【doc】傳聲器專用場效應(yīng)管的阻抗變換作用

1、傳聲器專用場效應(yīng)管的阻抗變換作用揚聲器與傳聲器凹圈囿080,囿響徹60,晌響文章編號:100286842005)06-0028-i4傳聲器專用場效應(yīng)管的阻抗變換作用張鴻升(新鄉(xiāng)市半導(dǎo)體廠,河南新鄉(xiāng)457001)?技術(shù)探討?【摘要】分析了三洋電子公司生產(chǎn)的2sk一596型駐極體傳聲器專用場效應(yīng)管的特性,敘述了它在駐極體傳聲器中起的阻抗變換作用.介紹了三洋電子公司和臺灣友旺公司產(chǎn)品的電參數(shù)和生產(chǎn)工藝,并澄清了以往一些模糊認(rèn)識.【關(guān)鍵詞】駐極體;極頭;fet阻抗變換;正向箝位;溝道電阻【中圖分類號ltb52【文獻標(biāo)識碼lb1引言20世紀(jì)80年代,三洋電子把改型后的2sk596型駐極體傳聲器專用場效應(yīng)

2、管推向中國市場,在國內(nèi)引起模仿這種產(chǎn)品的熱潮.從芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計到具體生產(chǎn)工藝,以及包封后的外形,甚至連打印的字體都要求和2sk596模仿得一模一樣.并且把該產(chǎn)品當(dāng)作一種標(biāo)準(zhǔn)對待.可是仿造者對其外加的電阻器的作用和基本原理并不感興趣,只是盲目,機械地模仿它.在2sk596的使用說明書中,又十分顯著地標(biāo)示出它的輸入阻抗r.m的典型值為25mq.模仿者不過問它是否符合應(yīng)用電路的基本原理和實際測得的數(shù)值,反而誤認(rèn)為外加這個電阻器就是專門為了降低它的輸入阻抗而設(shè)計的新型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品.由此造成了模仿生產(chǎn)和應(yīng)用過程中的一些混亂現(xiàn)象.甚至造成人力物力的巨大浪費,直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的提高.在這種情況下,對三洋電

3、子和臺灣友旺公司生產(chǎn)的2種不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的電參數(shù)進行全面測試,解剖測繪其結(jié)構(gòu)尺寸,并對它們進行單項模擬試驗.最終得出同原來截然不同的結(jié)論.2傳聲器專用場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的改動駐極體電容傳聲器(話筒)專用結(jié)型場效應(yīng)晶體管(以下簡稱為專用管)是為這類傳聲器而設(shè)計的一種簡單的組合器件.在生產(chǎn)專用管,包括仿造2sk596時,應(yīng)該對其結(jié)構(gòu)和原理以及主要電參數(shù)有全面深入的了解.專用管是在原有結(jié)型場效應(yīng)晶體管(fet)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新產(chǎn)品.早期的專用管只是在fet的柵源之間外加一個抗阻塞作用的正向箝位二極管d1.因此專用管的主要電參數(shù)與普通fet的電參數(shù)截然不同,因為fet要求測試它的飽和漏電流,并且圇田

4、皇!苧查由確定放大器的工作點.而專用管是要求測試它的工作電流,ds,并要求,ds所決定的溝道電阻陋同實際應(yīng)用電路中的負(fù)載電阻進行匹配.在測試專用管的,ds時,出現(xiàn)了從未見過的”反常”現(xiàn)象,這種反?，F(xiàn)象同專用管的電參數(shù)測試用的電路有直接關(guān)系,把普通fet放在此電路中,也發(fā)現(xiàn)同測試專用管的有同樣的現(xiàn)象.生產(chǎn)專用管除了必須外加一只正向箝位二極管d1之外,生產(chǎn)工藝仍采用原來生產(chǎn)fet的舊工藝.在工藝設(shè)計上,只考慮如何提高它的源極到漏極間的擊穿電壓(bv璐),所以選用了電阻率比較高的p型襯底材料.由此生產(chǎn)出來的管子,在漏極處將會產(chǎn)生更多的少數(shù)載流子(空穴),由于受其漏極到柵極所加的反向偏壓作用,被注入到

5、柵極處.所以在柵極處集聚了更多的空穴,因而使柵極電位升高.當(dāng)柵極電位升高后,相對源極而言,構(gòu)成了正柵壓,即v>0v.專用管中的fet是屬于n溝耗盡型管,不僅具有負(fù)柵壓被夾斷的性質(zhì),而且還存在有柵壓被開啟的特性.每當(dāng)存在一定的正柵壓之后,它的工作電流肯定會大于它零柵壓(vgs=ov)時的飽和漏電流,即,喳>.在通常狀態(tài)下,任何品種的fet都是如此.通過某種型號fet已設(shè)計出的wondon軟件,估算出每產(chǎn)生2.24v的正柵壓,方能使得它的,d6大于將近la左右.反過來,如果能測出2個電流之差,同樣也可估算出構(gòu)成的正柵壓的數(shù)值.這也是專用管固有的一個特性.假若在專用管的生產(chǎn)工藝中存在一些

6、不合理的情況,如頂柵硼擴散濃度達(dá)不到p區(qū)的實際要求,必然會造成漏到柵極之間的反向截止漏電流增大,尤其是對于這種漏泄電流,在沒有采取一定的補償辦法或者是欠補償時,也能使柵極電位逐漸升高,因此柵,源電壓隨之往正柵壓轉(zhuǎn)變.特別是在外界環(huán)境溫度變化的作用下,以及自然存放時間加長,使得柵,源正柵壓升高到一定程度之后,這時的要比通常注入空穴所形成的正柵壓還高,所以這種滯后變大更為嚴(yán)重,不僅改變了原來的工作點,還會使其它一些主要電參數(shù)也跟著改變.如專用管的等效輸出電壓增益g等效輸出噪聲電壓等都會隨之變化,超出規(guī)范值,甚至變成失效產(chǎn)品.對于普通fet來講,由于根本不需測它的,ds,只要測就行,也就不存在關(guān)注,

7、ds的滯后變化問題了.而對專用管的工作電流滯后變化就顯得特別重要了.專用管主要參數(shù)(,g,v)測試是在特種專用電路中進行,同測試的原理完全不一樣.由于測試電路的輸入回路中外加有15pf的輸入電容c,這時專用管的柵極相當(dāng)于直流開路狀態(tài),好似柵極被懸空一樣,再加上專用管的輸入阻抗i通常都在10q以上,因此在測試電路中的輸入回路的電荷時間常數(shù)=c,數(shù)值比較大,因為在生產(chǎn)專用管時,要求其頂柵為p區(qū),其硼擴散的表面濃度比較高,另外也是為了能防止漏泄電流偏大,而影響到的滯后變化.這樣一來,頂柵區(qū)形成更多的空穴,并且同n型溝道中的現(xiàn)有電子數(shù)量之間產(chǎn)生一定的不平衡狀態(tài).而這種不平衡又必須通過輸入回路充放電進行

8、復(fù)合,才能達(dá)到最終平衡.在此充放電過程中,柵極電位也隨著發(fā)生變化,所以輸出端的電流也會改變.這個變化過程完全由值的大小決定.實際上在測時必須要經(jīng)過時間之后才能穩(wěn)定在固定值上.對于發(fā)生的這種現(xiàn)象有的把它叫做”不穩(wěn)定”,也有些人稱為”漂移”,還有的說”爬坡”等等.總之對于專用管,只有在這種專用測試電路中,才會表現(xiàn)出這種特殊現(xiàn)象.尤其在大批量生產(chǎn)專用管和生產(chǎn)傳聲器時,要求測試的速度特別快,往往產(chǎn)生測試誤差大的串檔以及誤判等問題,嚴(yán)重影響測試效率.為了能解決測專用管,ds反應(yīng)速度慢的問題,曾經(jīng)改變過工藝,即調(diào)整頂柵硼擴散表面濃度,基本上也能使頂柵中的空穴數(shù)量同n型溝道中的電子數(shù)量達(dá)到平衡.雖然能使測試

9、的速度提高,但是又會使得和之差變得更大.相反,當(dāng)把頂柵表面濃度再提高一些,也能把原來已形成的正柵壓,降低到接近零柵壓(vcs=o)使得一了,可是再測其時,就變得更“不穩(wěn)定”,測時的速度更慢了.上述這兩種矛盾很難通過生產(chǎn)工藝統(tǒng)一解決.所以三洋電子公司在不改凹固囿囿響固嗍6響響揚聲囂與傳聲囂變原有生產(chǎn)工藝的條件下,采取在其柵源極間又外加一個電阻器的辦法,既能讓測試速度變快,又能使,達(dá)到兩者兼顧的目的.實際上此法純屬于外電路解決方案,只不過是把外電路應(yīng)加的電阻器直接放入專用管的芯片內(nèi)部,這就是2sk596的一大特點.在解決這種問題時,還有另外一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計.雖然跟外加電阻器的結(jié)構(gòu)原理和生產(chǎn)工藝完全

10、不同,但是能起到與加電阻器完全相同的作用.它的生產(chǎn)工藝非常簡單,也能同生產(chǎn)fet的工藝兼容,由此認(rèn)定這種新結(jié)構(gòu)要比三洋電子加電阻器方案更為先進,但畢竟還沒脫離開日本式的這類簡單組合件構(gòu)形式,同歐美全集成電路形式相比,仍然存在選用和應(yīng)用時的不穩(wěn)定等問題.3傳聲器專用場效應(yīng)管的輸入阻抗在三洋電子公司經(jīng)過改型后的2sk596產(chǎn)品介紹說明書中,明顯標(biāo)示出它的輸入阻抗典型值為25mq(2.5x10q).可是實際測得的直流阻抗值為10q以上,這個數(shù)值要比原來國產(chǎn)管的輸入阻抗(10q左右)降低了將近1個數(shù)量級,綜合上述2種情況,在仿造2sk596過程中,才造成對專用管的輸入阻抗的一些錯誤理解和認(rèn)識.有些人主

11、觀認(rèn)定2sk596就是為了降低輸入阻抗而設(shè)計出的新產(chǎn)品,而實際上,應(yīng)用于傳聲器中的專用管,主要是起阻抗變換作用.其中就是利用它的高輸入阻抗特性,并且同傳聲器中的極頭(相當(dāng)10pf左右的電容器)的容抗進行匹配.既然如此為什么偏偏要特意去降低它呢?通過對2sk596電參數(shù)測試并解剖測繪其結(jié)構(gòu)尺寸,全面分析之后,證實了2sk596的輸入阻抗應(yīng)該是外加電阻器的另外一種副產(chǎn)物.通過大批量生產(chǎn)專用管才能發(fā)現(xiàn)它的輸入阻抗不僅由它的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定,而且還同采用的生產(chǎn)工藝密切相關(guān),由于結(jié)型fet的輸入阻抗相當(dāng)高,專用管的芯片面積又比較小,因此漏到柵間的pn結(jié)反向截止漏電流也非常小,數(shù)量級在na以下.在專用管的結(jié)構(gòu)

12、設(shè)計改動之后,如外加電阻器,就會改變原來的輸入阻抗,三洋電子又是采用特定的生產(chǎn)工藝,因此把輸入阻抗鎖定在固定范圍內(nèi).通常專用管在沒加電阻前的輸入阻抗應(yīng)該為10q左右,而實際測2sk596的輸入阻抗的確為109q左右,因此不能把此值簡單理解為外加電阻器的阻值,也就是實測的輸入阻抗并不等于外加電阻器的阻值,即r.專用管是一個有源器件,當(dāng)把它的輸入端簡化成電阻結(jié)構(gòu)形式,這時再計算它的輸入阻抗,已經(jīng)不再是!苧查墨冒圈揚聲囂與傳聲囂凹囿0s囿響徹6響響原來那種幾個電阻間并聯(lián)后所決定的數(shù)值結(jié)果.加電阻器之后,除了前面講述的能降低r和柵極電位下拉至源極同電位之外,還存在另外一種”搭橋”作用,只有認(rèn)識到這些,

13、才能正確理解輸入阻抗是怎樣改變過來的.在研究分析2sk596加電阻結(jié)構(gòu)之后,又發(fā)現(xiàn)了臺灣發(fā)旺公司新設(shè)計的專用管,是在其柵,源極間外加2個串接的”整流接觸孔”對這2種完全不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析比較,方可發(fā)現(xiàn)它們起的作用完全一樣.又能證實這2種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計就是通過”搭橋”作用而改變了原來的輸入阻抗.所謂的”搭橋”作用就是把整個芯片最外圍的最大pn結(jié)的反向截止漏電流重新引入到專用管的柵,源之間來.如果把這個漏電流換算成電阻時,就是實際測出的直流輸入阻抗,在低頻應(yīng)用的專用管,就是它的輸入阻抗.專用管內(nèi)部的fet的pn結(jié)面積和二極管d1的面積都比整個芯片pn結(jié)面積小很多.實測的fet和d1的反向截止漏電

14、流都在104na以下,而整個芯片的反向截止漏電流是10na以下,當(dāng)把它們都換算成電阻形式,前者為10q,而后者為1(y9q.這時再計算它的輸入端的阻抗,也就一目了然了,這也是”搭橋”作用的結(jié)果.另外,從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)這種”搭橋”是在特定條件下才起作用,如外加電阻器或是加”兩孔”其阻值必須小于輸入阻抗12個數(shù)量級才行.因此三洋電子產(chǎn)品說明中標(biāo)示的25mq并不是它的輸入阻抗,而是外加電阻器的阻值才對.在生產(chǎn)專用管的長期實踐中,又發(fā)現(xiàn)采用的生產(chǎn)工藝不同,也能給芯片最外圍pn結(jié)的漏電流帶來不同的影響.由于這個漏電流不僅由它的pn結(jié)面積決定,并成正比關(guān)系,還與pn結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度大小及構(gòu)成的濃度梯度有關(guān)

15、.pn結(jié)的深度也直接影響到pn結(jié)有效面積.特別是在處延擴散工藝,注入n阱擴散工藝,全注入工藝所生產(chǎn)出來的管子的輸入阻抗,也存在著差異.像注入劑量大小,對n阱驅(qū)入的溫度和時間等工藝條件不同,也能使輸入阻抗不同,”搭橋”部位下的電阻接觸好壞都影響輸入阻抗值,每當(dāng)這些條件有所改變時輸入阻抗也就隨著變化,但還是能夠控制的,相比之下,注入n阱擴散法生產(chǎn)出管子的輸入阻抗,通常要高于全注入法生產(chǎn)的管子的輸入阻抗.在測試專用管的電參數(shù)時,其測試電路的輸入回路中有一只15pf的輸入電容c.,通過容抗計算公式z=l/(2rrfc),計算出它的容抗之后,也能證實專用管的輸入阻抗在10810q的范圍內(nèi),能夠確保產(chǎn)品標(biāo)

16、準(zhǔn)圈匝!苧2qq墨中規(guī)定的頻響特性ag符合具體要求,只有當(dāng)專用管的輸入阻抗降低至l0q時,尤其在低頻(70hz)條件下,輸入的信號電壓分配在輸入電容c和輸入阻抗上的比例會產(chǎn)生失調(diào),從而影響到輸出,使輸出電壓變低并且同高頻(1khz)時輸出電壓間之差ag將會大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的i-dbi,被判定為低頻跌落.從專用管的頻響特性的規(guī)定看,三洋電子標(biāo)示的25mq也是不對的.通過上述對專用管的輸入阻抗的全面分析之后,說明了在生產(chǎn)及應(yīng)用它時,沒有必要去降低它的輸入阻抗,輸入阻抗高的管子它的輸入電壓增益相比之下也會提高一些,輸入阻抗高并不是壞事,而三洋電子全注入工藝管的輸出電壓增益偏低了.4傳聲器專用場效應(yīng)管的輸

17、出阻抗專用管的主要阻抗變換作用,除了它的輸入端要進行匹配之外,它的輸出端的匹配更為重要.因為在早已設(shè)計好的固定工作點之后,為了讓不同結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝條件下生產(chǎn)出來的具有不同輸出阻抗的管子,同應(yīng)用電路的負(fù)載電阻.達(dá)到較好匹配,因此傳聲器選用專用管過程,也就變得復(fù)雜化了,尤其在生產(chǎn)傳聲器時,改用另外一種型號管子,會帶來一定的難度.特別是在具體應(yīng)用中很難取得最佳的使用效果.在專用管的主要電參數(shù)中,雖然已列出它的輸出阻抗r瞻,但一般不具備測這個電參數(shù)的條件.在生產(chǎn)及應(yīng)用時,往往被人們忽視.在現(xiàn)有的條件下,只能測出相應(yīng)的直流參數(shù),其實可通過測試專用管的源和漏極間的溝道電阻曬來代替r璐.早期生產(chǎn)專用管時

18、,只能關(guān)注它的工作電流的大小和使用范圍;對工作電流進行細(xì)分檔(a,b,c,d);后來也有的對專用管的跨導(dǎo)()值要求相對集中,以便于提高生產(chǎn)傳聲器時靈敏度的一致性.可是專用管的工作電流和跨導(dǎo),又都是以結(jié)構(gòu)設(shè)計來決定,既便對同型號產(chǎn)品,這2個參數(shù)也是互相矛盾的.如電流小跨導(dǎo)值也低,不可能要求電流小還能保證它的跨導(dǎo)大.當(dāng)生產(chǎn)高靈敏傳聲器時,只能選擇高跨導(dǎo)的管子.隨著生產(chǎn)專用管的經(jīng)驗積累,已經(jīng)認(rèn)識到它的輸出阻抗必須同實際應(yīng)用電路的負(fù)載電阻尺匹配,但具體應(yīng)用于傳聲器時,仍然還存在使用效果欠佳的問題.由此才引發(fā)傳聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的亂改動現(xiàn)象.如在傳聲器的內(nèi)部放置10-30pf的微型片式電容,構(gòu)成一種所謂的模

19、塊.現(xiàn)在不管這種做法是否符合電聲基本原理,還是不能解決傳聲器的穩(wěn)定性問題.由于國內(nèi)外各種不同型號的專用管的結(jié)構(gòu)設(shè)計不同,表現(xiàn)在頂柵條的寬長比w/l各不相同,其跨導(dǎo)(放大倍數(shù))不同.另外,不同公司生產(chǎn)工藝也不一樣,這樣生產(chǎn)的專用管的輸出阻抗,肯定有差異,最近發(fā)現(xiàn)有的廠家在生產(chǎn)傳聲器時,對專用管的輸出阻抗值也提出了不同的要求.目前對專用管的溝道電阻有了具體要求.在生產(chǎn)和應(yīng)用傳聲器中,隨著對專用管的認(rèn)識的不斷提高,生產(chǎn)專用管的廠家和生產(chǎn)以及應(yīng)用傳聲器的廠家三者應(yīng)該很好結(jié)合起來,不能只強調(diào)單一方面如何改進提高.在國內(nèi),長期以來駐極體傳聲器生產(chǎn)中一直采用13本式的這種簡單結(jié)構(gòu)形式的專用管,因此才給選擇專

20、用管以及應(yīng)用帶來那么多麻煩,又很難達(dá)到較好的使用效果,假若改為像歐美生產(chǎn)的集成電路形式的如max981o,無需去考慮輸出阻抗匹配的問題,使用起來簡捷,方便,其穩(wěn)定性,可靠性也大幅度提高.凹囿呔0,囿響60,響響揚聲囂與傳聲囂5結(jié)束語通過對13本三洋電子公司的加電阻器和臺灣友旺公司的加”兩孔”的2種完全不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以及各自的生產(chǎn)工藝比較分析,對于專用管的輸入阻抗和輸出阻抗有了更加深層的認(rèn)識.三洋電子改型后的2sk596中的jl-;n電阻主要是為了解決測試,ds速度的問題,附帶有使,ds,再就是它的”搭橋”作用,從而改變了輸入阻抗.另外在2sk596產(chǎn)品介紹中標(biāo)出它的跨導(dǎo)值為l2o0s,比原來

21、的2sk156的跨導(dǎo)(1800s)降低后更能適應(yīng)于生產(chǎn)普通(9.3)的傳聲器需要.2sk596在加電阻器之后的確使輸入阻抗由原來的約1on降低到1o9n左右,降了近一個數(shù)量級,因而也會使輸出電壓增益相應(yīng)變小些.也可認(rèn)定是在這種結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝所形成的一種”負(fù)”作用.目前,在生產(chǎn)傳聲器時,無需過多考慮它的輸入阻抗,只需嚴(yán)格要求專用管的輸出阻抗值即可.【收稿日期12005-o4-13(上接第27頁)表3歌舞廳混響時間頻率特性的計算率特性,只能用于粗略的估算;只有對倍頻程各中心頻率混響時間進行計算,才能設(shè)計出理想的混響時頊甚啜聲材料125辱o0d率性.艾潤公式.是室聲場理想擴散要密巒880.05a130.210.730.660.53只是倍頻程各中心頻率混響時間的平均值,為了準(zhǔn)口出的雙層未打褶88.a.0.足侑翟臺l,畢觀