3.3. Усилитель с общим истоком

В усилителях входной и выходной сигналы обычно имеют один общий провод, соединенный с землей. В зависимости от того, какой электрод полевого транзистора подключен к этому проводу, различают три схемы включения: с общим истоком, общим стоком и общим затвором. Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных типа усилительных каскадов: с общим истоком, общим стоком и общим затвором.

На рис.7 приведена схема с обшим истоком (ОИ). Это наиболее часто используемая схема включения полевого транзистора, которая характеризуется высоким входным сопротивлением, высоким выходным сопротивлением, схема усиливает ток и напряжение, как следствие, обладает большим коэффициентом усиления по мощности. Фаза выходного сигнала сдвинута относительно фазы входного сигнала на 180 градусов. К недостаткам схемы можно отнести относительно низкую, по сравнению с другими схемами включения, верхнюю границу полосы пропускания.

Графоаналитический метод анализа работы усилителя.Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо, при отсутствии входного сигнала, установить напряжение на затворе, ток протекающий по каналу и напряжение, падающее на транзисторе. При использовании графоаналитического метода для выбора рабочей точки (задания постоянного напряжения на затворе транзистораU_зи0и величины тока стокаI^) можно воспользоваться проходной характеристикой полевого транзистора при выбранном напряжении питания, как показано на рис.8. На графике семейства выходных характеристик полевого транзистора необходимо построить нагрузочную прямуюU_си=ЕI_сR_с. Ввиду малости сопротивленияR_и(рис.7) падением напряжения на нем можно пренебречь. Нагрузочная прямая строится по двум точкам. Одна из нихU_си=Е(транзистор полностью закрыт, I_с=0) лежит на оси абсцисс, другаяI_с=Е/R_с(транзистор полностью открыт, U_си=0) расположена на оси ординат. Все возможные значения токовI_си напряженийU_сина полевом транзисторе лежат в точках пересечения его выходных характеристик с линией нагрузки. Точка пересечения выходной характеристики транзистора приU_зи0с нагрузочной прямой определяет напряжение U_си0.

Под воздействием входного напряженияU_вхпроисходит изменение тока стокаI_с, т.е. в цепи стока появляется его переменная составляющая. При активной нагрузке переменная составляющая тока стока находится в фазе с переменным напряжением на затворе транзистора и равнаI_с=SU_вх. ЗдесьS– крутизна проходной (стоко–затворной) характеристики полевого транзистора. Из рис.8 видно, что при повышении напряжения на затворе ток стока возрастает и увеличивается падение напряжения на сопротивленииR_с. Так какU_си=ЕI_сR_с, а напряжениеЕесть величина постоянная, то напряжениеU_сипри этом падает. Таким образом, сдвиг фаз между входным и выходным напряжением равен 180.

Для того, чтобы усилитель работал без тока затвора, вносящего нелинейные искажения, и уменьшить постоянную составляющую тока стока на затвор транзистора (относительно истока) подается отрицательное напряжение смещения так, чтобы рабочая точка находилась приблизительно на середине прямолинейного участка стоко–затворной (проходной) характеристики, как это показано на рис.8. Источником напряжения смещения может служить батарея или маломощный выпрямитель. На рис.9 показано включение такого источника в цепь затвора. Более распространенным является автоматическое смещение, в качестве которого используется небольшая часть напряжения источника питанияЕ. Получение автоматического напряжения смещения показано на рис.10. В цепь истока между истоком и минусом источникаЕвключается сопротивлениеR_и, называемое сопротивлением смещения. Постоянная составляющая тока истокаI_исоздает на сопротивленииR_ипадение напряженияU_и=I_иR_ис полярностью, показанной на рисунке. Потенциал земли () относительно истока равенI_иR_и, а потенциал затвораU_з относительно земли равен нулю, так как полевой транзистор работает без тока затвора. Поэтому потенциал затвора относительно истока равенU_зи=I_иR_и. Например, еслиR_и=500Ом иI_и=5мА, то напряжение смещенияU_зи=0,05500=2,5В.

Из рис.8 видно, что сначала при увеличении амплитуды входного напряжения, амплитуды тока истока и напряжения выходного сигнала линейно увеличиваются, т.е. U_выхпропорциональноU_вх. Это соответствует линейному участку амплитудной характеристики (рис.5). При дальнейшем увеличении амплитуды входного сигнала форма импульсов тока стока вначале искажается и в дальнейшем ограничивается, что связано с нижним и верхним загибом проходной характеристики полевого транзистора. На амплитудной характеристике (рис.5) появляется отклонение от линейности и загиб. Таким образом, при больших входных гармонических сигналах на входе выходной сигнал становится не гармоническим, т.е. появляются нелинейные искажения.

На рис.11. приведена принципиальная схема двухкаскадного усилителя с общим истоком. На этой схеме пунктиром показаны паразитные емкостиС_си, С_м(монтажа) и С_зивторого каскада.

Для объяснения формы АЧХ удобно воспользоваться эквивалентными схемами. На рис.12показана эквивалентная схема для всех частот для переменных токов и напряжений первого каскада усилителя, изображенного на рис.11. На этой схеме полевой транзистор заменен эквивалентным генератором с ЭДСU_вхи внутренним сопротивлениемR_i. Здесь–статический коэффициент усиления транзистора, аR_i– его внутреннее сопротивление. Сопротивление нагрузкиR_с1одним выводом соединено со стоком, а другим – с истоком через большую емкостьС_пит, подключенную параллельно источнику питанияЕ. ПараллельноR_свключена выходная паразитная емкость полевого транзистора сток – истокС_с. Выходное напряжение сR_с1через разделительную емкостьС_р2подается на сопротивлениеR_з2– входное сопротивление второго каскада. Если второго каскада нет, то вместоR_з2на эквивалентной схеме следует изобразитьR_н (сопротивление нагрузки). ПараллельноR_з2включены паразитные емкости С_миС_зи. Для понимания процессов, происходящих в схеме, необходимо знать порядки величин сопротивлений и емкостей усилителя. ОбычноR_iравняется нескольким десяткам кОм,R_с1–нескольким десяткам или сотням кОм,R_ндолжно быть того же порядка величины, что иR_с1или больше (например, это может быть входное сопротивление второго каскада R_з2).R_з1R_з20.51.0МОм,С_р1С_р20.010.1мкФ,С_зи10пФ,С_зс3пФ иС_си1пФ,С_м2пФ.

На нижних частотах сопротивления паразитных емкостей R_с1, R_з2и R_з2, поэтому их можно не учитывать. Эквивалентная схема для нижних частот приведена на рис.13. Для примера допустим, что эквивалентный генератор вырабатывает ЭДСU_вх=10В. ПустьR_с1=R_iиR_з2R_с1. Тогда на сопротивленииR_с1выделится напряжениеU₁₁=5В. Это напряжение должно быть передано на выходные клеммы схемы (к точкам 2,2) через делитель напряженияС_Р2R_з2. Коэффициент передачи делителя. Поэтому. Так как, то зависит от частоты. Приf=0X_Ср2=иU_вых=0. При этом все напряжениеU₁₁, равное 5В, падает на конденсатореС_р2. При увеличении частоты сопротивление уменьшается,увеличивается иU_выхтакже увеличивается. На частоте f_н(нижняя граница полосы пропускания на уровне –3дБ, см. рис.6) модуль коэффициента передачи делителя равен 0.707. Отсюда, где_н= R_з2 С_р2. С этой частоты начинается область средних частот. При дальнейшем увеличении частоты потеря напряжения на конденсатореС_р2уменьшается, аU_выхрастет. На какой–то частоте падение напряжения наС_р2становится ничтожно малым и все напряжение сR_с1передается наR_з2 без потерь иU_вых=5В.

Эквивалентная схема для средних частот (рис.14), как следует из приведенных выше рассуждений, не содержит конденсатора С_Р2и паразитных емкостей, так как все еще выполняется условие R_з2. ЗдесьС_п= С_си+С₃+С_м.

Вэквивалентной схеме рис.14а сопротивленияR_с1иR_з2можно заменить эквивалентным сопротивлениеми получить новую эквивалентную схему (рис.14б). ПриR_з2R_с1сопротивлениеR_э=R_с1. Легко видеть, что АЧХ на средних частотах не зависит от частоты, так как эквивалентная схема не содержит реактивных элементов.

Из эквивалентной схемы для средних частот легко получить зависимость динамического коэффициента усиления каскада от сопротивления нагрузки R_э. Под действием ЭДСU_вхв цепи эквивалентный генератор,R_i, R_эпротекает ток. Протекая поR_э, этот ток создает на нем падение напряжения, равное. Динамический коэффициент усиления

. При R_з2R_с1.

График зависимостиК_U=f(R_э) приведен на рис.15, Из рисунка видно, что динамический коэффициент усиленияК_Uпри увеличенииR_эстремится к статическому коэффициенту усиления.

При дальнейшем увеличении частоты сопротивление паразитных емкостей уменьшается и становится соизмеримым с R_с1иR_з2. Поэтому эквивалентная схема для верхних частот содержит дополнительно паразитную емкостьС_п=С_си+С_м+С_зи(рис.16). В области верхних частот при увеличении частоты влияние (шунтирующее действие)С_пувеличивается и сопротивление нагрузки, равное, уменьшается. Из рис.15следует, что динамический коэффициент усиления каскада иU_выхпри этом уменьшаются. На частоте f_в(верхняя граница полосы пропускания на уровне –3дБ, рис.6) модуль коэффициента передачи делителяR_i,R_н^*равен 0.707что выполняется при. С учетомполучим, где.

Из эквивалентной схемы рис.16, следует, что для увеличения верхней границы полосы пропускания необходимо уменьшать величину R_э, т.е.R_с1.