4.4.4 Усилительный каскад с ок

Коллектор транзистора в схеме усилительного каскада с ОК по переменному току соединен с корпусом через С_бл (рисунок 4.25). При этом входное напряжение подключено между базой и коллектором, а выходное – снимается непосредственно с эмиттера транзистора.

Режим работы усилительного каскада с ОК по постоянному току определяется резистором R_э. Делитель напряжения R₁, R₂ и разделительные конден­саторы С₁, С₂ выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ. При расчете каскада с ОК по постоянному току ис­пользуют графоаналитический метод по аналогии со схемой ОЭ. Линию нагрузки по постоянному току в этом случае проводят также через две точ­ки: 1– I_кх = 0, U_кх = Е_к; 2 – U_кз = 0, I_кз = Е_к/R_э.

Выходное напряжение в каскаде с ОК совпадает с входным по фазе. Так, например, при поступлении положительного приращения входного напря­жения ток базы увеличивается, вызывая возрастание токов коллектора и эмиттера. Это приводит к увеличению падения переменного напряжения на сопротивлении нагрузки R_эн, с которого снимается выходное напряжение. При подаче отрицательного приращения падение переменного напряжения на сопротивлении нагрузки уменьшается.

Рисунок 4.25 – Усилительный каскад с ОК

Согласно принципу действия кас­када ОК, амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного, поскольку они связаны соотношением: U_вых = U_вх – U_бэ. Поэтому коэффициент усиления по напряжению

. (4. 44 )

Как правило, U_бэ << U_вх, следовательно, К_U  1, a U_вых  U_вх.

Т.е. выходное напряжение повторяет входное по значению и по фазе. Поэтому, усилительный каскад с ОК называют еще эмиттерным повторителем.

Сопротивление нагрузки по переменному току

R_эн = R_эR_н/( R_э + R_н). (4. 45 )

Коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада с ОЭ:

К₁ = I_н/I_вх  I_э/ I_б  h₂₁ + 1. (4. 46 )

Входное сопротивление

. (4. 47 )

Выходное сопротивление при h₂₁ >>1:

R_вых=U_вых/I_нU_вх/I_э=U_вх/I_б(1+h₂₁)=R_вх/(h₂₁+1)h₁₁/h₂₁. (4. 48 )

4.4.5 Усилительные каскады на полевых транзисторах

В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (до десятков Мом и выше). Поэтому и усилительные каскады на полевых тран­зисторах обладают большими входными сопротивлениями. С повышением частоты входное сопротивление уменьшается из-за наличия емкостей затвор – исток и затвор – сток. Управление выходным то­ком в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости ка­нала р-или n-типа, через который под воздействием электрического поля протекает ток. Полевые транзисторы управляются по входной цепи напряжением (электрическим полем – отсюда название – полевые), а не током. Ток затвора мал и для кремниевых структур с управляющим p-n-переходом не превышает 10^-8 А. Для МДП – транзисторов этот ток на несколько порядков меньше. В полевых транзисторах электропроводность канала обусловлена движением носителей только одного типа, поэтому по принципу действия они являются униполярными.

На рисунке 4.26 представлена типовая схема усилительного каскада с общим истоком (ОИ) на МДП-транзисторе с собственным каналом n-типа, в которой назначе­ние резисторов R₁, R₂ и конденсаторов С₁ и С₂ такое же, как и в каскаде с ОЭ[4]. В схеме резистор R_и выполняет функцию термостабилизации режима работы каскада по постоянному току стока I_сп. Для исключения ООС по переменно­му току резистор R_и шунтируют конденсатором С_и.

Рисунок 4.26 – Усилительный каскад с ОИ на МДП-транзисторе

Нагрузкой по переменному току в усилительном каскаде с ОИ является сопротивление

R_сн = R_сR_н/( R_с + R_н). (4. 49 )

Анализ работы каскада с ОИ проводится графоаналитическим методом, используя статические стоковые и стокозатворные характеристики МДП-транзистора (рисунок 4.27)[4]. Линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2 на рисунке 4.27 а) проводят через две точки в соответствии со вторым законом Кирхгофа для стоковой цепи:

Е_с = U_сип + I_сп (R_с + R_н). (4. 50 )

Тогда координаты определят­ся следующим образом – для точки 1– I_сх = 0, U_сх = Е_с; для точки 2 – U_сз = 0, I_сз = Е_с/(R_c + R_и).

Рисунок 4.27 – Графический анализ работы каскада с ОИ с помощью характеристик МДП-транзистора: а – стоковых; б – стокозатворной

Линия нагрузки по перемен­ному току проходит через точку покоя П (линия 3-4 на рисунке 4.27, а) и ее наклон определяется вели­чиной сопротивления R_сн.

Усилительный каскад с ОИ на полевом транзисторе аналогично каскаду с ОЭ на биполярном транзисторе изменяет фазу входного сигнала на 180°. Наиболее значимые показатели каскада с ОИ для линейного режима усиления можно рассчитать с помощью его эквивалентной схемы (рисунок 4.28)[4], основа которой – схема замещения МДП-транзистора (обведена на рисунке 4.28 штриховой линией). В эквивалентной схеме каскада усилительные свойства МДП-транзистора отражены генера­тором тока SU_вх с параллельно включенным внутренним сопротивлением транзистора r_i. Величина S = ∆I_c/∆U_зи – есть крутизна стокозатворной характеристики, которая определяется с помощью кривой на рисунке 4.27, б.

Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением R₃ = R₁R₂/(R₁+R₂₎, а нагрузка каскада по переменному току – сопротивлением R_сн. Межэлектрод­ные емкости С_зи и С_зс отражают наличие входной и проходной емкостей , а емкость С_си – межэлектродную выходную емкость МДП-транзистора.

Рисунок 4.28 – Эквивалентная схема каскада с ОИ

Коэффициент усиления по напряжению нетрудно найти из эквивалентной схемы каскада (рисунок 4.28).

.

Как правило, в полевых транзисторах r_i >>R_c и r_i >>R_cн, поэтому

К_u = SR_сн. (4. 51 )

Входное сопротивление каскада с ОИ определяется в основном делите­лем в цепи затвора: R_вх = R_з.

Выходное сопротивление каскада приблизительно равно сопротивлению: R_вых  R_cн.

В типовой схеме усилительного каскада с общим стоком (ОС) (истокового повторителя) на МДП-транзисторе (рисунок 4.29)[4] ре­зисторы R₁, R₂ и R_и задают режим покоя. Нагрузкой усилительного каскада по постоянному току является резистор R_и, а по переменному току – сопро­тивление параллельно включенных резисторов R_и и R_н: R_ин = R_иR_н/(R_и + R_н). Как и в каскаде с ОК, выходное напряжение в истоковом повторителе совпа­дает по фазе с входным и практически равно ему.

Коэффициент усиления по напряжению

. (4.52 )

Поскольку SR_ин >>1, то коэффициент усиления близок к единице.

Рисунок 4.29 – Истоковый повторитель

Входное сопротивление истокового повторителя очень высокое и достигает сотен МОм. Во-первых, это связано с малой величиной входной емкости МДП-транзистора. Поскольку реактивное сопротивление этой емкости достаточно велико, то оно практически не шунтирует входную цепь каскада. Во-вторых, это обусловлено тем, что между затвором и истоком приложена разность напряжений U_зи = U_вх – U_вых, которая невелика. Вследствие высокого входного сопротивления входной ток МДП-транзистора оказывается очень малым и мощность, отбираемая от генератора, невелика.

В каскаде с ОС действует 100% последовательная обратная связь по напряжению. Поэтому этот каскад обеспечивает хорошую стабильность коэффициента усиления.

Выходное сопротивление истокового повторителя, как правило, существенно меньше, чем у каскадов с общим истоком. Это следствие того, что обратная связь, повышая входное сопротивление, понижает выходное.