4.3.2. Полевой транзистор в усилительном режиме
В отличие от биполярных транзисторов, имеющих две разновидности (n-p-n и p-n-n) в семействе полевых транзисторов мы различаем транзисторы с p-n переходом, с изолированным затвором и встроенными и индуцированными каналами. Каждая разновидность полевого транзистора может иметь канал n и p типов.
Чтобы разобраться, как установить полевой транзистор в усилительный режим после включения источников питания необходимо:
знать характеристики различных транзисторов, и представлять в каких режимах, находясь в области безопасной работы, они могут работать в усилительных каскадах;
уметь реализовывать нужное состояние транзистора с помощью схем;
владеть методами расчета параметров элементов, входящих в схему, позволяющими реализовать координаты нужной рабочей точки.
Как известно, полевой транзистор (ПТ) с p-n переходом эксплуатируется для сохранения высокого входного сопротивления при закрытом переходе, образованном между его затвором и каналом. Поэтому ПТ с каналом n-типа имеют область разрешенной работы на сток – затворной характеристике во втором квадранте декартовой плоскости, т.е. при отрицательных значениях UЗИ. |
|
Для аналогичных ПТ, но с каналом p-типа, закрытие перехода будет осуществляться при управляющих напряжениях UЗИ противоположной полярности (смотрите характеристики). |
|
Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом сохраняют высокий входной импеданс при любой полярности управляющего напряжения между затвором и истоком. Для ПТ с каналом n-типа режим обеднения организуется при отрицательных значениях UЗИ, а обогащения – при положительных. |
|
Для аналогичных ПТ, но с каналом p-типа режим обеднения организуется при положительных значениях UЗИ, а обогащения – при отрицательных. |
|
Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом работают только в режиме обогащения. Для N-канальных транзисторов это происходит при . |
|
Для ПТ с изолированным затвором и индуцированным каналом P-типа режим обогащения имеет место при отрицательных напряжениях UЗИ, когда . |
|
Простейшие схемы, реализующие разрешенный режим для полевого транзистора с p-n переходом или режим обеднения для ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа, приведена на рисунках. |
|
|
Обойдем по второму закону Кирхгофа входной контур любой схемы. Получим: . Так как из-за нулевого тока затвора, то . Таким образом, в схеме нужное смещение получается автоматически. Координаты рабочей точки A стабилизируются, так как любое изменение тока ведет к изменению напряжения смещения, которое стремится вернуть ток к прежнему значению. |
|
Часто требуется установка истокового сопротивления большого номинала. При заданном токе истока получаемое напряжение смещения UЗИ для выбранного транзистора может не соответствовать принятому значению тока. В этом случае схему, обеспечивающую режим покоя транзистора приходится менять (смотрите рисунок), расчленяя сопротивление RИ. В этом случае смещение образуется только на сопротивлении RИ1. |
|
Чтобы для транзистора с встроенным каналом обеспечить режим обогащения, необходимо затвор n-канального транзистора сделать положительным относительно истока. На схемах это сделано с помощью делителя на R1 и R2 или дополнительного источника EЗ. |
|
Для схемы с делителем напряжения на резисторах R1 и показаны нагрузочные прямые, проведенные на сток – затворной и выходной характеристиках транзистора,. Значения напряжений и токов на осях декартовых плоскостях получены на основе уравнений второго закона Кирхгофа. Для нагрузочной прямой на сток – затворной ВАХ первоначально использована теорема об эквивалентном генераторе (повторите выкладки). |
|
Аналогично обеспечивается режим обогащения для полевого транзистора с индуцированным каналом. На рисунках приведены схемы, обеспечивающие режим покоя n-канальных транзисторов, и графические построения на их характеристиках. |
|
|
Показанные примеры касались биполярных транзисторов n-p-n типа и полевых n-канальных транзисторов. Схемы для обеспечения режима покоя p-n-p биполярных транзисторов и p-канальных полевых транзисторов аналогичны выше приведенным схемам, только необходимо поменять полярности всех источников питания. Если в схемах использованы электролитические конденсаторы, то надо поменять полярность их включения.
Необходимо помнить, что выбор расположения рабочей точки на ВАХ транзистора и соответствующий расчет режима покоя на постоянном токе должен быть системен, т.е. тесно увязан с требованиями, предъявляемыми к каскаду по переменному току и по энергетическим показателям.
Правильный выбор рабочей точки как исходного режима работы усилительного каскада важен по многим причинам:
безопасность работы транзистора – рабочая точка выбирается так, чтобы ток и напряжение коллектора и базы не выходили за пределы максимально допустимых значений. Область безопасной работы транзистора (ОБР, SOA) на выходных ВАХ определяет границы его надежной работы без захода в область одного из видов пробоя;
необходимость обеспечения линейного режима работы транзистора для требуемых максимальных значений переменных напряжений и токов на нагрузке;
требования к получению желаемых энергетических соотношений – коэффициентов использования токов, напряжений, КПД;
необходимость обеспечения желаемого класса работы транзистора (А, АВ, В, С). При не допустимости отсечки коллекторного тока необходимо обеспечение работы транзистора в классе A.
Как отмечалось выше, необходимо не только правильно выбрать положение рабочей точки, но и осуществить стабилизацию ее положения на ВАХ транзистора.
В многокаскадных усилителях не выгодно стабилизировать рабочие точки каждого каскада по отдельности за счет введения местных цепей стабилизации. Более целесообразно использовать не местные обратные связи в каждом каскаде, а общую обратную связь, которая осуществит стабилизацию положения рабочих точек всех транзисторов, находящихся внутри пели обратной связи.
Только в этом случае придется проектировать многокаскадный усилитель как усилитель постоянного тока (УПТ).
Если тривиально дублировать в каскадах схемы, обеспечивающие нужное положение рабочих точек транзисторов, то потенциалы узлов будут нарастать по мере перемещения их к выходу схемы. |
|
|
Такое положение не желательно, так как даже при сохранении значений выходных токов транзисторов номиналы коллекторных и эмиттерных сопротивлений будут уменьшаться от входного каскада к следующему. К тому же, если необходимо выровнять потенциалы входа и выхода, то показанная схема также не является оптимальной. |
||
Потенциалы входа и выхода можно сделать одинаковыми, сохранив те же напряжения на переходах транзисторов, если использовать разнотипные транзисторы, как это показано на приведенном рисунке. Соединение каскадов на VT1 и VT2 произойдет без уравнивающих токов, если потенциалы соединяемых точек (коллектора VT1и базы VT2) одинаковы. |
|
|
Если к тому же необходимо потенциалы входа и выхода делать равными 0 относительно общего провода (земли), чтобы реализовать режим несимметричного входа и выхода, то можно придти к необходимости использования двух полярного питания (смотрите измененную схему). Если потенциал базы устанавливается источником сигнала, то R1 и R2 не нужны. |
|
|
Недостатком предложенной схемы, как УПТ, является наличие эмиттерных сопротивлений, которые образуют местные отрицательные обратные связи, а значит и снижение коэффициента усиления по напряжению. |
||
Чтобы этого не происходило, классическим вариантом решения проблемы является построение дифференциального каскада, который очень часто устанавливается на входе операционных усилителей (ОУ). Упрощенная схема такого каскада, которая часто выполнялась в интегральном исполнении с целью получения транзисторов с практически идентичными характеристиками и параметрами, изображена на рисунке. |
|
Реальные схемы, в которых в транзисторах обеспечен усилительный режим покоя и. как правило, выполненные в интегральном исполнении, обычно более сложны. В качестве примера приведены две упрощенные схемы: базовая схема универсального операционного усилителя и схема ОУ КР1409УД1, демонстрирующая совместное использование полевых и биполярных транзисторов. Схемы генераторов стабильного тока (ГСТ – токовые зеркала) не показаны. |
|
|
4.3.3 По тематике данного занятия отдельное индивидуальное домашнее задание не выполняется. Расчет режима покоя транзисторного каскада осуществляется в индивидуальном задании по разделам 4 и 5 учебного пособия.