Усилитель напряжения на полевом транзисторе

Наибольшее применение имеет усилительный каскад с общим истоком (ОИ), схема которого представлена на рис.4.7.

Назначение элементов схемы.

Резистор служит для создания выходного напряжения, которое получается за счет падения напряжения на нем от переменной составляющей тока стока.

Резистор , включенный в цепь истока , служит для создания падения напряжения в режиме покоя ,которое является напряжением смещения между затвором (З) и истоком (И).

Резистор обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора (З) и общей точки (земли). Следовательно потенциал З ниже потенциала И на величину падения напряжения на от постоянной составляющей тока стока .Таким образом, потенциал З является отрицательным относительно потенциала И.

Входной переменный сигнал подается на через разделительный конденсатор . При подаче входного напряжения в канале полевого транзистора появляется переменная составляющая тока І_И~ =І_С~ . За счет падения напряжения на от переменной составляющей І_И~, переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, уменьшается І_И~. Это явление называется отрицательной обратной связью, которая приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя. Для устранения этого параллельно включают , сопротивление которого на усиливаемого напряжения много меньше . При этом падение напряжения на цепочке - от переменной составляющей тока І_И~ мало, так что по переменной составляющей тока исток (И) можно считать соединенным с потенциалом земли. Выходное напряжение снимается через разделительный конденсатор Оно равно переменной составляющей напряжения

между стоком и истоком.

Работу схемы можно пояснить с помощью стоковых и проходной характеристик транзистора ( см. рис. 4.8).

Рис 4.8 Работа усилителя на полевом транзисторе

При подаче U_Вх~ появляется переменный ток стока І_С~

Изменение этого тока приводит к изменению напряжения . Его переменная составляющая, равная по величине и противоположная по фазе падению напряжения на и является

_~= - І_С~

противоположно по фазе и > , так как напряжение в цепи стока больше, чем в цепи затвора.

Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между З и И, порядка 10⁷ Ом, поэтому R_ВХ усилителя определяется величиной , т.е. R_ВХ Ом.

Выходное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между С и И равно 10⁵ Ом, поэтому выходное сопротивление усилителя определяется величиной Ом

Таким образом << , xто является важным преимуществом усилительного каскада на полевом транзисторе.

Амплитудно–частотная характеристика усилителя, представляющая собой зависимость от частоты сигнала f:.

,

где - знак функциональной зависимости, показана на рис.4.9

Характеристика строится для широких пределов изменения частоты, поэтому целесообразно использовать полулогарифмический масштаб, когда по оси абсцисс откладывают десятичный логарифм от частоты, а по оси ординат. – коэффициент усиления. Вид частотной характеристики объясняется схемой усилителя, приведенной на рис. 4.7.

Уменьшение коэффициента усиления на низких частотах обусловлено увеличением реактивного сопротивления разделительных конденсаторов X_Cр = 1/ ωC_{р ,} включенных последовательно в цепях прохождения сигналов. В результате большая часть напряжения падает на этих конденсаторах и выходное напряжение уменьшается.

Уменьшение коэффициента усиления на высоких частотах объясняется уменьшением реактивного сопротивления паразитной емкости, шунтирующей (включенной параллельно) нагрузочное сопротивление на выходе усилителя.

Рис.4.9 Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Эта паразитная емкость обусловлена межэлектродной емкостью самого транзистора, емкостью монтажных проводов и усилительных элементов последующих каскадов усилителя. Уменьшение коэффициента усиления на низких К_И и высоких К_В частотах оценивают коэффициентами частотных искажений

и

По частотной характеристике можно определить ширину полосы частот пропускания усилителя, т.е. полосу частот, в пределах которой коэффициент усиления уменьшается не более, чем в раз.

Полоса частот пропускания усилителя определяет качество его работы, так как для неискаженного усиления сигналов усилитель должен обеспечить равномерное усиление всех частотных составляющих сигнала. Так, например, звуковая аппаратура высокого класса имеет полосу пропускания до 20 кГц, а аппаратура радиосвязи горноспасателей ограничивается полосой пропускания 300 – 3000 Гц.

Избирательный усилитель

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот. Их частотная характеристика должна обеспечивать максимальное усиление в заданной узкой полосе частот («избирательное» усиление с выделением одного « полезного » сигнала) и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы.

Полоса пропускания 2Δf =f_В – f_Н определяется на уровне K_um / 2 (см. рис.4.10), где K_um – коэффициент усиления на резонансной частоте. Отношение боковых частот f_В / f_Н 1,1.

Рис.4.10 Амплитудно-частотная характеристика избирательного усилителя

Частотная избирательность таких усилителей создает высокую помехозащищенность систем, работающих на фиксированных частотах, что широко используется в устройствах автоматического управления и контроля. На этом свойстве основана работа некоторых измерительных устройств.

Избирательные усилители применяются в радиоприемных и телевизионных устройствах, а также в многоканальных устройствах связи

На высоких частотах f₀ >1 – 5 мГц избирательность усилителя создается введением параллельного колебательного контура в цепь нагрузки усилительного каскада (резонансные усилители) .

Схема однокаскадного избирательного усилителя с параллельным резонансным контуром на полевом транзисторе показана на рис.4.11..

Рис.4.11. Схема однокаскадного избирательного усилителя

с параллельным резонансным контуром.

Параллельный резонансный контур включен в стоковую цепь транзистора вместо резистора R_C . Назначение остальных элементов усилителя то же, что и в усилителе по схеме с общим истоком, представленном выше на рис. 4.7.

Работа схемы. На частоте резонанса f₀ , равной сопротивление колебательного контура чисто активное и максимальное по величине. А потому и коэффициент усиления усилителя максимален и равен K_um . При отклонении частоты влево или вправо от f₀ сопротивление контура уменьшается из-за шунтирующего действия соответственно индуктивности L или емкости конденсатора C. Это в свою очередь уменьшает коэффициент усиления усилителя ( см. рис.4.10).