Усилители на полевых транзисторах

Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором полевой транзистор, включен по схеме с общим истоком (ОИ). На рис. 2.17 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада ОИ с RС-связью. Основой такого усилительного каскада являются два элемента: резистор и полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и n-каналом. Аналогичный каскад может быть выполнен и на МДП-транзисторе со встроенным каналом.

Источник входного сигнала подключен к входу каскада через разделительный конденсатор , а сопротивление нагрузки подключено к выходу каскада через разделительный конденсатор .

Поскольку полярность напряжения источника питания определяется типом канала, то в рассматриваемом каскаде должно быть положительно (используется транзистор с n-каналом). Резистор MОм осуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, а также стабилизирует входное сопротивление каскада.

Цепь автоматического смещения обеспечивает отрицательное напряжение на затворе для режима покоя . Величину для заданного тока покоя обычно определяют с помощью стокозатворной ВАХ полевого транзистора (см. рис. 2.22). Поскольку за счет протекания по между затвором и истоком полевого транзистора возникает напряжение

(2.16)

Из (2.16) можно легко определить . Отметим, что с помощью также осуществляется стабилизация режима покоя (подобно стабилизации с помощью в усилителе ОЭ на рис. 2.9).

В режиме покоя для линейного усилителя выбирают напряжение между истоком и стоком полевого транзистора из соотношения , где равно нескольким кОм. При этом .

При расчете каскада ОИ может оказаться, что имеет относительно большое значение, что приведет к получению слишком большого отрицательного напряжения на затворе. Для реализации необходимых режимов работы в усилительном каскаде на полевом транзисторе можно использовать делитель напряжения в цепи затвора, т. е. между затвором и источником питания включить дополнительный резистор. Отметим, что в таком усилителе полевой транзистор с p-n-переходом может быть заменен МДП-транзистором с встроенным или с индуцированным каналом.

Рассмотрим теперь параметры каскада ОИ для переменного сигнала. Нетрудно показать, что при подаче положительной полуволны в каскаде ОИ будет формироваться отрицательная полуволна (как и в каскаде ОЭ), т. е. усилительный каскад ОИ инвертирует входной сигнал. На рис. 2.18 приведена малосигнальная эквивалентная схема в области средних частот для усилительного каскада ОИ. Эта схема получена на основе схемы рис. 1.24, а, в которой устранены межэлектродные емкости (не играющие существенной роли в области средних частот), за счет внесения в нее внешних элементов каскада. Здесь . Входное сопротивление каскада ОИ на средних частотах определяется , поэтому 1 МОм.

Для амплитудного значения тока стока в полевом транзисторе можно записать

. (2.17)

Так как в каскаде ОИ амплитуда выходного напряжения , то (2.17) можно привести к следующему виду: , откуда для коэффициента усиления получим

. (2.18)

Знак «-» показывает, что каскад ОИ инвертирует сигнал. При , что обычно имеет место на практике, выражение (2.18) можно представить в виде

. (2.19)

В реальных каскадах ОИ обычно .

Выходное сопротивление рассматриваемого каскада нетрудно представить как . Поскольку обычно , то .

Рассмотрим работу каскада ОИ в ОНЧ. Спад коэффициента усиления в ОНЧ (см. рис. 2.5) для каскада ОИ обусловлен влиянием конденсаторов , и . Анализ каскада ОИ в ОНЧ практически совпадает с анализом для каскада ОЭ. При расчете коэффициентов частотных искажений для каждой цепи , и следует использовать (2.9), в которую необходимо подставить значения постоянных времени рассматриваемых цепей:

, (2.20,а)

, (2.20,б)

, (2.20,в)

В выражении (2.20,а) учтено, что обычно . Постоянная времени имеет большое значение и слабо влияет на искажения сигнала. В выражении (2.20,б) учтено, что в многокаскадном усилителе обычно каскад ОИ работает на последующий каскад на полевом транзисторе с большим своим входным сопротивлением, т. е. каскад ОИ работает на высокоомную нагрузку. Для истоковой цепи каскада ОИ (2.20,в) учитывают, что выходное сопротивление со стороны истока мало (). Сопротивление фактически является выходным сопротивлением каскада ОС, который будет рассмотрен ниже. Из-за малого цепь заряда вносит самый большой вклад в коэффициент . При расчете усилительного каскада для ОНЧ необходимо общую (заданную) величину распределить по всем трем цепям неравномерно, учитывая, что < < .

Рассмотрим теперь работу каскада ОИ в ОВЧ. При анализе работы каскада на полевом транзисторе в ОВЧ прежде всего следует рассмотреть изменение входного сопротивления каскада. При возрастании частоты входного сигнала для определения входного сопротивления необходимо учитывать влияние емкостей и . Уже на частотах в несколько десятков кГц может проявиться проводимость, обусловленная этими емкостями, и входное сопротивление становится комплексным. На рис. 2.19 приведены эквивалентные схемы для входной части каскада ОИ в ОВЧ.

При работе усилительного каскада на полевом транзисторе в области высоких частот одним из основных параметров становится входная емкость . Для каскада ОИ входной ток затвора можно представить как

Проведя преобразования, получим

. (2.21)

Выражение (2.21) позволяет представить в следующем виде:

. (2.22)

Постоянную времени входной цепи в ОВЧ можно определить из эквивалентной схемы рис. 2.19.б в виде . Коэффициент частотных искажений в ОВЧ для входной и выходной цепей каскада можно рассчитать по (2.10). Для получения общего коэффициента

(дБ) нужно сложить и . Отметим, что постоянная времени выходной цепи каскада в основном определяется постоянной заряда емкости нагрузки: .

Стабильность каскадов на полевых транзисторах в основном определяется изменениями под влиянием температуры или других внешних факторов. Уменьшить приращение тока стока в режиме покоя , возникшее под действием какого-либо внешнего фактора, можно используя отрицательную обратную связь по постоянному току. Так, в каскаде (рис. 2.17) общее приращение тока стока в режиме покоя равно , т.е. в раз меньше, чем в одиночном полевом транзисторе.

Рассмотрим теперь истоковый повторитель, которым называется усилительный каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим стоком (ОС). На рис. 2.20 приведена принципиальная схема каскада ОС с RС-связью. Здесь, подобно каскаду ОК, сток через очень малое сопротивление источника питания соединен с общей шиной каскада, т. е. вывод стока является общим для входной и выходной цепей устройства. Основой рассматриваемого каскада ОС являются два элемента: резистор и полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и n-каналом.

В рассматриваемом каскаде (подобно каскаду ОК) существует 100%-ная отрицательная обратная связь по напряжению, за счет чего получается малый и . Кроме того, нетрудно убедиться, что каскад ОС также не инвертирует фазу сигнала. Отсюда и происходит название - истоковый повторитель.

Для каскада c ОС и . Подставив эти выражения в (2.17), после проведения преобразований получим в виде:

, (2.23)

откуда следует, что , но при увеличении коэффициент .

Выходное сопротивление для каскада ОС в области средних частот и составляет сотни Ом.

В области низких частот спад коэффициента усиления определяется влиянием конденсаторов и . Для каскада ОС в ОНЧ и . Анализ этих выражений позволяет заключить, что и . Основные частотные искажения возникают в выходной цепи каскада ОС, следовательно, для уменьшения коэффициента частотных искажений прежде всего необходимо увеличивать .

Входное сопротивление истокового повторителя для низких частот так же, как и в усилительном каскаде ОИ, определяется сопротивлением , которое обычно выбирается порядка 1 МОм.

Рассмотрим теперь входную емкость каскада ОС, которая в ОВЧ снижает входное сопротивление Емкость можно определить по аналогии с входной емкостью каскада ОИ. В результате для каскада ОС запишем

. (2.24)

Из (2.24) следует, что в каскаде ОС в основном определяется межэлектродной емкостью затвор-сток, которая обычно составляет несколько пФ. Сравнение (2.22) и (2.24) позволяет сделать вывод, что в каскаде ОС значительно меньше, чем в каскаде ОИ. Этим и определяется большее входное сопротивление в ОВЧ для каскада ОС.

Постоянные времени входной и выходной цепей рассматриваемого каскада нетрудно представить в следующем виде:

и .

Подставив значения и в (2.10), получим и , сумма которых составит полный (дБ).

Выражение для в общем виде одинаково для усилительных каскадов на полевых транзисторах (ОИ и ОС), но в истоковом повторителе значительно меньше. Из выражений для сразу видно, что для каскада ОС ее величина значительно меньше, чем для каскада ОИ. Таким образом, изложенное выше указывает на то, что истоковый повторитель является более высокочастотным усилительным каскадом, чем каскад ОИ.

Помимо усилительных каскадов ОИ и ОС известен и каскад, в котором полевой транзистор включен по схеме с общим затвором (ОЗ). Однако такой каскад не находит практического применения прежде всего из-за своего малого входного сопротивления.