Übertragungseigenschaften

In Transistoren können Übertragungseigenschaften als Auftragung eines Ausgangsstroms gegen eine eingangssteuernde Größe verstanden werden, die folglich eine direkte 'Übertragung' von Variablen von Eingang zu Ausgang in der in der Grafik dargestellten Kurve zeigt.

Wir wissen, dass für einen Bipolartransistor (BJT) der Ausgangskollektorstrom IC und der Steuereingangsbasisstrom IB durch den Parameter zusammenhängen Beta , die für eine Analyse als konstant angenommen wird.

Unter Bezugnahme auf die folgende Gleichung finden wir eine lineare Beziehung zwischen IC und IB. Wenn wir den IB-Level 2x erreichen, verdoppelt sich der IC auch proportional.

Leider ist diese bequeme lineare Beziehung in JFETs über ihre Eingangs- und Ausgangsgrößen möglicherweise nicht erreichbar. Vielmehr ist die Beziehung zwischen dem Drainstrom ID und der Gate-Spannung VGS definiert durch Shockleys Gleichung ::

Hier wird der quadratische Ausdruck für die nichtlineare Antwort über ID und VGS verantwortlich, was zu einer exponentiell wachsenden Kurve führt, wenn die Größe von VGS verringert wird.

Obwohl ein mathematischer Ansatz für die Gleichstromanalyse einfacher zu implementieren wäre, könnte der grafische Weg ein Auftragen der obigen Gleichung erfordern.

Dies kann das betreffende Gerät und das Auftragen der Netzwerkgleichungen in Bezug auf die identischen Variablen darstellen.

Wir finden die Lösung, indem wir den Schnittpunkt der beiden Kurven betrachten.

Denken Sie daran, dass bei Verwendung der grafischen Methode die Eigenschaften des Geräts von dem Netzwerk, in dem das Gerät implementiert ist, nicht beeinflusst werden.

Wenn sich der Schnittpunkt zwischen den beiden Kurven ändert, ändert sich auch die Netzwerkgleichung, dies hat jedoch keine Auswirkung auf die Übertragungskurve, die durch die obige Gleichung 5.3 definiert ist.

Daher können wir im Allgemeinen Folgendes sagen:

Die durch die Shockley-Gleichung definierte Übertragungscharakteristik wird von dem Netzwerk, in dem das Gerät implementiert ist, nicht beeinflusst.

Wir können die Übertragungskurve unter Verwendung der Shockley-Gleichung oder aus den Ausgabeeigenschaften erhalten wie in Abb.5.10 dargestellt

In der folgenden Abbildung sehen wir zwei Grafiken. Die vertikale Linie misst Milliampere für die beiden Graphen.

Ein Diagramm zeigt die Drainstrom-ID gegen die Drain-Source-Spannung VDS, das zweite Diagramm zeigt den Drainstrom gegen die Gate-Source-Spannung oder ID gegen VGS.

Mit Hilfe der auf der rechten Seite der 'y'-Achse gezeigten Drain-Eigenschaften können wir eine horizontale Linie zeichnen, die am Sättigungsbereich der als VGS = 0 V gezeigten Kurve bis zu der als ID gezeigten Achse beginnt.

Das so erreichte aktuelle Niveau für die beiden Graphen ist IDSS.

Der Schnittpunkt auf der Kurve von ID gegen VGS ist wie unten angegeben, da die vertikale Achse als VGS = 0 V definiert ist

Es ist zu beachten, dass die Drain-Eigenschaften die Beziehung zwischen einer Drain-Ausgangsgröße und einer anderen Drain-Ausgangsgröße zeigen, wobei die beiden Achsen durch Variablen in demselben Bereich der MOSFET-Eigenschaften interpretiert werden.

Somit können Übertragungseigenschaften als Auftragung eines MOSFET-Drainstroms gegen eine Größe oder ein Signal definiert werden, das als Eingangssteuerung dient.

Dies führt folglich zu einer direkten Übertragung über Eingangs- / Ausgangsvariablen, wenn die Kurve links in Abb. 5.15 verwendet wird. Wenn es eine lineare Beziehung gewesen wäre, wäre die Darstellung von ID gegen VGS eine gerade Linie zwischen IDSS und VP gewesen.

Dies führt jedoch zu einer parabolischen Kurve aufgrund des vertikalen Abstands zwischen dem VGS, der über die Drain-Eigenschaften tritt, der in Abb. 5.15 merklich abnimmt, wenn der VGS zunehmend negativ wird.

Wenn wir den Abstand zwischen VGS = 0 V und VGS = -1V mit dem zwischen VS = -3 V und dem Pinch-Off vergleichen, sehen wir, dass der Unterschied identisch ist, obwohl er für den ID-Wert sehr unterschiedlich ist.

Wir können einen anderen Punkt auf der Übertragungskurve identifizieren, indem wir eine horizontale Linie von der VGS = -1 V-Kurve bis zur ID-Achse zeichnen und diese anschließend auf die andere Achse erweitern.

Beachten Sie, dass VGS = - 1 V an der unteren Achse der Übertragungskurve ist, wenn ID = 4,5 mA.

Beachten Sie auch, dass in der ID-Definition bei VGS = 0 V und -1 V die Sättigungspegel von ID verwendet werden, während der ohmsche Bereich vernachlässigt wird.

Wenn wir mit VGS = -2 V und -3 V weiter vorankommen, können wir das Diagramm der Übertragungskurve beenden.

So wenden Sie die Shockley-Gleichung an

Sie können die Übertragungskurve in Abb. 5.15 auch direkt erreichen, indem Sie die Shockley-Gleichung (Gleichung 5.3) anwenden, sofern die Werte von IDSS und Vp angegeben sind.

Die IDSS- und VP-Ebenen definieren die Grenzen der Kurve für die beiden Achsen und erfordern nur das Zeichnen einiger Zwischenpunkte.

Die Echtheit der Shockleys Gleichung Gleichung 5.3 als Quelle der Übertragungskurve von Abb. 5.15 kann perfekt ausgedrückt werden, indem bestimmte Unterscheidungsniveaus einer bestimmten Variablen untersucht und dann das entsprechende Niveau der anderen Variablen auf folgende Weise identifiziert werden:

Dies entspricht dem in Abb.5.15 gezeigten Diagramm.

Beobachten Sie, wie sorgfältig die negativen Vorzeichen für VGS und VP in den obigen Berechnungen behandelt werden. Das Fehlen eines einzigen negativen Vorzeichens kann zu einem völlig fehlerhaften Ergebnis führen.

Aus der obigen Diskussion geht ziemlich klar hervor, dass wir, wenn wir die Werte von IDSS und VP haben (die aus dem Datenblatt entnommen werden können), den Wert von ID für jede Größe von VGS schnell bestimmen können.

Andererseits können wir durch Standardalgebra eine Gleichung (über Gleichung 5.3) für das resultierende VGS-Niveau für ein gegebenes ID-Niveau ableiten.

Dies könnte ganz einfach abgeleitet werden, um zu erhalten:

Lassen Sie uns nun die obige Gleichung überprüfen, indem wir den VGS-Pegel bestimmen, der einen Drainstrom von 4,5 mA für einen MOSFET mit den Eigenschaften erzeugt, die mit Abb. 5.15 übereinstimmen.

Das Ergebnis überprüft die Gleichung so, wie sie mit Abb.5.15 übereinstimmt.

Verwenden der Kurzschriftmethode

Da wir die Übertragungskurve ziemlich oft zeichnen müssen, könnte es zweckmäßig sein, eine Kurzschrifttechnik zum Zeichnen der Kurve zu erhalten. Eine wünschenswerte Methode wäre, dass der Benutzer die Kurve schnell und effizient zeichnen kann, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Die Gleichung 5.3, die wir oben gelernt haben, ist so konzipiert, dass bestimmte VGS-Ebenen ID-Ebenen erzeugen, die zur Verwendung als Plotpunkte beim Zeichnen der Übertragungskurve gespeichert werden können. Wenn wir VGS als 1/2 des Pinch-Off-Werts VP angeben, kann der resultierende ID-Level unter Verwendung der Shockley-Gleichung auf folgende Weise bestimmt werden:

Es ist zu beachten, dass die obige Gleichung nicht für eine bestimmte VP-Ebene erstellt wurde. Die Gleichung ist eine allgemeine Form für alle VP-Ebenen, solange VGS = VP / 2 ist. Das Ergebnis der Gleichung legt nahe, dass der Drainstrom immer 1/4 des Sättigungspegels IDSS beträgt, solange die Gate-Source-Spannung einen Wert aufweist, der 50% unter dem Pinch-Off-Wert liegt.

Bitte beachten Sie, dass der ID-Wert für VGS = VP / 2 = -4 V / 2 = -2 V gemäß Abb. 5.15 ist

Wenn Sie ID = IDSS / 2 wählen und in Gleichung 5.6 einsetzen, erhalten Sie die folgenden Ergebnisse:

Obwohl weitere Anzahlpunkte festgelegt werden können, kann ein ausreichendes Maß an Genauigkeit einfach durch Zeichnen der Übertragungskurve unter Verwendung von nur 4 Plotpunkten erreicht werden, wie oben und auch in Tabelle 5.1 unten angegeben.

In den meisten Fällen können wir nur den Plotpunkt mit VGS = VP / 2 verwenden, während die Achsenschnittpunkte bei IDSS und VP eine Kurve liefern, die für den größten Teil der Analyse ausreichend zuverlässig ist.