1.3.3 Сравнение основных типовых каскадов

Анализ основных вариантов схем (рис. 1.10, 1.15, 1.17) позволяет сделать выводы:

• несимметричные каскады можно применять только в усилителях переменного напряжения (тока), так как величина приведенного ко входу дрейфа не может быть обеспечена менее U_б-э, реально U_б-э не меньше 50 мВ;

• в схеме с эмиттерной стабилизацией можно по отдельности управлять составляющими и . Минимальное значение нестабильности может быть доведено до 2…5%;

• основным недостатком схемы с эмиттерной стабилизацией является неполное использование напряжения источника питания. Эквивалентное напряжение тем меньше, чем лучше стабильность положения РТ. Этот недостаток проявляется в трех случаях:

1) при питании от низковольтного источника питания;

2) при необходимости получения выходного сигнала, максимальная амплитуда которого близка к предельно возможной величине 0,5Е_п;

3) при больших токах покоя на резисторе R_э выделяется значительная мощность, что снижает экономичность каскада;

• в схемах с коллекторной стабилизацией этот недостаток отсутствует, но проявляется другой, принципиально неустранимый: низкое входное сопротивление (особенно для схемы по рис. 1.17);

• базовая схема (рис. 1.15) имеет наибольшую (из всех схем со стабилизацией) нестабильность РТ. Сопротивление R_б, определяющее значение , рассчитывается исходя из заданного положения РТ, поэтому управлять величиной нестабильности в этой схеме нельзя;

• в схеме по рис. 1.17 нестабильность положения РТ может быть несколько уменьшена, но достигается это снижением входного сопротивления. Основной и принципиально неустранимой причиной нестабильности схемы является нестабильность напряжения U_б-э, реально достижимые значения нестабильности не менее 10%.

2 Полевые транзисторы

Полевые транзисторы по принципу действия и внутренней структуре делятся на три основные разновидности:

• с управляющим p-n-переходом (ПТУП);

• со структурой МДП и встроенным каналом;

• со структурой МДП и индуцированным каналом.

В усилителях чаще всего применяются ПТУП, как наиболее распространенные.

Главное свойство полевых транзисторов (особенно МДП) заключается в том, что ток затвора I_з очень мал. При температуре 20°С I_з ПТУП не превышает 10^-10 А, но зависит от температуры. Для МДП транзисторов I_з = 10^-12…10^-14 А и практически не зависит от температуры.

Малые значения тока затвора обеспечивают для двух схем включения транзистора – с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС) – на низких частотах высокое входное сопротивление (до сотен и более МОм), недостижимое для каскадов на биполярных транзисторов. В схеме включения с общим затвором (ОЗ), формально аналогичной схеме ОБ, входным током является ток истока, поэтому такие каскады имеют низкое входное сопротивление, соизмеримое с входным сопротивлением каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.

Приближенное равенство нулю тока затвора значительно упрощает расчет каскадов на полевых транзисторах, как по постоянному, так и переменному току. При расчете усилительных свойств используется только система y-параметров, так как применение системы h-параметров становится невозможным из-за неопределенности параметра .

Так как на низких частотах I_з ≈ 0, то также ∆I_з = 0 и от системы двух уравнений остается только одно:

, (2.1)

где , , – малые переменные составляющие, R_i – дифференциальное сопротивление канала.

Из (2.1) легко определяется важный параметр – статический коэффициент усиления:

. (2.2)

Этот параметр имеет физический смысл: если в цепь стока включить нагрузку в виде генератора стабильного тока (двухполюсник с бесконечно большим сопротивлением для переменного тока), коэффициент усиления по напряжению такого каскада будет максимален и равен µ.

Если нагрузкой полевого транзистора является линейный резистор R_с, то из уравнения:

, (2.3)

следует, что

. (2.4)

Используя последнее выражение совместно с (2.1), найдем:

,

откуда

. (2.5)

Если R_с << R_i, то последнее равенство предельно упрощается:

. (2.6)

В случаях, когда R_с соизмеримо с R_i, выражение для определения коэффициента усиления каскада может быть представлено в двух формах:

1) , (2.7)

где  – крутизна характеристики прямой передачи (ХПП) в рабочем режиме (с нагрузкой);

2) . (2.8)

Основными параметрами ПТУП являются:

• максимальный ток стока I₀, измеренный при u_з-и = 0 и фиксированном значении (обычно  = 10…15 В);

• напряжение отсечки канала U₀. Это напряжение есть значение U_з-и, при котором I_с = 0 (практически при I_с = 10 мкА);

• максимальная крутизна ХПП S_max, измеряется при I_с = I₀.

При определении тока стока I_с как функции от напряжения U_з-и ХПП имеет вид:

. (2.9)

Значение U_з-и можно определить по выражению:

. (2.10)

Значение крутизны при любых значениях U_з-и или тока I_с равно:

. (2.11)

Несмотря на то, что при увеличении U_з-и крутизна уменьшается по линейному закону, усилительные свойства полевого транзистора остаются практически неизменными, так как дифференциальное сопротивление канала R_i увеличивается приблизительно обратно пропорционально степени уменьшения S, в результате чего статический коэффициент усиления остается постоянным и равным:

.

Очень важной особенностью полевых транзисторов является явление самоограничения тока стока при повышенных температурах, исключающее появление эффекта потери тепловой устойчивости. Этот эффект характерен для плохо рассчитанных мощных каскадов на биполярных транзисторах, приводящий к необратимому тепловому пробою транзистора.