5.4. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

По аналогии с биполярными транзисторами в зависимости от того, какой электрод подключается к точке постоянного потенциала, различают три схемы включения: истоковое, стоковое и затворное.

5.4.1. СХЕМА С ОБЩИМ ИСТОКОМ

Схема с общим истоком (рис. 5.6) соответствует схеме с общим эмиттером для биполярного транзистора.

Рис. 5.6. Схема с общим истоком. Коэффициент усиления по напряжению Входное сопротивление Выходное сопротивление

Различие состоит в том, что диод канал-затвор включен в запирающем направлении. Входной ток при этом практически равен нулю, а входное сопротивление очень велико.

Для анализа схемы можно вернуться к результатам полученным в предыдущих главах для биполярных транзисторов. Сравнение характеристик транзисторов и параметров малых сигналов дает следующую таблицу соответствия:

Таким образом, из формул (4.6) и (4.7) можно непосредственно получить основные уравнения полевого транзистора:

Из выражения (4.8) с учетом таблицы соответствия (5.6) можно вывести уравнение для коэффициента усиления схемы с общим истоком:

Отсюда следует, что при максимальная величина коэффициента усиления составляет

Коэффициент усиления практически не зависит от тока стока в диапазоне и для n-канальных полевых транзисторов составляет от 100 до 300. Для р-канальных полевых транзисторов эта величина приблизительно вдвое меньше. Максимальный коэффициент усиления полевых транзисторов составляет, таким образом, примерно десятую часть максимального коэффициента усиления биполярных транзисторов.

Чрезвычайно интересно сравнить коэффициенты нелинейных искажений для схемы с общим истоком и для схемы с общим эмиттером. Для этого необходимо решить уравнение передаточной функции транзистора для большого входного сигнала. При синусоидальном изменении входного сигнала относительно рабочей точки

из выражения (5.1) можно получить выражение для тока стока

или

При этом выражение для коэффициента нелинейных искажений будет иметь вид

Как и у биполярных транзисторов, этот коэффициент также пропорционален амплитуде входного сигнала, однако он зависит от положения рабочей точки. Он обратно пропорционален величине Если для полевого транзистора при выбрать рабочую точку, соответствующую току стока то величина коэффициента нелинейных искажений составит

Чтобы этот коэффициент был меньше 1%, величина амплитуды входного сигнала не должна превышать При коэффициенте усиления каскада по напряжению, равном 20, амплитуда выходного сигнала составляет около 1,3 В. Эта величина существенно больше, чем достигаемая для биполярных транзисторов при аналогичной схеме включения.

Шумовые характеристики полевых и биполярных транзисторов существенно различаются. Шумовой ток полевых транзисторов значительно меньше, чем у биполярных, тогда как напряжения шума, особенно для транзисторов с управляющим p-n-переходом, имеют один и тот же порядок величины. Как следует из схемы замещения, представленной на рис. 4.37, при высокоомном источнике входного сигнала полевые транзисторы имеют значительно меньшие шумы, а при низкоомном шумовые характеристики полевых и биполярных транзисторов примерно одинаковы.

У МОП-транзисторов фактор шума начинает сказываться уже на частотах порядка Таким образом, МОП-транзисторы в низкочастотной области «шумят» значительно сильнее, чем полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом, поэтому их целесообразно использовать только в высокочастотных малошумящих устройствах.

Установка рабочей точки транзистора

В схемах на биполярных транзисторах отрицательная обратная связь по постоянному току является удобным средством установки рабочей точки транзистора. Этот способ успешно применяться и для схем на полевых транзисторах. Для нормально открытых полевых транзисторов существует даже возможность подключения затвора к шине нулевого потенциала, как показано, например, на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Установка рабочей точки.

Для расчета параметров схемы следует задать ток стока транзистора. Из передаточной характеристики, изображенной на рис. 5.2, определяется соответствующее этому току значение напряжения . В зависимости от выбранной величины тока стока оно может принимать значения от нуля до Поэтому здесь нельзя выбрать, как это делалось для биполярного транзистора, приблизительно постоянное значение этой величины. Для вычисления воспользуемся выражением (5.1):

Из этого выражения можно определить сопротивление в цепи истока

В качестве примера зададим следующие параметры полевого транзистора: и выберем величину При этом

Сопротивление в цепи истока составит Ом.

Значение потенциала стока при отсутствии сигнала выбирается таким, чтобы величина даже при предельном значении не превышала Тем самым предотвращается появление искажений, которые могут возникнуть при заходе рабочей точки в область начального участка характеристики. Потенциал стока при отсутствии сигнала выбирается, таким образом, из условия

Из выражения (5.4) при следует

При размахе выходного напряжения и допуске 2 В для потенциала стока при отсутствии сигнала получим значение 7 В. Задав напряжение найдем величину сопротивления нагрузки

Крутизна характеристики транзистора в рабочей точке, согласно (5.2), составит

Величина коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот равна

Если, как и в числовом примере в разд. 4.2.5, потребовать, чтобы величина нижней граничной частоты усилителя составляла приблизительно 20 Гц, и задать для каждого из трех фильтров нижних частот, образуемых в схеме замещения используемыми емкостями и нижнюю граничную частоту равной 11,5 Гц, то в соответствии с уравнением (4.23) получим

Выбор величины может быть в значительной мере произвольным. Верхняя граница определяется тем, что падение напряжения на этом сопротивлении, обусловленное током утечки затвора, должно

быть мало по сравнению с При этом максимальная величина составит несколько мегом.