3. Каскады усилителей переменного тока
3.1. Каскады на полевых транзисторах
3.1.1. Принципиальные схемы каскадов
Усилители
переменного тока предназначены для
усиления сигналов в диапазоне частот
от
до
.
Эти крайние частоты полосы пропускания
называются:
– нижняя граничная частота, она
обязательно больше нуля, и
– верхняя граничная частота, у идеального
усилителя она стремится к бесконечности.
Усилители состоят из отдельных каскадов,
соединенных последовательно (каскадно).
Каскады строятся на основе транзисторов.
Н
а
рис. 3.1 приведена схема усилительного
каскада на полевом транзисторе с общим
истоком (ОИ), отличающегося тем, что
входной сигнал
подается на затвор, а выходной сигнал
снимается со стока (источник питания
является источником напряжения с очень
низким внутренним
сопротивлением). При нулевом входном
напряжении (
)
постоянный ток стока
,
а также напряжения
и
(т.е. режим покоя) полностью определяются
значением
и сопротивлениями резисторов
,
что следует из анализа уравнений входной
(затвор–истоковой) и выходной
(сток–истоковой) цепей (
– тепловой ток закрытого p-n-перехода):
(3.1)
Таким
образом, резистор
задает напряжение
в рабочей точке (а в конечном счете, ток
стока
),
резистор
обеспечивает гальваническую связь
затвора с общей шиной, т.е. обеспечивает
передачу напряжения с резистора
на участок затвор–исток, а от резистора
зависит (при выбранном токе
)
величина напряжения
в режиме покоя (
).
Напряжения
,
и ток
являются параметрами рабочей точки.
Сопротивление
можно задавать в довольно широких
пределах, однако оно не должно быть
слишком большим, иначе на нем ток
создаст заметное падение напряжения,
причем нестабильное, которое изменит
положение рабочей точки. Но оно не должно
быть и слишком малым, чтобы не перегрузить
источник входного сигнала, в качестве
которого может выступать предыдущий
каскад. Назначение резистора
– преобразование изменения тока стока
,
вызванного действием входного сигнала,
в изменение выходного напряжения, т.е.
от него зависит коэффициент усиления
напряжения каскада
.
Резистор
,
кроме того что задает напряжение
,
еще и стабилизирует
положение рабочей точки, что можно
объяснить действием отрицательной
обратной связи, образованной элементом
,
который входит как во входную, так и в
выходную цепь. Но отрицательная обратная
связь уменьшает коэффициент усиления,
поэтому резистор
блокируют конденсатором
,
что позволяет в диапазоне рабочих частот
(от
до
)
уменьшить сопротивление в цепи истока
и тем самым исключить уменьшение
.
Разделительный
конденсатор
отделяет по постоянному току вход
каскада от выхода предыдущего каскада
либо другого источника сигнала, в
результате чего каждый каскад по
постоянному току оказывается изолированным
от остальной схемы, что значительно
облегчает обеспечение режимов по
постоянному току каскадов. При этом
емкость конденсатора
выбирают достаточно большой, чтобы без
потерь передавать сигнал на вход каскада
в диапазоне рабочих частот.
Рис. 3.2. Усилительные каскады: а – ОЗ; б – ОС
Две другие схемы
включения полевого транзистора в
усилительном каскаде приведены на рис.
3.2. В схеме с общим затвором (ОЗ) входной
сигнал подается на исток, а выходной
снимается со стока, тогда как в схеме с
общим стоком (ОС) выходной сигнал
снимается с истока, а входной подается
на затвор. В схеме на рис. 3.2,а
,
поскольку резистор
не нагружает источник входного сигнала,
а в схеме на рис. 3.2,б резистор
подключен к общему зажиму резисторов
и
,
благодаря чему напряжение смещения в
рабочей точке
определяется малым сопротивлением
,
в то время как сопротивлением, преобразующим
изменение тока
в изменение выходного напряжения,
является
.
Схемы
каскадов, построенных на МДП-транзисторах
с индуцированным каналом (рис. 3.3),
отличаются от соответствующих схем на
полевых транзисторах с управляющим
p-n-переходом
(рис. 3.1 и 3.2) только наличием резистивного
делителя
,
обеспечивающего подачу напряжения
определенной полярности на затвор
транзистора, что необходимо для
образования у МДП-транзистора
индуцированного канала:
.
(3.2)
Резистор
в каскадах рис. 3.3 служит исключительно
для стабилизации режима по постоянному
току, а напряжение
в рабочей точке, как видно из (3.2), задается
элементами
и
.
Рис. 3.3. Каскады ОИ (а), ОЗ (б) и ОС (в) на
МДП-транзисторах с индуцированным каналом
Схемотехника
каскадов на МДП-транзисторах со встроенным
каналом при работе в режиме обогащения
аналогична схемотехнике каскадов на
МДП-транзисторах с индуцированным
каналом, а при работе в режиме обеднения
– схемотехнике каскадов на полевых
транзисторах с управляющим p-n-переходом
(возможен также режим при
).