5.2.4. Малосигнальные эквивалентные схемы и усилительные параметры пт

и каскадов на их основе

МЭС ПТ представлена на рис. 5.27, куда входят всего два элемента: источник тока стока i_c = Su_зи с крутизной усиления S = dI_c/dU_зи и дифференциальное сопротивление канала r_c = dU_си/dI_c. Усилительные параметры S и r_c ПТ оцениваются соответственно по формулам (5.15) и (5.20).

Рис. 5.27. Малосигнальная эквивалентная схема ПТ

Чтобы составить МЭС усилительного каскада, необходимо пририсовать к МЭС самого ПТ все внешние элементы по определенным правилам, а затем по возможности упростить полученную схему. Таким образом, получена МЭС каскада с ОИ и внешним смещением (рис. 5.28). Полагая Xc << R1 и rc >> R2, нетрудно вывести формулы для оценки основных усилительных параметров каскада:

K_u = u_вых/u_вх = i_c  R2/u_вх = S  u_вх R2/u_вх = S  R2;

K_i = i_вых/i_вх = i_c/i_вх = S  u_зи/(u_вх/R1) = S  R1;

R_вх = R1; R_вых = R2. (5.23)

Рис. 5.28. МЭС каскада с внешним смещением

МЭС для схемы с автоматическим смещением (при отсутствии конденсатора C2) изображена на рис. 5.29. Тогда имеем систему уравнений для оценки K_u:

u_вых = i_cR2 = SR2u_зи;

u_зи = u_з – u_и = u_вх – i_cR3.

Отсюда получаем

K_u = SR2 /(1 + SR3). (5.24)

Рис. 5.29. МЭС каскада с автоматическим смещением

Если учесть наличие емкости C2, то вторым слагаемым в знаменателе (5.24) можно пренебречь и K_u = SR2. Остальные параметры данной схемы такие же, как у предыдущей.

На рис. 5.30 и 5.31 представлены схема каскада с ОС и его МЭС. Усилительные параметры рассчитываются по следующим формулам:

K_u = SR3/(1 + S R3);

K_i = SR1/(1 + SR3);

R_вх = R1; R_вых = R3/(1 + SR3). (5.25)

Рис. 5.30. Принципиальная схема истокового повторителя

Рис. 5.31. МЭС каскада с общим стоком

Кроме типовых усилительных каскадов с ОИ и ОС, на практике нашли широкое распространение такие схемотехнические решения, как: составные ПТ, каскоды, дифференциальные усилители, отражатели и генераторы тока. В качестве примера рассмотрим составной ПТ и генератор тока на ПТ.

Составной ПТ применяется в тех случаях, когда необходимо увеличить либо входное сопротивление БТ, либо крутизну усиления ПТ. Составной ПТ (рис. 5.32) состоит из двух транзисторов, первый из которых полевой, а второй – биполярный. Тип транзистора в такой паре определяется типом первого транзистора. Таким образом, в целом данная структура является ПТ. Ток составного ПТ складывается из тока коллектора БТ и тока стока первого ПТ:

i_c = i_к + i_s = i_б + i_s = i_s + i_s = ( +1)i_s = ( +1) Su_зи.

Следовательно, общая крутизна усиления составного ПТ

S_c = ( +1)S,

что в ( +1) раз больше крутизны усиления одного ПТ. Входное сопротивление определяется входным сопротивлением первого ПТ и потому очень велико.

Рис. 5.32. Составной ПТ Рис. 5.33. Генератор тока на ПТ

Генератор тока на ПТ. Базовая схема такого генератора изображена на рис. 5.33. Она содержит два элемента – ПТ и резистор R, с помощью которого осуществляется установка требуемого значения выходного тока стока. Для расчета выходного тока нужно решить квадратное уравнение, непосредственно следующее из проходной характеристики ПТ: I_c = I_cн(1 – RI_c/U_о)². Из двух возможных решений выбираетcя одно, имеющее физический смысл. Например, отбрасываются отрицательные значения или те, для которых RI_c  U_о. Выходное сопротивление источника тока можно оценить из формулы R_вых = r_c (1 + SR).

Рассчитаем выходное сопротивление такого источника тока, взяв данные из примера расчета усилительного каскада с автоматическим смещением НРТ. Нам известны параметры ПТ: I_cн = 2 мА; U_о =5 В, а также значения R = 3,5 кОм и I_c = 0,62 мА. Оцениваем крутизну и дифференциальное сопротивление канала:

S = 2I_cн(1 – U_зи/U_о)/U_о = 2 2 мА (1 – 7/16)/5 В = 9/20 мА/В;

r_c = U_кр/I_c = 50 В/0,62 мА = 81 кОм.

В конечном итоге получаем

R_вых = 81 кОм^. (1 + 9^. 3,5/20) = 208 кОм.

Такой источник тока на ПТ работает при U_си  U_сн = U_о - U_зи = 5 – 2,2 = = 2,8 В. Этот расчет иллюстрирует эффективность транзисторной схемотехники. Подобные источники тока используются так же, как элементы активной (дифференциальной) нагрузки, вместо обычных высокоомных резисторов, в интегральной схемотехнике.