Усилитель на полевом транзисторе

Задание. На вход усилителя на полевом транзисторе поступает синусоидальное напряжение частотой f = 1000 Гц с амплитудным значением U _вх.m. Для заданной схемы транзисторного усилительного каскада (рис. 11) на семействе выходных ВАХ построить линию нагрузки по постоянному току (ЛНПТ) и временные диаграммы токов, протекающих через все элементы схемы и напряжений на элементах с указанием на графиках их амплитудных значений.

1) 2)

3) 4)

Основные параметры полевых транзисторов с управляющим p-n- переходом приведены в справочниках [4, 5, 8] и сведены в табл. 7. Тип полевого транзистора VT, напряжения источников питания E _ип и смещения, амплитуда входного напряжения U _вх.m и сопротивление нагрузки R _н приведены в табл. 8. Стоко-затворные и выходные ВАХ полевых транзисторов приведены в прил. 3.

Методические указания. Перечертить схему усилительного каскада на полевом транзисторе. Указать тип транзистора VT на схеме и направления протекания токов через все элементы в схеме для обеих полуволн входного синусоидального сигнала. Из справочника [4, 5] перечертить семейство стоко-затворных и выходных ВАХ заданного транзистора, выписать основные параметры транзистора: I _c.max (А), P _c.max (Вт), U _си.max (В), S (мА/В), U _зи.отс (В).

Таблица 7

Таблица 8

Примечание. В случае отсутствия в справочнике ВАХ для указанного в задании транзистора следует выбрать стоко-затворные и выходные ВАХ транзистора с максимально близкими по величине основными параметрами: I _c.max, P _c.max, U _си.max, S и U _зи.отс.

Далее, используя уравнение линии нагрузки по постоянному току

построить её на графике выходных ВАХ. Для этого достаточно двух точек: при I _с = 0, U _си = E _ип – первая точка линии; при U _си = 0, - вторая точка ЛНПТ. Точка пересечения линии нагрузки с выходной ВАХ, соответствующей постоянной составляющей напряжения затвор-исток U _зи0, определит рабочую точку транзистора. Ей будет соответствовать постоянная составляющая тока стока I _с0 и постоянная составляющая напряжения сток-исток U _си0. Постоянная составляющая напряжения затвор-исток в режиме покоя U _зи0 определяется заданным напряжением смещения E _см. Так как для транзисторов стокозатворные характеристики расположены близко друг от друга, то в качестве рабочей ВАХ можно принять одну из статических характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику для напряжения сток-исток U _си = 5 В. Из графика стоко-затворной ВАХ найти ток покоя I _с0 соответствующий заданному напряжению смещения U _зи0 = E _см. При отсутствии источника смещения напряжение затвор-исток покоя равно нулю.

С учётом типа транзистора (n -канальный или p -канальный) для обеих полуволн входного напряжения (один период работы усилителя) построить временные диаграммы напряжений u _ВХ, u _СИ, u _Н и тока i _Н. На полученных диаграммах указать амплитудные значения напряжения и тока. Для расчёта амплитудных значений напряжения и тока следует использовать ВАХ элементов схемы.

Пример решения задачи. В качестве примера решения задачи рассмотрим схему усилительного каскада на полевом транзисторе с каналом p типа при отсутствии начального смещения рабочей точки (рис. 12). Исходными данными являются: тип транзистора KП201, амплитуда входного синусоидального напряжения U _вх.m = 500 мВ, сопротивление нагрузки R _н = 3 кOм и напряжение питания E _ип = 9 В. В соответствии с типом транзистора и способом его включения на рис. 12 показаны направления токов и падений напряжения. Отсутствие начального смещения в цепи затвора означает, что будет усиливаться только положительная полуволна входного сигнала, при которой p-n- переходы смещаются в обратном направлении. Отрицательная полуволна входного сигнала усиливаться не будет, поскольку в этом случае проводящий канал полевого транзистора полностью открыт.

На рис. 13 изображены типовые стоко-затворная и выходные ВАХ транзистора КП201К. Параметры транзистора: кремниевый диффузионно-планар-ный транзистор малой мощности с затвором на основе p-n- перехода и каналом p- типа; U _си.max = 10 В; U _зс.max = 15 В; U _зи.max = 0,5 В; I _с.max = I _{с.нач.max} = 3,8 мА; P _с.max = 60 мВт; S = 1,4 мА/В; U _зи.отс = 4 В (не более); I _{с.нач.min} = 1,7 мА; T _к = 358 ^оК.

Построим на семействе выходных ВАХ транзистора (рис. 13, б) линию нагрузки по постоянному току по двум точкам: I _с = 0, U _си = E _ип = 9 (В) – первая точка; при U _си = 0, = 9/3×10³ = 3×10^-3 (A) = 3,0 (мА) - вторая точка линии.

Рабочая точка «A», соответствующая режиму покоя транзистора, отмечена на пересечении ЛНПТ с кривой выходной ВАХ для U _зи = 0 В (рис. 13, б). При этом прядение напряжения на транзисторе будет равно U _си0» 2,1 В, а ток стока покоя равен I _с0 = I _н0» 2,25 мА. Падение напряжения на нагрузке в режиме покоя найдём по второму закону Кирхгофа:

.

Положительной полуволной входного напряжения u _вх полевой транзистор будет закрываться, и в момент максимума его рабочая точка будет находиться в точке «B» (рис. 13, б). При этом падение напряжения на транзисторе будет равно U _сиm(+)» 4,3 В, а ток стока равен I _с(+) = I _н(+)» 1,4 мА.

По второму закону Кирхгофа рассчитаем амплитудное значение напряжения на нагрузке для положительной полуволны входного сигнала при U _вх.m = U _зи.m = 0,5 В:

.

В течение действия отрицательной полуволны входного сигнала транзистор будет находиться в режиме насыщения и в соответствии с выходной ВАХ незначительно открываться. В момент максимума отрицательного входного напряжения транзистор перейдёт в рабочую точку «С» (рис. 13, б). Поэтому падение напряжения на транзисторе будет равно U _сиm(-)» 1,2 В, а ток стока равен I _с(-) = I _н(-)» 2,55 мА.

По второму закону Кирхгофа рассчитаем амплитудное значение напряжения на нагрузке для отрицательной полуволны входного сигнала:

.

Учитывая, что нагрузка является активной, форма напряжения u _н на нагрузке полностью совпадает с формой тока нагрузки i _н. Амплитудные значения токов и падений напряжений для обеих полуволн входного сигнала нанесены на временные диаграммы работы усилительного каскада (рис. 14).

		Рис. 14