3.9 Усилительные каскады на полевых транзисторах

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что полевой транзистор управляется по входной цепи напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на полевых транзисторах осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности.

Полевые транзисторы имеют три включения (см. рис. 2.1). В соответствии с названиями электродов различабт каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ). Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное применение. Поэтому, ниже рассматриваются толко каскады ОИ и ОС. рассмотрение ведется только для транзисторов с каналом n-типа. С учетом изменения полярности напряжений питания его можно рассматривать и для усилительных каскадов на транзисторах с каналом p-типа.

Схема усилительного каскада ОИ приведена на рис. 3.28. Каскад выполнен на МДП- транзисторе со встроенным каналом n-типа. Работа транзистора возможна как в режиме обогаения, так и в режиме обеднения. Основными элементами каскада являются транзистор Т, резистор R_c и источник питания +Е_с. Элементы R_з, R₁, R_н предназначены для задания напряжения затвор-исток в режиме покоя U_зип. Резистор Rн создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора.

Рис. 3.28

Принцип выбора режима покоя тот же, что и для схемы на биполярном транзисторе, и показан на рис. 3.28. Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:

; (3.70)

Iсп>Iсm. (3.71)

Точка покоя Р располагается на линии нагрузки, проходящей через две точки с координатами А(0, Е_с) и Б(Е_с/R_с, 0).

Ток стока покоя I_сп и напряжения сток-исток покоя U_сип связаны соотношением

(3.72)

и определяются напряжением затвор-исток U_зип точки покоя. Напряжение U_зип представляет собой параметр стоковой характеристики, проходящей через точку покоя Р (рис. 3.29).

Для рассматриваемого типа МДП-транзистора в режиме покоя напряжение на затворе может иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно истока или быть равным нулю.

Рассмотрим случай, когда U_зип<0. Такой режим обеспечивается только резисторами R_з и R_н, резистор R₁ не нужен (см. рис. 3.28). Необходимые величины и полярность напряжения получаются на R_н в результате протекания через него тока I_ип=I_сп. В связи с этим выбор резистора R_н производят как

R_н=U_зип/I_сп. (3.73)

Резистор R₃ предназначен для обеспечения потенциала затвора равным потенциалу нижнего вывода резистора R_н, т.е. для подачи напряжения U_зип с резистора R_н между затвором и истоком транзистора. R_э выбирают на несколько порядков меньше

Рис. 3.29

входного сопротивления транзистора. Это необходимо для исключения влияния температурной нестабильности и разброса значения входного сопротивления транзистора на величину входного сопротивления каскада. Эначения R₃ принимают равным 1-2 мОм.

Резистор Rн создает также отрицательную обратную связь в каскаде, стабилизирующую положение точки каскада. С целью повышения стабильности R_н необходимо увеличить сверх значения, нужного для обеспечения напряжения U_зип. Требуемая при этом компенсация избыточного напряжения U_зип осуществляется подачей на затвор соответствующего напряжения U_зп путем включения в схему резистора R₁. Из условия указанной компенсации получается соотношение, которое может быть использовано для расчета R₁:

; (3.74)

. (3.75)

Величину U_ип определяют с учетом выбора напряжения питания:

. (3.76)

Повышение напряжения U_ип так же, как и в каскаде ОЭ напряжения U_эп, благополучно сказывается на стабильности точки покоя из-за увеличения сопротивления R_и, одноко при этом возрастает требуемое напряжение источника питания E_c. поэтому выбирают напряжение (0,1-0,3) Е_с, и тогда

. (3.77)

При U_зип>0 обязательно включение резистора R₁, а наличие R_н необходимо для стабилизации режима покоя. Выбор элементов производится с использованием соотношений (2.74)-(3.77). При этом в выражениях (3.74) и (3.76) следует соответственно либо положить напряжение U_зип равным нулю, либо изменить знак перед напряжением U_зип. Режим U_зип>0 является типичным для полевых транзисторов с индуцированным каналом.

При выборе типа транзистора учитывают максимальный ток стока I_{с max}, максимальное напряжение U_{си max} и максимальную рассеиваемую мощность в транзисторе P_{с max} (рис. 3.29).

Каскад ОИ, так же как и схема ОЭ на биполярном транзисторе, осуществляет поворот по фазе 180₀ усиливаемого сигнала.

Определим основные показатели усилительного каскада. С этой целью воспользуемся его эквивалентной схемой, представленной на рис. 3.28 а. Схема построена с испольованием эквивалентной схемы МДП-транзистора (рис. 3.27). На схеме рис. 3.30 емкость С_и не показана, так как считается достаточно большой и ее сопротивление по переменному току близко к нулю. Поэтому не показан и резистор R_n.

Выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению для средних частот. когда сопротивления всех конденсаторов в схеме замещения еще достаточно велики, записывается в виде

(3.78)

или (3.79)

Рис. 3.30

Произведение Sr_i называют статическим коэффициентом усилителя полевого транзистора. С учетом Sr_i=m выражение (3.75) принимает вид . (3.80)

На основании выражения (3.80) возможен второй вариант построения схемы замещения каскада ОИ — с источником напряжения mU_вх (рис. 3.30 б).

Если учесть, что R_c<<r_c, то коэффициент усиления каскада по напряжению

. (3.81)

Входное сопротивление каскада ОИ определяется параллельно соединенными сопротивлениями R₁, R₃:

R_вх=R₁||R₃. (3.82)

Выходное сорпротивление каскада ОИ

. (3.83)

При работе в области высоких частот необходимо учитывать входную и выходную емкости каскада.

При расчете входной емкости должны быть учтены межэлектродные емкости C_зи, С_зо транзистора (рис. 3.30 а), а также емкость монтажа входной цепи С_м (емкость деталей и проводников входной цепи каскада). Указанные емкости создают на высоких частотах реактивные составляющие токов входной цепи, определяющие суммарный входной ток каскада

. (3.84)

Токи определяются входным напряжениемкаскада, а ток— напряжением сток-затвор. Так как напряжение на стоке находится в противофазе с входным напряжением, напряжение между затвором и стоком составит ??????

Тогда емкостный ток каскада

(3.85)

или , (3.86)

где С_вх — входная емкость каскада,

. (3.87)

Например, при С_зи=10пФ, С_зс=2пФ, С_м=2пФ и K_U=50 входная емкость составит 114 пФ, причем определяющим будет второе слагаемое в выражении (3.87).

Выходная емкость каскада зависит от межэлектродных емкостей С_си и С_сз, а также емкости монтажа выходной цепи. Рассчитывается выходная емкость аналогично входной емкости

. (3.88)

Усилительный каскад ОС (истоковый повторитель)

На рис. 3.31 а показана схема каскада с общим стоком, выполненная наполевом транзисторе со встроенным каналом, а его эквивалентная схема — на рис. 3.31 б.

Рис. 3.31

Элементы R₁, R₃ совместно с R_н используются для задания режима покоя транзистора.

Для истокового повторителя напряжение на нагрузке совпадает по фазе с входным напряжением и связано с ним соотношением

U_н=U_вх-U_зи (3.89)

Напряжение U_н в соответствии со схемой замещения транзистора (рис. 3.27) является функцией напряжения U_зи, действующего на входе транзистора:

(3.90)

или . (3.91)

Выражения (3.89) и (3.91) используем для определения коэффициента усиления каскада по напряжению

(3.92)

для r_i>>R_н.

Коэффициент усиления K_U зависит от крутизны транзистора и нагрузки каскада R_U. С увеличеним S и R_н K_U стремится к единице. В связи с этим для истокового повторителя целесообразно использовать транзисторы с повышенными значениями крутизны. С приближением K_U к единице уменьшается влияние емкости затвор- исток на входную емкость каскада.

Схему замещения истокового повторителя часто представляют с источником напряжения в выходной цепи, подобно схеме рис. 3.30 б для каскада ОИ. Для нахождения эквивалентных параметров схемы замещения преобразуем выражение (3.90), заменив в нем S=m/r_i и раскрыв r_i||R_н=r_iR_н/(r_i+R_н).

. (3.93)

Поделив числитель и знаменатель правой части выражения (3.93) на 1+m и заменив K_U=U_н/U_вх, находим

. (3.94)

На основании выражения (3.94) на рис. 3.31 б построена схема замещения каскада. В ее выходную цепь входит эквивалентный источник напряжения с эквивалентным внутренним сопротивлением r_i/1+m. Входная цепь схемы замещения состоит из тех же элементов, что и схема замещения каскада ОИ.

По схеме замещения находим выходное сопротивление каскада ОС

. (3.95)

Величина Rвых в схеме ОС меньше, чем в схеме ОИ и составляет 100...3000 Ом.

Поскольку напряжение затвор-исток в схеме истокового повторителя равно разности U_вх-U_вых, собственный входной ток транзистора получается существенно меньшим, чем в схеме ОИ, и температурная нестабильность сопротивления участка затвор-исток проявляется слабее, что допускает применение более высокоомных резисторов R₁, R₃. А это обеспечивает существенно большее сопротивление R_вх, чем каскады ОИ.

Для истокового повторителя необходимо учитывать емкостные составляющие входного тока цепей затвор-сток и затвор-исток транзистора, а также тока емкости монтажа входной цепи каскада. Так как напряжение стока неизменное, составляющая тока емкости С_зс определяется, как и для емкости монтажа С_м, напряжением . Составляющая тока емкости С_зи зависит от напряжения . Суммарный емкостный входной ток

, (3.96)

откуда

. (3.97)

При С_зи=10пФ, С_зс=2пФ, С_м=2пФ и K_U=0,85 емкость С_вх=5,5 пФ против 114 пФ в схеме ОИ. соотношение (3.97) показывает целесообразность увеличения K_U до единицы, так как при этом уменьшается влияние на входную емкость одной из самых значительных емкостей транзистора — С_зи.