Электроника / Лекция 10

1. Усилительный каскад на полевом транзисторе

Стоковые характеристики полевых транзисторов и выходные характеристики биполярных транзисторов аналогичны, что определяет возможность использования одинаковых принципов при построении усилительных каскадов на этих приборах. При использовании полевых транзисторов наибольшее распространение получила схема их включения с общим истоком (аналог схемы ОЭ включения биполярного транзистора), которая приведена на рис. 2.21. Пассивные элементы этой схемы выполняют практически те же функции, что и соответствующие элементы в схеме рис. 2.3.

Значения электрических параметров полевого транзистора в составе усилительного каскада в режиме покоя зависят от положения точки покоя на стоковой характеристике прибора. Эта точка, как и в случае каскада на биполярном транзисторе, определяется точкой пересечения линии нагрузки по постоянному току и вольт-амперной характеристикой для фиксированного режима входной цепи, который при полевом транзисторе зависит от напряжения затвор-исток. По аналогии с (2.3) уравнение линии нагрузки по постоянному току записывается в виде:

U_СИ = Е_С – I_С (R_C + R_И), (2.33)

где параметры элементов схемы указаны на рис. 2.21. Рассматриваемая схема усилительного каскада выполнена на МДП-транзисторе с встроенным n-каналом, которая позволяет выявить особенности обеспечения режима покоя при использовании полевых транзисторов всех типов, поскольку МДП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. В первом из этих режимов полярности напряжений сток-исток и затвор-исток различны, а во втором – одинаковы.

Рисунок 2.21. Схема усилительного каскада OU

на МДП-транзисторе с встроенным n-каналом

Если полярности этих напряжений одинаковы, т.е. когда используется МДП-транзистор с встроенным каналом в режиме обогащения (или МДП-транзистора с индуцированным каналом), то режим покоя обеспечивается делительной цепочкой, как и в каскаде на биполярном транзисторе, так как в схеме ОЭ полярности напряжения коллектор-эмиттер и база-эмиттер одинаковы.

Если в усилителе используется МДП-транзистор с встроенным каналом в режиме обеднения (или полевой транзистор с p-n переходом), необходимость применения делительной цепочки отпадает. Остается лишь резистор R₃, необходимый для формирования цепи протекания тока затвора, который существует, несмотря на высокую, но конечную величину входного сопротивления транзистора. В такой схеме резистор Rи выполняет двойную роль. Кроме стабилизации точки покоя на стоковой характеристике, от величины его сопротивления зависит напряжение затвор-исток, соответствующее режиму покоя. Например, при транзисторе с каналом n-типа на резисторе R_И падает напряжение, «минус» которого подается на затвор прибора, как показано на рис. 2.21.

Усилители на полевых транзисторах могут работать как в линейном, так и нелинейном режимах. Представления об реализации этих режимов можно получить при использовании графических построений, подобных тем, которые проводились для биполярного транзистора на рис. 2.6 и 2.11. На этих полевых транзисторах строятся усилители мощности, а также истоковый повторитель, аналог эмиттерного повторителя, использующего биполярный транзистор.

Рисунок 2.22. Эквивалентная схема усилительного каскада

на полевом транзистора для переменных составляющих

его электрических параметров

Основные параметры усилительного каскада на полевом транзисторе при его работе в линейном режиме можно определить с помощью эквивалентной схемы для переменных составляющих токов и напряжений, приведенной на рис. 2.22. Пунктиром выделена часть, соответствующая эквивалентной схеме самого транзистора с индуцированным каналом (см. рис. 1.18). Входные и выходные части схемы аналогичны соответствующим частям эквивалентной схемы рис. 2.9 для каскада на биполярном транзисторе.

Если ограничиваться рассмотрением частот, для которых сопротивления конденсаторов в эквивалентной схеме велики, то напряжение на выходе каскада:

u_ВЫХ = S u_ВХ · (r_i || R_C || R_H).

Тогда коэффициент усиления каскада по напряжению равен:

К_u = = S · (r_i || R_C || R_H).

Последнее соотношение упрощается с учетом того, что r_i >> R_C и каскад работает на высокоомную нагрузку (R_H >> R_C).

К_u = S R_C.

В связи с высоким значением входного сопротивления полевых транзисторов соотношение для входного сопротивления каскада имеет вид:

R_ВХ = R₁ || R₃.

Выходное сопротивление каскада:

R_ВЫХ = R_С || r_i = R_C.

Кроме активных составляющих, входное и выходное сопротивления каскадов на полевых транзисторах имеют и реактивные составляющие, обусловленные междуэлектродными емкостями прибора. Так, емкостной ток на входе каскада связан с емкостями С_ЗИ и С_ЗС

(2.34)

Первая компонента этого тока определяется входным напряжением , вторая компонента - напряжением сток-затвор, величина которого равна

поскольку входное и выходное напряжения каскада находятся в противофазе. После соответствующей подстановки соотношение (2.34) будет иметь вид:

+ (1 + К_u) .

Поскольку

= j ω C_ВХ ,

входная емкость каскада:

С_ВХ = С_ЗИ + (1 + К_u) C_ЗС. (2.35)

Выходная емкость каскада зависит от междуэлектродных емкостей С_СИ и C_ЗС и ее величина определяется соотношением:

С_ВЫХ = С_СИ + C_ЗС, (2.36)

полученным по методике, аналогичной той, которая использовалась при получении соотношения (2.35).