10.4. Типовые схемы включения полевых транзисторов и их параметры
Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы используются в трех основных схемах включения (рис. 10.14): с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).
Схемным аналогом усилительного каскада с общим эмиттером является каскад с ОИ, схема которого на транзисторе с управляющим pn-переходом приведена на рис. 10.26.
Входное сопротивление полевого транзистора очень велико и составляет сотни МОм. Поэтому входное сопротивление каскада с ОИ будет определяться сопротивлением резистора в цепи затвора . Сопротивление включается для обеспечения гальванической связи затвора с общей заземленной шиной. Сопротивление выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, как можно меньше шунтировать большое входное сопротивление транзистора, а с другой – не создавать заметного падения напряжения от протекания через тока утечки обратносмещенного управляющегоpn-перехода. Обычно выбирают . Большое входное сопротивление является достоинством каскада с ОИ на полевом транзисторе при использовании его в качестве входных каскадов усилителей напряжения, так как позволяет наиболее полно обеспечить условие значительного превосходства входного сопротивления над сопротивлением источника входного сигнала.
Резистор в цепи стока служит для ограничения тока стока и обеспечения работы транзистора в рабочей области его статических характеристик. Из четырехполюсной модели полевого транзистора следует, что ток стока зависит от напряжений на электродах и внутренних параметров транзистора: . Поскольку , то после подстановок и преобразований получаем:
Коэффициент усиления каскада с ОИ по напряжению равен по определению отношению напряжений или . Подставляя в это отношение выражение (10.3) и преобразуя, получим:
Знак минус в правой части выражения (10.4) показывает, что выходное напряжение каскада с ОИ находится в противофазе с входным напряжением. Поскольку на пологом участке выходной статической характеристики ток стока практически не изменяется, то . В связи с этим выражение (10.4) можно упростить
Наличие емкостей и обуславливает существование частотной зависимости коэффициента усиления по напряжению :
или в операторной форме
где определяется в соответствии с выражением (10.5), , а . Если , то верхняя рабочая частота определяется только : . Не учитывая и подставляя приведенные ранее зависимости, получим .
Выходное сопротивление каскада с ОИ находится в соответствии с выражением:
Таким образом выходное сопротивление каскада определяется сопротивлением резистора в стоковой цепи полевого транзистора и составляет обычно единицы кОм при использовании транзистора с управляющимpn-переходом и МДП-транзистора с индуцированным каналом и десятки кОм для МДП-транзистора со встроенным каналом.
Коэффициент усиления по току каскада с ОИ может быть выражен через коэффициент усиления по напряжению и входное и выходное сопротивления каскада: . Подставляя в эту формулу приведенные ранее зависимости, получим выражение для коэффициента усиления по току:
Наконец, поскольку коэффициент усиления по мощности равен , то
Таким образом, каскад с ОИ обеспечивает значительное входное сопротивление ; меньшее, чем , выходное сопротивление ; достаточно большое усиление по току , напряжению и мощности .
Схемным аналогом каскада с общим коллектором (эмиттерного повторителя) на биполярных транзисторах является каскад с общим стоком (истоковый повторитель) на полевых транзисторах. Схема каскада с общим стоком (ОС) на транзисторе с управляющим pn-переходом приведена на рис. 10.27.
Входное сопротивление каскада с ОС равно . Поскольку входное сопротивление полевого транзистора очень велико и составляет сотни Мом, то
Выходное сопротивление каскада с ОС равно . Поскольку выходное сопротивление полевого транзистора равно минимальному сопротивлению канала , которое достигается при , т.е. при максимальной крутизне характеристики передачи, то . Отсюда следует, что
Коэффициент усиления по напряжению определяется в соответствии с выражением
При коэффициент усиления по напряжению . Это означает, что входное и выходное напряжения совпадают по фазе и приблизительно одинаковы по величине, откуда и происходит название каскада – истоковый повторитель.
Коэффициент усиления по току каскада с ОС , следовательно, и коэффициент усиления по мощности .
Входная емкость каскада с ОС , что существенно (в раз) меньше входной емкости каскада с ОИ. В связи с этим в раз и , что говорит о более широком частотном диапазоне каскада с ОС, чем каскада с ОИ.
Таким образом, каскад с ОС обеспечивает значительное входное сопротивление ; небольшое выходное сопротивление ; повторение на выходе входного напряжения по величине и фазе и более широкий частотный диапазон, чем каскад с ОИ.
Каскад с ОС в основном используется как согласующий каскад (согласование сопротивлений без изменения амплитуды сигнала) в усилительных схемах, например, для согласования выхода источника входного сигнала с входом усилителя.
Схемным аналогом каскада с общей базой на биполярных транзисторах является каскад с общим затвором на полевых транзисторах. Схема каскада с общим затвором (ОЗ) на транзисторе с управляющим pn-переходом приведена на рис. 10.28.
Каскад с ОЗ имеет входное сопротивление . Поскольку для схем с ОИ и ОС, то , что ограничивает применение каскада с ОЗ.
Так как входной ток практически равен выходному, то . Коэффициент усиления по напряжению , коэффициент усиления по мощности тоже , но .
Выходное сопротивление каскада с ОЗ .
Заканчивая рассмотрение полевых транзисторов, следует отметить, что в каждом из двух (с управляющим pn-переходом и МДП) типов помимо рассмотренных используются и другие разновидности полевых транзисторов: