Усилитель напряжения на полевом транзисторе

 

Функциональная схема этого усилителя приведена на рис. 9.3, а. Эквивалентная электрическая схема показана на рис. 9.3, б. Емкость C ₀ является здесь входной емкостью второго каскада.

 

 

По эквивалентной схеме можно рассматривать работу усилителя на различных частотах. В средней части частотного диапазона (от 200 до 3000 Гц) сопротивление емкости C ₀ достаточно большое и она не шунтирует сопротивления R_c и R₃, поэтому общее сопротивление в стоке транзистора

 

 

Коэффициент усиления каскада

 

 

где I _с _ ток в стоке транзистора; μ — статический коэффициент усиления полевого транзистора, μ = Δ U _{стока,истока}/Δ U _{затвора}; α = R_i/R₁ — коэффициент нагрузки.

При R_i >> R ₃, R ₃ >> R_c можно считать R₁ / R_c >> (1 + R_i/R ₃), тогда коэффициент усиления в средней части частотного диапазона

 

 

где S — крутизна характеристики полевого транзистора.

Для низких частот ω_н (меньше 200 Гц) сопротивление конденсатора С_с становится существенным, поэтому на резисторе R ₃падает только часть усиленного сигнала. Коэффициент усиления на этих частотах

 

 

На высоких частотах ω_в (свыше 3 кГц) начинает сказываться сопротивление конденсатора С_о. Общее сопротивление нагрузки в цепи стока транзистора в этом случае

 

 

Коэффициент усиления на этих частотах

 

 

Частотная характеристика усилителя приведена на рис. 9.3, в.

Схема усилителя с динамической нагрузкой показана на рис. 9.4. В этой схеме коэффициент усиления достигает нескольких сотен.

Переменный сигнал со стока транзистора VT2 подается в затвор транзистора VT1. При этом на одном выводе резистора R₁ действует сигнал U_вых и на другом выводе действует аналогичный сигнал, т.е. падение напряжения на резисторе ^ отсутствует. Следовательно, через него протекает нулевой ток. Это признак того, что резистор имеет бесконечное сопротивление для переменного сигнала.

 

 

В схеме рис. 9.5 полевой транзистор VT1 выступает в роли генератора тока. Ток стока полевого транзистора направлен в базу биполярного транзистора. В этой схеме входное напряжение преобразуется в полевом транзисторе в ток, который усиливается биполярным транзистором. Схема может обеспечить большой коэффициент усиления по току. Ограничение коэффициента усиления в этой схеме происходит за счет того, что полевой транзистор работает при малых токах стока, где крутизна характеристики значительно отличается от справочных данных на полевой транзистор. В результате общий коэффициент усиления не превышает 100. Рассмотренная схема имеет очень важное преимущество по сравнению с другими. Колебания питающего напряжения и помехи, существующие в цепях питания, не влияют на входной и выходной сигналы усилителя, так как они развязаны с питающим источником большим выходным сопротивлением биполярного транзистора.

 

Операционные усилители

 

Операционные усилители (ОУ) нашли применение в электронной аппаратуре за счет своей универсальности и многофункциональности. Они представляют собой специальные усилители постоянного тока. Электрические схемы ОУ весьма разнообразны. ОУ могут быть с одним или двумя входами. Различают также ОУ с параметрической компенсацией дрейфа нуля, преобразованием сигнала и автоматической коррекцией дрейфа нуля. В усилителях с непосредственными связями компенсация дрейфа нуля осуществляется за счет построения входных каскадов по симметричной балансной или дифференциальной схемам. В усилителях с преобразованием сигнала для усиления постоянной составляющей используется импульсная стабилизация типа модуляция-усиление—демодуляция.

 

Операционные усилители без преобразования сигнала

 

Наиболее широкое распространение получили ОУ без преобразования сигнала, где входной каскад построен по дифференциальной схеме. ОУ этого типа состоят из каскадов: дифференциального усилителя, схемы смещения уровня напряжений, выходного усилителя мощности.

 

 

Простой дифференциальный каскад включает в себя три транзистора (рис. 9.6, а). Транзистор VT3 работает в режиме генератора тока. Коллекторный ток этого транзистора задается стабильным напряжением на делителе R₁ R₂ и сопротивлением R_э. При равенстве U_lвх и U_2вх ток I ₃ транзистора VT3 протекает равными частями через транзисторы VT1 и VT2. В коллекторах этих транзисторов устанавливается напряжение

 

 

Напряжения U_lвых и U_2вых равны Е₁/2.

В зависимости от разности между U_lвх и U_2вх выходные напряжения меняются, как показано на рис. 9.6, б.

Схема смещения уровня постоянного напряжения, которое устанавливается на коллекторах транзисторов дифференциального каскада, показана на рис. 9.7, а.

На базе транзистора VT2 устанавливается напряжение Е₂ /2, Через этот транзистор протекает ток I _э = E₂/2R₄. На эмиттер транзистора VT1 подается напряжение U_K = Е₁/2 (положительной полярности). Коллекторный ток транзистора VT2 I _к = I _э создает падение напряжения на резисторе R₃I_K = E ₁/2.

В результате напряжение положительной полярности эмиттера VT1 полностью падает на резисторе R₃ и напряжение U_lвых будет равняться нулю.

Выходной каскад строится на сдвоенном эмиттерном повторителе. Когда напряжение U_lвых положительное, открывается транзистор VT1, обеспечивающий выходной ток. Отрицательная полярность U_1вых открывает транзистор VT2, обеспечивая выходной ток (рис. 9.7, б).

На графическом изображении ОУ (рис. 9.7, в) указаны следующие выводы: 1 — инвертирующий вход, 2 — неинвертирующий вход, 3 — подключение положительного источника питания, 4 — подключение отрицательного источника питания, 5 — выходной сигнал. Частотная характеристика ОУ приведена на рис. 9.7, г.

Перечислим основные параметры ОУ.

1. Входное сопротивление — дифференциальное сопротивление переменному току

 

 

2. Средний входной ток, при отсутствии сигнала не превышающий сотен наноампер.

3. Входной ток сдвига Δ I _вх = I _вх⁺ - I _вх^- — разность между входными токами (он в несколько раз меньше среднего входного тока).

4. Напряжение смещения (прикладывается к одному из входов, Для получения U _вых = 0), равное 1мВ.

5. Температурный дрейф напряжения смещения

 

 

6. Выходное сопротивление, составляющее 1...5 кОм.

7. Коэффициент усиления в пределах 10²... 10⁵.

8. Полоса пропускания — полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 от максимального значения.

9. Скорость нарастания выходного напряжения р = Δ U _вых/Δ t.

10. Время установления выходного напряжения, определяемое между уровнями (0,1...0,9) U _вых и составляющее единицы мкс.

11. Максимальный выходной ток, составляющий 5 мА и более.

Для ОУ принципиальное значение имеют три параметра: р, R_BX, Δ U_CM /Δ T. Любой из параметров ОУ можно улучшить за счет ухудшения других. Различают ОУ:

прецизионные, предназначенные для применения в контрольно-измерительной аппаратуре;

быстродействующие — для схем, где требуются широкая полоса пропускания, высокая скорость нарастания выходного напряжения и малое время установления;

универсальные, или средней точности;

микромощные, где рабочий ток усилителя задается внешним резистором;

с высоким входным сопротивлением;

малошумящие;

многоканальные;

мощные.

Прецизионные, быстродействующие, микромощные, малошумящие, широкополосные ОУ относятся к классу специализированных, поскольку один или несколько их параметров имеют значения, близкие к предельным.