Усилители электрических сигналов на полевых транзисторах.

Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряже-нием, приложенным к затвору, и отличаются тем, что входные токи много меньше по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах (10^-7 – 10^-9 ампера для полевых транзисторов с управляющим p - n -переходом, и 10^-12 – 10^-15 ампера для МДП-транзисторов).

Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим p - n -переходом по схеме с ОИ. Такие усилители находят наиболее широкое применение. И приведена на рис. 13.10.

Рис. 13.10. Схема усилительного каскада, по схеме с ОИ.

Усилительный каскад (рис. 3.10) управляется входным напряжением, которое изменяет ток стока I _с транзистора. Последовательно с ним включен резистор R _с. Изменение тока I _с через резистор R _с приводит к изменению падения напряжения на нем, которое во много раз больше входного сигнала. Таким образом, согласно второму закону Киргофа, напряжение на стоке формируется по закону:

Необходимое напряжение смещения между затвором и истоком транзистора U _зи0 обеспечивается за счет падения напряжения на резисторе R _и, которое рассчитывается по выбранному току стока покоя I _с0 и напряжению смещения U _зи0 по формуле:

Конденсатор С_и сглаживает пульсации падения напряжения на R _и, и в результате на исток задается постоянное напряжение смещения, равное U _зи0 .

При отсутствии входного сигнала (статический режим) через транзистор проходит токе стока покоя I _с0, и на исток подано постоянное напряжение смещения, равное U _зи0= R _иּ I _с0, а на стоке установится постоянное напряжение покоя U_с=Е_п-R _с I _с0 .

Также как и для биполярных транзисторов, в этом случае для определения параметров усилительного каскада можно применить графо-аналитический метод расчета каскада (рис. 13.11).

В первом квадранте системы координат располагают семейство выходных стоковых характеристик транзистора I _с = f ( U _си ) при U _зи = constant, во втором квадранте – сток-затворную характеристику (характеристику управ-ления) I _с = f ( U _зи ) при U _си = constant .

Рис. 13.11. Графоаналитический метод расчета усилительного каскада на

          полевом транзисторе для схемы с ОИ.

Затем, также как для биполярного транзистора, на семействе выходных стоковых характеристик полевого транзистора строят выходную нагрузочную характеристику согласно уравнению:

Выходная нагрузочная характеристика также представляет собой прямую линию, и строится по двум точкам. Первая точка: I _с =0 (транзистор полностью закрыт), тогда U _с =Е_п. Вторая точка: U _с =0 (транзистор полностью открыт), тогда I _с = Е_п / R _с (рис. 13.11).

Далее с учетом режима работы каскада и максимальной амплитуды усиливаемого сигнала выбирают положение рабочей точки каскада на входной характеристике транзистора (точка А на рис. 13.11). Проекция точки А на ось напряжения U _зи определяет величину постоянного напряжения смещения U _зи0 . Проекция точки А через выходную нагрузочную характеристику на ось напряжения U _си определяет величину постоянного напряжения смещения (покоя) стокаU _с0, которое является постоянной составляющей выходного сигнала. Проекция точки А на ось тока I _с определяет величину тока покоя стока I _с0. (рис. 13.11).

После этого на постоянное напряжение смещения U _зи0 накладывают переменный входной сигнал амплитудой U_{m .вх} (в масштабе), и верхушки ампли-туд положительной и отрицательной полуволны проектируют через сток-затворную характеристику и через выходную нагрузочную характеристику на ось напряжения U _си. В результате определяют амплитуду переменной составляющей выходного сигнала U_{m .вых} (рис. 13.11).

Коэффициент усиления каскада по напряжению определяется как отношение вида:

Поскольку все построения выполняются в масштабе, то величины амплитуд U_{m .вых} и U_{m .вх} определяются графически.

Таким образом, в результате выполненных построений определены ток покоя стока I _с0, напряжения смещения U _зи0 и U _с0, построена выходная нагрузочная характеристика и определен коэффициент усиления каскада по напряжению К _u .

Режимы работы усилительного каскада по схеме с ОИ. Режим работы каскада определяется положением рабочей точки усилителя на сток-затворной характеристике (рис. 13.11).

Назначение режимов работы А, В и С такие же, как и для усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ.

Основные свойства усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОИ:По своим свойствам указанный усилительный каскад похож на усилитель, построенный на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.

· Коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности значительно больше единицы.

· Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжениями близок к 180°.

· Коэффициент усиления по напряжению К _u пропорционален величине R _с.

Частотные характеристики усилительного каскада на полевом тран-зисторе по схеме с ОИ:Частотные характеристики также аналогичны характеристикам усилителя на биполярном транзистре с ОЭ, с тем отличием, что частотный диапазон меньше, так как паразитные емкости в полевых транзисторах заметно больше, по сравнению с биполярными транзисторами.

Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим p - n -переходом по схеме с ОС (истоковый повторитель). Такие усилители также широко применяются. Схема усилительного каскада, по схеме с ОС приведена на рис. 13.12.

Рис. 13.12. Усилитель переменного тока на полевом

           транзисторе по схеме с ОС.

Отличительной особенностью такого каскада усиления является то, что сток через малое внутреннее сопротивление источника напряжения Е_п подклю-чен к общему проводу. Поэтому сток непосредственно подключен к Е_п. Второй отличительной особенностью является то, что сопротивление нагрузки включается в цепь истока, и выходной сигнал также снимается с истока (рис. 13.12). Назначение остальных элементов схемы аналогично предыдущей схеме усилителя с ОИ.

Основные свойства усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОС:

· Коэффициенты усиления, по току и по мощности значительно больше единицы.

· Коэффициент усиления, по напряжению меньше единицы, но приближается к единице. Для доказательства рассмотрим входную цепь усилительного каскада с ОС (рис. 13.13).

Рис. 13.13. Входная цепь усилительного каскада с ОС

Составим уравнение по второму закону Киргофа для входной цепи кас-када (рис. 1313).

, тогда

· Входное сопротивление каскада велико.

· Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжениями близок к 0°.

Благодаря указанным свойствам этого усилительного каскада (К _u ≈1, Δφ≈0) его называют истоковым повторителем, так как выходной сигнал, снимаемый с истока, и по амплитуде и по фазе практически повторяет входной сигнал

Частотные характеристики усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОС. Указанные частотные характеристики аналогичны характеристикам эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе, но со сдвигом в область более низких частот.

Усилительные каскады на полевых транзисторах по схеме с ОС обычно применяют для целей согласования источника сигнала со входом усилителя, или выхода усилителя с нагрузкой.

Контрольные вопросы

1. Усилитель на полевом транзисторе с ОИ, его свойства и характе-ристики?

2. Как подается напряжение смещения на затвор полевого транзистора в схеме усилителя с ОИ?

3. Определение коэффициента усиления усилительного каскада с ОИ по напряжению графоаналитическим методом.

4. Усилитель на полевом транзисторе с ОС, его свойства и характе-ристики?

5. Где и почему применяются усилительные каскады на полевых тран-зисторах?

6. Сравнительная оценка свойств усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах?