Основные параметры каскада усилителя на полевом транзисторе

Для определения основных параметров каскада обратимся к его схеме замещения, приведенной на рис. 2.3.11, а. Данная схема не учитывает частотных свойств каскада и справедлива для области низких и средних частот, где, влиянием собственных емкостей транзистора можно пренебречь.

Определим коэффициент усиления каскада по напряжению. Согласно приведенной схеме замещения для тока стока можно записать следующее выражение:

,

где дифференциальное выходное сопротивление транзистора.

Для расчета можно воспользоваться выражением:

,

Рис. 2.3.11. Схема замещения каскада по постоянному (а) и переменному (б) току.

где - дифференциальное сопротивление для тока .

В этом случае для выходного напряжения каскада можно записать выражение:

.

Учитывая, что каскад является инвертирующим, т. е. Увеличение тока стока приводит к уменьшению выходного напряжения, для модуля коэффициента усиления каскада можно записать:

.

(2.3.28)

Обычно в каскадах выполняется условие , тогда (2.3.28) принимает более простой вид:

. (2.3.29)

Используя приведенные выше допущения, для входного и выходного сопротивлений каскада можно записать следующие выражения:

, (2.3.30)

. (2.3.31)

Задание смещения рабочей точки путем введения резистора уменьшает коэффициент усиления каскада. По аналогии со схемой на биполярном транзисторе, для коэффициента передачи цепи ООС можно записать:

.

Тогда, используя основное выражение для усилителя с цепью ООС, получим:

. (2.3.32)

Из выражения (2.3.32) следует, что глубина отрицательной обратной связи в каскаде равна , поэтому абсолютные температурные изменения тока покоя каскада с цепью ООС и без нее связаны соотношением:

.

При расчете каскада требуемое сопротивление R_и легко найти по заданному току . Для этого по передаточной характеристике транзистора (рис.2.3.12), задавшись , находят требуемое напряжение . Так как ток затвора практически равен нулю, то падение напряжения на резисторе R_см отсутствует и требуемое сопротивление R_и можно найти из выражения:

.

Можно использовать и графическое решение. Для этого через точку передаточной характеристики, соответствующую значению , и начало координат проводят прямую линию. Угол наклона этой мой и определяет требуемое сопротивление (рис. 2.3.12):

Рис. 2.3.12. Графическое определение сопротивления резистора.

. (2.3.33)

Для получения максимального значения выходной переменной ток желательно выбирать близким к половине максимального тока стока . При этом сопротивление , рассчитанное из этого условия, может оказаться меньше рассчитанного, например, из условия требуемой стабильности параметров каскада или заданных искажений. В этом случае для реализации требуемого режима работы можно использовать введение дополнительного делителя напряжения, как это показано на рис. 2.3.13.

Рис. 2.3.13. Усилительный каскад на полевом транзисторе с комбинированной цепью задания режима покоя.

Частотные свойства каскада полностью определяются собственными свойствами прибора. При этом основную роль в их формировании играет входная емкость транзистора С_вх. В этом случае схема замещения входной цепи каскада, имеет вид, показанный на рис. 2.3.11, б.

С учетом найденного выше коэффициента усиления передаточная функция всего каскада будет иметь вид:

, (2.3.34)

где - коэффициент передачи входного делителя по постоянному току; - постоянная времени входной цепи; - эквивалентная входная емкость транзистора.

Введение резистора снижает коэффициент усиления каскада. Если каскад предназначен для усиления напряжения только переменного тока, это уменьшение усиления можно скомпенсировать выполнением цепи ООС частотнозависимой. Для этого (как и в случае каскада на биполярном транзисторе) резистор необходимо шунтировать дополнительным конденсатором, как показано штриховой линией на рис. 2.3.12.

Емкость этого конденсатора при заданно минимальной частоте входного сигнала может быть рассчитана из условия .

Все сказанное остается справедливым и при построении каскада с использованием МДП-транзистора со встроенным каналом. В этом случае могут быть только количественные отличия, обусловленные тем, что передаточная характеристика транзистора имеет продолжение в первом квадранте. При этом могут измениться доли напряжений смещения, создаваемые резистором R_и и делителем на резисторах и (рис. 2.3.13).