Усилительные каскады на полевых транзисторах. Многокаскадные усилители. Усилители постоянного тока с непосредственными связями.

В самостоятельную группу среди резистивно-емкостных усилителей можно выделить усилители на полевых транзисторах. Основной их положительной особенностью является высокое входное и низкое выходное сопротивления, что позволяет использовать их в качестве согласующих каскадов при работе с источниками входных сигналов, имеющих большое внутреннее сопротивление. При работе в усилительном режиме используется область пологих выходных характеристик. В качестве примера на рисунке 9.1 представлены характеристики полевого транзистора с управляющим р-п-переходом и каналом n-типа.

Рисунок 9.1 – Выходные (a) и передаточная (б) характеристики полевого транзистора с р-п-переходом

В области I (крутая область) ток стока почти линейно зависит от напряжения сток-исток и транзистор может быть использован как сопротивление, регулируемое напряжением между затвором и истоком, Область пологих характеристик II напоминает выходные характеристики биполярного транзистора, однако при этом параметром семейства характеристик является не ток базы, а напряжение между затвором и истоком. Область III – запрещенный режим, связанный с возможным разрушением структуры транзистора.

В качестве примера рассмотрим схему каскада с общим истоком на полевом транзисторе р-п-переходом и каналом п-типа (аналог схемы с общим эмиттером), показанную на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 – Принципиальная схема каскада с общим истоком

Для обеспечения режима работы каскада в классе А начальное смещение затвора транзистора задается по цепи –затвор – . Истоковый резистор – аналог эмиттерного резистора. Стоковый резистор – аналог коллекторного. Изменение тока через этот резистор приводит к изменению напряжения на нем, во много раз большего изменения напряжения входного сигнала.

Многокаскадные усилители.

Реализация поставленной задачи по преобразованию входного информационного сигнала не всегда может быть решена с помощью одного усилительного каскада, поэтому практические усилители, как правило, состоят из нескольких каскадов. На рисунке 9.3 приведен пример структурной схемы трехкаскадного усилителя.

Рисунок 9.3 – Структурная схема трехкаскадного усилителя

Входной каскад обеспечивает согласование с выходным сопротивлением источника входного сигнала, далее обеспечивается необходимое усиление по напряжению и мощности. Местные и общие цепи обратной связи предназначены для корректировки параметров усилителя, предотвращения самовозбуждения, а также для стабилизации характеристик. Результирующие коэффициенты усиления или частотных искажений находят как произведение соответствующих коэффициентов отдельных каскадов.

Рассмотренные ранее каскады усиления, а также многокаскадные усилители различного назначения выполняются как на дискретных элементах, так и во многих случаях в виде интегральных линейных микросхем. Рассмотренные ранее усилители предназначены для работы с монотонными или амплитудно-модулированными синусоидальными информационными сигналами, информационными параметрами которых могут служить напряжение, частота или фаза.

Усилители постоянного тока с непосредственными связями.

К усилителям постоянного тока (УПТ) относятся устройства, у которых коэффициент усиления на нижних частотах вплоть до нулевой отметки остается таким же, как и на средних частотах (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4 – Частотная характеристика УПТ

В цепях УПТ прямого усиления нельзя применять элементы, сопротивление которых зависит от частоты, т.е. конденсаторы и трансформаторы, поэтому для соединения усилителя с источником сигнала и нагрузкой, а также для соединения каскадов между собой используют непосредственные (гальванические) связи.

Наиболее сложной задачей в УПТ является уменьшение нестабильности (дрейфа) выходного напряжения. В идеальном случае при отсутствии входного сигнала выходное напряжение должно быть неизменным и равным нулю. Однако изменения напряжений питания, колебания температуры и связанные с ними изменения параметров элементов схем, старение элементов и другие дестабилизирующие факторы вызывают медленные изменения токов и напряжений в усилителе. Через цепи непосредственной связи эти изменения, в свою очередь, передаются на выход усилителя, где приводят к изменениям выходного напряжения, которые неотличимы от изменений, вызываемых воздействием полезного сигнала на входе усилителя. Изменения выходного напряжения, обусловленные внутренними процессами в усилителе и не связанные с входным напряжением, называют дрейфом усилителя. Абсолютный дрейф нуля усилителя определяют как максимальное изменение выходного напряжения при короткозамкнутом входе за определенный промежуток времени. Приведенный к входу дрейф УПТ вычисляют делением абсолютного дрейфа на коэффициент усиления:

где – коэффициент усиления.

Приведенный к входу дрейф эквивалентен ложному сигналу на входе. Величина ограничивает минимально различимый полезный входной сигнал, т.е. определяет порог чувствительности усилителя. Одна из типичных схем УПТ с непосредственными связями приведена на рисунке 9.5.

Резисторы по назначению аналогичны соответствующим резисторам в схеме резистивно-емкостного усилителя, резистор совместно со стабилитроном образует базовый делитель напряжения для транзистора . Стабилитрон согласует выход транзистора со входом транзистора в режиме покоя, понижая начальное напряжение на коллекторе до приемлемого уровня на базе . Основным недостатком этой схемы и схем подобного типа является высокий дрейф выходного напряжения, который усиливается в каждом каскаде наравне с полезным сигналом. Поэтому в настоящее время схемы подобного типа не выдерживают конкуренции с УПТ дифференциального типа – балансными УПТ и операционными усилителями.

Рисунок 9.5 – Вариант схемы УПТ

Контрольные вопросы

1 В чем основные особенности работы усилительных каскадов на полевых транзисторах?

2 Как выглядит частотная характеристика усилителя постоянного тока?

3 Что понимается под дрейфом УПТ?

4 Каковы недостатки простейших схем УПТ прямого усиления?

Лекция 10