§ 4.4. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряжением, приложенным или к запертому (в транзисторах с управляющим -переходом), или между электрически изолированным затвором и подложкой, которая часто соединяется с одним из электродов транзистора (в МДП-транзисторах). Ток затвора в усилительных каскадах, собранных на полевых транзисторах, мал и для кремниевых структур с управляющим не превышает . Для МДП-транзисторов этот ток на несколько порядков меньше. Для транзисторов с входное сопротивление на низких частотах составляет десятки , а для МДП-транзисторов достигает 1012 —1015 Ом. С повышением частоты входное сопротивление существенно уменьшается из-за наличия емкостей затвор — исток и затвор — сток.

При анализе усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом оперируют с крутизной характеристики и током , которые соответствуют нулевому напряжению на затворе относительно истока. Кроме того, обычно необходимо знать напряжение отсечки . Дальнейшее рассмотрение будем проводить только для транзисторов этого типа.

Анализ усилительных каскадов на полевых транзисторах можно проводить аналитическим или графоаналитическим методом.

При анализе используют следующие приближенные основные соотношения, описывающие характеристики полевых транзисторов (см. § 2.6):

Заметим, что в усилительном режиме напряжение имеет знак, противоположный знаку .

Каскад с общим истоком (рис. 4.20, а).

Упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада с общим истоком для режима малого сигнала показана на рис. .

Эквивалентную схему для режима малого сигнала, характеризующую приращения статических токов и напряжений под влиянием входного управляющего сигнала, получают заменяя активные приборы в принципиальной схеме на их эквивалентные схемы для данного диапазона частот. При этом считают, что все источники постоянного напряжения в цепях замкнуты накоротко, а цепи с источниками постоянного тока — разомкнуты.

Рис. 4.20. Усилительный каскад с общим истоком: принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы

Справедливость таких допущений обусловлена тем, что приращения токов в цепях не меняют падение напряжения на генераторах ЭДС и не отражаются на токах в цепях с генераторами постоянных токов. Поэтому ими можно пренебречь.

При построении малосигнальной эквивалентной схемы каскада источник питания Е замкнут накоротко и вместо полевого транзистора использована его малосигнальная эквивалентная схема.

Каскад управляется входным напряжением, которое изменяет ток транзистора. Последовательно с ним включен резистор . Изменение тока через этот резистор приводит к изменению падения напряжения на нем, которое во много раз больше входного сигнала.

Активный элемент (полевой транзистор) работает в режиме А. Необходимое смещение обеспечивается за счет падения напряжения на резисторе , которое рассчитывается по выбранному току и напряжению смещения :

Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току в диапазоне рабочих частот каскада резистор обычно шунтируют конденсатором так, чтобы в этом диапазоне частот .

В общем случае для переменного тока сопротивления в цепях истока и стока

Справедливость уравнения (4.77) обусловлена тем, что источник питания Е имеет ничтожно малое сопротивление для переменного тока и его зажимы можно считать замкнутыми накоротко.

Поэтому показанное на рис. 4.20, а подключение нагрузки полностью эквивалентно включению нагрузки параллельно сопротивлению .

При отсутствии входного сигнала напряжение транзистора определяют из выражения

Изменение постоянного напряжения между затвором и истоком на приведет к изменению тока стока и изменению напряжения на сюке:

В общем случае ток стока , поэтому

Учитывая, что , получим

Подставив (4.79) в (4.81), получим

или

где .

Изменение напряжения между затвором и истоком не равно входному сигналу, так как из последнего вычитается падение напряжения на сопротивлении в цепи истока:

Тогда

Выходным сигналом каскада является изменение напряжения на его стоке:

Подставив . получим

Коэффициент усиления каскада

(4.88)

Полученное выражение для коэффициента усиления справедливо только для нулевой частоты. Но так как сопротивление конденсатора стремится к бесконечности, то все выходное напряжение падает на нем, а на нагрузке полезный сигнал отсутствует.

Для получения коэффициента усиления каскада на переменном токе вместо необходимо подставить :

Из (4.89) видно, что коэффициент усиления — величина комплексная. Его модуль зависит от частоты сигнала.

Для повышения коэффициента усиления каскада, обеспечения постоянного его значения и передачи всего напряжения в нагрузку емкость конденсаторов выбирают из условия (в полосе рабочих частот). Тогда коэффициент усиления

Разделительный конденсатор во входной цепи создает частотно-зависимый делитель напряжения, имеющий коэффициент деления :

где — входное сопротивление каскада, которое на низкой частоте равно .

Такой же делитель напряжения есть и на выходе каскада, так как из-за наличия конденсатора на сопротивлении нагрузки будет падать только часть переменной составляющей напряжения на стоке.

Его коэффициент деления находят аналогично (4.91):

Уравнение (4.89) получено без учета входного и выходного делителей напряжения и характеризует только отношение приращений напряжений на стоке и затворе. При оценке коэффициента усиления всего каскада (4.89) необходимо умножить на (4.91) и (4.92):

Из (4.93) видно, что при наличии реактивных компонентов коэффициент усиления существенно изменяется в диапазоне низких частот. Наличие конденсаторов или приводит к тому, что на низких частотах, когда со , коэффициент усиления . Конденсатор только уменьшает коэффициент усиления в диапазоне низких частот. При этом К не достигает нулевого значения. В этом принципиальное различие влияний разделительных и блокировочного () конденсаторов на частотную характеристику каскада в диапазоне низких частот.

При усилении медленно меняющихся сигналов разделительные конденсаторы должны отсутствовать.

Значения определяют исходя из допустимого коэффициента частотных искажений на нижней рабочей частоте (см. § 5.1). При ориентировочной оценке значения Си можно использовать неравенство

где — низшая частота усиливаемого сигнала.

В диапазоне частот, где сопротивления реактивных компонентов схемы стремятся к нулю, коэффициент усиления тем выше, чем больше сопротивления резисторов и . Поэтому в том случае, когда требуется получить от каскада максимальное усиление, необходимо обеспечить работу его на высокоомную нагрузку и в цепи стока установить резистор с возможно большим сопротивлением.

Увеличение сопротивления резистора также повышает значение фазового сдвига выходного напряжения в области высоких частот. Это обусловлено наличием емкости сток — исток , которая при шунтирует резистор . Поэтому в диапазоне высоких частот эквивалентное сопротивление в цепи стока, которое следует подставлять в (4.93),

Возможности увеличения коэффициента усиления путем повышения и ограничены, так как начиная с определенного их значения сопротивление будет в основном определяться реактивным сопротивлением емкости . Увеличение и приводит к увеличению фазового сдвига выходного напряжения и повышению частотной зависимости коэффициента усиления. Поэтому чем шире диапазон частот, в котором должен работать каскад, тем меньше должно быть сопротивление резистора и меньше получаемый коэффициент усиления. Знак в (4.93) показывает, что каскад данного типа сдвигает фазу сигнала на 180°.

Для определения входного и выходного сопротивлений каскада целесообразно рассмотреть его эквивалентную схему рис. 4.20, б.

Из нее видно, что в рабочем диапазоне частот, где выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением и :

Если то учесть его влияние можно пользуясь доказанным положением о том, что введение в цепь истока сопротивления увеличивает дифференциальное сопротивление каскада до значения . В этом случае

Введение в цепь истока транзистора сопротивления увеличивает выходное сопротивление каскада и делает его комплексным и частотно-зависимым.

Входное сопротивление каскада определим в полосе рабочих частот, где . В этом случае, если пренебречь влиянием емкостей , от источника сигнала потребляется ток

откуда

Сопротивление уменьшено в раз потому, что между стоком и затвором приложено напряжение, большее входного в раз (каскад переворачивает фазу выходного сигнала). Следовательно, ток через это сопротивление больше в раз, что эквивалентно включению сопротивления, меньшего раз.

Так как сопротивления запертого -перехода достаточно велики, входное сопротивление каскада на полевом транзисторе в диапазоне низких частот в основном определяется резистором . На повышенных частотах необходимо учитывать емкости и тогда входное сопротивление каскада становится комплексным:

где

Комплексный характер входного сопротивления приводит к тому, что если генератор напряжения, подключаемый к входу, имеет внутреннее сопротивление , отличное от нуля, то создается частотно-зависимый делитель напряжения, имеющий комплексный коэффициент передачи. В итоге напряжение оказывается сдвинутым по фазе относительно напряжения генератора .

Значение напряжения и его фазовый сдвиг зависят от частоты входного сигнала:

(4.100)

Таким образом, наличие межэлектродных емкостей приводит к частотной зависимости коэффициента усиления и к фазовому сдвигу выходного напряжения, т. е. из-за их наличия коэффициент усиления становится комплексным.

Усилительные каскады с общим истоком обеспечивают получение сравнительно большого коэффициента усиления по напряжению, большого входного сопротивления, так как берется порядка долей — нескольких , имеют относительно высокое выходное сопротивление. В полосе рабочих частот, где паразитные фазовые сдвиги отсутствуют, фазовый сдвиг, вносимый усилительным каскадом, равен 180°. Они получили наиболее широкое распространение по сравнению с другими типами каскадов на полевых транзисторах.