Рисунок 2.29. Схемы каскада с ОК для СЧ, ВЧ и НЧ
Проведя анализ, получим для области СЧ:
где Rэкв = Rэ∥Rн, F = 1 + S0Rэкв — глубина ООС;
Rвх = R12∥Rвх T,
где Rвх T — входное сопротивление собственно транзистора,
Rвх T = rб + (1 + H21э)·(rэ + Δr + Rэкв);
Rвых = R12∥Rвых T,
где Rвых T — выходное сопротивление собственно транзистора,
т.к. S0>>g и при работе каскада от низкоомного источника сигнала (при этом Rб=R12∥Rг) второе слагаемое оказывается существенно меньше первого. В целом
Rвых≈ 1/S0,
потому, что, как правило, Rэ>> 1/S0.
В области ВЧполучим:
где τвОК — постоянная времени каскада в области ВЧ, τвОК =(τ+CнRэкв)/F; τ — постоянная времени БТ.
Yвх≈ 1/R12 + (1/RвхT + jωCвх дин),
где Cвх дин=Cк+Cн/(H21э+1), т.е. каскад с ОК имеет входную динамическую емкость меньшую, чем каскад с ОЭ;
т.е. модуль выходной проводимости уменьшается с ростом частоты, что позволяет сделать вывод об индуктивном характере выходной проводимости каскада с ОК на ВЧ. Количественно индуктивную составляющую выходного импеданса можно оценить следующим образом:
LвыхОК = rб/2πfTm
где m=(1,2…1,6).
Выражения для относительного коэффициента передачи Yв и коэффициента частотных искажений Mв и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.
В области НЧполучим:
Kн = K0/(1 + 1/jωτн),
где τн — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.
Характеристики БТ при различных схемах включения приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Характеристики БТ при различных схемах включения
| Параметр | Схема | ||
|---|---|---|---|
| ОЭ | ОБ | ОК | |
| Rвх | Сотни Ом | Единицы, десятки Ом | Единицы кОм |
| Rвых | Единицы кОм | Единицы кОм | Единицы, десятки Ом |
| KU | >>1 | >>1 | <1 |
| KI | >>1 | <1 | >>1 |
| KP | KI·KU | ≈KU | ≈KI |
2.9. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ОИ
Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком. На рисунке 2.29 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада с ОИ с цепью автосмещения, служащей для обеспечения режима работы ПТ по постоянному току.
Если БТ разделяется на два типа — p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рисунка 2.29, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.
Рисунок 2.29. Усилительный каскад с ОИ
Выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТ представлены на рисунке 2.30. В отличие от БТ, у ВАХ ПТ имеется значительная область управляемого сопротивления, в которой возможно использование ПТ в качестве электронного управляемого резистора. В качестве усилительного элемента ПТ используется в области усиления.
Рисунок 2.30. Выходные статические характеристики ПТ
В отсутствие входного сигнала каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора Rи задается напряжение смещения U0=Iс0·Rи, которое определяет ток покоя стока Iс0.
Координаты рабочей точки определяются соотношениями:
Uс0≥Uвых + UR,
где UR — граница области управляемого сопротивления на выходных статических характеристиках транзистора (рисунок 2.30),
UR≈ (1…2) В;
Iс0≥Uвых/R≈,
где R≈= Rс∥Rн — сопротивление нагрузки каскада по переменному току;
),
где Uотс — напряжение отсечки, Iси — ток стока при Uзи=0 В (либо при Uзи=2Uотс для ПТ в режиме обогащения, см. рисунок 2.33 в подразделе 2.10).
С помощью резистора Rи, помимо задания необходимого напряжения смещения, в каскад вводится ООС, способствующая термостабилизации (у ПТ как и у БТ наблюдается сильная температурная зависимость параметров), на частотах сигнала эта ОС устраняется путем включения Cи.
Графически проиллюстрировать работу каскада с ОИ можно, используя проходные и выходные статические характеристики ПТ, путем построения его динамических характеристик. Построение во многом аналогично каскаду с ОЭ и отдельно не рассматривается.
Нетрудно показать, что каскад с ОИ, как и каскад с ОЭ, инвертирует входной сигнал.
На рисунке 2.31 а,б,в приведены, соответственно, малосигнальные схемы для областей СЧ,НЧ, и ВЧ.
Рисунок 2.31. Схемы каскада с ОИ для СЧ, ВЧ и НЧ
Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а ПТ представить моделью, предложенной в разделе 2.4.2.
В результате расчета в области СЧ получим:
K0 = S0Rэкв,
где Rэкв= Rс∥Rн;
gвх≈ 1/Rз,
gвых≈gс = 1/Rз.
Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора g22э много меньше gс и gн. Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на ПТ.
В области ВЧполучим:
,
где τв — постоянная времени каскада в области ВЧ, τв≈CнRэкв;
где Cвхдин = Cзи + Cзс(1 + K0);
Выражения для относительного коэффициента передачи Yв и коэффициента частотных искажений Mв и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.
В области НЧполучим:
Kн = K0/(1 + 1/jωτн),
где τн — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.
2.10. Термостабилизация режима каскада на ПТ
Различают, по крайней мере, шесть типов ПТ, показанные на рисунке 2.32.
Рисунок 2.32. Основные типы ПТ
Проходные характеристики n-канальных ПТ в режиме обогащения, смешанном и обеднения приведены, соответственно на рисунке 2.33 а,б,в, для p-канальных ПТ они будут отличаться противоположной полярностью питающих напряжений.
Рисунок 2.33. Проходные характеристики ПТ
С помощью рассмотренной схемы автосмещения (рисунок 2.29) возможно обеспечение требуемого режима по постоянному току для ПТ, имеющих проходную характеристику, изображенную на рисунке 2.33а, и — (при отрицательном смещении) — на рисунке 2.33б. Более универсальной схемой питания ПТ является схема с делителем в цепи затвора (рисунок 2.34), способная обеспечить любую полярность напряжения смещения Uзи0.
Рисунок 2.34. Схема питания ПТ с делителем в цепи затвора
В [1] приведен ряд полезных практических соотношений:
где соответствующие токи показаны на рисунке 2.33, а Sси — крутизна при токе стока равном Iси.
В ПТ температурная нестабильность тока стока обусловлена следующими факторами (при росте температуры):
◆ увеличением тока стока за счет теплового смещения проходных характеристик (как и в БТ) при малых значениях тока покоя стока Iс0;
◆ уменьшением тока стока за счет удельного сопротивления канала в широком диапазоне изменения тока покоя стока Iс0.
Следовательно, у некоторых типов ПТ возможно существование термостабильной точки покоя (рисунок 2.35).
Рисунок 2.35. Температурная зависимость тока стока
Координаты термостабильной точки и соответствующую им крутизну можно приближенно оценить по следующим соотношениям [1]:
UзT≈Uотс – 0,63 В;
IсT = 0,4·I