Мю-каскад с автоматической установкой режимов по постоянному току

Заменив резистор в цепи стока источником тока, имеющим большое сопротивление по переменному току, можно значительно увеличить коэффициент усиления каскада по напряжению (приблизить его к собственному коэффициенту усиления ПТ – мю). Существует несколько вариантов реализации источника тока на втором ПТ. Наиболее подходящей с точки зрения отсутствия необходимости последующей настройки режимов по постоянному току является схема, изображенная на рис.7:

(данная схема, как мю-каскад или мю-повторитель, известна достаточно давно – еще с ламповых времен, применительно к ПТ упоминается, например, в книге А.Г.Милехина «Радиотехнические схемы на полевых таранзисторах». МРБ,1976. стр.30. Подобное решение также использовано в статье «Полевой транзистор во входном каскаде малошумящегоУЗЧ», автор С.Федичкин, Радио№10,1988. Именно такая схема была опубликована в одной из совковых брошюрок аж в далеком 1983г (сходите на http://www.sugardas.lt/~igoramps/article29.htm).

У буржуев с конца 90-х годов прошлого столетия такая схема активно культивируется неким J.Orman -ом, видимо неожиданно открывшим для себя ее).

Рис.7. Схема с ОИ и повторителем в качестве динамической нагрузки

Режимы работы по постоянному и переменному току в этой схеме устанавливаются независимо друг от друга. По переменному току повторитель на Т2 является динамической нагрузкой для Т1, (т.е представляет собой электронный резистор с сопротивлением µR_{кан Т2}), а по постоянному току он автоматически устанавливает на своем истоке напряжение, большее, чем на затворе на величину:

.

Кроме того, такая схема является фильтром высоких частот, что позволяет осуществлять одновременно и некоторую частотную обработку сигнала.

Для наглядности ниже приведена АЧХ подобного каскада на КП303В (m=55) для конкретных значений R и C.

Рис.8. АЧХ каскада по рис.7. (R=1МОм, С=0,1мкФ).

Как видно из рисунка, АЧХ имеет спад в сторону низких частот. Подбором R и С можно изменять частоту среза образовавшегося фильтра и устанавливать желаемую окраску звука.

Ориентировочно частоту среза схемы на рис.7 можно определить по формуле:

где K_U – коэффициент усиления каскада выше частоты среза (математическими выкладками утомлять не будем).

Схема по рис.7 имеет два недостатка.

Во-первых, максимальная амплитуда положительной полуволны входного сигнала в лучшем случае ограничена значением 0,4-0,5V, и при дальнейшем увеличении сигнала на входе выходной сигнал начинает напоминать ограничение на БТ. Сопротивление со стороны входа также резко уменьшается, приводя к ограничению уже входного сигнала. При параллельной обработке входного сигнала несколькими устройствами это не допустимо. Иногда для смягчения этого эффекта в цепь затвора включают резистор сопротивлением 68кОм (аналогично ламповым схемам), что не является самым оптимальным решением с точки зрения шумовых характеристик.

Во-вторых, коэффициент усиления такого каскада, называемого часто мю-каскадом, составляет на самом деле лишь около 0,4µ (т.е. получается в районе 30-100). Часто этого недостаточно для получения нужной чувствительности каскада.

Диапазон входных напряжений проще всего расширить, увеличив напряжение смещения затвора относительно истока. Достичь этого можно включением в цепь истока Т1 резистора сопротивлением 1..2кОм, диода или светодиода (в зависимости от U₀ используемого ПТ). В случае использования диода, ток в цепи истока формирует напряжение Uзи=0,5..0,6V. Дифференциальное сопротивление диода мало (50..200Ом), что по переменному току эквивалентно подключению в цепь истока резистора с таким же сопротивлением, поэтому усиление каскада в основном будет определятся сопротивлением канала ПТ.

При использовании в качестве Т1 ПТ с напряжением отсечки 2-3V, вместо диода целесообразно включить несколько диодов последовательно или светодиод. Дифференциальное сопротивление светодиодов меньше (20-30Ом), поэтому они даже предпочтительнее, т.к. обеспечат несколько большее усиление.

В таблице 2 приведены ориентировочные значения падения напряжения для диодов и светодиодов.

Таблица 2.

При использовании для создания смещения резистора уменьшается общее усиление каскада, но увеличивается его линейность.

Применяемое в ламповых схемах включение параллельно катодному резистору конденсатора улучшает характеристики только ламповых схем. В случае ПТ при подключении конденсатора в цепь истока параллельно истоковому резистору лишь увеличивается усиление каскада. Перегрузочная же способность для входного сигнала как и в случае работы каскада при начальном токе стока (без R_И) становится равной около 0,4V. Кроме того, значительно ухудшается линейность каскада. По этим причинам использовать конденсатор в цепи истока в гитарных схемах на ПТ не целесообразно.

Что касается второго недостатка, то увеличить усиление такого каскада несложно включением в цепь истока Т2 дополнительного резистора.

Динамическое сопротивление источника тока на Т2 определится в этом случае сопротивлением канала ПТ и резистора R в цепи истока:

где m – собственный коэффициент усиления ПТ, ограниченный внутренней обратной связью транзистора.

Сопротивление источника тока при этом возрастет в несколько раз и он будет лишь в малой степени шунтировать сопротивление со стороны стока нижнего по схеме ПТ.

После таких нововведений (рис.9) усиление каскада увеличивается до 0,8µ, а максимальная амплитуда положительной полуволны входного сигнала возрастает до 1V, чего достаточно в подавляющем большинстве случаев. (При использовании зеленого светодиода и ПТ с отсечкой –3V максимальный входной сигнал без ограничения по входу может достигать 4V двойной амплитуды.)

Рис.9. Каскад с динамической нагрузкой и усилением 0,8µ.

Диод D1 в цепи истока из-за своей нелинейности ухудшает общую линейность каскада, поэтому такую схему следует использовать в основном в искажающих устройствах. При необходимости обеспечения линейности усиления (н-р, в канале Clean) диод D1 лучше заменить резистором с сопротивлением равным сопротивлению R2. Усиление каскада снизится при этом до 0,5 µ.

При необходимости спектральный состав выходного сигнала схем по рис.7 и рис.9 можно изменять в сторону повышения уровня четных гармоник смещением потенциала точки +4,5V в ту или иную сторону. Того же можно достичь, изменяя сопротивление R2 (в ламповых устройствах этого достигают изменением сопротивления резистора в цепи анода).