2015-04-01
17145
Полевые транзисторы, так же как и биполярные, имеют три схемы включения. В соответствии с названиями электродов различают каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ). Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение. Поэтому ниже рассматриваются только каскады ОС и ОИ.
Схема усилительного каскада ОИ приведена на рисунке 3.9. Каскад выполнен на МОП-транзисторе со встроенным каналом п -типа, работа которого возможна как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.
Рисунок 3.9 - Схема усилительного каскада с общим истоком
Основными элементами каскада являются источник питания +Ес, транзистор Т и резистор R c. Нагрузка подключена через разделительный конденсатор Ср 2к стоку транзистора. Элементы R З, R l, R и предназначены для задания U зип в режиме покоя. Резистор R и создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора. Конденсатор С и предназначен для исключения отрицательной обратной связи по переменному току. Разделительный конденсатор Ср 1 обеспечивает связь каскада с источником входного сигнала.
|
|
|
Принцип выбора режима покоя тот же, что и для схемы на биполярном транзисторе (рисунок 3.10). Соотношения (3.4) и (3.5), используемые при выборе режима покоя, здесь можно записать в следующем виде:
U сип> Uвых m Δ U си,
I сп > I с m.
Точка покоя П размещается на линии нагрузки по постоянному току, которая проходит через точки а и б (см. рисунок 3.10).
Рисунок 3.10 - Графическое определение режима покоя каскада ОИ на выходных характеристиках транзистора
Для точки а: I c = 0, U си = + Еc, для точки б: U си = 0, I с = Ec / (R c + R и). Линия нагрузки по переменному току определяется сопротивлением R и~= R c ║R и. В многокаскадных усилителях нагрузкой каскада является входная цепь последующего каскада, обладающая достаточно высоким входным сопротивлением Rвх. В таких случаях нагрузка каскада по переменному току в значительной степени определяется сопротивлением R c, выбираемого, по меньшей мере, на порядок меньше Rвх. По этой причине для каскадов предварительного усиления наклон линии нагрузки по переменному току (прямая в - г) незначительно отличается от линии нагрузки по постоянному току и в ряде случаев их учитывают одной прямой а - б.
Рассмотрим режим покоя в каскаде (задание величин U сип и I сп). Ток стока покоя I сп и напряжение сток - исток покоя U сип связаны соотношением:
U сип = Eс п - I сп (R c + R и)
и определяются напряжением затвор - исток транзистора U зип, соответствующим точке покоя. Напряжение U зип представляет собой параметр стоковой характеристики, проходящей через точку покоя П (см. рисунок 3.10).
|
|
|
Как известно, полевой транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения канала носителями заряда, так и в режиме обеднения. Поэтому полному диапазону выходных характеристик этого транзистора соответствует напряжение затвор - исток, изменяемое не только по величине, но и по знаку (см. рисунок 2.25, б). По указанной причине в режиме покоя напряжение на затворе может иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно истока и даже быть равным нулю.
Рассмотрим случай, когда U зип < 0. Поскольку он является к тому же типичным для каскада ОИ на полевом транзисторе с р-п -переходом, излагаемый ниже принцип задания требуемого режима покоя целиком переносится и на указанный каскад.
Элементами, предназначенными для создания напряжения U зип < 0 в режиме покоя, являются только резисторы R и и R З (см. рисунок 3.9), резистор R1 не нужен. Необходимые величины и полярность напряжения получаются на резисторе R и в результате протекания через него тока I ип = I сп. В связи с этим выбор R и производят по величине R и = U зип / I сп. Резистор R 3 предназначен для обеспечения потенциала затвора равным потенциалу нижнего вывода резистора R и, т. е. для подачи напряжения U зип с резистора R и между затвором и истоком транзистора. Сопротивление R 3выбирают на несколько порядков меньше входного сопротивления транзистора. Это необходимо для исключения влияния температурной нестабильности и разброса значения входного сопротивления транзисторов на величину входного сопротивления каскада. Значение R 3 принимают равным 1…2 Мом.
Помимо обеспечения требуемого напряжения U зип резистор R и создает отрицательную обратную связь в каскаде, препятствующую изменению тока I сп под действием температуры и разброса параметров транзистора. Тем самым функция резистора R и сводится также к стабилизации режима покоя каскада. С целью повышения стабильности часто идут на увеличение R и сверх значения, нужного для обеспечения напряжения U зип. Требуемая при этом компенсация избыточного напряжения U ип осуществляется подачей на затвор соответствующего напряжения U зп путем включения в схему резистора R 1. Из условия указанной компенсации получаем соотношение, которое может быть использовано для расчета сопротивления R 1:
| (3.18) |
| (3.19) |
Величину U ип определяют с учетом выбора напряжения питания:
| Eс = U сип + U ип + I сп Rс. | (3.20) |
Величина Rс оказывает влияние на частотные свойства каскада, ее рассчитывают, исходя из верхней частоты диапазона. С точки зрения расширения частотного диапазона, сопротивление Rc желательно уменьшать. Приняв величину внутреннего сопротивления транзистора ri, получим оценку возможных значений Rc: Rc = (0,05…0,15) ri.
Относительно напряжения U ип можно высказать те же соображения, что и для напряжения Uэ п в каскаде ОЭ: повышение напряжения U ип благоприятно сказывается на стабильности точки покоя вследствие увеличения сопротивления R и, однако при этом возрастает требуемое напряжение источника питания Ес. В связи с вышеизложенным напряжение U ип выбирают порядка (0,1…0,3) Ес.
По аналогии с выражением (3.4) имеем:
 .
| (3.21) |
При Uзи п ≥ 0 необходимость включения резистора Rи диктуется требованием стабилизации режима покоя. Включение резистора R1 здесь обязательно. Выбор элементов производится с использованием выраений (3.18) - (3.21). При этом в выражениях (3.18), (3.19) следует соответственно либо положить напряжение U зип равным нулю, либо изменить знак перед напряжением U зип. Режим U зип > 0 является типичным для полевых транзисторов с индуцированным каналом. Поэтому с учетом изменения знака перед U зип соотношения (3.18), (3.19) используют для расчета цепей смещения каскада ОИ на этих транзисторах.
|
|
|
Выбор типа транзистора производят с учетом тех же данных, что и в каскаде ОЭ. Учитывают максимальный ток стока Iс max, максимальное напряжение U cи max и максимальную рассеиваемую мощность в транзисторе
Рр mах (см. рисунок 3.10).
Каскад ОИ, так же как и схема ОЭ на биполярном транзисторе, осуществляет поворот по фазе на 180° усиливаемого сигнала. Поступление на вход, например, положительной полуволны напряжения (см. рисунок 3.10) вызывает увеличение тока стока, повышение напряжения на резисторе и уменьшение напряжения стока. На выходе будет выделена полуволна напряжения отрицательной полярности.
Проведем анализ каскада по переменному току. Поскольку паразитные емкости каскада определяются межэлектродными емкостями полевого транзистора и зависят от схемы включения, анализ каскада будем проводить по полной схеме замещения транзистора, учитывающей и межэлектродные емкости. Схема замещения каскада ОИ показана на рисунке 3.11, а.
Рисунок 3.11 - Схема замещения каскада ОИ с источником тока и источником напряжения
Схема замещения основана на использовании источника тока SUвх в выходной цепи. Сопротивления Rc, Rн, включенные параллельно в выходной цепи, определяют сопротивление нагрузки Rн = Rc ║ Rн. Сопротивления R 3, R 1 в схеме замещения каскада ОИ также включены параллельно. Поскольку входное сопротивление каскада, как правило, существенно больше RГ, входное
напряжение каскада принимают равным ЕГ. Емкости разделительных конденсаторов Ср 1, Ср 2 и конденсатора Си достаточно велики и их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому на схеме замещения эти конденсаторы, как и блокированный конденсатором Си резистор R и, не показаны.
Выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению для средних частот, когда сопротивления оставшихся в схеме замещения конденсаторов еще достаточно велики, записывается в виде:
или
 .
| (3.22) |
Произведение S ri называют статическим коэффициентом усиления μ полевого транзистора. С учетом соотношения S ri = μ формула (3.22) принимает вид:
|
|
|
.
Возможен второй вариант построения схемы замещения каскада ОИ - с источником напряжения μ Uвх (рисунок 3.11, б).
Если схема ОИ является каскадом предварительного усиления в многокаскадном усилителе, то Rн = Rc ║ Rвх Rc. Если учесть к тому же, что Rc << ri, то коэффициент усиления каскада по напряжению
Ku ≈ S Rc.
Входное сопротивление каскада ОИ определяется параллельно соединенными сопротивлениями R1 и Rз:
Rвх = R 1║ R з.
Выходное сопротивление каскада ОИ определяется выражением:
Rвых = Rс ║ ri ≈ Rс.
При переходе в область высоких частот необходимо учитывать входную и выходную емкости каскада.
При расчете входной емкости должны быть учтены межэлектродные емкости Сзи, Сзс транзистора (см. рисунок 3.11, а), а также емкость монтажа входной цепи См (емкость деталей и проводов входной цепи каскада по отношению к шине "-" источника питания). Указанные емкости создают на высоких частотах реактивные составляющие токов входной цепи, определяющие суммарный входной ток каскада:
iсвх = iсзи + iсзс + iсм.
Токи iсзс , iсм определяются входным напряжением Uвх каскада, а ток iсзс - напряжением сток - затвор. Поскольку напряжение на стоке находится в противофазе с входным напряжением, напряжение между затвором и стоком будет равно 
.
С учетом указанного определяем емкостный входной ток каскада
iсвх = j ω Cзи Uвх + j ω Cзс (1 + Кu) Uвх + j ω Cм Uвх,
или
iсвх = j ω Uвх [ Cзи + (1 + Кu) Cзс + Cм ] = j ω Cвх Uвх,
где Свх - входная емкость каскада, равная
| Свх = Cзи + (1 + Кu) Cзс + Cм. | (3.23) |
Если принять для примера Сзи = 10 пФ, Сзс = 2 пФ, См = 2 пФ и Кu = 50, то входная емкость составит 114 пФ, причем определяющим будет второе слагаемое в выражении (3.23).
Выходная емкость каскада зависит от межэлектродных емкостей участков сток–исток и сток–затвор, а также емкости монтажа выходной цепи.
Расчет выходной емкости производят по той же методике, что и расчет входной емкости:
