6.3. Усилительный каскад на полевом транзисторе

Рассмотрим основные особенности усилительного каскада на полевом транзисторе. В предварительных усилителях на полевом транзисторе обычно выполняют первый каскад. Здесь реализуются его ценные свойства - малый уровень собственных шумов и высокое входное сопротивление.

При расчете нужно использовать характеристики транзистора. В настоящее время выпускается большое количество полевых тран­зисторов. Одни могут работать без начального смещения, напри­мер КП305Е (напряжение затвор - исток ), другие требуют смещения. Величина и знак напряжения смещения индиви­дуальны для транзисторов различных марок.

Ток утечки затвора весьма мал. Типичная величина А, что позволяет работать при значительных со­противлениях в цепи затвора, достигающих 1 - 3 МОм.

Коэффициент усиления каскада

(8)

где - крутизна характеристики транзистора,

- сопротивление нагрузки, см. рис. 3.

Ранее было показано, что во входной цепи предварительного усилителя желательно иметь минимальную емкость. Эта емкость образуется выходной емкостью передающей трубки , ем­костью монтажа и входной емкостью усилительного каска­да .

(9)

Последняя зависит как от типа транзистора, так и от схемы каскада. Для схемы с нагрузкой в цепи стока, рис. 3, входная емкость усилительного каскада будет

(10)

здесь - входная емкость транзистора (затвор-исток);

- проходная емкость (затвор-сток);

- коэффициент усиления каскада по напряжению.

Частотные искажения в области высоких частот каскада на полевом транзисторе определяются параметрами нагрузки . Емкость включает в себя выходную емкость полевого транзистора и емкость монтажа , в которую входит входная емкость схемы, следующей за рассматриваемым каскадом .

Относительная величина коэффициента усиления в области высоких частот будет

(11)

Усилительный каскад с нагрузкой в цепи стока (см. рис. 3) прост, но обладает рядом недостатков, которые могут быть пре­пятствием его применения. Как видно из (10), входная емкость каскада может быть значительной.

Например, транзистор КП303 имеет входную емкость пФ и проходную пФ. При крутизне характеристики мА/В и сопротивлении нагрузки кОм коэф­фициент усиления каскада будет (8)

.

Входная емкость каскада (10)

пФ.

Из представленных данных видно, что динамическая составляющая входной емкости получилась значительной. Кроме того, из-за обратной связи через проходную емкость возможно самовозбуждение.

О тмеченные недостатки ус­траняются в каскодной схеме (рис. 5). Здесь нагрузкой поле­вого транзистора является входное сопротивление каскада на транзисторе , включенного по схеме с общей базой. Сопро­тивление это весьма мало.

Как известно, входное со­противление транзистора, вклю­ченного по схеме с общей базой,

(12)

Здесь

, (13)

- объемное сопротивление базы и

(14)

Предположим, что транзистор работает с током мА, имеет величину коэффициента усиления тока и Ом.

Его входное сопротивление будет

Ом.

Величина коэффициента усиления по напряжению транзистора будет ничтожно малой (8)

.

Следовательно, входная емкость каскада (10) будет

пФ.

Из-за малого сопротивления нагрузки для транзистора на его стоке переменное напряжение будет на несколько порядков меньше, чем в схеме (рис. 3), что существенно снижает опасность самовозбуждения через проходную емкость.

С другой стороны, ток коллектора будет почти равен току эмиттера

(15)

При

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению каскодной схе­мы практически не будет отличаться от коэффициента усиления ра­нее рассмотренного каскада (рис. 3), т.е. будет равен

.

Таким образом, по коэффициенту усиления каскодная схема (рис. 5) не отличается от простого усилительного каскада (рис.3), но имеет меньшую входную емкость и существенно менее склонна к самовозбуждению. Не отличается она и по частотным искажениям в области высоких частот. Только здесь в (11) следует подставлять выходную емкость транзистора . При использовании современ­ных высокочастотных транзисторов с граничной частотой МГц транзистор , включенный по схеме с общей ба­зой, практически не внесет искажений в полосе частот до 5-10 МГц.

Пусть, например, используется транзистор с и частотой верхнего среза МГц. На низких частотах ко­эффициент передачи тока (14)

.

На частоте 4 МГц

и

.

Завал частотной характеристики на частоте 4 МГц будет

,

т.е. менее 1%.

При расчете каскада можно выбрать напряжение база-корпус . При этом напряжение питания будет примерно поровну распределено между двумя транзисторами. Как правило, напряжение исток-сток должно быть не менее 5 - 6 В. Более точно величину напряжения в рабочей точке можно определить по харак­теристикам используемых транзисторов.

Ток через транзисторы определяется исходным напряжением затвор-исток транзистора . Зная по характеристикам можно определить ток базы в рабочей точке - .

Величины сопротивлений делителя цепи базы можно выбрать из условия, что ток через него в раз больше тока базы

(16)

При работе в условиях отапливаемого помещения, когда из­менения температура относительно невелики, достаточно принять .

Тогда

(17)

и

(18)

Если требуется обеспечить работу схемы в более широком температурном диапазоне, то расчет резисторов делителя следует выполнить по формулам, учитывающим этот диапазон, например [3], [4].

Величина шунтирующей емкости должна быть достаточной для эффективного шунтирования базы на корпус во воем ра­бочем диапазоне частот. Теоретически база по переменно­му току должна быть соединена с корпусом. В практически исполь­зуемых схемах емкость выбирается в пределах 10 - 30 мкФ, т.е. ее сопротивление на частоте 50 Гц будет 300 - 100 Ом.