Усилительные каскады на полевых транзисторах

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. Отличительная особенность состоит в том, что полевой транзистор управляется по входной цепи напряжением, а не током. Поэтому задание режима покоя в каскадах усиления на полевых транзисторах осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности.

Полевые транзисторы, так же как и биполярные имеют три схемы включения. В соответствии с названиями электродов различают каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ). Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, поэтому имеет ограниченное практическое применение.

Усилительный каскад ОИ.Схема усилительного каскада ОИ приведена на рис. 4.7. Каскад выполнен на МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа. Основными элементами каскада являются источник питания Е_с, транзистор VT и резистор R_c. Нагрузка подключена к стоку транзистора через развязывающий конденсатор С2. Остальные элементы выполняют вспомогательную роль. Элементы R1, R2, предназначены для задания U_0зи в режиме покоя. Резистор R_и предназначен для создания отрицательной обратной связи по постоянному току с целью стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора. Конденсатор С_и предназначен для исключения отрицательной обратной связи по переменному току. Конденсатор С1 обеспечивает связь каскада с источником входного сигнала по переменному напряжению.

Режим покоя каскада выбирается так же как и в схеме на биполярном транзисторе. Ток стока покоя I_0c и напряжение сток-исток покоя U_0си связаны соотношением

U_0си = Е_с - I_0c(R_с+ R_и)

и определяются напряжением затвор-исток транзистора U_0зи, соответствующем точке покоя.

Полевой транзистор со встроенным каналом может работать как при отрицательном так и при положительном напряжении на затворе относительно истока.

Рассмотрим случай, когда U_0зи < 0. Он является типичным также и для каскада ОИ на полевом транзисторе с p-n-переходом.

Элементами, предназначенными для создания напряжения U_0зи < 0 в режиме покоя являются только резисторы R_u и R2 (см. рис. 4.7), резистор R1 не нужен. Необходимые величины и полярность напряжения получаются на резисторе R_u в результате протекания через него тока I_0u = I_0с. В связи с этим выбор R_u производят по формуле

R_u = U_0зи/ I_0с.

Резистор R2 предназначен для обеспечения потенциала затвора, равным потенциалу нижнего вывода резистора R_u, т.е. для подачи напряжения U_Ru с резистора R_u между затвором и истоком транзистора. Сопротивление резистора R2 выбирают на несколько порядков меньше входного сопротивления транзистора для исключения влияния температурной нестабильности и разброса значения входного сопротивления транзисторов на величину входного сопротивления каскада. Значение сопротивления резистора R2 принимают равным 1 – 2 МОм.

С целью повышения стабильности режима каскада по постоянному току часто идут на увеличение R_и сверх значения, требуемого для обеспечения напряжения U_0зи. Требуемая при этом компенсация избыточного напряжения U_Ru осуществляется подачей на затвор соответствующего напряжения U_0з путем включения в схему резистора R1. Из условия указанной компенсации получается соотношение для расчета сопротивления резистора R1:

U_0зи = U_Ru - U_0з = I_0сR_u - Е_сR₂/(R₂+ R₁), (4.3)

R₁ = Е_сR₂/(U_Ru - U_0зи) - R₂. (4.4)

Величину U_Rи так же, как и в каскаде ОЭ, выбирают в диапазоне (0,1 – 0,3)Е_с.

При U_0зи > 0 необходимость включения резистора R_и связана с требованием стабилизации режима покоя. Выбор элементов производится с использованием соотношений (4.3) и (4.4), в которых необходимо изменить знак перед U_0зи. Режим U_0зи > 0 является типичным для МДП-транзисторов с индуцированным каналом.

Выбор типа транзистора производят с учетом максимального тока стока I_{c max}, максимального напряжения U_{си max} и максимальной рассеиваемой мощности в транзисторе Р_{р max}. Возможные значения сопротивления R_с выбирают из диапазона: R_с = (0,05 – 0,15)r_i, где r_i – внутреннее сопротивление транзистора.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

K_U = U_вых/U_вх = SU_вх(r_i|| R_н~)/ U_вх = S(r_i|| R_н~) = Sr_iR_н~/( r_i+ R_н~).

Произведение Sr_i называют статическим коэффициентом усиления μ полевого транзистора. С учетом этого формулу коэффициента усиления можно записать в виде

K_U = μ R_н~/( r_i+ R_н~).

В случае, когда схема ОИ является каскадом предварительного усиления в многокаскадном усилителе, R_н~ = R_с||R_вх » R_с. Если учесть к тому же, что R_с<< r_i, то коэффициент усиления каскада по напряжению можно рассчитывать по формуле

K_U = SR_с.

Входное сопротивление каскада ОИ равно сопротивлению параллельно соединенных резисторов R1 и R2

R_вх = R₁||R₂.

Выходное сопротивление каскада ОИ равно

R_вых = R_с|| r_i » R_с.

При переходе в область высоких частот необходимо учитывать межэлектродные емкости транзистора, а также емкости монтажа.