1.3.4. Каскады “общий исток”, “общий сток”
Каскад по схеме “общий исток” на полевом транзисторе с p-n-переходом показан на рис. 30, а. Для упрощения в приведенных схемах не показаны разделительные емкости на входе и выходе.
|
Рис. 30. Каскады на полевых транзисторах с p-n-переходом |
Ток в цепи стока будет определяться уравнением
.
При работе в режиме насыщения в соответствии с уравнением (20) ток стока описывается зависимостью
.
(41)
Учитывая, что
,
запишем
(42)
В случае, если
,
слагаемым
можно пренебречь:
.
В реально используемых
режимах работы двумя последними
слагаемыми можно пренебречь. В этом
случае напряжение затвор – исток
практически не будет изменяться при
изменении входного напряжения -
.
Учитывая постоянство напряжения затвор – исток при большом значении сопротивления в цепи стока для переменной составляющей входного сигнала получим следующее уравнение:
,
где
- переменная составляющая входного
напряжения,
- переменная составляющая тока стока.
Как следует из схемы,
выходным напряжением является падение
напряжения на сопротивлении
-
.
Из последних двух уравнений определим коэффициент усиления по напряжению схемы “общий исток”:
.
Необходимое смещение
обеспечивается за счет падения напряжения
на резисторе
,
которое рассчитывается по выбранному
току стока покоя
по выражениям (41) и (42). На практике
значение
проще определять графоаналитическим
способом по входной характеристике
транзистора, как показано на рис. 31.
Прямая
называется нагрузочной характеристикой.
Как следует из рис. 30, уменьшение сопротивления позволяет работать в области с большей крутизной, но при этом уменьшается динамический диапазон и ухудшается линейность усилителя.
Определим коэффициент усиления каскада “общий исток” в статическом режиме с учетом характеристик транзистора.
При отсутствии входного
сигнала напряжение
схемы определяется выражением
.
Изменение напряжения
затвор – исток на
приведет к изменению тока стока
и напряжения на стоке
.
(43)
Поскольку в общем
случае ток стока зависит от
и
,
то изменение тока стока будет определяться
уравнением
.
Учитывая, что
,
,
получим
.
(44)
Подставляя (43) в (44), получим
.
(45)
|
Рис. 31. К выбору рабочей точки усилителя на полевом транзисторе |
Изменение напряжения
между затвором и истоком не равно
входному сигналу, поскольку из
вычитается падение напряжения на
:
.
Тогда (45) примет вид
.
Поскольку выходным
напряжением каскада “общий исток”
является изменение напряжения на стоке
,
то окончательно найдем
.
(46)
При учете сопротивления
нагрузки сопротивление
в рассмотренных выше выражениях следует
заменить на сопротивление, равное
параллельному соединению
и
-
.
Тогда выражение для коэффициента
усиления (46) примет вид
.
Если
,
и
,
то коэффициент усиления схемы определяется
выражением
,
что совпадает с ранее полученным
выражением. При этом усилитель работает
в наиболее линейном режиме.
Увеличивая отношение
,
следует помнить, что усиление транзистора
ограничено величиной
.
Выходное сопротивление
каскада определяется параллельным
включением сопротивлений
и
:
.
(47)
Поскольку ток затвора
полевого транзистора весьма мал, его
входное сопротивление на низких частотах
определяется сопротивлением
,
которое можно выбрать достаточно большим
– до десятков мегом. Однако на высоких
частотах входное сопротивление
значительно уменьшается из-за влияния
паразитных емкостей транзистора
и
.
Рассмотрим включение полевого транзистора по схеме “общий сток” показанной на рис. 30, б.
Выбор рабочей точки для каскада “общий сток” определяется так же, как и для каскада “общий исток”.
Коэффициент усиления
можно определить по формуле (46), если
учесть, что
,
и выходным сигналом является падение
напряжения на
:
.
(48)
Как следует из (48),
коэффициент передачи схемы “общий
сток” всегда меньше единицы. Он будет
приближаться к единице, если
и
,
поэтому данную схему также называют
истоковым повторителем.
Выходное сопротивление каскада “общий сток” определяется выражением
.
(49)
Как следует из сравнения
(49) с (47), выходное сопротивление каскада
“общий сток” существенно меньше, чем
каскада “общий исток”. При достаточно
больших значениях
выходное сопротивление будет обратно
пропорционально крутизне
.
Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом можно включать также, как и транзисторы с p-n-переходом. При этом для них справедливы полученные выше формулы. Отличие будет заключаться в способе установки напряжения смещения.
Для полевых транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом принципиально необходимо наличие напряжения смещения, что видно из рис. 31. Схемы включения таких транзисторов показаны на рис. 32.
|
Рис. 32. Каскады на полевых транзисторах с индуцированным каналом |
При установке напряжения
смещения, как показано на рис. 31,
нагрузочная характеристика будет
выходить не из начала координат, а из
точки, определяемой напряжением на
затворе
,
которое задается резистивным делителем:
.
В остальном расчет схем на полевых транзисторах с индуцированным каналом проводится так же, как для схем на полевых транзисторах с p-n-переходом.
Сравнивая характеристики схем “общий эмиттер” и “общий исток” можно сказать, что усилитель на биполярном транзисторе позволяет получить значительно больший коэффициент усиления по напряжению и меньшее выходное сопротивление. Достоинством схем на полевых транзисторах является очень высокое входное сопротивление. Кроме того, полевые транзисторы, особенно с p-n-переходом, имеют меньший уровень собственных шумов. Указанные свойства каскадов на полевых транзисторах обусловили их преимущественное использование во входных цепях высокочувствительных усилителей.