Усилительные каскады на моп – транзисторах

 

Усилительные каскады на полевых транзисторах имеют значительно большее входное сопротивление, чем на биполярных транзисторах. Поэтому в настоящее время они получили широкое распространение. В усилительных каскадах применяются полевые транзисторы с управляющим р-n − переходом и МОП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом. Используются три схемы включения транзистора: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 3.19). Они являются аналогами соответствующих усилительных каскадов на биполярных транзисторах: ОЭ, ОК. и ОБ.

Рисунок 3.19 − Усилительные каскады на полевых транзисторах

 

Наибольшее распространение получил усилительный каскад с общим истоком. Он, как и каскад ОЭ, позволяет получить наибольшее усиление по мощности. Схемы усилительных каскадов с общим истоком на МОП-транзисторе со встроенным каналом и на МОП-транзисторе с индуцированным каналом приведены на рис. 3.20, а и рис. 3.20, б соответственно. В схемах усилителей на рисунках 3.19, а и 3.20, а в цепь стока включается нагрузочный резистор R_C, на котором выделяется переменная составляющая усиленного напряжения.

Рисунок 3.20 − Схемы усилительных каскадов с общим истоком на

МОП-транзисторе

 

Резистор R_З фиксирует потенциал затвора в режиме покоя на нулевом уровне. Выбор исходного режима транзистора обеспечивается резистором R_И. В режиме покоя напряжение U_ЗИ = − I_ИR_И отрицательно относительно затвора. Кроме того, резистор R_И создает отрицательную обратную связь по току и стабилизирует режим транзистора. Конденсатор С_И большой емкости шунтирует резистор R_И по переменному току, исключая отрицательную обратную связь для переменного сигнала в области высоких частот. В каскаде на рис. 3.20, б в качестве нагрузки R_С в цепи стока транзистора Т 1используется транзистор Т 2, включенный в режиме двухполюсника. Для отпирания транзистора Т 1 в исходном режиме на его затвор с помощью делителя R’_З,R”_З подается положительное напряжение

 

. (3.79)

 

Режим транзистора в каскадах на рис.3.19, а и рис. 3.20, а можно задать без резистора R_И В каскаде на рис. 3.20, а МОП-транзистор со встроенным каналом открыт при U_ЗИ =0, а в каскаде на рис. 3.20, б транзистор T 1 открыт напряжением с делителя R’_З, R”_З. Поэтому исток может соединяться с общей шиной. Однако и в этих каскадах, как правило, включается резистор R_И для стабилизации режима транзистора.

Конденсаторы C_Р1 и С_Р2 являются разделительными и выполняют те же функции, что и в усилительных каскадах на биполярных транзисторах. Ток стока I_C является функцией напряжений U_ЗИ и U_СИ. Вычислив приращение тока стока

 

, (3.80)

 

заменив приращения переменными составляющими (∆ I_C = i_С, ∆ U_ЗИ = U_ЗИ = U_ВХ, ∆ U_СИ = U_ВЫХ) и учитывая, что

 

и (3.81)

получим

, (3.82)

где S − крутизна, a R_i − выходное сопротивление транзистора. Переменную составляющую выходного напряжения можно определить из выходной цепи каскадов (рис. 3.19, а, 3.20, а)

 

. (3.83)

 

Знак «−» в выражении (3.83) показывает, что с увеличением тока i_С выходное напряжение уменьшается.

Решая совместно (3.82) и (3.83), находят выходное напряжение

 

. (3.84)

 

На рис. 3.21 приведена эквивалентная схема выходной цепи усилительного каскада, соответствующая выражению (3.84).

 

 

Рисунок 3.21 – Эквивалентная схема выходной цепи усилительного каскада

 

Из последнего выражения получается коэффициент усиления

 

. (3.85)

 

Знак «−» в выражении (3.85) указывает на изменение полярности усиливаемого сигнала. Выходное сопротивление R_i современных полевых транзисторов составляет 10⁴−10⁵ Ом и на практике выполняется неравенство

 

R_i >> R_C (3.86)

 

С учетом этого коэффициент усиления определяется приближенной формулой

. (3.87)

 

Следует заметить, что крутизна транзистора S не является постоянной, а нарастает приблизительно линейно с ростом напряжения U_ЗИ (ток I_С является квадратичной функцией напряжения U_ЗИ). Поэтому соотношения (3.85), (3.87) справедливы только для заданной рабочей точки при усилении малых сигналов.

Входное сопротивление усилительных каскадов определяется сопротивлением R_З, так как входное сопротивление полевых транзисторов между затвором и истокам имеет порядок 10⁵ Ом, а сопротивление R_З = 10⁴−10⁶ Ом, т. е. R_ВХ ≈ R_З. Для каскада на рис. 3.20, б

 

. (3.88)

 

Выходное сопротивление при выполнении неравенства (3.88) определяется сопротивлением R_C

. (3.89)

 

В усилителе на рис. 3.20, б нагрузкой транзистора T 1является выходное сопротивление R_i2 транзистора T 2 (сопротивление между стоком и истоком при U_ЗИ = U_СИ).Оно выражается приближенным соотношением R_i2, ≈ 1/S₂, где S₂ − крутизна транзистора Т 2 при U_ЗИ = U_СИ. Тогда с учетом (3.89) коэффициент усиления

 

. (3.90)

 

Для получения К_и >1 необходимо, чтобы S₁>S₂. Поскольку крутизна МОП-транзистора определяется отношением ширины канала Z к его длине L, можно заключить, что усиление сигнала в каскаде на рис. 3.20, б возможно лишь тогда, когда нагрузочный транзистор Т 2 имеет значительно более узкий и более длинный канал, чем транзистор Т 1. Коэффициент усиления усилительных каскадов на МОП-транзисторах не превышает нескольких единиц.

Частотные характеристики усилительных каскадов в области низких частот определяются емкостью разделительного конденсатора С_P 1 при условии, что конденсатор С_Р 2 отнесен к последующему каскаду и сопротивлением R_З, т. е. постоянной времени τ_Н = C_pR_З. Нижняя граничная частота ω = 1 /τ_Н. В области высоких частот характеристики определяются паразитными емкостями транзистора (С_ЗИ, С_СИ, С_СЗ, С_СП) и нагрузки С_Н. Суммарная паразитная емкость выходной цепи усилительного каскада С_о=С_СИ + С_СП + С_Н, постоянная времени τ_В = С₀R_C, а верхняя граничная частота ω = 1 /τ_В.

Наряду с усилительными каскадами с общим истоком в электронных устройствах применяют усилительный каскад с общим стоком (ОС), который является аналогом эмиттерного повторителя и называется истоковым повторителем (рис. 3.19, б) В этом каскаде нагрузочный резистор R_И включен в цепь истока, а по переменным составляющим через источник Е_С соединен с общей шиной.

Если сопротивление резистора R_И удовлетворяет неравенству R_И << R_i, то коэффициент передачи напряжения и выходное сопротивление определяются приближенными формулами:

 

. (3.91)

 

Входное сопротивление определяется резистором R_З т. е. R_ВХ = R_З. Истоковый повторитель имеет большое входное и малое выходное сопротивления, не меняет полярность входного сигнала, его коэффициент передачи близок к единице.

Усилительный каскад с общим затвором (рис. 3.19, в) является аналогом каскада ОБ и применяется тогда, когда надо снизить уровень шумов, создаваемых затвором, а также в составе каскадного усилителя.