Усилители напряжения на полевых транзисторах Усилитель на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 2.18 [6,7].

Рисунок 2.18 — Принципиальная схема усилителя

Принцип построения схемы аналогичен схеме усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером. Резистор R_С аналогичен R_К, цепочка автоматического смещения выполняет функцию резистора R_Б или делителя.

В данной схеме R_И,R_З и С_И образуют цепочку автоматического смещения. На R _И происходит падение напряжения, обусловленное током стока, которое передается на затвор через резистор R_З, и определяет положение рабочей точки, т.е. режим работы транзистора по постоянному току транзистора. С_И шунтирует R_И в режиме переменного тока, не нарушая тем самым положение точки покоя определенное в режиме по постоянному току.

Расчет по постоянному току.

Выбор полевого транзистора производится аналогично биполярному — по предельно допустимым значениям E_СИmax, I_Сmax, P_max и f_гр. Выходную цепь усилителя можно описать следующей системой уравнений:

Первое уравнение представляет собой уравнение нагрузочной прямой, а второе – выходные характеристики транзистора. Графоаналитическое решение этой системы представлено на рис. 2.19.

Рисунок 2.19 — Выходные характеристики полевого транзистора

Так же, как и для усилителя на биполярном транзисторе, в режимах ХХ и КЗ, определяют крайние точки нагрузочной прямой.

Режим ХХ:  .

Режим КЗ:  , при известных R_С и R_И.

При проектировании каскада проводят нагрузочную линию соответствующим образом и, зная I_КЗ, определяют суммарное сопротивление R_С+R_И :

.

За счет тока I_С создается падение напряжения на R_И, "+" этого напряжения подается на затвор через резистор R_З (см. рис. 2.18), "–" приложен к источнику, что и обуславливает напряжение смещения. Следовательно, потеря напряжения на R_И должна обеспечивать напряжение U_ЗИП:

.

Емкость С_И выбирается из условия, чтобы при подаче входного переменного сигнала выполнялось неравенство:

,

где _min — минимальная частота усиливаемого входного сигнала.

Так как напряжение смещения передается на затвор через резистор R_З, то, зная I_З (оговаривается в справочнике), можно определить максимальное значение R_З, при котором I_ЗR_З<<U_СМ. Для полевых транзисторов с p-n переходом R_Зmax порядка 1 МОм.

Расчет схемы по переменному току.

Полная линейная модель усилителя будет иметь вид, приведенный на рис. 2.20:

Рисунок 2.20 — Схема замещения усилителя

В диапазоне средних звуковых частот, аналогично RC усилителям на биполярных транзисторах, конденсаторами С_Р1 и С_Р2, а также емкостями C_Пр, С_Вх и С_Н можно пренебречь. Исходя из этого, модель усилителя для средних звуковых частот будет иметь вид, приведенный на рис. 2.21.

Определим коэффициент усиления схемы по напряжению.

Выходное напряжение можно записать в следующем виде:

,

где , .

Рисунок 2.21 — Модель усилителя в диапазоне средних звуковых частот

Так как R_i для маломощных полевых транзисторов порядка сотен кОм, R_Н — единицы МОм, а R_C — десятки кОм, то R_ЭквR_С.

Исходя из этого, можно записать:

.

При характерных значениях крутизны характеристики S110 мА/В, получим .

Определение коэффициента усиления по току.

Коэффициент усиления по току определяется аналогично биполярным транзисторным каскадам:

.

Анализируя это выражение, получим . В сравнении с на биполярных транзисторах для схемы ОЭ, схема на полевых транзисторах ОИ имеет существенно больший коэффициент усиления.

Определение входного сопротивления.

Из модели следует, что:

.

На высоких частотах необходимо учитывать влияние С_Пр и С_Вх, при этом входное сопротивление будет определяться в виде:

.

При больших коэффициентах усиления (10100), при характерных значениях С_ПР1пФ, получаем преобладание действия С_ПР над С_ВХ, значение которой порядка единиц пФ.

Определение выходного сопротивления.

Выходное сопротивление усилителя определяется традиционно в виде:

.

Следовательно, по значениям установленных параметров — k_U, k_i, R_Вх, R_Вых прослеживается аналогичность их с параметров параметрам усилителя на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.