Графический расчёт статического коэффициента усиления

Выберем напряжение питания 10 В и сопротивление нагрузки R_Н = 1 кОм. Проведём нагрузочную прямую между точками 10 В и 10 мА. Теперь можно определить коэффициент усиления по напряжению.

Рис. 6.11.

Схема простейшего работоспособного каскада с общим истоком на полевом транзисторе.

Выберем постоянное напряжение на затворе в рабочей точке U_ЗИ = −1.3 В (точка b)и графически определим, на сколько изменится напряжение между стоком и истоком при изменении напряжения на затворе на 0.65 В (точки a, b и c на рис. 6.12).

Рис. 6.12.

Графическое вычисление коэффициента усиления каскада с общим истоком.

Это будет разница напряжений сток-исток в точках а и c на рис. 6.12 ΔU_СИ = –3.7В.

K_УС = ΔU_СИ / ΔU_ЗИ = –3.7 В / 0.65 В = – 5.7.

Во-первых, знак K_{УСИЛЕНИЯ} отрицательный – усилитель изменяет (инвертирует) знак сигнала. При увеличении напряжения U_ЗИ от – 1.65 до – 1.0 В напряжение U_СИ уменьшается.

Во-вторых, на этом примере видны источники возможных нелинейных искажений. Например, если взять рабочую точку на характеристике с напряжением U_ЗИ = −0.5 В, то из графика видно, что увеличение и уменьшение напряжения на затворе на 0.25 В приведёт к разным по модулю изменениям выходного напряжения, а в итоге к нелинейным искажениям сигнала.

Получился маленький коэффициент усиления по сравнению с аналогичным каскадом на биполярном транзисторе, у которого коэффициент получился бы около сотни. Зато очень большое входное сопротивление. Обычно оно определяется только сопротивлением резистора R_BX, так как собственное входное сопротивление полевого транзистора больше 10⁸ Ом.

Такой простейший каскад требует выбора режима работы почти в каждом случае, так как у транзисторов всегда большой разброс параметров даже внутри одной серии.

Теперь нетрудно рассчитать коэффициент усиления по току. Пусть, например, R_ВХ = 1 МОм. Тогда ΔI_ВХ = 0.65 В / 1 МОм = 0.65 мкА. Зная, что между точками a и c на рис. 6.12 ΔI_СИ = 3.6 мА, находим: K _{ПО ТОКУ} = ΔI_СИ / ΔI_ВХ ≈ 5000.

Рабочую точку b мы выбрали произвольно. Если выбирать точку из соображений максимального неискажённого выходного напряжения, то лучше выбрать точку а. Если из соображений экономичности, лучше выбрать точку с минимальным током, например точку с.

Сопротивление R_g и ёмкость C_g образуют цепь автоматического смещения, задача которой – задать постоянное напряжение на затворе. Действительно, постоянный ток I₀, протекая по R_g, создаёт отрицательное напряжение − I₀ R_g на истоке относительно общего провода. Постоянное напряжение на верхнем конце резистора R_g будет положительным относительно "земли", а затвор соединён с "землёй" резистором, по которому не течёт постоянный ток. Значит, постоянное напряжение на затворе будет равно нулю. Тогда постоянное напряжение U_ЗИ будет отрицательно.

Выбирая ток I₀ и сопротивление R_g, можно задать нужное напряжение смещения на затворе. В нашем примере при токе сток-исток в 2.6 мА и напряжении смещения в 1.3 В сопротивление R_g должно быть 500 Ом. Ёмкость С_g выбирается так, что на нижней рабочей частоте усилителя она сильно шунтирует сопротивление R_g. Поэтому наличие цепочки R_g C_g не сказывается на прохождении сигнала.