Χαρακτηριστικά μεταφοράς

Στα τρανζίστορ, τα χαρακτηριστικά μεταφοράς μπορούν να θεωρηθούν ως γραφική παράσταση ενός ρεύματος εξόδου έναντι ενός μεγέθους ελέγχου εισόδου, το οποίο κατά συνέπεια εμφανίζει μια άμεση «μεταφορά» μεταβλητών από είσοδο σε έξοδο στην καμπύλη που αντιπροσωπεύεται στο γράφημα.

Γνωρίζουμε ότι για ένα διπολικό τρανζίστορ διασταύρωσης (BJT), το ρεύμα συλλέκτη εξόδου και το ρεύμα βάσης εισόδου ελέγχου IB σχετίζονται με την παράμετρο βήτα , η οποία θεωρείται ότι είναι σταθερή για μια ανάλυση.

Αναφερόμενος στην παρακάτω εξίσωση, βρίσκουμε μια γραμμική σχέση που υπάρχει μεταξύ IC και IB. Εάν φτιάξουμε το επίπεδο IB 2x, τότε το IC διπλασιάζεται επίσης αναλογικά.

Δυστυχώς, όμως, αυτή η βολική γραμμική σχέση μπορεί να μην είναι εφικτή σε JFET σε όλα τα μεγέθη εισόδου και εξόδου. Αντίθετα, η σχέση μεταξύ του ID ρεύματος αποστράγγισης και της τάσης πύλης VGS ορίζεται από Η εξίσωση του Shockley :

Εδώ, η τετραγωνική έκφραση καθίσταται υπεύθυνη για τη μη γραμμική απόκριση κατά μήκος του ID και του VGS, η οποία δημιουργεί μια καμπύλη που αναπτύσσεται εκθετικά, καθώς το μέγεθος του VGS μειώνεται.

Αν και μια μαθηματική προσέγγιση θα ήταν ευκολότερο να εφαρμοστεί για την ανάλυση dc, ο γραφικός τρόπος μπορεί να απαιτήσει μια γραφική παράσταση της παραπάνω εξίσωσης.

Αυτό μπορεί να παρουσιάσει την εν λόγω συσκευή και τη σχεδίαση των εξισώσεων δικτύου που σχετίζονται με τις ίδιες μεταβλητές.

Βρίσκουμε τη λύση κοιτάζοντας το σημείο τομής των δύο καμπυλών.

Θυμηθείτε, ότι όταν χρησιμοποιείτε τη γραφική μέθοδο, τα χαρακτηριστικά της συσκευής παραμένουν ανεπηρέαστα από το δίκτυο όπου εφαρμόζεται η συσκευή.

Καθώς η διασταύρωση μεταξύ των δύο καμπυλών αλλάζει, αλλάζει επίσης την εξίσωση του δικτύου, αλλά αυτό δεν έχει καμία επίδραση στην καμπύλη μεταφοράς που ορίζεται από την παραπάνω Εξ. 5.3.

Επομένως, γενικά μπορούμε να πούμε ότι:

Το χαρακτηριστικό μεταφοράς που ορίζεται από την εξίσωση του Shockley δεν επηρεάζεται από το δίκτυο όπου εφαρμόζεται η συσκευή.

Μπορούμε να πάρουμε την καμπύλη μεταφοράς χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Shockley ή από τα χαρακτηριστικά εξόδου όπως απεικονίζεται στο Σχ.5.10

Στο παρακάτω σχήμα, μπορούμε να δούμε δύο γραφήματα. Η κατακόρυφη γραμμή μετρά χιλιοστά για τα δύο γραφήματα.

Ένα γράφημα απεικονίζει το αναγνωριστικό ρεύματος αποστράγγισης έναντι τάσης αποστράγγισης προς πηγή VDS, το δεύτερο γράφημα απεικονίζει το ρεύμα αποστράγγισης έναντι τάσης πύλης προς πηγή ή ID έναντι VGS.

Με τη βοήθεια των χαρακτηριστικών αποστράγγισης που εμφανίζονται στη δεξιά πλευρά του άξονα «y», μπορούμε να σχεδιάσουμε μια οριζόντια γραμμή ξεκινώντας από την περιοχή κορεσμού της καμπύλης που εμφανίζεται ως VGS = 0 V μέχρι τον άξονα που εμφανίζεται ως ID.

Τα τρέχοντα επίπεδα που επιτυγχάνονται έτσι για τα δύο γραφήματα είναι IDSS.

Το σημείο τομής στην καμπύλη του ID έναντι του VGS θα είναι όπως δίνεται παρακάτω, επειδή ο κατακόρυφος άξονας ορίζεται ως VGS = 0 V

Σημειώστε ότι τα χαρακτηριστικά αποστράγγισης δείχνουν τη σχέση μεταξύ ενός μεγέθους εξόδου αποστράγγισης με ένα άλλο μέγεθος εξόδου αποστράγγισης, όπου οι δύο άξονες ερμηνεύονται από μεταβλητές στην ίδια περιοχή των χαρακτηριστικών MOSFET.

Έτσι, τα χαρακτηριστικά μεταφοράς μπορούν να οριστούν ως γραφική παράσταση ρεύματος αποστράγγισης MOSFET έναντι ποσότητας ή σήματος που λειτουργεί ως έλεγχος εισόδου.

Αυτό συνεπάγεται συνεπώς μια άμεση «μεταφορά» μεταξύ των μεταβλητών εισόδου / εξόδου, όταν η καμπύλη χρησιμοποιείται στα αριστερά του Σχ. 5.15. Εάν ήταν μια γραμμική σχέση, η γραφική παράσταση του ID έναντι του VGS θα ήταν μια ευθεία γραμμή μεταξύ του IDSS και του VP.

Ωστόσο, αυτό οδηγεί σε μια παραβολική καμπύλη λόγω της κατακόρυφης απόστασης μεταξύ του VGS που υπερβαίνει τα χαρακτηριστικά αποστράγγισης, που μειώνεται σε σημαντικό βαθμό καθώς το VGS γίνεται όλο και πιο αρνητικό, στο Σχ. 5.15.

Εάν συγκρίνουμε το διάστημα μεταξύ VGS = 0 V και VGS = -1V με το διάστημα μεταξύ VS = -3 V και του pinch-off, βλέπουμε ότι η διαφορά είναι ίδια, αν και είναι πολύ διαφορετική για την τιμή ID.

Μπορούμε να αναγνωρίσουμε ένα άλλο σημείο στην καμπύλη μεταφοράς σχεδιάζοντας μια οριζόντια γραμμή από την καμπύλη VGS = -1 V μέχρι τον άξονα της ταυτότητας και στη συνέχεια επεκτείνοντάς τον στον άλλο άξονα.

Παρατηρήστε ότι VGS = - 1V στον κάτω άξονα της καμπύλης μεταφοράς όταν ID = 4,5 mA.

Σημειώστε επίσης ότι, στον ορισμό ID στα VGS = 0 V και -1 V, χρησιμοποιούνται τα επίπεδα κορεσμού του ID, ενώ η ωμική περιοχή παραμελείται.

Προχωρώντας πιο μπροστά, με VGS = -2 V και - 3V, είμαστε σε θέση να ολοκληρώσουμε την καμπύλη μεταφοράς.

Πώς να εφαρμόσετε την εξίσωση του Shockley

Μπορείτε επίσης να επιτύχετε απευθείας την καμπύλη μεταφοράς του Fig 5.15 εφαρμόζοντας την εξίσωση Shockley (Eq.5.3), υπό την προϋπόθεση ότι δίνονται οι τιμές IDSS και Vp.

Τα επίπεδα IDSS και VP καθορίζουν τα όρια της καμπύλης για τους δύο άξονες, και απαιτούν μόνο τη χάραξη μερικών ενδιάμεσων σημείων.

Η γνησιότητα του Η εξίσωση του Shockley Η εξ. 5,3 ως πηγή της καμπύλης μεταφοράς του σχήματος 5.15 μπορεί να εκφραστεί τέλεια με την επιθεώρηση ορισμένων διακριτικών επιπέδων μιας συγκεκριμένης μεταβλητής και στη συνέχεια προσδιορίζοντας το αντίστοιχο επίπεδο της άλλης μεταβλητής, με τον ακόλουθο τρόπο:

Αυτό ταιριάζει με την πλοκή που φαίνεται στο Σχ.5.15.

Παρατηρήστε πόσο προσεκτικά αντιμετωπίζονται τα αρνητικά σημεία για VGS και VP στους παραπάνω υπολογισμούς. Η απώλεια ακόμη και ενός αρνητικού σημείου θα μπορούσε να οδηγήσει σε εντελώς εσφαλμένο αποτέλεσμα.

Είναι πολύ σαφές από την παραπάνω συζήτηση, ότι εάν έχουμε τις τιμές IDSS και VP (που μπορούν να αναφερθούν από το φύλλο δεδομένων), μπορούμε να προσδιορίσουμε γρήγορα την τιμή του ID για οποιοδήποτε μέγεθος VGS.

Από την άλλη πλευρά, μέσω της τυπικής άλγεβρας μπορούμε να αντλήσουμε μια εξίσωση (μέσω της Εξ. 5,3), για το επίπεδο VGS που προκύπτει για ένα δεδομένο επίπεδο ταυτότητας.

Αυτό θα μπορούσε να προκύψει πολύ απλά, για να λάβετε:

Τώρα ας επαληθεύσουμε την παραπάνω εξίσωση προσδιορίζοντας το επίπεδο VGS που παράγει ρεύμα αποστράγγισης 4,5 mA για ένα MOSFET που έχει τα χαρακτηριστικά που ταιριάζουν στο Σχ. 5.15.

Το αποτέλεσμα επαληθεύει την εξίσωση καθώς συμμορφώνεται με το Σχ.5.15.

Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Shorthand

Δεδομένου ότι πρέπει να σχεδιάσουμε την καμπύλη μεταφοράς αρκετά συχνά, μπορεί κάποιος να βρει βολικό να πάρει μια σύντομη τεχνική για τη χάραξη της καμπύλης. Μια επιθυμητή μέθοδος θα ήταν η οποία επιτρέπει στον χρήστη να σχεδιάσει την καμπύλη γρήγορα και αποτελεσματικά, χωρίς συμβιβασμούς στην ακρίβεια.

Η εξίσωση 5.3 που μάθαμε παραπάνω έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε συγκεκριμένα επίπεδα VGS να παράγουν επίπεδα ταυτότητας που μπορούν να θυμούνται για χρήση ως σημεία γραφικής παράστασης κατά τη σχεδίαση της καμπύλης μεταφοράς. Εάν καθορίσουμε το VGS ως 1/2 της τιμής VP, το επίπεδο ταυτότητας που προκύπτει μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Shockley με τον ακόλουθο τρόπο:

Πρέπει να σημειωθεί ότι η παραπάνω εξίσωση δεν δημιουργείται για ένα συγκεκριμένο επίπεδο VP. Η εξίσωση είναι μια γενική μορφή για όλα τα επίπεδα VP για όσο διάστημα VGS = VP / 2. Το αποτέλεσμα της εξίσωσης υποδηλώνει ότι το ρεύμα αποστράγγισης θα είναι πάντα το 1/4 του επιπέδου κορεσμού IDSS, αρκεί η τάση πύλης προς πηγή να έχει τιμή που είναι 50% μικρότερη από την τιμή pinch-off.

Λάβετε υπόψη ότι το επίπεδο ID για VGS = VP / 2 = -4V / 2 = -2V σύμφωνα με το Σχ.5.15

Επιλέγοντας το ID = IDSS / 2 και αντικαθιστώντας το στο Eq.5.6 έχουμε τα ακόλουθα αποτελέσματα:

Αν και μπορούν να καθοριστούν περαιτέρω αριθμητικά σημεία, επαρκές επίπεδο ακρίβειας μπορεί να επιτευχθεί απλά σχεδιάζοντας την καμπύλη μεταφοράς χρησιμοποιώντας μόνο 4 σημεία γραφικής παράστασης, όπως προσδιορίζεται παραπάνω και επίσης στον Πίνακα 5.1 παρακάτω.

Στις περισσότερες περιπτώσεις μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μόνο το σημείο σχεδίασης χρησιμοποιώντας VGS = VP / 2, ενώ οι διασταυρώσεις άξονα στο IDSS και VP θα μας δώσουν μια καμπύλη αρκετά αξιόπιστη για το μεγαλύτερο μέρος της ανάλυσης.