Усилительные каскады на полевых транзисторах

Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряжением, которое прикладывается к запертому p–n переходу (транзисторы с управляющим p–n переходом) или к затвору (МДП-транзисторы). За счет того, что ток затвора полевых транзисторов очень мал (10^-8 А для транзисторов с управляющим p–n переходом, а для МДП-транзисторов еще на несколько порядков меньше), то их входное сопротивление на низких частотах лежит в диапазоне 10⁹…10¹³ Ом.

Полевые транзисторы имеют три схемы включения: с общим истоком (ОИ); общим стоком (ОС); общим затвором (ОЗ). Каскад с ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем используется очень редко.

Усилительный каскад с ОИ

На рис. 10.28,а приведена принципиальная схема каскада с общим истоком. В качестве активного элемента используется полевой транзистор с управляющим p–n переходом или МДП-транзистор со встроенным каналом. Основными элементами усилительного каскада являются: источник питания U_ип, транзистор и резистор R_с. Полярность напряжения источника питания U_ип определяется типом канала транзистора (для канала n-типа U_ип положительно; для канала p-типа U_ип отрицательно).

Резистор R_з (рис. 10.28,а) осуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т.е. обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей шины усилительного каскада. Поэтому потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе R_и от протекания постоянной составляющей тока I_ио. В связи с этим напряжение U_зио является отрицательным. Источник входного сигнала Е_г через разделительный конденсатор подключается ко входу усилительного каскада, а нагрузка через разделительный конден-сатор подключается к стоку транзистора. Цепочка R_и – С_и называется звеном авто-матического смещения и обеспе-чивает стабильное отрицательное напряжение U_зио для режима покоя. Кроме того, конденсатор С_и устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, и его сопротивление на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора R_и. Ёмкость конденсатора С_и рассчитывается по формуле

, (10.62)

где f_нч – самая низкая частота усиливаемого сигнала.

Требуемую величину R_и для заданного тока покоя I_cо определяют с помощью сток-затворной вольт-амперной характеристики транзистора. Рабочая точка в режиме покоя обычно выбирается на середине линейного участка сток-затворной характеристики, что обеспечивает минимальные нелинейные искажения. Выбрав положение рабочей точки, находят сопротивление резистора R_и

. (10.63)

С помощью R_и осуществляется стабилизация режима покоя. Предположим, что при изменении температуры уменьшился ток I_со, это приводит к уменьшению падения напряжения на R_и и уменьшению модуля отрицательного напряжения на затворе, а это приводит к возрастанию I_со. Таким образом стабилизация режима покоя осуществляется за счет того, что R_и создает последовательную отрицательную обратную связь по постоянному току. Кроме того, при воздействии входного сигнала одновременно возникает и отрицательная обратная связь по переменному току, для устранения которой вводят конденсатор С_и. Часто при расчете R_и принимает относительно большое значение, что приводит к большому значению модуля отрицательного напряжения на затворе. Для обеспечения необходимого режима покоя в этом случае используют делитель напряжения в цепи затвора (рис. 10.28,б). Напряжение в точке покоя U_зио определяется по формуле

. (10.64)

При подаче на вход положительной полуволны входного напряжения U_вх будут возрастать ток стока I_с и падение напряжения на R_с. Напряжение U_си уменьшается, что приводит к формированию отрицательной полуволны выходного напряжения. Полярность входного и выходного напряжений противоположна, схема с ОИ инвертирует входной сигнал.

Для расчета параметров каскада с ОИ по переменному сигналу представим схему усилительного каскада (рис. 10.28,а) эквивалентной схемой (рис. 10.29).

На средних частотах входное сопротивление каскада с ОИ однозначно определяется величиной R_з и обычно лежит в пределах единиц МОм.

Выходное сопротивлениекаскада с ОИ определяется сопротивлением параллельно соединенных R_i и R_c

. (10.65)

При переходе в область высоких частот, необходимо учитывать входную и выходную емкости каскада. При этом , что является важным преимуществом усилительных каскадов на полевых транзисторах. Зная, что ток

стока является функцией двух переменных , найдем изменение тока стока

. (10.66)

Используя выражения для основных параметров полевого транзистора и , перепишем (10.66) в виде

. (10.67)

Подставив в (10.67) вместо конечных приращений , и переменные составляющие тока и напряжений I_с, U_вх и (знак минус указывает на инвертирование входного сигнала), получим уравнение

, (10.68)

решив которое относительно I_с, найдем

. (10.69)

Коэффициент усиления по напряжению для средних частот будет равен

. (10.70)

Для получения максимального коэффициента усиления в диапазоне средних частот необходимо обеспечить работу каскада на высокоомную нагрузку и включить в цепи стока резистор R_с с большим сопротивлением.