Входной каскад на полевом транзисторе

Большое распространение получили усилительные каскады на полевых
транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Малый входной ток, за счет высокого входного сопротивления полевого транзистора, позволяет обеспечить высокое отношение полезного сигнала к собственному шуму и конструировать высокочувствительные усилители (до 0,01÷0,1мВ) в измерительной технике. Наиболее часто используется каскад с общим истоком, схема которого приведена на рис.2.10.

Полярность источника питания определяется типом применяемого полевого транзистора. В транзисторе с n-каналом напряжение Е_С положительно.

В цепь стока включен нагрузочный резистор R_С, обеспечивающий динамический режим работы усилителя. На транзисторе R_С выделяется усиленное переменное напряжение.

В цепи истока резистор R_И создает необходимое смещение между затвором и истоком. При этом потенциал затвора оказывается ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе R_И от тока покоя истока I_И0 ток покоя в цепи затвора равен нулю.

Входное напряжение подается на резистор R₃ через разделительный конденсатор С_1. При этом в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истока i_И и тока стока i_c , причем i_{И »} i_c . Для того, чтобы переменная составляющая тока истока не создавала падение напряжения на резисторе R_И и не уменьшала за счет этого величину усиливаемого сигнала между затвором и истоком по сравнению со входным напряжением, резистор R_И шунтируется конденсатором C_И. Сопротивление конденсатора на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора. При этом условии падение напряжения от тока истока i_И на цепочке R_ИC_И, называемой звеном автоматического смещения, имеет очень небольшую величину, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада.

Выходное напряжение снимается через разделительный конденсатор С₂ между стоком и общей точкой каскада, т.е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.

Рассматриваемый усилительный каскад является усилителем напряжения. Величина коэффициента усиления каскада составляет:

Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между затвором и истоком, имеет величину порядка 10 7 Ом, поэтому входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R_3, который подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора:

Выходное сопротивление современных полевых транзисторов (сопротивление между стоком и истоком) имеет величину порядка 10 5 Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора R_C:

Таким образом у этого усилителя R_вых

В настоящее время широко применяются усилители, выполненные на полевых транзисторах. На рис. 9 приведена схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ и одним источником питания.

Режим работы полевого транзистора в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си и таким образом обеспечивают неизменность коэффициента усиления каскада. Сопротивление конденсатора Си на наименьшей частоте сигнала должно быть намного большим сопротивления резистора Rи, которое определяют по выражению:

где Uзип, Iсп – напряжение затвор-исток и ток стока при отсутствии входного сигнала.

Емкость конденсатора выбирается из условия:

где fmin – наинизшая частота входного сигнала.

Конденсатор Ср называется разделительным. Он используется для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала.

Резистор Rс выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого напряжением между затвором и истоком.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх напряжение между затвором и истоком будет изменяться во времени D Uзи(t) = uвх; ток стока также будет изменяться во времени, т.е. появится переменная составляющая D Ic(t) = ic. Изменение это тока приводит к изменению напряжения между стоком и истоком; его переменная составляющая uс равная по величине и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе Rс, является входным напряжением усилительного каскада D Uси(t) = uc = uвых = −Rcic.

В усилителях на МДП – транзисторах с индуцированным каналом необходимое напряжение Uзип обеспечивается включением в цепь затвора делителя R1R2 (рис. 10).

От выбранного значения тока делителя Iд = Ес/(R1+R2) зависят сопротивления резисторов R1 и R2. Поэтому ток делителя выбирают исходя из обеспечения требуемого входного сопротивления усилителя.

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

Полевые транзисторы имеют три включения (см. рис. 2.1). В соответствии с названиями электродов различабт каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ). Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное применение. Поэтому, ниже рассматриваются толко каскады ОИ и ОС. рассмотрение ведется только для транзисторов с каналом n-типа. С учетом изменения полярности напряжений питания его можно рассматривать и для усилительных каскадов на транзисторах с каналом p-типа.

Схема усилительного каскада ОИ приведена на рис. 3.28. Каскад выполнен на МДП- транзисторе со встроенным каналом n-типа. Работа транзистора возможна как в режиме обогаения, так и в режиме обеднения. Основными элементами каскада являются транзистор Т, резистор R_c и источник питания +Е_с. Элементы R_з, R₁, R_н предназначены для задания напряжения затвор-исток в режиме покоя U_зип. Резистор Rн создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора.

Принцип выбора режима покоя тот же, что и для схемы на биполярном транзисторе, и показан на рис. 3.28. Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:

; (3.70)

Точка покоя Р располагается на линии нагрузки, проходящей через две точки с координатами А(0, Е_с) и Б(Е_с/R_с, 0).

Ток стока покоя I_сп и напряжения сток-исток покоя U_сип связаны соотношением

(3.72)

и определяются напряжением затвор-исток U_зип точки покоя. Напряжение U_зип представляет собой параметр стоковой характеристики, проходящей через точку покоя Р (рис. 3.29).

Для рассматриваемого типа МДП-транзистора в режиме покоя напряжение на затворе может иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно истока или быть равным нулю.

Рассмотрим случай, когда U_зип 0 обязательно включение резистора R₁, а наличие R_н необходимо для стабилизации режима покоя. Выбор элементов производится с использованием соотношений (2.74)-(3.77). При этом в выражениях (3.74) и (3.76) следует соответственно либо положить напряжение U_зип равным нулю, либо изменить знак перед напряжением U_зип. Режим U_зип>0 является типичным для полевых транзисторов с индуцированным каналом.

При выборе типа транзистора учитывают максимальный ток стока I_{с max}, максимальное напряжение U_{си max} и максимальную рассеиваемую мощность в транзисторе P_{с max} (рис. 3.29).

Каскад ОИ, так же как и схема ОЭ на биполярном транзисторе, осуществляет поворот по фазе 180₀ усиливаемого сигнала.

Определим основные показатели усилительного каскада. С этой целью воспользуемся его эквивалентной схемой, представленной на рис. 3.28 а. Схема построена с испольованием эквивалентной схемы МДП-транзистора (рис. 3.27). На схеме рис. 3.30 емкость С_и не показана, так как считается достаточно большой и ее сопротивление по переменному току близко к нулю. Поэтому не показан и резистор R_n.

Выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению для средних частот. когда сопротивления всех конденсаторов в схеме замещения еще достаточно велики, записывается в виде

(3.78)

или (3.79)

Произведение Sr_i называют статическим коэффициентом усилителя полевого транзистора. С учетом Sr_i=m выражение (3.75) принимает вид . (3.80)

На основании выражения (3.80) возможен второй вариант построения схемы замещения каскада ОИ — с источником напряжения mU_вх (рис. 3.30 б).

Коэффициент усиления K_U зависит от крутизны транзистора и нагрузки каскада R_U. С увеличеним S и R_н K_U стремится к единице. В связи с этим для истокового повторителя целесообразно использовать транзисторы с повышенными значениями крутизны. С приближением K_U к единице уменьшается влияние емкости затвор- исток на входную емкость каскада.

Схему замещения истокового повторителя часто представляют с источником напряжения в выходной цепи, подобно схеме рис. 3.30 б для каскада ОИ. Для нахождения эквивалентных параметров схемы замещения преобразуем выражение (3.90), заменив в нем S=m/r_i и раскрыв r_i||R_н=r_iR_н/(r_i+R_н).

. (3.93)

Поделив числитель и знаменатель правой части выражения (3.93) на 1+m и заменив K_U=U_н/U_вх, находим

. (3.94)

На основании выражения (3.94) на рис. 3.31 б построена схема замещения каскада. В ее выходную цепь входит эквивалентный источник напряжения с эквивалентным внутренним сопротивлением r_i/1+m. Входная цепь схемы замещения состоит из тех же элементов, что и схема замещения каскада ОИ.

По схеме замещения находим выходное сопротивление каскада ОС

. (3.95)

Величина Rвых в схеме ОС меньше, чем в схеме ОИ и составляет 100. 3000 Ом.

Поскольку напряжение затвор-исток в схеме истокового повторителя равно разности U_вх-U_вых, собственный входной ток транзистора получается существенно меньшим, чем в схеме ОИ, и температурная нестабильность сопротивления участка затвор-исток проявляется слабее, что допускает применение более высокоомных резисторов R₁, R₃. А это обеспечивает существенно большее сопротивление R_вх, чем каскады ОИ.

Для истокового повторителя необходимо учитывать емкостные составляющие входного тока цепей затвор-сток и затвор-исток транзистора, а также тока емкости монтажа входной цепи каскада. Так как напряжение стока неизменное, составляющая тока емкости С_зс определяется, как и для емкости монтажа С_м, напряжением . Составляющая тока емкости С_зи зависит от напряжения . Суммарный емкостный входной ток

, (3.96)

. (3.97)

При С_зи=10пФ, С_зс=2пФ, С_м=2пФ и K_U=0,85 емкость С_вх=5,5 пФ против 114 пФ в схеме ОИ. соотношение (3.97) показывает целесообразность увеличения K_U до единицы, так как при этом уменьшается влияние на входную емкость одной из самых значительных емкостей транзистора — С_зи.