5.2.3. Способы задания смещения в усилительных каскадах на пт
Для
реализации усилительных свойств ПТ
используют в двух схемах включения: а)
с общим истоком (ОИ); б) с общим стоком
(ОС), называемую истоковым повторителем.
При включении с ОИ применяют внешнее и
автоматическое задание смещения НРТ.
На рис. 5.24 представлены выходные ВАХ ПТ
с выделенной областью усиления. Эта
область ограничена: а) осью абсцисс,
соответствующей режиму отсечки ПТ, при
котором ток стока равен нулю; б) гиперболой
максимальной мощности, устанавливающей
предельный температурный режим работы
ПТ; в) точкой Uсн
перехода на крутой участок ВАХ, после
которой ПТ входит в режим управляемого
сопротивления.
Рис. 5.24
Чтобы определить координату НРТ по оси тока, рассмотрим схему (рис. 5.25) с ОИ и внешним смещением. Для данной схемы имеем Ica = (E – Uca)/R2. Решаем совместно уравнения (5.15), (5.21) для Ica и получаем формулу, позволяющую оценить требуемое значение напряжения внешнего источника смещения для режима класса А:
(5.22)
Рис. 5.25. Принципиальная схема каскада с ОИ и внешним смещением
Пример. Дано: E = 15 В; R2 = 10 кОм; R1 = 100 кОм; полевой транзистор имеет параметры: начальный ток стока Iсн = 2 мА и напряжение отсечки Uо = 5 В. Какое напряжение должен иметь источник внешнего смещения Uсм = Uза, чтобы ПТ работал в линейном режиме усиления класса А?
Решение.
Так как все величины, входящие в правую часть (5.22), заданы, то
Откуда Uза = 7. Uо/16 7. 5/16 2,18 В.
Определяем координаты НРТ "а":
Uca = (E + Uсн)/2 = (E + (Uо – Uза))/2 = (15 + 5 – 2,18)/2 = 8,9 В;
Ica = (E – Uca)/R2 = (15 – 8,9)/10 кОм = 0,61 мА.
Делаем проверку по формуле (5.15):
Ica = Icн(1 – Uза/Uо)2 =2(1 – 7/16)2 0,63 мА.
Погрешность (0,63 мА – 0,61 мА = 0,02 мА, или примерно 3,3 %) возникла из-за округлений результатов расчетов. Учитывая тот факт, что в подобных случаях допускаются погрешности порядка 10 %, можно в качестве окончательных привести округленные результаты: Uсм 2,2 В; Ica 0,62 мА; Uca 9 В.
В схеме (рис. 5.26) необходимое смещение задается за счет падения напряжения тока стока на сопротивлении R3: Uсм = Ica. R3.
Рис. 5.26. Принципиальная схема каскада с автоматическим смещением
Механизм действия автоматического смещения заключается в следующем. Ток стока создает на резисторе R3 падение напряжения, плюсом к истоку. Так как управляющая цепь затвора из-за бесконечно большого сопротивления тока не потребляет, то ток в цепи "затвор – верхний вывод резистора R1 – нижний вывод резистора R1 – нижний вывод резистора R3 – верхний вывод резистора R3 – исток" не протекает. Поэтому можно считать, что низкий потенциал нижнего вывода резистора R3 приложен непосредственно к затвору, создавая запирающее транзистор смещение.
Цель расчета заключается в оценке требуемого значения R3, при котором ПТ будет работать в режиме класса А. Методика расчета, приведенная выше, в данном случае дополняется еще одним действием: по рассчитанным значениям Uсм и Ic производится расчет R3 = Uсм/Ica, что для приведенного примера дает R3 2,2 В/0,62 мА 3,5 кОм.
При усилении сигналов переменного тока на резисторе R3 будет падать напряжение, в результате чего коэффициент усиления в схеме с автоматическим смещением уменьшится по сравнению со схемой рис. 5.25. Для исключения этого недостатка резистор автоматического смещения шунтируют конденсатором, емкость которого выбирается из условия C2 >> 1/2fн R3. Физический смысл состоит в том, чтобы на самой нижней рабочей частоте fн входного сигнала сопротивление конденсатора C2 было много меньше сопротивления резистора R3. Тогда эквивалентное сопротивление параллельно соединенных C2 и R3 будет малым, а коэффициент усиления возрастет.
Для обеспечения правильной работы ПТ в схемах необходимо создавать между затвором и общим проводом гальваническую связь. В рассмотренных выше примерах данную функцию выполняет резистор R1. Сопротивление этого резистора оказывает влияние на входное сопротивление усилительного каскада, поэтому значение R1 выбирается достаточно большим (примерно сотни килоом).