8.2. Усилительный каскад на пт.

В курсе "Схемотехника" рассматриваются каскады с регулируемым смещением для большей стабильности работы усилителя.

В рамках курса "Электроника" можно ограничиться простейшим вариантом усилительного каскада на ПТ, у которого U_ЗИ = 0В – Рис.8.3.

Рис.8.3. Усилительный каскад на ПТ с нулевым смещением на затворе.

Работа ПТ в области U_ЗИ > 0 возможна, но не используется, т.к. при этом теряется основное преимущество ПТ – практическое отсутствие входного тока и очень большое значение R_BX. При U_ЗИ.П = 0В положительная полуволна входного сигнала будет создавать напряжения U_ЗИ > 0. Обычно каскады на ПТ используются в качестве входных, поэтому входные напряжения имеют небольшие значения. Реальные значения U_ЗИ > 0, при которых можно еще считать pn-переход полностью закрытым, составляют до (0.2 ÷ 0.3)В. Принципиальных же соображений, запрещающих работу при U_ЗИ > 0, уравнение Шокли (8.1) не дает!

На Рис.8.4. Приведена входная характеристика ПТ КП307В, полученная средствами программы EWB вплоть до значений U_ЗИ = +0.5В.

Рис. 8.4.Передаточная характеристика ПТ c областью U_ЗИ > 0.

На Рис.8.5. показана схема для косвенных измерений входного сопротивления ПТ по переменному току при

Рис.8.5. Схема для измерения входного сопротивления ПТ.

Учитывая, что внутреннее сопротивление вольтметра pV1 в схеме установлено 100МОм, нетрудно определить, что параллельно подключенное ему R_BX.ПТ ≈ 200МОм.

Если в схеме на Рис.8.3 установить резистор R_З до 10МОм, то его значение и будет определять входное сопротивление усилителя. Для большинства источников сигнала при наличии R_BX = 10МОм собственным сопротивлением R_Г можно пренебречь, т.е. считать .

Усилительные свойства каскада характеризуются параметром S – крутизной. Из (8.1) можно получить при

(8.3)

Если принять условие малости входного сигнала, то отклонениями значения I_C от тока покоя I_CП = I_C0 можно пренебречь. В этом случае получается

(8.4)

При значение крутизны – максимально!!!

Уравнение выходной цепи в состоянии покоя

(8.5)

При подаче на вход сигнала Е_Г в выходной цепи создается переменный ток

(8.6)

Уравнение выходной цепи при действии сигнала

(8.7)

Переменная составляющая в выходной цепи

(8.8)

(8.9)

Знак "минус" отражает переворот фазы выходного сигнала на 180^О.

В реальных условиях, когда к выходу подключена нагрузка с сопротивлением , в (8.9) вместо используется

(8.10)

Поскольку значение ничем не регулируется, то выбор рабочей точки будет определяться значением . При выборе рабочей точки (значения ) из соображений наибольшего размаха следует учитывать, что у каскадов на ПТ имеются свои особенности, которые отражены на выходной характеристике I_C= f(U_СИ) – Рис.8.6.

Рис.8.6. Выходная характеристика ПТ.

Выходная характеристика ПТ имеет две области – "крутую" и "пологую". если ПТ снимается при R_C = 0, то граница между этими областями U_C ≈ U_ЗИ.ОТС.

Внутреннее сопротивление ПТ - r_СИ в этих областях резко различается. Это хорошо видно из Рис.8.6, если оценить значения и

Сопротивление всегда подключается параллельно резистору R_C даже в идеальных условиях. Однако, в "пологой" части значение достигает десятков кОм и им можно пренебречь, а в "крутой" части его влияние оказывается доминирующим по сравнению с R_C.

Для получения нормального усиления необходимо работать в "пологой" области. Для этого всегда должно соблюдаться условие

(8.11)

Минимальное напряжение на стоке возникает при максимуме отрицательной полуволны переменной составляющей, т.е. должно быть

(8.12)

или

(8.13)

Условие максимального размаха на выходе для усилителя на ПТ

(8.14)

(8.15)

Условия (8.14), (8.15) так же, как и в случае с БТ совсем не обязательно обеспечивают максимальное усиление, а только максимум размаха выходного сигнала.

(8.16)

Пример 8.1. Определить показатели усилителя на ПТ в режиме максимального размаха выходного сигнала. Паспортными данные ПТ: U_ЗИ.ОТС = 3В, I_C0 = 6мА. Напряжение питания Е_С = 15В. Условия на выходе – идеальные.

Из (8.15) определяем в режиме максимального размаха U_СП = 9В.

Из (8.14) определяем R_C = 1кОм.

Из (8.16) определяем U_{ВЫХ.МАХ} = ±6В

Из (8.4) определяем S₀ = 4мА/В.

Из (8.9) определяем K_U0 = 4.

Пример 8.2. Увеличение коэффициента усиления за счет снижения максимального размаха до U_{ВЫХ.МАХ} = ±3В. Остальные данные те же.

Определяем напряжение покоя, как U_СП = U_ЗИ.ОТС + U_{ВЫХ.МАХ} = 6В.

Из (8.5) определяем R_C = 1.5кОм.

Из (8.9) определяем K_U0 = 6.

96