3. Усилительные каскады на полевых транзисторах

В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (до десятков МОм). Поэтому и усилительные каскады на полевых транзисторах обладают значительно большим входным сопротивлением.

Типовая схема усилительного каскада с общим истоком (ОИ) на МДП транзисторе представлена на рис. 2. 8.

Делитель напряжения R₁, R₂ и разделительные конденсаторы С₁, С₂ выполняют те же функции, что и в каскаде усилителя с ОЭ. Резистор R_И выполняет функцию термостабилизации режима работы полевого транзистора по постоянному току. Для исключения ООС по переменному току резистор шунтируют конденсатором С_И.

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

Выходное сопротивление каскада с ОИ приблизительно равно стоковому сопротивлению: .

Нагрузкой по переменному току в усилительном каскаде с ОИ является сопротивление

.

Расчет усилительного каскада с ОИ на полевом транзисторе, анализ принципа его работы, оценка основных характеристик проводится графоаналитическим методом (аналогично каскадам на БПТ).

Усилительный каскад с ОИ на полевом транзисторе, как и каскад с ОЭ на биполярном транзисторе, изменяет фазу входного сигнала на 180⁰.

Усилительный каскад с ОС (с общим стоком) на полевом транзисторе представлена на рис.2.9. В литературе такая схема получила название истокового повторителя.

Резисторы делителя напряжения R₁, R₂ и сопротивление нагрузки R_Н задают режим покоя каскада Конденсаторы С₁, С_Н - разделительные. Нагрузкой усилителя по постоянному току является резистор R_И , а по переменному току - сопротивление параллельно включенных резисторов R_Н и R_И :

.

Как и в схеме с ОК, выходное напряжение в истоковом повторителе совпадает по фазе с входным и практически равно ему. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице.

Входное сопротивление стокового повторителя очень высокое и составляет сотни МОм. Это связано, с одной стороны, с малой величиной входной емкости МДП – транзистора, при этом указанная емкость практически не шунтирует входную цепь каскада, с другой стороны, между затвором и истоком приложена разность потенциалов , которая относительно невелика, вследствие чего входной ток МДП – транзистора оказывается очень малым и мощность, отбираемая от источника входного сигнала, невелика.

Рассмотренные выше схемы усилителей на транзисторах работают в линейном режиме и являются предварительными усилителями.

3. Избирательные усилители

Избирательные (полосовые и резонансные) усилители применяются для усиления узкополосных сигналов. Усилители, настроенные на фиксированную частоту, называются полосовыми, а перестраиваемые по частоте избирательные усилители называются резонансными.

Простейшая схема полосового усилителя на БПТ по схеме с ОЭ приведена на рис. 2.10. Из сравнения схем, представленных на рис 2.10 и рис.2.5, видно, что у резонансного усилителя в коллекторной цепи вместо активного сопротивления включен параллельный колебательный контур. Поэтому при определении коэффициента усиления каскада следует учитывать резонансное сопротивление колебательного контура.

Основными показателями избирательных усилителей, связанными с амплитудно - частотной характеристикой, являются:

• максимальный коэффициент усиления (коэффициент усиления на резонансной частоте) К₀ ;

• средняя (резонансная) частота f₀ ;

• ширина полосы пропускания на уровне 0,7 от максимального значения (на уровне половинной мощности);

• избирательность.

Избирательность усилителя определяется крутизной склонов АЧХ. Чем резче изменяется коэффициент усиления на границах полосы пропускания, и чем меньше коэффициент усиления за пределами полосы пропускания, тем выше избирательность усилителя. В этой связи иногда вводят понятие коэффициент прямоугольности (к_п ≥ 1), в качестве которого рассматривается отношение ширины полосы частот на уровне 0,1 (или 0,01, что должно быть оговорено) к ширине полосы пропускания .

Считается, что АЧХ таких усилителей должна приближаться к прямоугольной, что уменьшает искажения, вносимые усилителем в сигнал. Коэффициент прямоугольности идеальных резонансных усилителей равен 1

Для большинства избирательных усилителей отношение граничных частот рабочей полосы лежит в пределах 1.001 .. 1.005, что связано с особенностями резонансных систем.

Следует заметить, что при таком включении (см. рис.2.10) колебательный контур оказывается зашунтированным выходным сопротивлением собственного каскада и входным сопротивлением следующего за усилителем каскада. Результат шунтирования проявляется в ухудшении избирательности резонансной системы. Наиболее сильно шунтирование проявляется в схемах избирательных усилителей на БПТ. В этой связи в каскадах на БПТ, для уменьшения вредного влияния последующего каскада на избирательность усилителя применяется неполное включение контура в нагрузочную цепь.

Избирательные усилители применяются на высоких частотах (сотни кГц – единицы МГц). В качестве активных элементов в них используются биполярные или полевые транзисторы, а также интегральные микросхемы. В последнем случае элементы колебательной системы являются навесными элементами, так как их выполнение по интегральной технологии встречает существенные затруднения и не допускает точной настройки на конкретную частоту.

Полосовые усилители не требуют перестройки контуров, поэтому их резонансные системы более сложные, а избирательные характеристики по форме приближаются к идеальным.

В резонансных усилителях применяются простые частотно – избирательные цепи с одним (реже двумя) конденсаторами переменной емкости, чтобы не усложнять конструкцию.

На низких частотах резонансные системы на LC элементах из-за их недопустимо больших массо – габаритных характеристик не используются. Вместо них применяются схемы с частотно – зависимыми обратными связями на основе RC – цепей.

Принцип работы такого усилителя основан на том, что коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи, от которого зависит коэффициент передачи каскада, имеет ярко выраженную частотную зависимость (рис. 2.11): вблизи частоты f₀ он близок к нулю, так что коэффициент усиления каскада стремиться к К₀ ; для прочих частот за счет усиления ООС коэффициент передачи каскада резко уменьшается.

В цепи ООС НЧ избирательных усилителей часто используют двойной Т – образный мост, выполненный на RC элементах (рис.2.11, б). Эквивалентная добротность таких схем может достигать несколько десятков тысяч.