На выходе УМЗЧ мощные транзисторы структуры МОП (MOSFET) уже не диковинка, там их преимущества очевидны и они активно «завоёвывают» это место. В классической немецкой литературе по схемотехнике (см. 1; 2) приводятся неоспоримые, подтверждённые расчётами и измерениями факты преимущества маломощных полевых транзисторов с p-n переходом (JFET) над биполярными и во входных каскадах .

Прежде всего, и это главное, они гораздо более линейны!

При слабом возбуждении (обычное явление во входных каскадах) напряжение на входе, соответствующее коэффициенту нелинейных искажений на выходе 1% составит для полевого, включенного с общим стоком 100 мВ, для биполярного всего 1 мВ. При том, что это будут чётные  гармоники, возрастающие с увеличением напряжения линейно, а у биполярного присутствуют и чётные и нечётные. Нечётные гармоники, биполярного, пропорциональны квадрату входного напряжения, т.е. возрастают резко. Дифкаскады соответственно дадут 1% Кг при 17 мВ на входе (биполярный) и 1500 мВ (полевые). 

Разница по уровню искажений в обеих вариантах включения просто огромна – целых два порядка! (см. 1).

Однако многие радиолюбители избегают повторять конструкции усилителей или разрабатывать новые с полевыми маломощными транзисторами во входных каскадах. Сразу предвижу ряд аргументов против:

- они с большим разбросом параметров!;

- нет доступных для подбора комплементарных пар, подбирать не из чего!

- их вообще трудно подбирать, и для этого их надо очень много!

- выберешь из нескольких десятков две пары, а остальные куда девать?

- маломощные полевые транзисторы боятся статического заряда, легко пробиваются.

На последний аргумент ответить просто – на входе применяются полевые транзисторы с p-n переходом, (JFET) они не боятся статики, так как не имеют изолированного затвора. Если вдруг на нём возникнет открывающее напряжение, то структура откроется как обычный диод. Сопротивление цепи затвор-канал резко уменьшится и пропустит статический заряд без всякого повреждения.

По второму аргументу: существуют, и вполне доступны, ряд транзисторов, как с n-каналом, так и  p-канальных. В таблице 1 приведены три типа первой структуры, и два вида второй, с близкими значениями начального тока, пригодные для входных каскадов. Здесь разберёмся подробнее. Напряжение в рабочей точке для тока стока 1 - 1,5 мА составляет у них от 0,5 до 1,5 В, что позволяет работать без захода в область открытого канала при обычных входных напряжениях УМЗЧ, в том числе усилителей без общей ООС.

Это ещё одна характерная особенность полевых транзисторов с p-n переходом, в отличие от биполярных, которую необходимо учитывать. При напряжении затвор- исток равном нулю и токе, равном начальному, они, как и некоторые ламповые триоды, пентоды, вполне работоспособны и используются. Но только до тех пор, пока амплитуда входного напряжения не превысит примерно 0,2 В, в отрицательную сторону для p -канальных и положительную для n – канальных транзисторов, при котором переход приоткрывается в прямом направлении и резко снижается сопротивление затвора, что вызывает ограничение входного сигнала. Т.е. штатный режим работы полевых транзисторов с p-n переходом, как и у ламп – с запирающими напряжениями на затворе. Вот только у ламп нет комплементарных пар разной проводимости.

Из отечественных, p -канальных имеются в продаже КП103Л, парные КП103ЛР, микросборки из двух практически идентичных транзисторов К504НТ (в пластмассе -  КР504НТ), и всё. Из импортные доступны 2SJ103. Из множества отечественных, n – канальних, КП303Д выбраны не случайно. У них более близкие параметры крутизны и тока стока к указанным выше p –канальным. В комплементарные к указанным p -канальны не подходят КП307 (слишком большая крутизна) и КП302 (слишком большой начальный ток и крутизна). Большой ассортимент импортных n – канальних для подбора комплементарних пар ограничен теми, у которых более низкие значения крутизны.

Это ещё одна особенность полевых транзисторов с p-n переходом. Их необходимо подбирать в комплементарные пары  не только по одинаковому напряжению затвор-исток при определённом рабочем токе стока, но и по крутизне вблизи рабочей точки. Ещё лучше, если крутизна будет равна во всём диапазоне токов, и начальные токи стока также будут одинаковы. Это в идеале. В реалиях наши коллеги-разработчики обычно  советуют подбирать их только по начальному току стока с разбросом не хуже  +-20%  и всё, уповая на всесильную способность общей ООС уменьшать искажения. Этого мало, особенно для схем без ОООС. Вполне возможен более точный подбор. Что очень положительно скажется на работе любых вариантов УМЗЧ, как с общей ОООС, так и без неё. 

Будем считать, что подбор по одинаковой крутизне S и напряжению затвор исток в рабочей точке Uзи хороший, если он лучше 20% и отличный, если разница не превышает 10%.

Сравнение разных полевых транзисторов, выбранных с близкими изначально, по паспортным характеристикам параметрам, приведено в таблице 1. Здесь, и далее: Io – начальный ток стока при соединённых выводах затвора и истока, мА; Ic - ток стока, мА; Uзи – модуль напряжения смещения затвор-исток, V; S – крутизна характеристики, mA/V. В p –канальных полевых транзисторах напряжение смещения Uзи на истоке относительно затвора отрицательное, у n – канальних положительное. Для удобства в таблицах Uзи указано по модулю, без указания знака. 

Даже беглый взгляд на таблицу 1 ясно показывает, что при близком значении у всех начального тока стока, крутизна не сильно, но существенно различается. Она, в общем и целом выше, как и «положено», у n – канальних. Интересно, что  у 2SJ103GR №14 она неожиданно выше, чем у его «коллеги» с противоположной проводимостью 2SK246GR №1, причём разница не превышает всего 8,5%. Но на краю диапазона токов, при 0,5 мА разница в Uзи  у них уже достигает 22,4 %, что многовато. Ещё удивительнее, что ещё лучше «паруются»… импортные с отечественными!! Например, КП103ЛР №22 с 2SK246GR №1; 2SJ103GR №14 с КП303Д №60.

На рисунке 1 приведены примеры неудачных пар, подобранных только по начальному току стока или крутизне (график слева на рисунке), или по одинаковому напряжению и одинаковому току стока в рабочей точке (график справа).

В таблицах 5-11 приведены результаты измерения всех транзисторов, из которых подбирались пары. Их не так много понадобилось. Анализ этих данных показывает, что многие из оставшихся некомплементарных транзисторов образуют отличные дифференциальные пары. Которые также возможно использовать во входных каскадах УМЗЧ вместо биполярных транзисторов, и получить выигрыш по искажениям и шумам. 

Оставшиеся непарными пригодятся для построения генераторов тока (ГСТ). Здесь также у полевых преимущество - ГСТ получается проще и в виде двухполюсника. 

Рис 1.

В таблицах №2, 3, 4  приведены примеры подобранных отличных комплементарных пар, в том числе и «чисто импортных» - BF245А с 2SJ103GR. На сопровождающих их рисунках №2;3;4 близость параметров показана более наглядно.

Рис 2. 

Рис 3. 

Ниже приведена схема стенда для измерения полевых маломощных транзисторов с pn-перехордом. Подстроечные резисторы в истоке задают ток  транзистора, отражаемый в показаниях амперметра (Io и Ic). Вольтметр показывает напряжение смещения Uзи. Приборы должны быть достаточно точными. 

 Список литературы:

1. П. Шкритек, "Справочное руководство по звуковой схемотехнике", М, изд. "Мир", 1991 г, стр. 74-82, приложение А10.

2. У. Титце, К. Шенк, "Полупроводниковая схемотехника",   М, изд. "Мир", 1983 г, стр. 56-65.

Все вопросы по данной теме будем обсуждать на форуме: http://devicemusic.ucoz.ru/forum/16-106-1