3.2.Схема усилителя с общим истоком

По аналогии с биполярными транзисторами в зависимости от того, какой электрод используется в качестве общего заземленного электрода, различают три схемы включения полевых транзисторов: общий исток (ОИ), общий сток (ОС) и общий затвор (03).

Схема с общим истоком (рис. З.3) имеет много общего со схемой ОЭ для биполярного транзистора. Различие состоит в том, что управляющий переход затвор-исток полевого транзистора имеет обратное смещение и поэтому входная цепь полевого транзистора практически не потребляет тока от источника сигнала.

Рис. 3.3. Усилитель RC-типа с общим истоком

В схеме рис. 3.3 резистор R_и обеспечивает ООС по постоянному току. Такая обратная связь в усилителях на полевых транзисторах является удобным средством установки рабочей точки. Последовательно с полевым транзистором включен резистор R_с. Изменение тока через этот резистор приводит к изменений падения напряжения на нем, которое во много раз больше входного сигнала.

Для расчета схемы в статическом режиме необходимо задать ток стока транзистора. По сток-затворной характеристике определяется соответствующее этому току значение напряжения U_зи .В зависимости от выбранной величины тока стока оно может принимать значение от 0 до U_отс. Для определения напряжения U_зи воспользуемся приближенным выражением

.

Из этого выражения можно определить сопротивление в цепи истока

.

В качестве примера зададим следующие параметры полевого транзистора: I_{с макс}=10 мА, U_отс=–3В и выберем величину I_с =+ 3 мА..

При атом U_зи=–3(1– )=1,36В. Сопротивление резистора в цепи истока R_и составит 1,36 В / 3 мА = 452 Ом.

Потенциал стока при отсутствии сигнала выбирается из условия

U_c  |U_отс| + |U_с| _макс.

При размахе выходного напряжения 2 В и допуске 2 В для потенциала стока U_с при отсутствии сигнала выбираем значение U_с = 7 В.

Если напряжение источника питания равно 15 В, то величина сопротивления резистора в цепи стока полевого транзистора

R_с = (15– 7) / 3 мА = 2,7 К.

Крутизна характеристики транзистора в рабочей точке определяется из приближенной формулы:

.

На рис. 3.4 приведена упрощенная малосигнальная эквивалентная схема усилительного каскада с общим истоком в области средних и высоких частот.

Рис. 3.4. Эквивалентная схема усилителя RC-типа с ОИ в области средних и высоких частот

На этой же схеме показаны межэлектродные емкости С_зи, С_зс, С_си, учет которых необходим при анализе усилителя в области высоких частот.

Определим коэффициент усиления по напряжению в области средних частот

,

где U_н = – S U_зи r_си|| , =R_н || R_с, .

При R_г « R_з .

Усилитель с ОИ из-за высокого входного сопротивления обладает наибольший из всех транзисторов коэффициентом усиления по мощности

.

Так при К_u = 1, R_вх = 200 мОм, R_вых = 2 кОм, К_р = 100 на один каскад.

Чтобы увеличить коэффициент усиления по напряжению в схеме ОИ нагрузка в цепи стока по переменному току должна быть высокоомной. Поэтому в схемах усилителей широко применяют динамическую нагрузку, т.е. вместо резистора R_с включают генератор стабильного тока, построенный на биполярных или полевых транзисторах.

Выходное сопротивление усилительного каскада R_вых = r_си||R_c определяется величиной R_с, если R_с « r_си.

Входное сопротивление в области низких частот определяется величиной сопротивления резистора R_з, выбор величины которого может быть в значительной мере произвольным. Максимальное значение сопротивления резистора R_з определяется, как указывалось выше, допустимым падением напряжения на нем, обусловленным током утечки затвора. При этом максимальная величина сопротивления R_з составляет несколько мегаом.

На более высоких частотах необходимо учитывать в схеме усилителя полные сопротивления Z_зс, Z_зи, Z_зс. Так, входная проводимость, определяемая отношением входного тока к входному напряжению на входных зажимах

Здесь К — коэффициент усиления по напряжению схемы ОИ.

Таким образом, можно считать, что эквивалентная схема входной цепи транзисторного усилителя на высоких частотах содержит резистор R_з, емкость С_зи и емкость в (1 + К) раз большую, чем С_зс.

Входная емкость полевого транзистора образует с внутренним сопротивлением источника сигнала Г- образное звено фильтра низких частот, граничная частота которого (на уровне – 3 дб):

,

если R_з » R_г.

При активном сопротивлении нагрузки обратная связь через емкость С_зс увеличивает эквивалентную входную емкость.

Если сопротивление нагрузки реактивное, задача усложняется, так как коэффициент усиления становится комплексным. Можно показать, что при индуктивной нагрузке во входную цепь через емкость С_зс вносится отрицательное сопротивление, которое может служить причиной самовозбуждения усилителя.