Говоря в целом, полевые транзисторы действуют подобно резистору, используя встроенный конденсатор для управления своим сопротивлением.
Это делает их уникальными и прекрасно подходящими для таких вещей, как переключение линий питания. При управлении линией питания устройства с помощью биполярных транзисторов, ввиду их принципа действия возникает неизбежная просадка напряжения как минимум на 0,3 В. Это приводит к затратам части мощности на нагрев и исключает возможность применения таких транзисторов в цифровых устройствах, где уровень подаваемого напряжения играет важную роль. А вот применяемый в том же контексте MOSFET представит собой просто встроенное сопротивление ниже одного Ома — эффективно и удобно. Это основная причина, по которой полевые транзисторы используются для переключения питания, поэтому вы их встретите во всевозможных устройствах.
Следующий момент. полевой транзистор не переходит мгновенно из состояния «полностью открыт» в «полностью закрыт» — как и у биполярных, которые мы все знаем и любим, у него есть и промежуточные состояния, когда сопротивление не опускается до минимального уровня, но и не поднимается до бесконечно высокого значения в соответствии с вашей схемой (закрыт) — полевой транзистор оказывается частично открыт или, иными словами, находится в своей линейной области. Привести транзистор в такое состояние можно путём подачи напряжения, слегка недостаточного для полноценного открытия его затвора. Эту особенность можно использовать при сборке усилителей, для обеспечения электронной нагрузки или получения драйвера постоянного тока для светодиодов. Однако в целях переключения питания попадания полевого транзистора в линейную область нужно избегать — высокое сопротивление означает высокие потери и потребность в рассеивании генерируемого тепла.
Конструкция полевых транзисторов подразумевает наличие внутри так называемого паразитного диода. Исключить его никак нельзя — он есть всегда. Единственный вариант — это учитывать его присутствие при разводке схемы. Если диод нежелателен, избежать его воздействия можно путём размещения двух полевых транзисторов спиной к спине. Именно так работают цепи защиты литий-ионных батарей — они должны защищать батарею от переразряда, перекрывая исходящий ток, а также от перезаряда, перекрывая входящий, и одним из способов реализации этого является их установка диодами друг к другу. Если взглянуть на систему управления литий-ионными батареями с повышенным током, то мы неизбежно найдём там два полевых транзистора, подключенных именно таким образом, а может даже две серии транзисторов, установленных параллельно.
Как же конкретно работает такой транзистор на физическом уровне без подобных упрощений? Вот видео от Томаса Швенке, посвящённое конкретно этому виду транзисторов, а вот ещё одно от EEVblog, где рассматриваются и биполярные, и полевые разновидности. В сети также есть бесчисленное множество обучающих материалов и примеров вроде этой красивой GIF-анимации из Wikipedia. Так что фактически разбираться во всём этом вам не обязательно, но дополнительное понимание порой может оказаться весьма кстати, да и вообще это просто интересно!
▍ Открытие затвора
Чтобы открыть полевой транзистор, необходимо подать на затвор напряжение, превышающее порог Vgs, но не значение Vgs(max). Оба этих параметра указаны в спецификации. Имейте в виду — Vgs в спецификации (и в подборщиках деталей в онлайн-магазинах) зачастую указываются для некоего приемлемого значения сопротивления, но не для минимального его показателя, который может достичь транзистор. Так что вам нужно будет ознакомиться с приведённым в документации графиком зависимости Vgs от сопротивления. Далее, в аббревиатуре Vgs буква G означает затвор, S — исток. Третий же контакт является стоком. Когда затвор открывается, ток начинает течь от истока к стоку. Естественно, управляющее затвором напряжение также должно подаваться относительно истока.
Как и в случае NPN- и PNP-транзисторов, существуют модели N-FET и P-FET. N-FET подобны NPN-модификации — для открытия на контакте затвора должно присутствовать более высокое напряжение, чем на контакте истока. При этом P-FET подобны PNP-транзисторам — для открытия напряжение контакта затвора должно быть ниже напряжения контакта истока, естественно, превышая Vgs. В спецификациях к P-FET значение Vgs представлено отрицательным числом, например -1,7 В. Как вы могли заметить, проще всего использовать P-FET для переключения на стороне питания, а N-FET для переключения на стороне земли (low side) — до тех пор, пока Vgs будет ниже напряжения шины питания, вам не придётся выходить из диапазона напряжений, доступных в рамках вашей схемы.
Итак, при подключении полевого транзистора не забывайте о паразитном диоде — если использовать такой транзистор для переключения и подключить его неверно, перепутав исток и сток, то ваше устройство будет всегда запитываться через паразитный диод, вне зависимости от того, открыт затвор транзистора или нет. С другой стороны, этой проблемы можно избежать, ознакомившись с указанной в спецификации распиновкой, а при проектировании схемы значок полевого транзистора зачастую будет содержать в себе символ паразитного диода — или как минимум стрелку, отходящую от того же контакта.
Что касается различия в именовании, то запомнить его легко — при реализации переключения на стороне питания с помощью P-FET или на стороне земли с помощью N-FET вы подключаете источник питания к контакту истока, которым в случае P-FET выступает плюсовая шина, а в случае N-FET — минусовая. Даже если полевой транзистор вам нужен для других целей, эта мнемоника станет напоминанием, от какого и к какому контакту подключается паразитный диод. P-FET — положительный исток ( p ositive), N-FET — отрицательный ( n egative).
Расположить полевой транзистор в цепи можно по-разному. Если вы переключаете шину питания 3,3 В, и напряжение вашего микроконтроллера равно 3,3 В, то вы также можете управлять таким транзистором непосредственно через интерфейс ввода-вывода. Несмотря на то, что зарядку затвора этих транзисторов не всегда можно реализовать через этот интерфейс, при небольших масштабах ёмкость затвора не составит для него особой нагрузки, так что в любительских проектах это хороший упрощённый приём. Для большего успокоения можете последовательно добавить между интерфейсом ввода-вывода и затвором резистор, скажем, на 100 Ом. Нередко управление N-FET транзисторами при переключении на стороне земли реализуется через контакты ввода-вывода точно так же, как в случае с NPN-транзисторами.
Вычисление делителя напряжения для удержания Vgs ниже напряжения истока
Тем не менее, если ваши уровни напряжения не совпадают, например, вы управляете нагрузкой 12 В с помощью P-FET и интерфейса ввода-вывода, то есть более популярный способ, который отражён в первом примере схемы. Он заключается в использовании другого полевого или биполярного транзистора для подтягивания затвора в одном направлении, и резистора — для подтягивания в другом. Если вам нужно сохранить Vgs в определённом диапазоне, просто добавьте между затвором и управляющим транзистором ещё один резистор, чтобы получить делитель напряжения.
Это очень эффективный способ, но не безупречный. Затвор — это конденсатор, поэтому его зарядка или разрядка через резистор займёт больше времени, чем проделывание противоположного действия с помощью транзистора, так что при движении в управляемом резистором направлении затвор будет дольше находиться в линейной области. Это небольшая проблема при эпизодическом включении/отключении нагрузок, но доставит неприятности, если вы решите реализовать ШИМ с повышенной частотой — скажем, при управлении светодиодами или скоростью вращения двигателя, когда индуктивность мотора ещё больше всё усложняет.
Именно здесь на выручку приходят FET-драйверы, представляющие собой небольшую микросхему, внутри которой есть стадия push-pull, помогающая управлять затвором строго, вне зависимости от ёмкости, а также поддерживать Vgs в рамках приемлемого диапазона. В целом вам нужно подключить управляющий интерфейс ввода-вывода к одной стороне микросхемы, затвор полевого транзистора к другой, следовать спецификации драйвера, и всё будет в порядке.
▍ Установка границ
Естественно, у полевых транзисторов есть свои ограничения и нюансы — существует множество их вариаций в корпусах SOT23, которые все выглядят одинаково, но лишь некоторые из них сдюжат, когда вам потребуется реализовать управление несколькими метрами светодиодной ленты. Самыми важными параметрами являются максимальная сила тока и напряжение между истоком и стоком — они определяют допустимую нагрузку, которой можно управлять с помощью полевого транзистора. Если она будет составлять 12 В/3 А, то мудрым решением будет выбрать транзисторы 20 В/4 А Vds/Ids, а если речь идёт о 3,3 В/1 А, то обычно подойдёт транзистор 12 В/3 А.
Паразитный диод может оказаться очень кстати, например, в случае переключения индуктивных нагрузок, так как будет рассеивать часть обратного электромагнитного поля, которое может получить транзистор. Хотя особо на него не полагайтесь. Если вам нужен диод, то лучше будет просто добавить дополнительный параллельно.
Нашли хорошие недорогие полевые транзисторы или, возможно, обнаружили неплохие у себя в закромах, но они слегка недотягивают по силе тока? Обрадую вас — зачастую можно установить похожие транзисторы параллельно, чтобы увеличить максимально проводимый ими ток. В отличие от диодов, большинство полевых транзисторов имеют положительный термальный коэффициент — чем больше тока через них протекает, тем сильнее они нагреваются. При этом также растёт сопротивление, в результате чего параллельно подключенные транзисторы выравнивают показатели друг друга, даже если их параметры не совпадают. В таком случае вам уже не потребуется использовать отдельные управляющие схемы — просто запараллельте транзисторы, соединив все три контакта, и это сработает.
Контакт затвора здесь окажется наиболее уязвимым — к примеру, он весьма восприимчив к электростатике, и в некоторых транзисторах даже есть специальные диоды защиты, подключенные между затвором и истоком. В отличие от биполярных транзисторов, которым требуется постоянно протекающий ток, здесь достаточно лишь один раз зарядить затвор, и он будет оставаться открытым достаточно долго. При этом требуется настолько небольшой заряд, что зачастую можно заряжать затвор буквально прикосновением пальца, если ничто его не притягивает в одном из направлений. Видите резистор R1 на самой первой схеме? Он удерживает затвор разряжённым, а транзистор закрытым до тех пор, пока тот не будет намеренно открыт — без этого резистора транзистор сам бы не закрывался, оказываясь восприимчивым к различным шумам. Если вы не используете драйвер затвора, то между ним и истоком вам обязательно потребуется резистор.
Защита затвора от статических разрядов
Кроме того, обычно порог максимального Vgs намного ниже порога Vds — к примеру, для транзистора 30 В Vds несвойственно работать при максимальном Vgs 12 В или около того. Превысьте эту величину, и транзистор наверняка откажет. Предположим, вы переключаете 20 В с помощью подобного P-FET в обычной конфигурации переключения на стороне питания и получаете хороший Rds (сопротивление сток-исток) при -6 В — вам нужно будет удерживать затвор примерно на 12 В. Опять же, проще всего это будет реализовать с помощью делителя напряжения, и резистор для подтягивания затвора прекрасно в эту картину впишется.
Отказ полевого транзистора обычно происходит в виде короткого замыкания — это весьма плохо, если вы полагаетесь на него в каком-то критическом месте. Но есть здесь и положительный момент, а именно то, что отказавший транзистор обнаружить довольно легко. В некоторых продуктах, таких как паяльники Pinecil, используются два последовательных полевых транзистора, обеспечивающих дополнительную защиту от подобных случаев. И оно понятно — вашим клиентам вряд ли понравится, если жало их паяльника будет нагреваться неконтролируемым образом. Тем не менее разработчики других продуктов используют по одному полевому транзистору и не заморачиваются — в целом отказы происходят редко.
К слову о Pinecil. В нём используется нетипичная управляющая схема — там присутствует NPN-транзистор, но его база управляется через конденсатор, чтобы пропускать только переменную составляющую управляющего сигнала. В результате, если основной микроконтроллер повиснет, и управляющий контакт ввода-вывода застрянет на высоком уровне, транзистор не останется активен.
▍ До скорой встречи
Хотите побольше узнать о полевых транзисторах? В сети есть уйма информации. К примеру, вот прекрасная заметка от Texas Instruments (ссылка может не работать, — прим. пер.). Здесь на Hackaday мы также рассматривали эти транзисторы в нескольких контекстах — логика КМОП, переключение высокого напряжения, поставка деталей, и общее знакомство. Вдобавок к этому выходило вводное руководство.
Естественно, об этих транзисторах можно рассказать ещё много интересного. В следующий раз мы перейдём от фрагментов схем к реальным случаям использования. Я хочу показать вам несколько крутых примеров, в которых такие транзисторы используются, возможно, менее традиционными способами; начиная со схем мягкого запуска и защиты от обратной полярности до смещения уровней, есть много задач, которые полевой транзистор может решать на вашей плате. Ах да, в продолжении я также приведу рекомендации по номерам деталей, дам советы по их выбору и поделюсь полезной информацией, которая может пригодиться вам для лучшего понимания темы.
Что такое JFET: конструкция, типы и принцип работы
JFET (Junction gate field-effect transistor) — полевой транзистор с перекрестным затвором, также известный как полевой транзистор с управляющим PN-переходом или переходный полевой транзистор. Обычный транзистор — это устройство, управляемое током, которому нужен ток для смещения, тогда как JFET — это устройство, управляемое напряжением. Как и МОП-транзисторы (MOSFET), JFET имеет три вывода Gate (затвор), Drain (сток) и Source (исток).
JFET является важным компонентом прецизионного управления напряжением в аналоговой электронике . Мы можем использовать JFET в качестве резисторов, управляемых напряжением, или в качестве переключателя, или даже сделать усилитель, используя JFET. Это также энергоэффективная версия для замены биполярного транзистора. JFET обеспечивает низкое энергопотребление и довольно низкую рассеиваемую мощность, тем самым повышая общую эффективность схемы. Он также обеспечивает очень высокий входной импеданс, что является большим преимуществом перед биполярными транзисторами.
Типы JFET
Как и MOSFET, JFET имеет два подтипа: N-канальный JFET и P-канальный JFET.
Схематическая модель N-канального JFET и P-канального JFET показана на изображении выше. Стрелкой обозначены типы JFET. Стрелка, указывающая на затвор, означает, что JFET является N-канальным, а стрелка, идущая от затвора, обозначает JFET с P-каналом. Эта стрелка также указывает полярность PN-перехода, который образуется между каналом и затвором. Интересно, что английская мнемоника гласит: стрелка N-канального устройства указывает «Точки в n ».
Ток, протекающий через сток и исток, зависит от напряжения, приложенного к клемме затвора. Для JFET N-канала напряжение затвора отрицательное, а для JFET P-канала напряжение затвора положительное.
Конструкция JFET
На приведенном изображении мы можем видеть базовую конструкцию JFET. N-канальный JFET состоит из материала P-типа в подложке N-типа, тогда как материалы N-типа используются в подложке p-типа для формирования P-канального JFET.
JFET построен с использованием длинного канала полупроводникового материала. В зависимости от процесса изготовления, если JFET содержит большое количество положительных носителей заряда (называемых дырками), это JFET P-типа, а если он имеет большое количество отрицательных носителей заряда (называемых электронами), он называется N-типом JFET.
В длинном канале из полупроводникового материала на каждом конце создаются омические контакты, образующие соединения истока и стока. PN-переход формируется на одной или обеих сторонах канала.
Принцип работы JFET
Лучшим примером для понимания работы JFET является труба садового шланга. Предположим, что через садовый шланг течет вода. Если мы сожмем шланг, поток воды уменьшится, и в определенный момент, если мы сожмем его полностью, поток воды станет нулевым. JFET работает именно таким образом. Если мы заменим шланг на JFET, а поток воды на ток, а затем построим токоведущий канал, мы сможем контролировать ток.
Когда на затворе и истоке нет напряжения, канал становится плавным, широко открытым для движения электронов. Но обратная ситуация происходит, когда между затвором и истоком подается напряжение в обратной полярности, что приводит к обратному смещению PN-перехода и сужению канала за счет увеличения обедненного слоя, что может привести к тому, что JFET попадет в область отсечки или насыщения.
На изображении ниже мы можем видеть режим насыщения (saturation mode) и режим отсечки (pinch off mode), и мы сможем понять, что слой истощения (depletion layer) стал шире, а ток становится меньше.
Если мы хотим отключить JFET, нам нужно обеспечить отрицательный затвор для источника напряжения, обозначенный как V GS для JFET N-типа. Для JFET P-типа нам необходимо обеспечить положительное значение VGS .
JFET работает только в режиме истощения , тогда как MOSFET может работать в режим истощения и режиме улучшения.
Вольт-амперные характеристики JFET
На приведенном изображении JFET смещается через переменный источник постоянного тока, который будет управлять V GS JFET. Мы также подали напряжение на сток и исток. Изменяя V GS мы можем построить вольт-амперные характеристики (ВАХ) полевого транзистора.
На приведенном рисунке мы можем видеть три графика для трех разных значений напряжения V GS : 0 В, -2 В и -4 В. Существует три различных области: сопротивление, насыщение и пробой. В омической области JFET действует как резистор, управляемый напряжением, где ток контролируется приложенным к нему напряжением. После этого JFET попадает в область насыщения , где кривая становится почти прямой. Это означает, что поток тока достаточно стабилен, и V DS не будет мешать потоку тока. Но когда VDS намного превышает допуск, полевой транзистор переходит в режим пробоя , в котором ток становится неконтролируемым.
Эта ВАХ почти одинакова и для P-канального JFET, но различий немного. JFET перейдет в режим отключения, когда V GS и напряжение Pinch или (V P ) станут одинаковыми. Также, как и на приведенной выше кривой, для N-канального JFET ток стока увеличивается с увеличением V GS . Но для P-канального JFET ток стока уменьшается с увеличением V GS .
Смещение JFET
Для правильного смещения JFET используются различные типы методов. Из различных техник широко используются следующие три:
- Метод фиксированного смещения постоянного тока ( Fixed DC Biasing Technique)
- Техника самосмещения (Self-Biasing)
- Метод потенциального смещения делителя ( Potential Divider Biasing)
Метод фиксированного смещения постоянного тока
В методе фиксированного смещения постоянного тока N-канального JFET затвор JFET подключен таким образом, что V GS JFET все время остается отрицательным. Поскольку входное сопротивление JFET очень велико, во входном сигнале не наблюдается эффектов нагрузки. Ток через резистор R1 остается нулевым. Когда мы подаем сигнал переменного тока на входной конденсатор C1, сигнал появляется на затворе. Теперь, если мы рассчитаем падение напряжения на R1, согласно закону Ома, оно будет V = I x R или падение V = ток затвора x R1. Поскольку ток, текущий к затвору, равен 0, падение напряжения на затворе остается нулевым. Таким образом, с помощью этого метода смещения мы можем управлять током стока JFET, просто изменяя фиксированное напряжение, тем самым изменяя V GS .
Техника самосмещения
В методе самосмещения к выводу истока добавляется один резистор. Падение напряжения на истоковом резисторе R2 создает V GS для смещения напряжения. В этом методе ток затвора снова равен нулю. Напряжение истока определяется тем же законом Ома V = I x R. Следовательно, напряжение истока = ток стока x резистор истока. Теперь напряжение затвор-исток можно определить по разнице между напряжением затвора и напряжением истока.
Поскольку напряжение затвора равно 0 (поскольку ток затвора равен 0, согласно V = IR, напряжение затвора = ток затвора x резистор затвора = 0), V GS = 0 – ток затвора x сопротивление источника. Таким образом, внешний источник смещения не требуется. Смещение создается самостоятельно за счет падения напряжения на истоковом резисторе.
Метод потенциального смещения делителя
В этом методе используется дополнительный резистор, и схема немного изменена по сравнению с методом самосмещения: делитель напряжения с использованием R1 и R2 обеспечивает необходимое смещение постоянного тока для JFET. Падение напряжения на резисторе истока должно быть больше напряжения на затворе делителя резистора. Таким образом, V GS остается отрицательным.
Записки программиста
Полевые транзисторы делятся на полевые МОП-транзисторы (MOSFET) и полевые транзисторы с управляющим PN-переходом (JFET). Первые нам хорошо знакомы. Смотри шпаргалку по MOSFET’ам и примеры их использования далее по ссылкам. А вот JFET мы до сих пор не применяли. Давайте же это исправим.
Как и МОП-транзисторы, JFET имеют три терминала — затвор (gate), исток (source) и сток (drain), а также управляются напряжением на затворе. JFET являются depletion mode транзисторами. Бывают N-канальными и P-канальными, но последние вам почти наверняка не встретятся. Напомню, что MOSFET’ы в большинстве случаев являются enhancement mode и в равной степени встречаются как N-канальные, так и P-канальные.
Устройство JFET наглядно проиллюстрировано в книге «Learning the Art of Electronics» за авторством Thomas Hayes:
Ток между стоком и истоком (Id) является функцией от напряжения между затвором и истоком (Vgs). Когда это напряжение равно нулю, транзистор открыт и пропускает через себя максимально возможный ток Idss. Напряжение может быть чуть больше нуля, но не более 0.6 В. По мере уменьшения напряжения ток уменьшается, и становится равным нулю при достижении напряжения отсечки Vp (pinch-off voltage). Vp также обозначается как Vgs(off). Примите во внимание, что на картинке показан идеальный график. В реальности он сильно зависит от конкретного экземпляра транзистора, температуры, и прочих факторов.
В целом, все очень похоже на то, как работают МОП-транзисторы. Пусть вас не пугает отрицательное управляющее напряжение. Оно лишь означает, что на истоке транзистора нужно обеспечить большее напряжение, чем на затворе. Приведенный график при этом как бы сдвигается вправо. Важное отличие JFET от MOSFET заключается в отсутствии паразитного диода между истоком и стоком. То есть, это практически идеальный резистор управляемый напряжением.
JFET имеют много практических применений. Чаще всего они используются в составе интегральных схем, например, операционных усилителей с полевым входом, таких, как TL081/TL082. Радиолюбители делают на JFET генераторы и усилители. Генераторы на JFET склонны обладать большей температурной стабильностью, а усилители — меньшим коэффициентом шума, чем аналогичные схемы на биполярных транзисторах. Еще при помощи JFET можно сделать смеситель, АРУ, коммутировать ВЧ и НЧ сигналы. Конкретные схемы в большом количестве приводятся в книге «Experimental Methods in RF Design».
Из неприятностей, связанных с JFET, хочется отметить большую стоимость по сравнению с биполярными транзисторами, а также склонность конкретных компонентов исчезать. Так, в EMRFD практически во всех схемах используется транзистор J310. Сегодня он все еще доступен, но только как компонент для поверхностного монтажа MMBFJ310. Другие примеры некогда популярных, а ныне исчезнувших JFET — 2N3819 и MPF102. Существующие схемы приходится адаптировать под доступные компоненты.
В качестве близкого аналога J310 в моем регионе на момент написания статьи был доступен транзистор J111. J310 имеет Idss от 24 до 60 мА. Для J111 заявлен Idss не менее 20 мА. Vgs(off) составляет -2..-6.5 В для J310 против -3..-10 В для транзистора J111.
Чтобы окончательно убедиться, что J111 может быть использован в качестве замены J310, было решено опробовать его в схеме LC-генератора:
Схема адаптирована из EMRFD, Fig. 4.14, но аналогичные схемы встречались мне и в других источниках. Для начала было решено смоделировать ее в LTspice. Модель можно скачать здесь.
JFET в LTspice почему-то называется «nfj». Генератор не стартует, если только явно не добавить немного шума в модель источника питания. Для этого нужно воспользоваться компонентом под названием Arbitrary behavioral voltage source. Его можно найти под именем «bv».
По работе схемы все должно быть более-менее понятно. R2 обеспечивает положительное напряжение на истоке, L1 блокирует путь ВЧ сигналу в землю. C2-C3 обеспечивают обратную связь и фазовый сдвиг. L2 и С4 являются основными резонирующими элементами. D1 заботится о том, чтобы напряжение на затворе не превысило 0.6 В. С генератора небольшая часть сигнала идет через C5 на буфер.
Схема прекрасно работает не только в модели, но и на практике. Она выдает сигнал с частотой около 4.9 МГц и уровнем 5.6 dBm. Следует отметить, что сигнал богат гармониками. Ему не помешает ФНЧ. Схеме можно найти много применений. Если заменить C4 на КПЕ или варикапы, получаем ГПД. Или можно заменить L2 на вариометр. Также при помощи варикапов схему можно превратить в частотный модулятор.
Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.