Усилительные и частотные свойства полевых транзисторов
Подобно биполярным транзисторам полевые транзисторы находят применение как усилители электрических колебаний. При этом возможна работа в схемах с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Наиболее распространенной является схема включения с общим истоком, представленная на рис. 5.16.
Б этой схеме подложка обычно соединяется с истоком. Режим работы транзистора по постоянному току определяется так же, как и режим работы биполярного транзистора: на поле выходных характеристик строится нагрузочная линия, а на затвор подается постоянное напряжение такой величины, чтобы исходная рабочая точка располагалась примерно на середине участка выходных характеристик, соответствующего режиму насыщения. При подаче на затвор переменного напряжения с амплитудой Uвх.m ток стока изменяется с амплитудой Icm создавая на резисторе Rн падение напряжения с амплитудой Uвых.m = -Icm *Rн, которое находится в противофазе с током, что учитывается знаком «минус». Коэффициент усиления напряжения
(5.47)
То есть этот коэффициент зависит от сопротивления нагрузки и крутизны.
Для выяснения частотной зависимости КU необходимо рассмотреть эквивалентную схему полевого транзистора (рис. 5.17), которая определяется его структурой. В нее входят междуэлектродные емкости, распределенное сопротивление канала и генератор тока S*Uзи, вырабатывающий ток, зависящий от входного напряжения Uзи. Распределенное сопротивление канала состоит из двух частей: сопротивления неперекрытой части канала Rк (оно сравнительно невелико) и сопротивления перекрытой части канала Ri (оно сравнительно велико). Строго говоря, эти два сопротивления включены последовательно между истоком и стоком, однако учитывая, что Ri во много раз больше Rк, для упрощения анализа целесообразно Ri соединить непосредственно с истоком.
К междуэлектродным емкостям относятся:
□ емкости Сзи между затвором и истоком и Сзп между затвором и подложкой, определяющие реактивную составляющую входного тока, сумма этих емкостей составляет входную емкость транзистора Свх = Сзи + Сзп;
□ емкость между затвором и каналом Сзк, образующая совместно с сопротивлением Rк неперекрытой части канала RС-цепочку, снижающую крутизну, то есть эффективность управления на высоких частотах;
□ емкость между затвором и стоком Сзс, создающая цепь обратной связи выходной цепи с входной;
□ емкость между стоком и подложкой Ссп, обусловливающая реактивную составляющую выходного тока.
Влияние емкости Сзк. Эта емкость вместе с сопротивлением канала Rк образует частотно-зависимый делитель напряжения, Напряжение 
определяет эффект управления:
(5.48)
Здесь 
Подставив значение 
в (5.48), получим
Здесь 
(5.49)
Поскольку с ростом частоты уменьшается напряжение , управляющее током через канал, то соответственно уменьшается крутизна, которая равна
(5.50)
Здесь 
значение крутизны при ώ = 0.
Модуль крутизны равен:
(5.51)
При ώ=ώs крутизна 
,
поэтому частоту ώs называют предельной частотой крутизны. Частота ώs определяется постоянной времени 
, которая называется постоянной времени крутизны.
Емкость Сзк определяется площадью затвора и толщиной подзатворного диэлектрика:
Сопротивление Rк определяется из уравнения (5.46):
Величина b определяется уравнением (5.42). Следовательно,
Предельная частота крутизны равна
(5.52)
Из соотношения (5.52) следует, что предельная частота fs тем выше, чем меньше длина канала, больше подвижность электронов в канале и выше напряжение затвора. Эта частота достаточно высокая. При Lк = 1 мкм, μns - 500 см2/В*с и uзи – uпор = 4 В величина fs ≈ 30 ГГц.
Влияние емкостей Сзи, Сзп и Ссп. На рис. 5.17 показано, что между истоком и стоком включен резистор нагрузки Rн, параллельно которому включены выходная емкость предыдущего каскада Ссп и входная емкость последующего Свх = Сзи + Сзп, Эти три емкости можно объединить в одну, обозначив ее через Сн = Ссп + Сзи + Сзп.
Емкость Сн шунтирует резистор нагрузки Rн, вследствие чего сопротивление нагрузки оказывается комплексным. Модуль этого сопротивления равен
В этом случае коэффициент усиления равен
(5.53)
Здесь 
На частоте ώв модуль коэффициента усиления уменьшается в 
раз. Чем меньше сопротивление Rн, тем выше частота ώв, но одновременно уменьшается коэффициент усиления Ко на низких частотах, на которых можно пренебречь влиянием емкости Сн. Модуль этого коэффициента равен
(5.54)
Подставим в (5.54) значение Rн, полученное из (5.53), тогда
(5.55)
Влияние Сн на усилительные и частотные свойства принято оценивать путем введения граничной частоты fгр. Если в формуле (5.55) принять 
и 
, то
(5.56)
Из (5.56) следует, что для улучшения частотных и усилительных свойств полевого транзистора необходимо увеличивать крутизну S и уменьшать емкость Сн = Ссп + Сзи + Сзп.Практически частота fгр значительно меньше частоты fs. Поэтому с частотной зависимостью крутизны обычно не считаются.
Вредное влияние емкости Сн на частотные свойства проявляется не только в полевых транзисторах, но и биполярных, однако в биполярных транзисторах это влияние обычно не учитывают ввиду того, что крутизна биполярных транзисторов существенно выше крутизны полевых. Поэтому граничная частота fгр оказывается много больше частоты 
, определяемой инерционностью процессов в базе биполярного транзистора. Сравним значения крутизны биполярных и полевых транзисторов.
У биполярного транзистора 
. Следовательно,
(5.57)
У полевого транзистора 
. Следовательно,
(5.58)
Полагая, что iк = ic определим отношение
(5.59)
Величина uт ≈ 0,026 В, а величина uзи – uпор ≈ (1...4) В. Следовательно, крутизна биполярного транзистора многократно превышает крутизну полевого.
Влияние емкости Сзс. Из эквивалентной схемы следует, что к емкости Сзс приложена сумма двух напряжений: входного и выходного. Причем выходное напряжение 
. Входной ток транзистора разветвляется на две ветви: часть тока течет через входную емкость Свх = Сзи + Сзп, часть через емкость Сзс. С учетом того, что к емкости Сзс приложена сумма входного и выходного напряжений, входной ток будет равен
(5.60)
Здесь 
Из полученного уравнения следует, что наличие проходной емкости Сзс увеличивает входную емкость транзистора, что ведет к снижению граничной частоты fгр поскольку емкость Сн, входящая в формулу (5.56), включает в себя входную емкость транзистора, шунтирующую резистор нагрузки Rн.