УСИЛИТЕЛЬ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ, ВКЛЮЧЕННОМ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ИСТОКОМ

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 3.2.18. [7,8].

Принцип построения схемы аналогичен схеме усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером. Резистор R_C аналогичен R_K, цепочка автоматического смещения выполняет функцию резистора R_Б, или делителя R₁, R₂.

В данной схеме R_И, R_З и С_И образуют цепочку автоматического смещения. На R_И происходит падение напряжения, обусловленное током стока, которое пе­редается на затвор через резистор R_З, и определяет положение рабочей точки, т. е. режим работы транзистора по постоянному току транзистора. В режиме переменного тока резистор R_И шунтирован емкостью С_И, не нарушая тем са­мым положение точки покоя, определенное в режиме по постоянному току.

1. Расчет по постоянному току.

Выбор полевого транзистора производится аналогично биполярному — по предельно допустимым значениям Е_СИmax, I_Cmax, P_max и f_гр. Выходную цепь усилителя можно описать следующей системой уравнений:

Рис. 3.2.18. Принципиальная схема усилителя

Первое уравнение представляет собой уравнение нагрузочной прямой, а второе — выходные характеристики транзистора. Графоаналитическое решение этой системы представлено на рис. 3.2.19. Здесь U_СИП, I_СП, U_ЗИП — напряжение между стоком и истоком, ток стока и напряжение затвор-исток в точке покоя "О".

В режимах XX и КЗ определяют крайние точки нагрузочной прямой. Режим XX: I_С = 0; С_СИ = Е_СИ.

Режим КЗ: U_СИ = 0 ; I_С = I_КЗ = Е_СИ/(R_С + R_И) .

При проектировании каскада проводят нагрузочную линию соответствующим образом и, зная I_КЗ определяют суммарное сопротивление R_С + R_И:

R_С + R_И = Е_СИ/I_КЗ.

За счет тока I_С создается падение напряжения на R_И, "+" этого напряжения подается на затвор через резистор R_З (см. рис. 2.18), "-" приложен к ис­точнику, что и обусловливает напряжение смещения. Следовательно, по­теря напряжения на R_И должна обеспечивать напряжение U_ЗИП:

.

Рис. 3.2.19. Выходные характеристики полевого транзистора

Емкость С_И выбирается из условия, чтобы при подаче входного переменного сигнала выполнялось неравенство:

.

где ω_min — минимальная частота усиливаемого входного сигнала.

Так как напряжение смещения передается на затвор через резистор R_З, то, зная I_З (оговаривается в справочнике), можно определить максимальное значение R_З, при котором IЗ ∙ R_З << U_СМ. Для полевых транзисторов с р-n-переходом R_Зmax порядка 1 МОм.

2. Расчет схемы по переменному току.

Полная линейная модель усилителя будет иметь вид, показанный на рис. 3.2.20.

В диапазоне средних звуковых частот, аналогично RС-усилителям на биполярных транзисторах, конденсаторами С_P1 и С_P2, а также емкостями С_Пр, С_вх и С_НΣ можно пренебречь. Исходя из этого, модель усилителя для сред­них звуковых частот будет иметь вид, представленный на рис. 3.2.21.

3. Коэффициент усиления схемы по напряжению.

Выходное напряжение можно записать в следующем виде:

,

где R_Экв = R_i||R_C||R_H, , S = .

Рис. 3.2.20. Схема замещения усилителя

Рис. 3.2.21. Модель усилителя в диапазоне средних звуковых частот

Так как R_i = для маломощных полевых транзисторов порядка сотен килоом, R_H — единицы мегаом, a R_C — десятки килоом, то R_Экв ≈ R_C.

Исходя из этого, можно записать:

.

При характерных значениях крутизны характеристики S ≈ l÷10 мА/В, получим |k_U| >> 1.

4. Коэффициент усиления по току.

Коэффициент усиления по току определяется аналогично биполярным транзисторным каскадам:

.

Анализируя это выражение, получим |k_i| >> 1. В сравнении с k_i на биполярных транзисторах для схемы ОЭ, схема на полевых транзисторах ОИ имеет существенно больший коэффициент усиления.

5. Входное сопротивление.

Из модели следует, что: R_BX = R_З.

На высоких частотах необходимо учитывать влияние С_ПР и С_вх, при этом входное сопротивление будет определяться, как:

R_Вх = R_З||C_Вх||C_Пр∙(1 + ).

При больших коэффициентах усиления (10÷100), при характерных значениях С_ПР ≈ 1пФ, получаем преобладание действия С_ПР над С_ВХ, значение ко­торой порядка единиц пикофарад.

6. Выходное сопротивление.

Выходное сопротивление усилителя определяется традиционно в виде:

.

Следовательно, по значениям установленных параметров — k_U, k_i, R_вх, R_вых прослеживается аналогичность их параметров параметрам усилителя на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.