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 R 1, R 2, 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 _{0 c} и напряжение сток-исток покоя U _0си связаны соотношением

U _0си = Е_с - I _{0 c} ( 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 R 2 (см. рис. 4.7), резистор R 1 не нужен. Необходимые величины и полярность напряжения получаются на резисторе R_u в результате протекания через него тока I _{0 u} = I _0с. В связи с этим выбор R_u производят по формуле

R_u = U _0зи / I _0с.

Резистор R 2 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 R 2 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 R 2 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 _{R u} осуществляется подачей на затвор соответствующего напряжения U _0з путем включения в схему резистора R 1. Из условия указанной компенсации получается соотношение для расчета сопротивления резистора R 1:

U_{0 зи} = U_Ru - U_{0 з} = I_{0 с} R_u - Е_с R₂/(R₂+ R₁),                  (4.3)

R₁ = Е_с R₂/(U_Ru - U_{0 зи} ) - R₂.                             (4.4)

Величину U_{R и} 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 R 1 и R 2

R _вх = R ₁ || R ₂.

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.

 

 

Многокаскадные усилители

При усилении малых входных сигналов может оказаться, что одного усилительного каскада недостаточно для получения нужного коэффициента усиления. В этом случае соединяют последовательно несколько отдельных каскадов. Выходной сигнал каждого предыдущего каскада является входным для последующего каскада. Поэтому коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех входящих в него каскадов

K_U = K_{U 1} K_{U 2} … K_UN.

Входное и выходное сопротивление усилителя определяются соответственно входным и выходным каскадами.

Связь каскадов в многокаскадном усилителе может осуществляться с помошью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно (гальваническая связь). В соответствии с этим различают усилители с конденсаторной, трансформаторной и непосредственной (гальванической) связью.

Для многокаскадных усилителей важными показателями являются амплитудно-частотная, фазо-частотная и амплитудная характеристики. Вид этих характеристик зависит от типа связи, применяемого в многокаскадном усилителе. Наиболее общим является пример усилителя с емкостной связью, который и будет предметом дальнейшего рассмотрения.

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: