Усилительные каскады на полевых транзисторах

В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (до десятков Мом и выше). Поэтому и усилительные каскады на полевых тран­зисторах обладают большими входными сопротивлениями. С повышением частоты входное сопротивление уменьшается из-за наличия емкостей затвор – исток и затвор – сток. Управление выходным то­ком в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости ка­нала р-или n-типа, через который под воздействием электрического поля протекает ток. Полевые транзисторы управляются по входной цепи напряжением (электрическим полем – отсюда название – полевые), а не током. Ток затвора мал и для кремниевых структур с управляющим p-n-переходом не превышает 10^-8 А. Для МДП – транзисторов этот ток на несколько порядков меньше. В полевых транзисторах электропроводность канала обусловлена движением носителей только одного типа, поэтому по принципу действия они являются униполярными.

На рисунке 4.26 представлена типовая схема усилительного каскада с общим истоком (ОИ) на МДП-транзисторе с собственным каналом n-типа, в которой назначе­ние резисторов R₁, R₂ и конденсаторов С₁ и С₂ такое же, как и в каскаде с ОЭ[4]. В схеме резистор R_и выполняет функцию термостабилизации режима работы каскада по постоянному току стока I_сп. Для исключения ООС по переменно­му току резистор R_и шунтируют конденсатором С_и.

Нагрузкой по переменному току в усилительном каскаде с ОИ является сопротивление

R_сн = R_сR_н/( R_с + R_н). (4. 49)

Анализ работы каскада с ОИ проводится графоаналитическим методом, используя статические стоковые и стокозатворные характеристики МДП-транзистора (рисунок 4.27)[4]. Линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2 на рисунке 4.27 а) проводят через две точки в соответствии со вторым законом Кирхгофа для стоковой цепи:

Е_с = U_сип + I_сп (R_с + R_н). (4. 50)

Рисунок 4.26 – Усилительный каскад с ОИ на МДП-транзисторе

Тогда координаты определят­ся следующим образом – для точки 1– I_сх = 0, U_сх = Е_с; для точки 2 – U_сз = 0, I_сз = Е_с/(R_c + R_и).

Рисунок 4.27 – Графический анализ работы каскада с ОИ с помощью характеристик МДП-транзистора: а – стоковых; б – стокозатворной

Линия нагрузки по перемен­ному току проходит через точку покоя П (линия 3-4 на рисунке 4.27, а) и ее наклон определяется вели­чиной сопротивления R_сн.

Усилительный каскад с ОИ на полевом транзисторе аналогично каскаду с ОЭ на биполярном транзисторе изменяет фазу входного сигнала на 180°. Наиболее значимые показатели каскада с ОИ для линейного режима усиления можно рассчитать с помощью его эквивалентной схемы (рисунок 4.28)[4], основа которой – схема замещения МДП-транзистора (обведена на рисунке 4.28 штриховой линией). В эквивалентной схеме каскада усилительные свойства МДП-транзистора отражены генера­тором тока SU_вх с параллельно включенным внутренним сопротивлением транзистора r_i. Величина S = ∆I_c/∆U_зи – есть крутизна стокозатворной характеристики, которая определяется с помощью кривой на рисунке 4.27, б.

Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением R₃ = R₁R₂/(R₁+R₂₎, а нагрузка каскада по переменному току – сопротивлением R_сн. Межэлектрод­ные емкости С_зи и С_зс отражают наличие входной и проходной емкостей , а емкость С_си – межэлектродную выходную емкость МДП-транзистора.

Рисунок 4.28 – Эквивалентная схема каскада с ОИ

Коэффициент усиления по напряжению нетрудно найти из эквивалентной схемы каскада (рисунок 4.28).

.

Как правило, в полевых транзисторах r_i >>R_c и r_i >>R_cн, поэтому

К_u = SR_сн. (4. 51)

Входное сопротивление каскада с ОИ определяется в основном делите­лем в цепи затвора: R_вх = R_з.

Выходное сопротивление каскада приблизительно равно сопротивлению: R_вых » R_cн.

В типовой схеме усилительного каскада с общим стоком (ОС) (истокового повторителя) на МДП-транзисторе (рисунок 4.29)[4] ре­зисторы R₁, R₂ и R_и задают режим покоя. Нагрузкой усилительного каскада по постоянному току является резистор R_и, а по переменному току – сопро­тивление параллельно включенных резисторов R_и и R_н: R_ин = R_иR_н/(R_и + R_н). Как и в каскаде с ОК, выходное напряжение в истоковом повторителе совпа­дает по фазе с входным и практически равно ему.

Коэффициент усиления по напряжению

. (4.52)

Поскольку SR_ин >>1, то коэффициент усиления близок к единице.

Рисунок 4.29 – Истоковый повторитель

Входноесопротивление истокового повторителя очень высокое и достигает сотен МОм. Во-первых, это связано с малой величиной входной емкости МДП-транзистора. Поскольку реактивное сопротивление этой емкости достаточно велико, то оно практически не шунтирует входную цепь каскада. Во-вторых, это обусловлено тем, что между затвором и истоком приложена разность напряжений U_зи = U_вх – U_вых, которая невелика. Вследствие высокого входного сопротивления входной ток МДП-транзистора оказывается очень малым и мощность, отбираемая от генератора, невелика.

В каскаде с ОС действует 100% последовательная обратная связь по напряжению. Поэтому этот каскад обеспечивает хорошую стабильность коэффициента усиления.

Выходное сопротивление истокового повторителя, как правило, существенно меньше, чем у каскадов с общим истоком. Это следствие того, что обратная связь, повышая входное сопротивление, понижает выходное.

4.4.6 Амплитудная и амплитудно–частотная характеристики резистивного усилителя

Важное значение для усилителя имеет амплитудная характеристика, отражающая зависимость амплитуды (действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (действующего значения) входного (рисунок 4.30). У идеального усилителя амплитудная характеристика – прямая линия, проходящая через начало координат. Угол ее наклона пропорционален коэффици­енту усиления усилителя К_u. У реального усилителя она имеет изгиб и пере­секает ось ординат в точке U_вых=U_ш, определяющейся напряжением собст­венных шумов усилителя. Участок U_вх<U_{вх мин} не используется, так как уси­ливаемый сигнал здесь не различим на фоне внутренних шумов усилителя. Изгиб амплитудной характеристики при U_вх > U_{вх макс} характеризует появле­ние искажений формы выходного напряжения.

Рисунок 4.30 – Амплитудная характеристика усилителя

Таким образом, без искажений усиливаются сигналы с действующим значением напряжения не выше U_{вх макс} и не ниже U_{вх мин}, отношение которых представля­ет динамический диапазон (дБ) входного сигнала.

Д,_дБ = 20lg(U_{вх макс} /U_{вх мин}). (4. 53)

Динамический диапазон усилителя определяется из выражения

Д,_дБ = 20lg(U_{вых макс} /U_{вых мин}). (4. 54)

В практических схемах линейное усиление обеспечивается при сравнительно небольших амплитудах входного напряжения и выборе точки покоя на линейных участках входной и выходной характеристик. В этом случае имеет место линейная зависимость между переменными токами базы i_б1 и коллектора i_к1, а также напряжениями u_вх1 и u_вых1 (см. штриховые линии на рисунке 4.31).

Если же амплитуда входного сигнала велика, то нелинейность статических характеристик приводит к искажениям формы выходного напряжения. Этому случаю соответствуют временные диаграммы токов и напряжений, изображенных на рисунке 4.31 сплошными линиями.

Рисунок 4.31 – Временные диаграммы токов и напряжений в цепях каскада с ОЭ при малом и большом уровнях входных сигналов: а – базовой; б – коллекторной

При поступлении отрица­тельной полуволны входного напряжения, когда значения амплитуды u_вх2больше напряжения базы покоя U_бп (заштрихованная область на рисунке 4.31, а), транзистор закрыт (режим отсечки), и токи базы i_б2 и коллектора i_к2 практи­чески равны нулю. Рабочая точка на выходных характеристиках находится в положении 1 и напряжение u_вых2 = Е_к (рисунок 4.31, б). На интервале времени ∆t₁ происходит срез отрицательных полуволн токов i_б2 и i_к2 и положительной полуволны выходного напряжения u_вых2.

При поступлении положительной полуволны входного напряжения линия нагрузки пересекает коллекторную характеристику на ее вертикальном участке в точке 2, где ток базы I_бнас максимален. Так как транзистор в этой точке находится в режиме насыщения, то дальнейшее увеличение тока базы практически не вызовет приращения тока коллектора. В этом случае на интервале ∆t₂ происходит уплощение положительной полуволны тока коллектора i_к2 и отрицательной полуволны выходного напряжения u_вых2 (рисунок 4.31,б).

Описанные искажения формы выходного напряжения относятся к нелинейным. Уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

, (4.55)

где P₁, P₂, …, P_n; U₁, U₂, …, U_n; I₁, I₂, …, I_n – мощности, напряжения и токи соответственно 1-й, 2-й, ..., n-й гармонических составляющих выходного сигнала.

Нелинейные искажения в отличие от линейных сопровождаются появлением на выходах усилителей новых, паразитных гармонических составляющих в спектре усиленного сигнала, частоты которых кратны частотам входного сигнала. Однако (и это принципиально) если линейные искажения влияют на качество передачи информации только в «своем» радиоканале, то нелинейные искажения, кроме того, могут исказить информацию, переда­ваемую по другим каналам. Дело в том, что возникающие при нелинейных искажениях высшие гармоники одного передаваемого сигнала могут попа­дать в спектры других сигналов и искажать их. В общем случае коэффици­ент гармоник электронного усилителя не должен превышать 1...5%. Совре­менные высококачественные усилители звука имеют коэффициент гармоник менее одного процента.

В схеме, приведенной на рисунке 4.21, имеются частотно - зависимые элементы. Это конденсатор С₂, конденсатор, образованный входной емкостью следующего каскада С_{вх.след.}(на рисунке 4.21 не показан), а также конденсаторы, образованные емкостью монтажа С_м.

Эквивалентная схема усилительного каскада, изображенная на рисунке 4.21, с учетом частотно–зависимых элементов приведена на рисунке 4.32.

Общая емкость С₀ (на схеме не показана) равна

С₀=С_вых+С_м+С_{вх след.} (4.56)

и включена параллельно сопротивлению Rн.

С учетом емкости С_о и С₂ при постоянной амплитуде напряжения на входе напряжение на выходе U_вых зависит от частоты входного напряжения, т.е. коэффициент усиления каскада зависит от частоты. Эта графически выраженная зависимость коэффициента усиления каскада от частоты входного сигнала и есть амплитудно-частотная характеристика.

Рисунок 4.32 – Эквивалентная схема усилительного каскада с учетом частотно–зависимых элементов

При уменьшении частоты сигнала сопротивление конденсатора С₂ увеличивается, падение напряжения на нем возрастает. В результате напряжение на выходе U_вых уменьшается. Поэтому с понижением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

На высоких частотах проявляется шунтирующее действие емкости С_о. С повышением частоты входного сигнала сопротивление емкости С_о уменьшается, а следовательно, и падение напряжения сигнала на нагрузке уменьшается. Поэтому с повышением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

В области средних частот потери напряжения на конденсаторе С₂ невелики.

Для того, чтобы коэффициент усиления резисторного каскада в рабочем диапазоне частот оставался постоянным, емкость разделительного конденсатора С₂ выбирают по возможности большей, а паразитную емкость С₀ стремятся уменьшить.

Амплитудно–частотная характеристика резисторного каскада приведена на рисунке 4.33.