Полевой транзистор JFET, Статья о простом способе расчёта каскада

Очень часто у начинающих возникают трудности с расчётом каскадов на полевых транзисторах (ПТ). При чтении литературы на эту тему быстро устаёшь и понятного всё равно мало. А режим ПТ считать необходимо, ведь у транзисторов даже одной серии существенный разброс параметров, а пару одинаковых подобрать - проблема ещё та...
Предлагаю простую и доступную методику в помощь.
Для начала нам понадобится прибор, который может измерить два самых важных параметра для расчёта: напряжение отсечки и ток насыщения. Существует множество описаний подобных устройств, но когда начинающий посмотрит на схему, то опускаются руки. Предлагаю очень простой для повторения прибор, сам собрал как-то на скорую руку и с успехом давно пользуюсь.
Схема прибора:



Для прибора потребуется один мультиметр, панелька под транзистор, 4 любых клеммы, кусок толстого одножильного провода, один резистор 1кОм (лучше SMD, с какой-нибудь ненужной платы можно выпаять), кусок стеклотекстолита, брусочек 15х20 и батарейка "Крона" с колодкой.
Прибор предназначен для измерения параметров маломощных n-канальных JFET (с управляющим р-п переходом), но можно и р-канальных, всего-то нужно поменять полярность батарейки на обратную.
При подключении мультиметра к одной из пар клемм для измерений, другая пара замыкается перемычкой. Батарейка как раз помещается внутрь периметра из бруска.
Так выглядит готовый прибор:



Плата для ЛУТ вконце статьи. Думаю, особых трудностей в сборке такой прибор ни у кого не вызовет, поэтому сильно заострять на нём внимание не будем и пойдём дальше.

Возьмём графики семейств характеристик ПТ из справочника. Пусть это будет КП303Г, к примеру. Они усреднённые (приблизительные) для транзисторов данного типа. Графики реальных транзисторов будут отличаться значениями (но не формой!), которые мы и измеряем прибором.



Ось слева - ток через канал исток-сток, ось снизу - напряжение на стоке, относительно истока. На кривом участке вначале характеристики ПТ работает в режиме управляемого сопротивления.
Нас интересует прямой участок, только на нём ПТ становится усилителем, т. е. для нашего транзистора напряжение на стоке должно быть не менее 4.5-5В, а лучше побольше (но не выше максимально допустимого), тогда отношение сигнал-шум будет лучше.



На этой характеристике видим зависимость тока через канал от напряжения затвор-исток. Точки пересечения графика с осями будут соответственно: начальный ток стока (или ток насыщения) и напряжение отсечки.
Нам нужно выбрать точку покоя транзистора на графике. Влево от точки будет откладываться амплитуда отрицательной полуволны входного сигнала, вправо от этой точки - положительная полуволна. Важно, чтобы положительная полуволна не заходила за напряжение отсечки, образно говоря.
На рисунке видно, что характеристика нелинейна и имеет перегиб. Точка перегиба находится приблизительно при значении напряжения Uзи приблизительно равным половине напряжения отсечки. При задании рабочей точки покоя ПТ непосредственно в точке перегиба, нетрудно заметить, что зависимость тока канала от входного напряжения нелинейна, поэтому слабые входные сигналы будут усиливаться больше, а сигналы большой амплитуды будут усиливаться меньше. Сигнал будет несколько скомпрессирован, т.е. будет сжат динамический диапазон, возрастут нелинейные искажения. Для гитары это нормально, ну а если нужно качественно усилить сигнал без искажений, то точку покоя следует выбрать посередине линейного участка, который левее точки перегиба. Напряжение Uзи здесь примерно равно четверти напряжения отсечки. Здесь тоже действует закономерность: чем выше ток стока, тем отношение сигнал-шум лучше.
В случае, если мы промахнёмся и зададим рабочую точку где-то в другом месте, то скорее всего положительная и отрицательная половинки сигнала будут усиливаться неодинаково, а нам это ну в общем-то не нужно пока.

Рассмотрим типичный каскад с общим истоком, усиливающий сигнал как по току, так и по напряжению.



Резистор Rg задаёт необходимое для работы обратное смещение р-п перехода, что также служит стабилизацией работы каскада (подобно стабилитрону). Его номинал может быть от нуля до десятков МОм, чаще 1Мом и определяет входное сопротивление каскада.

Ток через канал ПТ (или ток стока) связан такой зависимостью:

Id=Idss*(1-Vgs/Vgsoff)^2, где Id - ток стока, Idss - ток насыщения (он же начальный), Vgs - напряжение затвор - исток, Vgsoff - напряжение отсечки.

Отсюда при помощи несложных математических преобразований я для удобства вывел:

Id=0,5625*Idss (для рабочей точки на 1/4Vgsoff) [A]

Рё

Id=0,25*Idss (для рабочей точки на 1/2Vgsoff) [A]

Далее следуем пошагово:

1. Берём имеющийся транзистор и при помощи прибора измеряем у него Idss и Vgsoff.

2. Находим Id по одной из двух формул (в зависимости от того, нужна компрессия или же усиленная точная копия сигнала)

3. Расчитываем резистор Rs=Vgs [Ohms] (так же выбираем равным Vgs=1/4Vgsoff [V] или Vgs=1/2Vgsoff [V] исходя из выбранной задачи)

4. Так как в классе А напряжение на стоке должно равняться 1/2 Е (где Е - напряжение источника питания), находим Rd. Он задаёт ток стока. Поэтому Rd=Е/2Id [Ohms] Выбираем ближайший существующий меньший номинал. Выходной импеданс каскада будет также равен этому значению.

5. Находим крутизну характеристики - фактически это проводимость ПТ и измеряется в Сименсах: S=2Idss/Vgsoff [Sm]

6. Теперь можно найти коэффициент усиления по напряжению:
K=(Rd-Rs)*S

Как видите, всё очень просто!

Могут возникнуть трудности с подбором SMD JFET. Я проблему решаю следующим образом.
втыкаю в панельку три одножильных проводника, к каждому подпаяна одна жила многожильного провода. К этим волоскам подпаиваю SOT23, к примеру. Снимаю параметры. Чтобы сто раз не измерять, делаю следуещее:



Скотч снизу и сверху. Для каждого номера записываю параметры отдельно в тетрадь. Достаточно по тетради подобрать нужные параметры и отрезать ножницами нужный полевичок.

Для микширующего каскада, к примеру такого, как в этой теме:

http://diyfactory.ru/forum/index.php?showtopic=2134&st=0

видно, что Rd является общим (через него протекает ток обоих ПТ, поэтому в данном случае его сопротивление выбирается вдвое меньше.

Хочу ещё раз обратить внимание, что метод является УПРОЩЁННЫМ, чтобы потом не было лишних высказываний. Я привёл пример, как можно делать. А подойдёт это вам или нет - решать вам.

Плата прибора для ЛУТ:

Это сообщение отредактировал ZAQ - 8.08.2013 - 20:52

Присоединённый файл ( Кол-во скачиваний: 5 )
 pribor.lay

�нтересно, сколько каскадов полевиков нужно построить в точке перегиба, чтобы получить достаточный драйв?

Это Ваш ключевой тезис, лежащий в основе выбора режима "с компрессией" или "без искажений". Укажите ссылку на источник, где описано наличие такого перегиба. От себя добавлю, что сделать это будет ой как непросто (мягко говоря), т.к. функция, описывающая зависимость тока стока от напряжения З-� Id=Idss(1-Vgs/Vgs.off)^2 является квадратичной и имеет вид одной половины параболы. По определению, она не может иметь такой точки перегиба. Видимо, все Ваши умозаключения базируются на криво нарисованном от руки графике "в" (четвёртая картинка) из советского справочника. Посмотрите правильно нарисованные графики Id(Vgs) из фирменных даташитов популярных 2N5458, 2SK117, например:

Будут-будут "лишние высказывания". Причём, не из-за "упрощённого метода", а по причине крайней [самоцензура] этой методики. А пока, ссылку в студию, плиз!

Это сообщение отредактировал Tuvalu - 9.08.2013 - 14:42

Полевики разные вообще-то: обедненные, обогащенные... МХ Джонс "Практическая электроника". �ли я чего-то недопонял...

Это сообщение отредактировал Юрий Сергеевич - 9.08.2013 - 14:21

Вообще-то, тема про JFET (ПТ с управляющим pn-переходом), а они все обеднённые. Хотя, честно говоря, цель написания этой Вашей ремарки я совсем не понял.

Это сообщение отредактировал Tuvalu - 9.08.2013 - 15:47

На рисунке красной линией проведена линейная зависимость. Параллельно ей проведена синяя линия. Точка пересечения с графиком есть точка перегиба характеристики на участке диапазона, и не надо путать с полной математической функцией.



Tuvalu, не хотелось тыкать носом в литературу, особенно тебя, ну раз ты сам настоял, первый попавшийся...

Присоединённый файл ( Кол-во скачиваний: 20 )
 p0055.JPG

В этой цитате речь идёт о четвёртой картинке из первого поста - зависимости тока стока от напряжения З� (хар-ка передачи). Формулу я привёл, хорошие картинки тоже - укажите на них "точку перегиба". Статья из ж. "Радио" ничего не говорит об этом. �так, повторю вопрос: как найти "точку перегиба" на передаточной хар-ке? Ваши графики с красными-синими линями должны же иметь какую-то основу? Ссылоку на методику, плиз. Без неё - это просто художественная самодеятельность.

Это сообщение отредактировал Tuvalu - 9.08.2013 - 15:40

Я же писал:

Точно вычислить точку перегиба характеристики реально трудно, но то, что она есть по сравнению с прямой линейной зависимостью, это видно на любых картинках, в том числе и твоих. Графическое решение имеет равное место в геометрии. Но можешь считать, что половина отсечки - имперически найденное значение. Некоторая ассиметрия усиления сигнала, естественно, будет, но для для гитары - чётных гармоник по идее добавит. Про перегиб у ХАРАКТЕР�СТ�К� встречал во многих источниках, смысла нет сейчас заниматься поисками. Упёрся, ты, �МХО в точку перегиба параболы, хотя полноценной канонической параболой данная функция всё равно не является.
Я уже написал -

Это сообщение отредактировал ZAQ - 9.08.2013 - 16:21

Пока суть да дело, предлагаю свой вариант измерителя ПТ. http://diyfactory.ru/forum/index.php?showt...findpost&p=9546 Преимущества по сравнению с сабжевым такие:
1) Ничего не надо перетыкать.
2) В сабжевом приборчике при измерении Vgs.off ток стока определяется внутренним сопротивлением вольтметра, поэтому при переключении пределов (например, с 2 на 20В), может сильно изменится ток стока, т.е. изменятся условия измерения параметра Vgs.off. А оно, это V, меряется при каком-то определённом токе стока, обычно 0,1 или 1 мкА или 10мкА для отечественных ПТ. Особенно досадно будет, если подбирая пары, придётся переключать предел для одного из транзисторов. В моём приборе этот ток значительно стабильней.
3) Следствие из п. 2): меняя истоковый резистор, появляется возможность мерить не только напряжение отсечки, но и подбирать экземпляры и/или пары при рабочем токе стока, выбирая истоковый резистор, равный схемному.
4) При относительно большом токе стока точность результатов измерения этого тока снизится или само измерение станет вообще невозможным по причине чрезмерного падения напряжения на 1кОм и внутреннем R миллиамперметра.

В данном случае, это не неприятие авторского варианта, а просто разумная альтернатива ему.

Это сообщение отредактировал Tuvalu - 9.08.2013 - 16:23

Сначала:

Затем:

Коллега, это форум, надобно отвечать за свои слова. Ссылочку на "красно-синюю" методику, плиз. �ли скажите прямо: сам придумал. Тем более, что Вы сами задали высокую планку ответсвенности - в стартовом посте Вы декларируете желание помочь начинающим:

А про многочисленные ляпы этой т.н. "методики" я напишу чуть позже.

Это сообщение отредактировал Tuvalu - 9.08.2013 - 16:37

Мой прибор по-точнее измеряет. От переключателя нарочно избавился, с перемычкой измерения делать так же быстро, да и визуально нагляднее - исключается возможность ошибочного подключения измерителя.
Транзистор при измерениях включен по схеме генератора тока и от сопротивления вольтметра не зависит:
http://users.i.kiev.ua/~miroshko/miractive/index.html

PS

Ну, полно, никакого вреда данная методика не несёт, всё работает и проверенно. Сразу пиши, что не так, посмотрим...

Это сообщение отредактировал ZAQ - 9.08.2013 - 16:47

При измерении нач. тока стока - да, не зависит, т.к. исток соединён с затвором. А вот, при измерении Vgs.off картина резко меняется: ток такого генератора уже будет определяется истоковым резистором - в данном случае, внутренним сопротивлением вольтметра. В целом, Ваш приборчик не точнее и не приспособлен для отбора пар и, тем более, для отбора транзисторов при рабочем токе. Но это не катастрофа, кроме случая измерения ПТ с большим Idss, например BF245C.

Это сообщение отредактировал Tuvalu - 9.08.2013 - 16:50

У цифрового мультиметра типичное входное 10 МОм. Получается 0,1 мкА при 1В. Этот ток сравним с током утечки затвора (в некоторых случаях), что делает подобные измерения совсем неадекватными. Речь даже не о точности.


______________________

Сорри, прогнал... для маломощных пт ток утечки много меньше. Что не отменяет вышеуказанной критики.

Это сообщение отредактировал Юрий Сергеевич - 9.08.2013 - 16:58

Если придётся переключать предел, то, ясен красен, для пары такие транзисторы не подойдут.

Ну вот и поговорили.

Это сообщение отредактировал ZAQ - 9.08.2013 - 17:06

Кстати, я, конечно, извиняюсь, но зачем оно нужно, это напряжение отсечки? Какие параметры схемы оно меняет/определяет? В пары подобрать можно при рабочем токе.

Ещё раз приведённую страницу из "РАД�О" посмотрите внимательнее...
Крутизна характеристики S. Так же красным подчёркнуто, в общем, о чём, собсно, речь выше и шла, о перегибе передаточной функции. Также, если входной сигнал превысит напряжение отсечки на одном из транзисторов, что будет?

ZAQ
Крутизну можно в даташите посмотреть. В нормальной схеме-не превысит. � перегиба там нет: конечно, ВАХ отличается от параболы, но вот при каких токах и насколько и в какую сторону - это вопрос.

Нет, реальную крутизну лучше вычислить, т.к. даже в даташите будет диапазон, а не точная величина. Если бы перегиба не было, то характеристика была бы линейной, т.е. прямой линией. А у нас кривая карамыслом, сравните на рисунках. При разных масштабах она может казаться более или менее выпрямленой, но никогда ею не станет. Если перевернуть график концами вверх, то точкой перегиба будет точка, в которой кривая меняет своё направление, т.е. спадает - точка перегиба - возрастает. Вот и все. Если хотите, можно поставить график на плоскость, как линзу выпуклой стороной. Точка касания будет точкой перегиба. Алгеброй показать сложно, а геометрия для работы с графиками - самое то.

Для малых амплитуд сигналов точное положение точки перегиба не важно, для них характеристика будет апроксимировано линейной (короткий отрезок, в центре - наша точка). Поэтому усиление слабых сигналов будет происходить сильнее. Для сигналов большой амплитуды изгиб уже больше и передача будет плавнее (хуже), отсюда компрессия. Будет небольшая разница в усилении отдельных полуволн, т.к. кривая несимметричная, относительно нашей точки. Но известно, что ПТ инвертирует сигнал на выходе. Поэтому, если расчитать необходимый резисторный делитель, применив два каскада на подобранных ПТ последовательно, то второй каскад ещё сгладит ассиметрию, можно построить очень неплохой компрессор, даже мягкий перегруз �МХО.

PS �ли это уже известно и снова найдутся похожие статьи?
PPS Хотя надо проверять...

Это сообщение отредактировал ZAQ - 9.08.2013 - 19:30

Фигасе... а квадратичную зависимость куда деть?

Неа... не будет. Нет там никакого перегиба. � быть не может. График строится по функции, а функция одинаковая для всех токов.

Не будет. Крутизна как убывает, так и возрастает в равной мере относительно точки покоя с ростом амплитуды.

Это вообще не понятно. Причем тут компрессор?