Усилительные каскады на полевых транзисторах

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах те же, что и на биполярных. Особенностью является управление не током, а напряжением. По этой причине задание режима покоя осуществляется подачей во входную цепь постоянного напряжения. Возможны три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (0З). В связи с тем, что схема 0З имеет низкое входное сопротивление, она практически не применяется.

Усилительный каскад на полевом транзисторе со встроенным каналом n-типа показан на рис 2.22.

Такой каскад может работать как в режиме увеличения (обогащения) канала, так и в режиме уменьшения (обеднения) канала. Обогащение канала приводит к увеличению тока стока I_c, a обеднение — к его уменьшению. Если канал реализуется на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом, то каскад может работать только с уменьшением канала.

Уравнение электрического состояния цепи сток-исток в режиме покоя имеет вид:

Это уравнение описывает вольтамперную характеристику резисторов (R_c+R_и), т.е. линию нагрузки по постоянному току. Расчет и анализ каскада производится графоаналитическим способом аналогично тому, как это было проведено для усилительного каскада ОЭ.

На семейство выходных стоковых характеристик транзистора накладывается линия нагрузки по постоянному току (рис. 2.23). Эта линия соединяет точку с координатой Е_с на оси абсцисс и точку с координатой Е_с/(R_c+R_и), на оси ординат. Рабочая точка П выбирается на середине линейного участка передаточной (стоко-затворной) характеристики и сносится на линию нагрузки. Пересечение линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой определяет значения тока стока I_сп и напряжения сток-исток в точке покоя. В общем виде напряжение смещения затвора U_зип может быть как положительным, так и отрицательным и даже равным нулю. В полевых транзисторах с управляющим переходом оно только отрицательное. Напряжение смещения выделяется на резисторе R_и за счет прохождения I_сп поэтому, зная U_зип и I_сп можно определить величину резистора R_и:

Резистор R_з предназначен для подачи потенциала смещения на затвор. Величина этого резистора должна быть значительно меньше входного сопротивления полевого транзистора (очень большого) для исключения влияния температурной нестабильности транзисторов и разброса их параметров. Обычно R_з = (1–2) Мом. Через R_з, ток практически не течет.

Резистор смещения R_и не только создает режим покоя, но и обеспечивает стабилизацию каскада за счет отрицательной обратной связи по току стока I_c. Емкость С_и исключает отрицательную обратную связь для усиливаемого сигнала. Величина емкости выбирается из известных соображений по нижней частоте сигнала:

Иногда для увеличения стабильности каскада идут на значительное увеличение R_и по сравнению с требуемым для создания потенциала покоя на затворе. В этом случае для компенсации излишнего отрицательного потенциала включают резистор R₁, подающий на затвор положительный потенциал от источника питания. Если же оказалось, что положение точки покоя таково, что U_зип ³ , то наличие R₁обязательно, т.к. именно он будет обеспечивать потенциал смешения. В этом случае резистор R_и необходим только для стабилизации каскада. Следует отметить, что величина резистора стоковой нагрузки R_свлияет на значение верхней частоты, усиливаемой каскадом: чем больше R_с, тем меньше f_в. Рекомендуется выбирать значение R_с равным порядка 0,1 внутреннего сопротивления транзистора r_i.

Емкости C_p1 и C_p2служат для развязки цепей постоянного и переменного тока на входе и выходе каскада.

Входной сигнал через разделительный конденсатор C_p1 поступает на затвор транзистора, алгебраически суммируясь с напряжением смешения. Изменение потенциала затвора вызывает изменение напряжения на стоке. Переменная составляющая напряжения на стоке, проходящая через разделительный конденсатор С_р2 представляет собой выходное напряжение. Амплитуда сигнала должна быть такой, чтобы не выходить за пределы линейного участка входной аб и выходной а'б' характеристик.

Нагрузка каскада R_н не учитывается, если R_н >> R_c, что почти всегда имеет место в предварительных каскадах усиления. При необходимости учета нагрузки строится линия нагрузки но переменному току и рабочий линейный диапазон сигналов определяется по ней.

На рис. 2.24. представлены схемы замещения каскада ОИ. В этих схемах переходные конденсаторы C_p1, C_p2; не учитываются, так как емкость их велика и сопротивление близко к нулю. Коэффициент усиления по напряжению для средних частот, когда емкости транзистора еще не влияют на процесс усиления:

Произведение Sr_i называют статическим коэффициентом усиления полевого транзистора. Здесь r_i — внутреннее сопротивление транзистора, S — крутизна передаточной характеристики, . С достаточной для практики точностью в большинстве случаев можно пренебречь R_н и тогда

Входное сопротивление каскада велико (мегомы):

Выходное сопротивление каскада:

и реально составляют килоомы и десятки килоом.

R_вых << R_вх, что является достоинством схемы.

На высоких частотах необходимо учитывать входную и выходную емкости.

Входная емкость , где С_м — емкость монтажа. Обычные численные значения емкости составляют:

С_зи » 10 пФ, С_зс » 2 пФ, С_м » 2 пФ. При K_U = 50, С_вх » 114 пФ.

Выходная емкость

Каскад по схеме ОИ меняет фазу выходного сигнала по отношению ко входному на противоположную.

Усилительный каскад ОС на полевом транзисторе со встроенным n-каналом показан на рис. 2.25. Такой каскад называют истоковым повторителем по аналогии с эмиттерным повторителем на биполярных транзисторах. Расчет каскада производится идентично тому, как это показано для схемы ОИ. При использовании транзистора с управляющим p-n-переходом в схеме будет отсутствовать резистор R₁.

Напряжение на нагрузке истокового повторителя и совпадает по фазе с входным напряжением.

Нагрузкой каскада по постоянному току является сопротивление R_и, а по переменному току . Коэффициент усиления каскада по напряжению зависит от крутизны характеристики транзистора S и нагрузки по переменному току:

С увеличением крутизны и сопротивления нагрузки величина K_U стремится к единице.

Выходное сопротивление схемы пропорционально 1/S и значительно меньше, чем в каскаде ОИ, колеблясь в диапазоне от сотен Ом до единиц килоом. Каскад обладает глубокой отрицательной обратной связью и поэтому достаточно термостабилен. По этой же причине в истоковом повторителе можно использовать более высокие значения сопротивления резисторов R₁ и R₃, что позволяет повысить входное сопротивление каскада до нескольких мегаом.