7.4. Усилители на полевых транзисторах

В качестве примера рассмотрим RC–усилитель на полевом транзисторе сp-n–переходом, включенным с общим истоком (рис. 7.13). Используем транзистор с каналомn-типа. Для используемого транзистора начальное напряжениеu_издолжно быть положительным (p-n-переход должен находиться под запирающим напряжением). С целью получения этого напряжения в цепь истока включают резисторR_и, на котором возникает падение напряженияu_Rиот протекания по нему начального тока истокаI_ин.

Рис. 7.13. Усилитель на полевом транзисторе

Напряжение u_Rичерез резисторR_з передается на затвор. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежительно мал, падение напряжения на резистореR_зпрактически равно нулю, поэтомуu_из=u_Rи.

Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы называют схемой с автоматическим смещением.

Пусть задан начальный ток стока (I_CH =I_ИН) и начальное напряжениеU_ИЗНмежду истоком и затвором. Тогда резисторR_И следует выбрать из соотношения

.

Резистор R_З обычно выбирают порядка 1МОм.

Рассматриваемая схема обеспечения начального режима работы характеризуется повышенной стабильностью. Если по каким-либо причинам начальный ток стока I_СНначнет увеличиваться, то это приведет к увеличению напряженийU_RИиU_ИЗ, что будет препятствовать значительному увеличению токаI_CН.

Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот определяется равенством

,

где S– статическая крутизна характеристики полевого транзистора, определяемая по справочникам.

Назначение конденсаторов С₁,С₂иС₄аналогично назначению соответствующих конденсаторовRC–усилителя на биполярном транзисторе.

Частотные характеристики рассматриваемого усилителя подобны частотным характеристикам RC–усилителя на биполярном транзисторе.

Лекция 8 Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Вначале такие усилители использовались в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение термина «операционный».

В настоящее время операционные усилители широко используются в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Операционные усилители удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко применяются на практике.

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15 Ви –15В). По-другому это называется питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника.

Условное графическое обозначение операционного усилителя показано на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Графическое обозначение операционного усилителя

Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для пояснения назначения выводов на рис. 8.2 приведена типовая схема на операционном усилителе – схема инвертирующего усилителя.

Рис. 8.2. Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя

Если входное напряжение u_вх достаточно мало по модулю, то выходное напряжениеu_выхопределяется выражением

.

Часто на схемах выводы +U, –Uи0Vне указывают (но подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис. 8.3). При этом приведенная на рис. 8.2 типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 8.4).

Рис. 8.3

Рис. 8.4

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис. 8.5).

Рис. 8.5

Напряжение u_дифмежду инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно, что. Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжениеu_выхпри изменении дифференциального сигнала (т. е. разности) и как можно меньше изменяли напряжениеu_выхпри одинаковом изменении напряженийи.

Пусть u_диф=0. Обозначим синфазное напряжение (синфазный сигнал). Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

Передаточная характеристика.Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида

,

где f– некоторая функция.

График этой зависимости для операционного усилителя К140УД1Б приведен на рис. 8.6. Эта конкретная характеристика не проходит через начало координат. Значение напряжения u_диф, при котором выполняется условиеu_вых=0, называют напряжением смещения нуля и обозначают черезU_см. Для операционного усилителя типа К140УД1 известно, что напряжениеU_см лежит в диапазоне от –10мВдо + 10мВ. А это означает, что при нулевом напряженииu_дифнапряжениеu_вых может лежать в пределах от минимально возможного (около –7В) до максимально возможного (около +10В).

Рис. 8.6. Передаточная характеристика операционного

усилителя К140УД1Б

Для того, чтобы при нулевом сигнале на входе напряжение на выходе было равно нулю, т. е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). В некоторых операционных усилителях для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. Типовая схема включения операционного усилителя типа К140УД8А, в котором предусмотрены такие выводы, представлена на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Схема включения операционного усилителя К140УД8А

Через NCобозначены специальные выводы для балансировки. Цифрами обозначены номера выводов.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режиме

,

где К– коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала).

Обычно величина Клежит в пределах 10⁴…10⁵. Например, для операционного усилителя типа К140УД1БК=1350…12000, для операционного усилителя К140УД14АКне менее 50000.

Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения.

Реальные электронные устройства на основе операционных усилителей практически всегда имеют коэффициент усиления значительно меньше К, так как в них используется отрицательная обратная связь (рис. 8.2).