2.9 Экономичные усилители низкой частоты

Перед разработчиком иногда встает задача создания экономичных усилителей низкой частоты, работающих от низковольтного источника питания. В таких усилителях могут быть использованы полевые транзисторы с малыми напряжением отсечки U_отс и током насыщения I_с0; эти схемы имеют несомненные преимущества перед ламповыми и схемами на биполярных транзисторах.

Выбор рабочей точки в экономичных усилителях на полевых транзисторах определяется исходя из условия получения минимальной рассеиваемой мощности. Для этого напряжение смещения U_з.и выбирается почти равным напряжению отсечки, при этом ток стока стремится к нулю. Такой режим обеспечивает минимальный нагрев транзистора, что приводит к малым токам утечки затвора и высокому входному сопротивлению. Необходимый коэффициент усиления при малых токах стока достигается увеличением сопротивления нагрузки.

В экономичных усилителях низкой частоты широко применяется схема каскада, изображенного на рисунке 2.1, б. В этой схеме напряжение смещения образуется на сопротивлении в цепи истока, что создает отрицательную обратную связь по току, стабилизирующую режим от влияния колебаний температуры и разброса параметров.

Можно предложить следующий порядок расчета экономичных каскадов УНЧ, выполненных по рисунку 2.1, б.

1. Исходя из условия получения минимальной рассеиваемой мощности, выбираем полевой транзистор с малыми напряжением отсечки U_отс и током насыщения I_с0.

2. Выбираем рабочую точку полевого транзистора по току I_c (единицы - десятки микроампер).

3. Учитывая, что при напряжении смещения, близком к напряжению отсечки, ток стока можно приблизительно определить по выражению

R_c ≈ U_отс/R_и       (2.33)

сопротивление в цепи истока

R_u ≈ U_отс/I_и       (2.34)

4. Исходя из необходимого коэффициента усиления, находим R_н. Так как коэффициент усиления

  (2.35)

то, пренебрегая шунтирующим действием дифференциального сопротивления сток-исток R_i и подставляя вместо S её значение, полученное путем дифференцирования выражения для тока стока , получаем:

     (2.36)

Из последнего выражения находим необходимое сопротивление нагрузки:

  (2.37)

На этом расчет усилителя заканчивается и в процессе регулировки лишь уточняются номиналы резисторов R_н и R_и.

На рисунке 2.6 приведена практическая схема экономичного усилителя низкой частоты [5], работающего от ёмкостного датчика (например, от пьезокерамического гидрофона).

Благодаря малому току смещения выходного усилителя, состоящего из двух транзисторов Т2 и Т3, мощность рассеяния всего предварительного усилителя составляет 13 мкВт. Предварительный усилитель потребляет ток 10 мкА при напряжении питания 1,35 В.

Рисунок 2.6 Принципиальная схема экономичного усилителя.

Входное сопротивление предварительного усилителя определяется сопротивлением резистора R1. Собственно входным сопротивлением полевого транзистора можно пренебречь, поскольку оно на порядок больше сопротивления резистора R1.

В режиме малых сигналов входной каскад предварительного усилителя эквивалентен схеме с общим истоком, в то время как цепи смещения выполнены как в схеме истокового повторителя.

Используемый в данной схеме полевой транзистор должен иметь небольшое напряжение отсечки U_отс и малый ток стока I_с0 при напряжении на затворе U_з.и=0.

Проводимость канала полевого транзистора T1 зависит от тока стока, и так как последний незначителен, то и проводимость мала. Поэтому выходное сопротивление схемы с общим истоком определяется сопротивлением резистора R2. По данным [5] выходное сопротивление усилителя 4 кОм, коэффициент усиления по напряжению равен 5 (14 дБ).