L_7 (Конспекты лекций)

1Лекция № 7.УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.СОГЛАСУЮЩИЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХПлан1. Введение.2. Усилительные каскады на полевых транзисторах.3. Согласующие свойства усилительных каскадов.4.

Теоретическое обобщение по теме.1. ВведениеВажным преимуществом усилителей на полевых транзисторах передусилителями на биполярных транзисторах является то, что входные цепи непотребляют токов: в транзисторах с объёмным каналом затвор отделён от канала обеднённым слоем p-n-перехода, а в транзисторах с приповерхностнымканалом (МОП-транзисторы) ─ слоем диэлектрика.В усилительных каскадах полевые транзисторы в активном режиме всегда работают на пологих участках ВАХ: на этих участках транзисторы имеютмаксимальные значения крутизны и коэффициента усиления.???В современных схемах усилителей наибольшее применение получилитранзисторы с индуцированным каналом.

Такие транзисторы работают только в режиме обогащения (рис.5.15 в лекции 5). Современные технологии позволили получить МОП-транзисторы с очень малой длиной канала, за счётчего сопротивление канала уменьшилось. В современных МОПтранзисторах толщина диэлектрика в МОП-транзисторах d ≈ 0,002…0,05мкм.Примечание. Не надо думать, что транзисторы с объёмным каналом (канальные транзисторы) вообще перестали применяться в электронике. Основными преимуществами канальных транзисторов перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, очень малое остаточное напряжение на участке сток-исток открытого транзистора в ключевом режиме, упрощённая технология изготовления.2В многокаскадных усилителях полевые транзисторы легко сочетаются сбиполярными, что позволяет максимально использовать преимущества тех идругих при решении конкретных задач.При проектировании усилителей на полевых транзисторах следует помнить, что стоко-затворная ВАХ носит отчётливо выраженный квадратичный(нелинейный) характер.

Поэтому, при работе в режиме большого сигнала такой усилитель будет вносить заметные нелинейные искажения.2. Усилительные каскады на полевых транзисторахОсновными преимуществами канальных транзисторов перед биполярными являются высокое входное сопротивление (входные цепи у них не потребляют токов), малые шумы, очень малое остаточное напряжение на участке сток-исток открытого транзистора в ключевом режиме, упрощённая технология изготовления.

Рассмотрим несколько усилительных каскадов, выполненных на транзисторах с разными типами каналов, и разных схемахвключения.Схема усилителя на полевом n-канальном транзисторе с управляющим p-n-переходомНа рис.7.1а ─ схема усилителя на полевом n-канальном транзисторе суправляющим p-n-переходом, а на рис.7.1б ─ схема замещения усилителя, вкоторой транзистор представлен как генератор SU вх для нагрузки R н .В схеме замещения не учтены резистор R и и источник Е с . Это не случайно: в цепи истока резистор R и (рис.6.1а) зашунтирован по переменной составляющей тока конденсатором С и , сопротивление которого по переменнойсоставляющей тока в 5 …10 раз меньше сопротивления резистора R и , что делает потенциал истока по переменной составляющей примерно равным нулю, а источник напряжения Е с зашунтирован блокировочным конденсаторомС б .

Следовательно, и сопротивление источника напряжения Е с по переменной составляющей также равно нулю.3Конденсатор С и устраняет в схеме отрицательную обратную связь(ООС) по переменной составляющей тока в рабочем диапазоне частот (материал по ООС дан ниже). Расчёт этой ёмкости ведётся с учётом допустимыхчастотных искажений в диапазоне низких частот «М»С ≥иRсСр1евхСб.M 2 −1ЕсСр2VTrгUвхRз[ ]112π f н R иSСиRиUвхRзRнRнSUвхевха)Rcб)Рис.

7.1.Так как p-n-переход находится всегда в обратносмещённом состоянии,то ток через резистор R з не течёт. По переменной составляющей тока резистор R з не должен шунтировать источник входного переменного сигнала.Чтобы обеспечить усилителю достаточно высокое входное сопротивление врабочем диапазоне частот, сопротивление резистора R з должно быть большим (от 100 кОм до 10 МОм).В усилителях на полевых транзисторах так же, как и на биполярных,прежде всего надо обеспечить режим по постоянному току.Величина сопротивления резистора R з для режима по постоянному токуособой роли не играет: падение напряжения на R з по постоянной составляющей тока равно нулю, следовательно, постоянное напряжение между затвором и «землёй» равно нулю.

И только при высоких требованиях к температурному режиму, когда этот резистор начинает влиять на напряжение смещения (за счёт токов неосновных носителей), в схеме необходимо принимать4дополнительные меры по поводу R з . Например, на затвор подают дополнительное (отпирающее) напряжение.Напряжение автосмещения (U зип ), с помощью которого задаётся РТ напологом участке стоковой ВАХ, формируется на резисторе в цепи истока ─R и ., напряжение между истоком и «землёй» U и = I сп R и (φ и > 0). Таким образом, напряжение на затворе n-канального транзистора относительно истокаполучилось отрицательнымUзип= 0 − U и = − I сп R иРежимные элементы R с и R и определяются РТ, заданной напряжениемU зип .R =сЕ с − U сип − I сп R и;I спUR = сп =и I спЕ − U сип − I сп R сс, гдеI спI сп R и ─ напряжение автосмещения (U зип ) на резисторе R и ;I сп R с ─ падение напряжения по постоянной составляющей тока на резисторе R с .Для нормальной работы транзистора (в режиме усиления переменногосигнала) амплитуда входного сигнала должна быть меньше постоянного напряжения смещения (см.

стокозатворную ВАХ в лекции 5, рис.5.3.а).По схеме замещения (рис.7.1б) определим:а). модуль коэффициента усиления по напряжениюК =SR Rнс= S RэквRс + Rн,(7.1)Где S ─ крутизна транзистораR экв =Rс Rн.Rс + Rнб). Входное сопротивление усилителяr = Rз;вх(7.2)в). Выходное сопротивление усилителя1R ≈ .r=вых.ои r с c S(7.3)5Схема усилителя на рис.7.1а помимо усиления напряжения может выполнять функцию инверсии: схема изменяет фазу входного сигнала на выходе на противоположную, следовательно, в режиме ключа схему можно использовать в качестве инвертора, способного выполнить операцию логического отрицания «НЕ».На рис.7.2.

представлена схема усилителя напряжения на полевых транзисторах с индуцированным каналом.Схема на рис.7.2 ─ это усилитель на МОП-транзисторе с индуцированным каналом по схеме с ОИ.2.2. Усилитель на МОП-транзисторе с индуцированным каналом посхеме с ОИ (рис.7.2).Линейные усилители работают на пологих участках ВАХ, которые былиописаны уравнением (5.14) в лекции 5.

Нагрузочная характеристика усилителя имеет видUси= Е с − I с ( R с + R и).EkRсRд1RсССIcUвыхКUвхR д2RиEсVTСиRзI0IcSРис.7.2.Усилительна МОП-транзисторе с ОИ-EсРис.7.3. Усилительна МОП-транзисторе с генераторомтока в цепи истокаВ принципе подробно заниматься схемой усилителя на рис.7.2, послестоль подробной работы над предыдущей схемой усилителя на канальномтранзисторе, не стоит (рис.7.1а).6Остановимся лишь на особенностях.Усилители на полевых транзисторах с индуцированным каналом принципиально нуждаются в напряжении смещения, так как работают они тольков режиме обогащения.Напряжение смещения задаётся от источника питания Е к через делительиз резисторов R д1 и R д2 , а температурная стабилизация положения РТ на ВАХобеспечивается резистором в цепи истока R и ; резистор R и в цепи истока выполняет роль элемента ООС.Значения этих элементов рассчитываются в режиме покоя.Такой метод подачи смещения в цепь затвора называется «классическим».

Сопротивления R д1 , R д2 имеют достаточно высокие значения ─ порядка несколько Мом.В соответствии с правилом «одной трети» элементы R с и R и выбирают такими, чтобы напряжения U сип , U с = I с R с , U ип = I с R и составляли примерно одну треть от напряжения источника Е с .Ключ «К» в схеме коммутирует подключение и отключение конденсатора в цепи истока (С и ). Назначение этого конденсатора такое же, что и в усилителе (рис.6.1).Помимо «классического» способа подачи смещения в цепь затвора существуют и другие методы. Например, довольно часто можно встретить схемы усилителей, где в качестве источника смещения используется источниктока в цепи истока (рис.7.3).Достаточно эффективным методом подачи напряжения смещения является использование «токового зеркала» (пример использования токовогозеркала в лекции 9). Особенно это важно в интегральной схемотехнике, таккак при этом повышается степень интеграции.Полевые транзисторы со встроенным каналом в принципе могут работать при нулевом смещении на затворе, так как такие транзисторы работаюти в режиме обеднения, и в режиме обогащения.Температурные изменения тока стока в полевых транзисторах во многораз меньше изменений коллекторного тока в биполярных транзисторах, по-7этому вопрос стабилизации положения РТ на ВАХ у полевых транзистороврешается без особых затруднений.Расчёт элементов смещения и температурной стабилизации ведётся втом же порядке, что и для усилителей на биполярных транзисторах.Усилитель на рис.7.2.