3. Схемы включения полевых транзисторов

Для анализа работы усиливающее устройство удобно представлять в виде 4–полюсника с двумя входными и двумя выходными клеммами. Полевой транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. Если представить ПТ в виде 4–полюсника, то какой-то его электрод будет использован дважды, т.е. будет общим для входной и выходной цепей. Таким образом, имеются три возможных схемы включения ПТ: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС) (рис. 4).

Схемы включения полевого транзистора с ОИ (а), ОЗ (б), ОС (в)

с ис и

з

з

U_ВЫХU_ВЫХ U_ВЫХ

U_ВХ U_ВХ U_ВХ

ии з з с с

а) б) в)

Рис.4 .

4. Усилитель на полевом транзисторе

Среди усилителей, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил усилитель, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком (ОИ). На рис. 5 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта усилительного каскада.

В данной схеме использован ПТ с р-n–переходом и каналом n–типа. Поэтому полярность "+" напряжения источника питания Е_Сподается на сток, а "-" – на исток ПТ. Направления токов I_Си I_Иуказаны на схеме. Из I закона Кирхгофа следует, что I_С+ I_З– I_И= 0, где I_З— ток затвора. Но I_З 0, и, следовательно, I_СI_И.

Данная схема экономична, так как позволяет обходиться одним источником напряжения. Вместо второго источника Е_ЗИ, в цепь истока ПТ включен резистор R_И.

Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе

Рис.5.

Этот резистор необходим, чтобы обеспечить разность потенциалов U_ЗИмежду затвором и истоком ПТ. Ток истока, проходя через R_И, создает на нем падение напряжения U_ЗИо= -I_ИоR_И= -I_СоR_И, где I_Ио, I_Сои U_ЗИо— постоянные составляющие токов I_Ии I_Си напряжения U_ЗИ. Причем, более высокий потенциал U "+" имеет исток ПТ. Чтобы отрицательный потенциал "–" был приложен к затвору транзистора в цепь его затвора включен резистор R_З. Так как I_З 0, то напряжение на R_Зпрактически отсутствует. Говорят, что резистор R_Зосуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т. е. потенциал затвора равен нулю. Поэтому напряжение U_ЗИопрактически приложено к электродам ПТ затвор–исток и называется напряжением смещения.

Помимо этой функции резистор R_Звместе с резистором R_Иобразуют цепь обратной связи по постоянному току. Обратной связью называют передачу части энергии сигнала с выхода некоторого устройства на его вход. В усилителях, как правило, используется отрицательная обратная связь: часть напряжения с выхода усилителя (напряжение обратной связи U_ОС) вычитается из входного напряжения U_ВХи результирующее напряжение равное разности U_ВХ- U_ОС, подается на вход транзистора. Усилители, охваченные отрицательной обратной связью, работают более устойчиво, так как стабилизируется режим покоя усилителя. Покажем это.

Предположим, что за счет каких-то внешних воздействий (повышения температуры, случайных изменений напряжения Е_с, появления радиации и т.д.) ток стока I_Cовозрастает. Так как I_СоI_Ио, то растет и ток истока I_Ио(рис. 5), увеличивается падение напряжения на резисторе R_И, уменьшается потенциал затвора ПТ относительно истока, растет сопротивление канала, что приводит к уменьшению и, следовательно, к стабилтзации токов I_Сои I_Ио. Таким образом, с помощью резисторов R_Ии R_Збудет поддерживаться постоянство I_Сои I_Иопри воздействиях внешних факторов.

Резистор R_Иобразует, кроме того, еще цепь отрицательной обратной связи по переменному току. Действительно, пусть на вход усилителя подается положительный импульс напряжения относительно общей шины схемы. Так как в данной схеме используется транзистор с каналом n–типа, то при увеличении потенциала затвора сечение канала увеличивается и токи стока I_Си истока I_Ивозрастают. Ток истока, проходя через резистор R_И, создает на нем дополнительное падение напряжения, увеличивающее потенциал истока, и равноеI_ИR_И. Это напряжение и является напряжением обратной связи U_ОС. Следовательно, ко входу транзистора прикладывается напряжение U_ЗИ, представляющее разность двух напряжений U_ВХи U_ОС. Это следует из того, что в цепи, подключаемой к затвору и истоку транзистора, источники напряжения U_ВХи U_ОСвключены последовательно и навстречу друг с другом. Действительно, положительный импульс U_ВХповышает потенциал затвора, а напряжение обратной связи U_ОС, как было показано, увеличивает потенциал истока относительно общей шины схемы. Следовательно, разность потенциалов или напряжение между затвором и истоком U_ЗИуменьшается. К сожалению, это приводит к уменьшению модуля коэффициента усиления усилителя К, но зато другие параметры усилителя улучшаются. Если же однокаскадный усилитель должен иметь большой коэффициент усиления, то от отрицательной обратной связи по переменному току отказываются, как это сделано в данной схеме (рис. 5). Для этого достаточно параллельно резистору R_Иподключить конденсатор С_И, шунтирующий R_И. Цепь R_ИC_Иназывается цепью автоматического смещения рабочей точки и предназначена для обеспечения обратного напряжения на затворе транзистора.

Конденсаторы С_Зи С_Ииграют роль разделительных конденсаторов. Конденсатор, стоящий в цепи затвора, служит для предотвращения протекания постоянной составляющей:

1. тока затвора через источник входного сигнала;

2. тока от источника входного сигнала через резистор R_З.

Конденсатор С_С, стоящий в цепи стока, необходим для предотвращения протекания постоянной составляющей тока стока через сопротивление нагрузки усилительного каскада .

Резистор R_Сстоящий в цепи стока, является нагрузкою транзистора. С него, через разделительный конденсатор С_С, снимается выходное напряжение U_ВЫХ= - i_СR_С, i_С— переменная составляющая в цепи стока, которая появляется при подаче сигнала на вход транзистора. Изменения I_Сприводит к изменению напряжения U_СИ. U_ВЫХ= U_СИ= - i_СR_С. Знак минус говорит о том, что выходное напряжение и ток стока (или выходное и входное напряжения ПТ) находятся в противофазе. Действительно, если на вход транзистора приходит отрицательный импульс напряжения —, сечение канала становится меньше, сопротивление канала возрастает, а ток стока уменьшается. На резисторе R_Спадение напряженияi_СR_Сстановится меньше, т.е. потенциал стока транзистора возрастает, что соответствует положительному импульсу напряжения на стоке —. Таким образом, если на вход транзистора поступает отрицательный импульс, то на его выходе появляется положительный импульси наоборот. Следовательно, ПТ усиливает сигнал и инвертирует его на 180⁰.