Усилительный каскад на полевом транзисторе

Рассмотрим простейший усилительный каскад на полевом транзи­сторе, включенном по схеме ОИ, принципиальная схема которого приве­дена на рис. 5.16. В качестве активного элемента каскад содержит n-ка­нальный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.

К входу каскада подключается источник входного сигнала (генератор с эдс e_r = E_{r m} sinωt и внутренним сопротивлением R_r). На выходе каскада включена нагрузка R_н.

Рассмотрим вначале режим покоя (e_r = 0) или, как его часто называют, режим работы каскада по постоянному току, и определим его параметры. Особенность полевого транзистора с управляющим переходом состоит в том, что напряжения U_зии U_си имеют противоположные знаки. Для n-ка­нального транзистора U_зи < 0, а U_си > 0. В этой ситуации для того, чтобы из­бежать использования двух источников питания применяется так назы­ваемое автоматическое смещение цепи затвор–исток. Его механизм за­ключается в следующем. Цепь стока питается от положительного полюса источника питания E_с.При  этом в цепи R_c – канал транзистора – R_и проте­кает ток I_c0, который на резисторе R_и создает падение напряжения U_и0 = I_с0R_и. Это напряжение через резистор R_з прикладывается к промежутку затвор–исток. Заметим, что поскольку I_з0 = 0, падение напряжения на рези­сторе R_з тоже равно нулю, т. е. U_з0 = 0. В этом случае

U_зи0 = U_з0 – U_и0 = – I_c0R_и.

Так как сток тока I_co связан в режиме насыщения (именно этот ре­жим используется в усилительных схемах) с напряжением U_зи0 соотноше­нием (5.2), то для определения параметров режима покоя U_зи0 и I_c0 необ­ходимо решить систему уравнений:

     Эта система может быть решена аналитически или графически [7]. Графическое решение системы, в ходе которого определяется положение точки покоя на характеристике прямой передачи, иллюстрирует рис. 5.17.

Третий параметр режима покоя – напряжение U_си0 находится из урав­нения:

                    U_си0 = E_c – I_c0 (R_c + R_и)                   (5.6)

Рассмотрим работу каскада в режиме усиления (e_r ≠0). Для этого по­строим эквивалентную схему каскада по переменному току. Ограничимся режимом средних частот и малого сигнала. При этом сопротивления раз­делительных конденсаторов можно считать равными нулю, а сопротивле­ния паразитных емкостей структуры транзистора – равными бесконечно­сти, т. е. можно использовать низкочастотную эквивалентную схему тран­зистора (рис. 5.18).

Рис. 5.18

 Эквивалентная схема усилительного каскада по переменному току при­ведена на рис. 5.19.

Транзистор моделируется источником тока SU_зи и внутренним сопротив­лением R_i. Резистор R_с по пе­ременному току оказывается вклю­ченным параллельно R_i и R_н. Резистор R_и на схеме не показан, поскольку шунтируется для устранения отрицательной обратной связи по перемен­ному току конденсатором С_и. Обычно R_i >> R_c и влиянием R_c можно пре­небречь. Для учета влияния нагрузки используют эквивалентное сопро­тивление R= R_с||R_н . В соответствии с эквивалентной схемой можно запи­сать U_вх=U_3u ; U_вых=-SU_зuR_С, тогда коэффициент усиления по напря­жению

.

  (5.7)

Знак минус в (5.7) свидетельствует о том, что усилительный каскад на полевом транзисторе, включенном с общим истоком, инвертирует сигнал, аналогично каскаду на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Из (5.7) также следует, что важнейшим параметром, определяющим уси­лительные свойства транзистора, является его крутизна. Для увеличения крутизны, как уже отмечалось, необходимо сокращать длину каналу l_k, увеличивать его ширину W (W >> l_k), а также использовать материалы с более высокой подвижностью электронов, в частности арсенид галлия. Входное сопротивление каскада R_вх=R_з может быть очень большим (по­рядка мегаома), а выходное сопротивление R_{вых ≈} R_c. Высокое входное со­противление является важным достоинством каскадов на полевых транзи­сторах.

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работы полевого транзистора  с p-n-переходом и его статистические характеристики.
2. Объяснить принцип работы полевого транзистора с изолированным за­твором.
3. Какие разновидности МДП-транзисторов вы знаете? Поясните физиче­ские явления, на основе которых эти транзисторы работают.
4. Какой участок характеристик полевого транзистора используется в усилителях?
5. Какой участок характеристик транзистора  используется в управляе­мых делителях напряжения?
6. Нарисуйте схему управляемого делителя напряжения.
7. Представьте схему генератора стабильного тока на полевом транзи­сторе.
8. Объясните эквивалентную схему полевого транзистора для малого сиг­нала.
9. Почему входное сопротивление полевых транзисторов очень большое?

Источник:В.А. Нахалов,Электронные твердотельные приборы