 |
Усилительные каскады на полевых транзисторах
|
|
|
|
Из трех возможных схем включения полевых транзисторов (с общим затвором, общим истоком и общим стоком) наиболее распространены усилительные каскады с общим истоком (рис. 2.7), которые являются аналогом каскадов с общим эмиттером. Резистор R C играет роль нагрузки транзистора, разделительные конденсаторы С р1 и С р2 выполняют функции, не отличающиеся от их функций в каскадах на биполярных транзисторах.
Рис. 2.7. Схемы усилительных каскадов на полевых транзисторах:
а — на транзисторе с p-n -затвором; б — на транзисторе с индуцированным каналом
Входное напряжение в усилительных каскадах на полевых транзисторах с p-n -затвором (рис. 2.7, а) прикладывается между затвором и истоком, а на транзисторах с изолированным затвором (рис. 2.7, б) — между затвором и подложкой, которая обычно соединяется с истоком (или со стоком). Входной ток для транзисторов с p-n -затвором не превышает 10–8А, а для транзисторов с изолированным затвором на несколько порядков меньше. У каскадов на транзисторах с p-n -затвором входное сопротивление на низких частотах составляет десятки мегаом, а у каскадов на МДП (МОП)-транзисторах достигает 1012...1015Ом. Однако с повышением частоты входное сопротивление существенно уменьшается из-за протекания токов перезарядки паразитных емкостей затвор — исток и затвор — сток.
Подача синусоидального входного сигнала изменяет по гармоническому закону значение тока стока I C согласно стокозатворным характеристикам транзисторов (см. рис. 1.15, д и 1.17, г) относительно исходной точки (подобной точкам 
и p на рис. 2.5). Изменения падения напряжения от тока I C на резисторе R C во много раз превосходят напряжения U вх. Переменная составляющая этого падения напряжения через конденсатор С р2 поступает на выход каскада, как и в каскаде на биполярных транзисторах.
|
|
|
Что же касается смещения, определяющего положение исходной рабочей точки, то в каскадах на полевых транзисторах имеются свои особенности в отличие от биполярных. У транзисторов с p-n -затвором и с встроенным каналом смещение может быть обеспечено за счет падения напряжения на сопротивлении в цепи истока R И от начального тока I C0, протекающего даже при U ЗИ = 0. Для подачи потенциала смещения, отмеченного знаком «минус» у резистора R И, к затвору достаточно подключить резистор R З (рис. 2.7, а). Так как ток затвора у полевых транзисторов ничтожно мал, падение напряжения от этого тока на резисторе R З практически равно нулю (даже если его сопротивление составляет десятки мегаом), и можно считать, что смещение U ЗИ ≈ I C R И.
У полевых транзисторов с индуцированным каналом обеспечить смещение рассмотренным способом нельзя, потому что при U ЗИ = 0 они заперты. Поэтому в каскадах на полевых транзисторах с индуцированными каналами напряжение смещения на затвор подается с делителя напряжения на резисторах 
и 
, подобно тому, как это выполняют в каскадах с биполярными транзисторами.
Температурные изменения тока стока (а значит, и смещения) в полевых транзисторах во много раз меньше изменений коллекторного тока у биполярных транзисторов. Поэтому обеспечение требуемой температурной стабильности не вызывает трудностей.
Дифференциальный каскад
В электронной технике часто требуются усилители сигналов, скорость изменения которых очень низка, например с датчиков медленно изменяющихся сигналов, таких как термопара. Такие усилители называют усилителями постоянного тока. Наиболее распространенной схемой, на базе которой они создаются, является дифференциальный каскад (рис. 2.8, а).
|
|
|
В дифференциальной схеме два входа, два выхода и два источника питания. Предположим, что параметры левого и правого плеч схемы одинаковы. Положительный потенциал источника питания Е см, поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их в равной степени. Рабочие точки p на рис. 2.8, б транзисторов VT 1и VT 2 совпадают. Поэтому при отсутствии входных сигналов под действием источника питания Е K по резисторам R 1 и R 2 протекают одинаковые коллекторные токи I 1 = I 2 = I K р . Так как R 1 = R 2, то эти токи создают на них одинаковые падения напряжения, а значит, потенциалы точек a и b одинаковы. Если нагрузочное сопротивление включить между точками a и b, то выходное напряжение на нем равно нулю. Так можно выполнить требования усилителей постоянного тока о равенстве нулю U вых при отсутствии сигнала U вх. Такое состояние схемы называют режимом покоя.
Если пренебречь базовыми токами, то по резистору R 3 протекает сумма токов I 1 + I 2, создающая на нем падение напряжения. Напряжение, задающее исходные рабочие точки транзисторов, будет определяться разностью Е см и напряжения на R 3:
U БЭ р = Е см – (I 1 + I 2) R 3.
Такое включение R3 создает последовательную отрицательную обратную связь по току, стабилизируя исходные рабочие точки транзисторов. Любые одновременные изменения (например, увеличение) токов I 1 и I 2, возникающие под действием изменений напряжения источника питания, температуры и т. д., вызовут увеличение падения напряжения на R3 и, следовательно, такое уменьшение U БЭ, которое стремится вернуть (снизить) коллекторные токи к исходному значению, т. е. стабилизировать их суммарное значение:
I 1 + I 2 ≈ const.
Таким же образом дифференциальный каскад реагирует на синфазные сигнал и помеху, т.е. входные сигналы, которые одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (U вх1= U вх2) действуют на оба входа, стремясь одновременно изменить I 1 и I 2. Обратная связь тем выше, чем больше R 3.
Рис. 2.8. Дифференциальный усилительный каскад (а) и передаточная динамическая характеристика транзисторов (б)
Совершенно по-иному реагирует дифференциальный каскад, если сигналы на входах каскада противофазные (например, U вх1 = + U вх, а U вх2 = – U вх). В этом случае (рис. 2.8, б) ток I 1 возрастет на Δ I, а I 2 уменьшится на ΔI, но их сумма останется неизменной.
|
|
|
Поэтому обратная связь не стремится уменьшить изменения токов и каждое плечо ведет себя как обычная схема ОЭ, т. е. потенциал точки а и U вых1 понизятся, а потенциал точки b и U вых2 повысятся. Каскад реагирует только на разность входных сигналов, почему и называется дифференциальным.
Рассмотрим еще один случай, когда напряжение U вх действует только на один из входов, например U вх1 > 0, а U вх2= 0. В первый момент ток I 1 возрастает, допустим, на +ΔI, а I 2 остается неизменным, при этом возрастет и сумма токов (I 1 + Δ I)+ I 2, но вступившая в действие обратная связь приведет к тому, что ток первого транзистора станет равным I 1 + Δ I /2, а ток второго — I 2 – ΔI/2. И в этом случае потенциал точки а понизится, а точки b повысится, но изменения U вых будут в 2 раза меньше, чем в предыдущем случае.
Обычно усилители постоянного тока имеют несколько каскадов, причем дифференциальный каскад является первым и у него используется только один выход. Если принять, что используется выход 2, то подача положительного сигнала на вход 1 приводит к увеличению выходного сигнала, а подача положительного сигнала на вход 2 — к уменьшению. Поэтому вход 1 называют прямым, или неинвертирующим, а вход 2 — обратным, или инвертирующим.
|
|
|
