Полевые транзисторы в антенном усилителе активной приёмной антенны

Воскресенье , 4, Июль 2010 Комментарии к записи Полевые транзисторы в антенном усилителе активной приёмной антенны отключены

При разработке схемы активной приёмной антенны вместе со стоимостью и доступностью активных элементов важно также принимать во внимание их качественные параметры: уровень вносимых интермодуляционных искажений и коэффициент шума. Многие разработки, описание которых опубликовано в последние годы, претендуют на высокие качественные показатели по малому уровню вносимых интермодуляционных искажений, но в одной из них, например, применён маломощный полевой транзистор стоимостью около 20 долларов за штуку. Выполненные на доступной элементной базе другие разработки имеют хорошие характеристики, но за счёт использования комплементарных пар транзисторов. Такой подход может быть просто результатом недостатка у разработчиков полной информации, имея которую они могли бы сделать осмысленный выбор элементов для достижения в конечном продукте приемлемого и привлекательного для изготовителей соотношения цена/качество, использовав при этом компоненты, доступные по разумным ценам у таких популярных дистрибьютеров, как «Digi-Key» и «Mouser».

Оценка линейности полевого транзистора

На частотах до 30 МГц первичными источниками помех являются улавливаемые антенной космический фоновый шум и помехи земного происхождения, переизбыток которых, особенно в радиовещательных диапазонах средних и коротких волн, приводит к возникновению в предварительном УВЧ активных антенн и радиоприёмников продуктов интермодуляции, мешающих приёму слабых сигналов. Особенно это относится к вещательным радиостанциям диапазона средних волн, мощный сигнал которых становится причиной появления гармоник на выходе небрежно спроектированного УВЧ активной антенны или предусилителя радиоприёмника. Вот почему важно, чтобы разработчик активной приёмной антенны для частотного диапазона до 30 МГц имел ясное представление о том, как подобрать те же транзисторы по наилучшим показателям линейности.

Значения таких параметров полевых транзисторов как, например, напряжение отсечки, максимально допустимая рассеиваемая мощность и коэффициент шума, обычно доступны в документации на транзистор, предоставляемой его производителем. Качественные же характеристики по вносимым интермодуляционным искажениям приводятся крайне редко, и определить их тогда можно разве что графическим методом, — по семейству линий на графике выходных характеристик, — или путем непосредственного измерения в конкретной схеме.

Применение графического метода для определения потенциальных возможностей конкретного транзистора на предмет вносимых интермодуляционных искажений заключается в тщательном изучении семейства выходных характеристик транзистора на соответствующем графике. В частности, особо следует отметить следующие, но не только эти, характерные особенности поведения линий на этом графике:

  1. Горизонтальность в области насыщения;
  2. Прямолинейность в области насыщения;
  3. Значение напряжения насыщения;
  4. Равенство интервалов, с которым линии следуют одна над другой;
  5. Характер перехода от линейной области к области насыщения.

Семейство выходных характеристик полевых транзисторов, как для изготовленных по МОП-технологии, так и с p-n-переходом на затворе, формируется путём отслеживания зависимости тока стока ID транзистора от изменения напряжения сток-исток UDS для ряда равноотстоящих одно от другого постоянных значений напряжения затвор-исток UGS. При этом наиболее высокие показатели линейности наблюдаются у транзисторов, для которых эта зависимость на графике в области насыщения наиболее горизонтальна и прямолинейна.

Характер выходных характеристик полевого транзистора в области насыщения определяет точку компрессии (P1dB) и прямо влияет на положение точки пересечения по продуктам интермодуляции 3-го порядка, известной по своему обозначению как IIP3. Чтобы оценить транзистор по точке компрессии P1dB, на графике семейства его выходных характеристик следует отложить нагрузочную прямую и отметить точку пересечения этой прямой с вертикальной осью значений тока стока ID — чем меньше для этого тока стока значение напряжения насыщения сток-исток, отсчитываемое по горизонтальной оси графика, тем выше качественные характеристики транзистора.

Крутизна передаточной характеристики (gm) у полевых транзисторов с p-n-переходом, как правило, изменяется с изменением тока стока (ID). Это можно заметить по интервалу между отдельными линиями на графике семейства выходных характеристик. Если бы крутизна с изменением тока стока не изменялась, то линии на графике следовали бы одна над другой с одним и тем же интервалом. Следовательно, чем равномернее отстоят эти линии одна от другой на графике семейства выходных характеристик того или иного транзистора, тем потенциально выше показатели линейности такого транзистора. В общем случае, поскольку у полевого транзистора с p-n-переходом с приращением напряжения затвор-исток UGS ток стока ID растёт по квадратичному закону, крутизна передаточной характеристики gm также растёт с увеличением тока стока ID. Поэтому при выборе режима работы транзистора его надо сместить подальше от области нелинейности, где такое изменение крутизны gm становится слишком заметным.

Для полевых транзисторов с p-n-переходом типичным является относительно высокое значение напряжения насыщения сток-исток, которое намного превышает значение аналогичного параметра у биполярных транзисторов и полевых транзисторов с изолированным затвором. Это общее свойство полупроводниковых приборов такого типа обусловлено физическими свойствами канала полевого транзистора с p-n-переходом на затворе. От этих свойств не уйти и их надо просто принимать как данность.

Важную роль в определении линейности транзистора играет также характер перехода его выходной характеристики от линейной области к области насыщения — чем он круче, чем он резче очерчен на графике, то есть чем он менее затянут, тем меньше вносимых транзистором интермодуляционных искажений, тем шире динамический диапазон собранного на нём усилительного каскада.

Характеристики некоторых транзисторов

Ниже представлен ряд n-канальных полевых транзисторов десяти типов, доступных по разумной цене у такого дистрибьютера, как «Mouser». На фото приведены их выходные характеристики.

Рис.1 Характеристики транзистора BF244A (шаг напряжения затвор-исток 100мВ, 1мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Рис.2 Характеристики транзистора BF244B (шаг напряжения затвор-исток 100мВ, 1мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

По характеру следования линий в череде выходных характеристих легко видеть тенденцию роста крутизны передаточной характеристики транзистора gm с увеличением тока стока ID. У транзисторов типа BF244A/B/C эта тенденция проявляется в меньшей степени, а у семейства JEDEC-транзисторов (с префиксом 2N в маркировке) — в большей.

Рис.3 Характеристики транзистора BF244C (шаг напряжения затвор-исток 200мВ, 2мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Рис.4 Характеристики транзистора J309 (шаг напряжения затвор-исток 100мВ, 2мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Также на графиках можно видеть, что в линейной области и в зоне перехода из неё в область насыщения выходные характеристики всех этих транзисторов ведут себя плохо: линейная область растянута вплоть до UDS = 2 В, переход к области насыщения округлый, затянутый, не имеет чётких границ. Исключением отчасти можно назвать лишь транзистор J309.

Транзисторы BF244A и BF244B демонстрируют наилучшую линейность поскольку крутизна их передаточной характеристики gm с изменением тока стока ID меняется в меньшей степени (ряд линий семейства выходных характеристик отстоят от соседних более-менее одинаково), да и переход от линейной области к области насыщения тоже хорош. Не смотря на малое значение крутизны gm, их линейность при токе стока ID < 5 мА и малый коэффициент собственных шумов делают эти транзисторы привлекательными для применения в малошумящих усилительных каскадах, работающих в частотном диапазоне VHF. А вот выходные характеристики транзистора BF244C, напротив, говорят о более высоком уровне вносимых им интермодуляционных искажений. В зависимости от суффикса в наименовании транзисторов этой серии их отличают друг от друга по начальному току стока и напряжению отсечки.

Рис.5 Характеристики транзистора J310 (шаг напряжения затвор-исток 200мВ, 5мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Рис.6 Характеристики транзистора U310 (шаг напряжения затвор-исток 200мВ, 5мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Транзистор J308 (диаграмма не приведена), а также транзисторы J309, J310 и U310 — из одного семейства и с похожими характеристиками. Друг от друга они отличаются главным образом своими статическими параметрами: начальным током стока IDSS и напряжением отсечки UGS(off). Несмотря на этот факт, споры об их линейности продолжаются и будут продолжаться ещё долго. О том же, что транзисторы J310 и U310 практически идентичны, также можно сказать по их выходным характеристикам. Зависимость крутизны gm от тока стока ID у них имеет небольшой угол наклона.

Такой же небольшой угол наклона этой зависимости наблюдается и у транзистора J309 при изменении тока стока в пределах от 5 мА до 15 мА. В линейной области и в зоне перехода из неё в область насыщения этот транзистор по своим выходным характеристикам лучше любого из серии BF244, однако последние меньше шумят и крутизна их передаточной характеристики gm не так сильно зависит от тока стока ID.

Рис.7 Характеристики транзистора MPF102 (шаг напряжения затвор-исток 200мВ, 1мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Рис.8 Характеристики транзистора 2N3819 (шаг напряжения затвор-исток 200мВ, 1мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Очень похожи во всех отношениях характеристики у транзисторов MPF102, 2N3819 и 2N5486, что делает их практически взаимозаменяемыми.

Рис.9 Характеристики транзистора 2N5486 (шаг напряжения затвор-исток 200мВ, 1мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Рис.10 Характеристики транзистора 2N4416 (шаг напряжения затвор-исток 200мВ, 1мА/дел. по вертикали, 1В/дел. по горизонтали).

Непохожим на другие оказался транзистор 2N4416. Его также рекомендуют к применению в высоколинейных усилительных каскадах, но та степень зависимости его крутизны от тока стока, которую иллюстрирует диаграмма на рис.10, обнаруживает его меньшую для этого пригодность чем транзисторов BF244A/B.

Заключение

Графическое представление основных характеристик полевых транзисторов может быть использовано для предварительной оценки линейности выполненных на их основе усилительных каскадов. Для этого надо лишь проанализировать поведение выходных характеристик того или иного транзистора в линейной области, в области насыщения, а также в зоне перехода от одной области к другой. Но всё же для разработчика главным критерием выбора транзистора должно быть прямое измерение уровня интермодуляционных искажений, вносимых выполненным на основе данного транзистора усилительным каскадом.

Первоисточник:

Chris Trask/N7ZWY, «An Evaluation of Junction Field-Effect Transistors Suitable for Active Antenna Applications», 4 December 2008. Скачать >>

©Christopher Trask, 2008.

Сокращенный перевод ©Задорожный Сергей Михайлович, 2010г., г.Киев.

См. также: