Дифференциальный каскад на полевых транзисторах и подбор пар

Радиолюбитель собирает на макетной плате классический дифференциальный каскад на двух полевых транзисторах одного типа из одной и той же пачки, выпаянных подряд из ленты. Включает питание, измеряет напряжения на стоках и обнаруживает разницу в полтора-два вольта вместо ожидаемого нуля. Один транзистор почти открыт, второй едва приоткрыт, никакой симметрии и в помине нет. Хозяин винит схему, китайских поставщиков и собственные руки, но настоящая причина в физике полевых приборов и в том, как они производятся. Без подбора пары такой каскад работать симметрично не будет никогда.

Полевой транзистор по своей природе обладает большим разбросом параметров от экземпляра к экземпляру

Биполярный транзистор имеет коэффициент передачи тока h21э, который у разных экземпляров одного типа отличается в два-три раза, и это обычно компенсируется обратной связью в схеме. У полевого транзистора с управляющим p-n переходом, более известного как JFET, ключевыми параметрами являются напряжение отсечки и начальный ток стока. Напряжение отсечки это то напряжение на затворе относительно истока, при котором канал полностью перекрывается и ток стока падает до нуля. Начальный ток стока это ток при нулевом напряжении на затворе, когда канал открыт максимально.

Беда в том, что эти два параметра определяются геометрией кремниевого канала, который формируется на пластине методом диффузии или ионной имплантации. Толщина канала задаёт оба параметра одновременно, и небольшие отклонения в технологическом процессе дают огромный разброс в готовых приборах. Для распространённого 2N5457 паспортное напряжение отсечки лежит в диапазоне от полувольта до шести вольт, начальный ток стока от одного до пяти миллиампер. Это разброс в десять и более раз по обоим параметрам, причём в одной и той же пачке транзисторов от одного производителя. Производитель этого не скрывает, в даташите эти цифры открыто указаны.

Сравнение с биполярным каскадом показывает откуда берётся проблема симметрии плеч

В биполярном дифференциальном каскаде два транзистора одного типа, даже с разбросом beta в два раза, дают на выходе разностное напряжение в десятки милливольт, потому что напряжения база-эмиттер у них почти одинаковые при одинаковом токе коллектора. Эта малая величина легко компенсируется в следующем каскаде или подстраивается одним резистором. В полевом каскаде разница напряжений затвор-исток между двумя случайно выбранными транзисторами легко достигает одного-двух вольт, и эта разница напрямую складывается с напряжением сигнала. Усилитель просто сваливается в насыщение по одному из плеч.

Природа этого явления связана с тем, что биполярный прибор управляется через переход база-эмиттер, на котором падает примерно семьсот милливольт у любого кремниевого экземпляра, и от него отклонения малы. Полевой прибор управляется через изолированный затвор, и напряжение управления зависит от геометрии канала линейно или даже квадратично. Малое технологическое отклонение в физических размерах превращается в большое отклонение электрических параметров.

Подбор пар вручную начинается с простого стенда и требует терпения

Чтобы собрать рабочий дифференциальный каскад на отдельных полевых транзисторах, нужна процедура отбора. Обычно делают так. Из коробки с двумя-тремя десятками транзисторов одного типа собирают простую схему измерения. Транзистор включается с резистором в цепи истока на одно сопротивление около десяти килоом, на затвор подаётся ноль, питание плюс пятнадцать вольт. Измеряется напряжение между затвором и истоком в этом установившемся режиме. Записывается номер каждого транзистора и его измеренное напряжение.

После проверки всей пачки транзисторы сортируются по близости параметров. Идеальная пара имеет разницу напряжений затвор-исток не более десяти-двадцати милливольт. Хорошая пара даёт разницу до пятидесяти милливольт. Терпимая пара пятьдесят-сто милливольт. Если разница больше двухсот милливольт, использовать такую пару в дифференциальном каскаде бессмысленно. Из тридцати наугад взятых транзисторов обычно удаётся подобрать одну-две хорошие пары, реже три. Остальные идут в индивидуальное применение, где симметрия не требуется.

Тепловая связь между двумя транзисторами критически важна для сохранения подобранной симметрии

Подобрать пару при комнатной температуре это половина дела. Полевой транзистор имеет температурный коэффициент напряжения затвор-исток, и если два прибора пары греются по-разному, их параметры расходятся. Решение известно с шестидесятых годов. Два транзистора монтируются механически вплотную друг к другу, корпус к корпусу, иногда стягиваются хомутом или термоусадочной трубкой, дополнительно мажутся теплопроводной пастой. Один транзистор передаёт тепло другому, и они греются синхронно, сохраняя относительное равенство параметров.

Идеальный вариант это монолитная сборка двух транзисторов на одном кристалле кремния. Такие сборки выпускаются специально для дифференциальных каскадов под названием dual JFET, например LSK489, JFE2140, IF389. Внутри одного корпуса два прибора, изготовленные одной операцией на одной пластине в нескольких микронах друг от друга. Их параметры близки естественным образом, без всякого подбора, и температура у них всегда одинаковая. Цена такой сборки в десять-двадцать раз выше цены одиночного транзистора, но для прецизионной аппаратуры она оправдана.

Контрольные требования к дифференциальному каскаду на полевых транзисторах:

1. Подбор пары по напряжению затвор-исток с разницей не более пятидесяти милливольт при рабочем токе;
2. Тепловая связь между корпусами двух транзисторов через прижим или термопасту;
3. Симметричная разводка плат с одинаковой длиной токонесущих дорожек к каждому плечу;
4. Применение источника тока в общем истоковом проводе вместо обычного резистора;
5. Подбор пары стоковых резисторов с допуском не более одного процента;
6. Защита затворов от статического электричества и от пробоя превышением допустимого напряжения;
7. Контроль смещения нуля на выходе после сборки и при необходимости подстройка триммером;
8. Проверка стабильности нуля при прогреве каскада в течение получаса;
9. Измерение коэффициента подавления синфазного сигнала как объективного показателя качества симметрии;
10. Контроль уровня шума с учётом того что тепловой шум источника тока тоже попадает на оба плеча.

Источник тока в общем истоковом проводе радикально улучшает поведение каскада

Простейшая реализация дифференциального каскада на полевых транзисторах использует обычный резистор между общей точкой истоков и отрицательной шиной питания. Такой резистор задаёт суммарный ток через каскад, но имеет конечное сопротивление по переменному току, и это сопротивление ограничивает коэффициент подавления синфазного сигнала. Любое одинаковое изменение напряжения на обоих входах вызывает изменение тока через резистор, и часть этого изменения проходит на выход.

Замена резистора на источник стабильного тока на третьем полевом транзисторе или на биполярном с эмиттерной стабилизацией решает проблему. Источник тока имеет очень высокое дифференциальное сопротивление, в сотни и тысячи раз больше обычного резистора, и подавление синфазного сигнала возрастает на порядки. Дополнительный плюс состоит в том, что суммарный ток через каскад теперь не зависит от температуры и от разброса источников питания, что улучшает стабильность смещения нуля. Третий транзистор источника тока обычно не требует подбора с дифференциальной парой, потому что он работает в другом режиме и его дрейф не складывается напрямую с дрейфом основной пары.

Что делать если идеальной пары подобрать не удалось а схема нужна срочно

Реальная радиолюбительская практика часто требует компромиссов. Если из имеющихся транзисторов лучшая подобранная пара даёт разницу напряжений сто пятьдесят милливольт, и купить монолитную сборку негде, есть несколько приёмов. В цепь истока каждого транзистора ставится свой собственный резистор небольшого сопротивления, обычно сто-триста ом. Это создаёт локальную обратную связь по постоянному току в каждом плече, которая компенсирует часть разбаланса. Платой становится снижение коэффициента усиления каскада, но смещение нуля сокращается в несколько раз.

Более радикальное решение это подстроечный резистор между истоками двух транзисторов. Он позволяет вручную выровнять напряжения на стоках вращением движка. Минус такого подхода в том, что подстройка справедлива только при той температуре, при которой она была сделана. При нагреве или охлаждении схемы баланс снова уходит, и подстроечник приходится подкручивать. Для лабораторного прибора это терпимо, для серийного устройства неприемлемо.

Третий путь это автоматическая сервисная коррекция нуля через дополнительную обратную связь. На выходе каскада интегрирующая цепочка отслеживает медленный дрейф постоянной составляющей и через отдельный вход подаёт компенсирующий сигнал на один из затворов основной пары. Такая схема называется DC servo и применяется в современной звуковой технике с дифференциальными каскадами на отдельных транзисторах. Она позволяет получить смещение нуля порядка единиц милливольт даже на плохо подобранной паре.

Полевые приборы с изолированным затвором ведут себя ещё хуже по разбросу параметров

Всё сказанное выше относилось к JFET с управляющим p-n переходом. У МОП-транзисторов с изолированным затвором, известных как MOSFET, разброс пороговых напряжений ещё больше. Для распространённого силового MOSFET порог может лежать в диапазоне от двух до четырёх вольт, и попытка использовать такие приборы в прецизионном дифференциальном каскаде приводит к катастрофическому дисбалансу. Поэтому для аналоговых дифференциальных каскадов на дискретных компонентах MOSFET почти не применяют. Их вотчина это цифровые ключи и силовая электроника, где работа в режиме полного открытия или полного закрытия не требует точности порога.

Внутри интегральных схем ситуация иная. Современные операционные усилители часто имеют входной каскад на МОП-транзисторах, причём пары на одном кристалле получаются с разбросом порогов в единицы милливольт благодаря единой технологии формирования каналов. То, что невозможно собрать из дискретных компонентов, делается без проблем внутри одной микросхемы. Это одна из главных причин того, что в дискретной схемотехнике дифференциальные каскады на полевых транзисторах применяются всё реже, а в интегральном исполнении они стали стандартом.

Тот, кто однажды собрал работающий дифференциальный каскад на тщательно подобранной паре полевых транзисторов с тепловой связью между корпусами и с источником тока в общей цепи истоков, получает на выходе схему с потрясающим входным сопротивлением, низким уровнем шума и хорошей симметрией. Затраченные на подбор и настройку часы окупаются качеством, которое не дают никакие готовые операционные усилители общего назначения. Для радиолюбителя, работающего со слабыми сигналами от антенн или от датчиков, это знание остаётся практически ценным даже сегодня.