Расчет усилительных ступеней на полевом транзисторе
категория
Расчеты по электронике
А. МЕЖЛУМЯН, г. Москва
Журнал Радио, 2000 год, №6
Расчет различных ступеней на полевом транзисторе будет заметно проще, если использовать линейную аппроксимацию его характеристики, предложенную автором этой статьи. Если напряжение отсечки и начальный ток стока конкретного экземпляра транзистора известны, то такой расчет дает неплохое совпадение с практикой.
Известно, что почти все литературные источники описывают расчет усилительных ступеней с полевым транзистором только в режиме малого сигнала переменного тока. Непросто найти даже рекомендации по выбору начального режима транзистора. Между тем для большинства практических случаев нужнее расчет ступени на постоянном токе.
Предлагаемая в статье методика позволяет провести расчет наиболее часто встречающихся на практике узлов — усилителей постоянного тока, стабилизаторов тока и т. д. При этом расчет по переменному току в режиме малого сигнала для низко- и средне-частотных сигналов будет лишь частным случаем более общего расчета по постоянному току.
Для определенности ограничимся рассмотрением n-канальных транзисторов со встроенным каналом; для р-канальных нужно только изменить полярность напряжения.
Принято переходные характеристики lc=f(Uзи) транзистора аппроксимировать квадратичной функцией. Это в значительной степени справедливо для транзисторов с одиночным каналом, но их давно уже не выпускают. В настоящее время даже маломощные полевые транзисторы представляют собой сборку из нескольких включенных параллельно каналов-ячеек, а мощные содержат их до нескольких сотен, иногда и тысяч.
В силу этого и некоторых других факторов реальная переходная характеристика таких транзисторов лежит между линейной и квадратичной функциями. Аппроксимация реальной характеристики квадратичной функцией способна привести лишь к усложнению расчетов, не оправданному соответствующим повышением точности. Целесообразнее для расчетов использовать линейную аппроксимацию.
На переходной характеристике транзистора есть две характерные точки — начальный ток стока Iсо транзистора, определяемый при Uзи = 0.
и так называемое напряжение отсечки Uotc (рис. 1 ,а). И если с первом все ясно, то со второй вопрос сложнее.
Дело в том, что переходная характеристика асимптотически стремится к оси Uзи, из-за чего указать определенно напряжение, при котором ток стока будет равен 0 (т. е. истинное напряжение отсечки), невозможно. Поэтому и было принято условное значение U — напряжение, при котором ток стока равен 10 мкА, т, е. легко измеряемому значению.
Однако именно вблизи этой точки характеристика имеет особенно резкий изгиб, что и дает наибольшую составляющую погрешности при линейной аппроксимации. Правильнее было бы определять вторую точку в начале участка изгиба, например, по критерию уменьшения дифференциального значения крутизны или по определенному значению тока стока. К сожалению, отсутствие надежной статистики по переходным характеристикам современных полевых транзисторов не позволяет четко решить этот вопрос.
Поэтому приходится принять линейную аппроксимацию по двум стандартным точкам — lсo и Uotc. Сопутствующая ей погрешность в большинстве случаев не превышает 15%, что вполне достаточно для практики. На рис. 1, а жирной прямой показана линейная аппроксимация реальной характеристики транзистора.
На рис. 2 в качестве примера изображена схема истокового повторителя. При Uвх = 0 (если замкнуть вход повторителя на общий провод) рабочая точка А находится на пересечении переходной характеристики и нагрузочной прямой Rи (рис. 1). Реальная рабочая точка находится на пересечении действительной переходной характеристики и нагрузочной прямой — это точка Б. Рисунок иллюстрирует характер погрешности из-за линейной аппроксимации.
Начальное положение рабочей точки А по току ╡нач, определяет выражение: ╡нач = ╡со/(S·Rи+1). а по напряжению его можно выразить, как Uнач·Rи = lco·Rи Rn/(S • Rи+1). где S=lco/Uоtc — усредненная крутизна характеристики, a Rи — сопротивление резистора Rи (рис. 2).
При соединении затвора с общим проводом повторитель становится токостабилизирующим двуполюсником (стабилизатором тока). По первой формуле можно вычислить ток стабилизации.
Минимальное напряжение, при котором устройство входит в режим стабилизации тока, равно 
. Падение напряжения на канале транзистора UCи определяют либо по семейству выходных характеристик, либо экспериментально. Если Rи = 0. ток стабилизации максимален и равен Iсo, выходное сопротивление минимально и практически равно выходному сопротивлению транзистора.
С подачей на вход истокового повторителя постоянного (например, плюсового) напряжения Uвх, рабочая точка смещается в положение А, и ее новая координата по току I, соответствует выражению: Iт = Iнач + ΔI =(Iсо+Uвх•S)/(S•Rи+1). Значение закрывающего транзистор напряжения определится при It=0 — оно равно Uotc.
По напряжению новое положение рабочей точки можно выразить соотношением: Ut=lt • Rи=Rи(lco+ Uвх. • S)/(S • Rи+1).
Пределы входного напряжения в области плюсовых значений в общем виде описывает формула: Uвх=[Imax(S·Rи+1)-lco]/S, где Imax — максимальный ток транзистора. Максимальное значение тока Imax. ограничивают несколько факторов. Так. для транзисторов с затвором в виде р-n перехода оно не должно превышать Iс0, иначе затвор перейдет в режим прямого смещения и входное сопротивление транзистора резко уменьшится. С учетом этого последняя формула упрощается: Uвх=lCо·Rи.
Граница рабочего интервала со стороны минусового напряжения не зависит от начального режима работы транзистора и всегда начинается с Uotc. Из сказанного следует, что для расширения рабочего интервала следует выбирать транзистор с большим значением Uоtс.
Для транзистора с изолированным затвором значение ограничивается только предельно допустимым для прибора током или допустимой мощностью рассеивания. В любом случае 1max. не может превышать Uпит/Rи. При проведении расчетов для конкретной ступени находят значение I определяемое каждым из рассмотренных выше факторов, выбирают наименьшее, и именно его подставляют в формулы.
Преобразуя выражение для Ut, получим Ut = Ico· Rи/(S • Rи+1 )+Uвх • S • Rи/ (S·Rи+1). Эта формула явно показывает, что характеристика Uвых = f(Uвх,) для потокового повторителя линейна.
Крутизна преобразования Kns исто-кового повторителя равна: Кns = ΔImax/ ΔUвх = S/(S·Rи + 1). Соответственно коэффициент передачи по напряжению Knu = Knl·Rи = S·Rи/(S·Rи+1).
На рис. 1 ,б показана характеристика Iс = f(Uвх) истокового повторителя. Передаточная характеристика Uвых = f(Uвх) имеет аналогичный вид. поскольку Uвых = Ic·Ки.
На рис. 3 изображена схема типичной усилительной ступени, в которой транзистор собран по схеме с общим истоком и резистором R„ автоматического смещения. Начальный режим транзистора определен сопротивлением этого резистора. При задании режима транзистора по току (в отсутствие входного сигнала) сопротивление резистора можно определить по формуле:
Rи = (Iсo"Iнач)/Iнач ·S.
Обычно рабочую точку выбирают на середине характеристики, т. е. Iнач =Iсо/2 и Uнач = Uotc/2, и эта формула упрощается: Rи = I/S = Uotc/Ico.
Если начальное положение рабочей точки на характеристике должно быть несимметричным (например, в случае несимметричного входного сигнала), сопротивление резистора Rи при заданном значении Uнач, начального смещения определяют по формуле: Rи = Uнач/(lco-Uнач·S). Напряжение на стоке транзистора будет равно Uc=Uпит - Iнач ·Rc.
При симметричном сигнале сопротивление резистора Rc, обеспечивающее максимальный размах выходного напряжения при отсутствии искажений, находят по формуле: Rc=(Uпит - Uнач)/2I. Если же рабочую точку выбирают в середине передаточной характеристики транзистора, то Rc=(Uпит - 0.5Uotc)lco.
Резистор Rи является элементом отрицательной ОС. уменьшающей коэффициент передачи ступени. Для устранения действия ОС по переменному напряжению обычно включают блокировочный конденсатор Сбл показанный на рис. 3 штриховыми линиями. С этим конденсатором амплитуда отрицательных полуволн входного сигнала не должна превышать значения, равного напряжению отсечки транзистора.
Устранить действие ОС по переменному напряжению можно и другим путем — включением в цепь истока транзистора вместо резистора элемента, напряжение на котором мало зависит от протекающего через него тока, например, диода в прямом включении, стабистора и т. п. Однако такое схемотехническое решение возможно лишь в том случае, когда напряжение на этом элементе будет равно Uнач. Если же напряжение на элементе будет несколько меньше, то последовательно с ним включают добавочный резистор небольшого сопротивления.
Коэффициент передачи Knu ступени, собранной по схеме с общим истоком, определен известным выражением: Knu=S·Rc. При наличии резистора в цепи истока Кnu уменьшается: Кnu=S·Rc/ (S • Rи+1 )=lco • Rc/(lco • Rи+Uotc).
Сигнал на стоке транзистора VT1 (выход 1) находится в противофазе со входным, а сигнал на истоке (выход 2) — в фазе, что позволяет применять эту ступень в качестве фазорасщепителя. Обычно от фазорасщепителей требуется, чтобы значения амплитуды сигналов по обоим выходам были равными: Uвых1 = Uвых2 или lc•Rc=lи•Rи. Поскольку lc=lи условие равенства амплитуд выглядит так: Rc = Rи. При этом будут равны и значения коэффициента передачи по обоим выходам. Коэффициент передачи, сопротивление резисторов Rc и Rи. а также другие необходимые параметры могут быть рассчитаны по представленным выше формулам.
Рассмотрим, например, условия, при которых ступень по схеме на рис. 3 превращается по выходу 1 в линейный инвертор с Кnu = 1. Приравняв единице Кnu в последней формуле, получим
Rc - Rи = 1/S = Uоtc/Ico.
Такая ступень по аналогии с подобной на биполярном транзисторе может быть названа стоковым повторителем.