Каскадные усилители на полевых транзисторах

Каскодное включение полевого и биполярного транзисторов позволяет получить сочетание лучших свойств тех и других транзисторов.

На рис. 5.1 — 5.6 приведены отобранные практикой схемы соединения полевого и биполярного транзисторов, систематизированные в сборнике схем Б.И. Горошкова. Они имеют высокое, характерное для полевых транзисторов, входное сопротивление и низкое, присущее биполярным транзисторам, выходное.

Рис. 5.1

Рис. 5.2

Коэффициент усиления (передачи) таких каскадов можно вычислить по приводимым в главе 3 формулам. В этих формулах Куи — коэффициент усиления каскада по напряжению; h213 (или Р) — коэффициент передачи биполярного транзистора по току; S — крутизна характеристики полевого транзистора (мА/В) RH — сопротивление нагрузки (кОм).

Ориентировочные, численные значения h2-|3 и S можно найти в справочниках или паспортных данных (см. Приложение); реальные же значения могут заметно отличаться от «теоретических».

Рис. 5.3

Рис. 5.4

Рис. 5.5

Как следует из сопоставления формул, каскады усиления (рис. 5.1, 5.3, 5.5, 5.6) имеют коэффициент усиления (передачи), равный произведению отдельно взятых коэффициентов передачи транзисторов, входящих в каскад. Каскады (рис. 5.2, 5.4) имеют коэффициент передачи, практически равный единице.

Каскодное (двух, трех или более «этажное» включение полевых и/или биполярных транзисторов) позволяет простыми средствами добиться высокого коэффициента передачи, ослабить проникновение входного сигнала на выход усилителя, упростить схему в целом, повысить устойчивость ее работы, повысить максимальное значение напряжения питания и амплитуду выходного сигнала, соответственно. «Двухэтажные» каскодные усилители требуют удвоения напряжения питания по сравнению с обычным включением транзисторов, при этом ток, потребляемый схемой, снижается вдвое.

Рис. 5.6

Рис. 5.7. Эквивалент К140УД7

На рис. 5.7 показана схема, позволяющая проимитиро-вать довольно сложную по внутренней структуре аналоговую микросхему низкочастотного усилителя К140УД7 [Р 1/79-44]. Полноценной такую замену считать, разумеется, не следует (особенно в части коэффициента усиления). Однако использование эквивалента микросхемы, выполненного на дискретных элементах, в ряде случаев может быть оправдано. Резистор R2 подбирают до установления на выходе аналога микросхемы нулевого напряжения при питании устройства от двухпо-лярного источника.

Каскодные схемы широкополосных , включенных последовательно по постоянному току, приведены на рис. 5.8 — 5.16 [А.Г. Ми-лехин, Р 9/72-38]. В качестве динамической нагрузки полевого транзистора VT1 используется активный элемент — полевой или биполярный транзистор VT2, внутреннее сопротивление которого зависит от амплитуды сигнала на стоке транзистора VT1.

Рис. 5.8

Рис. 5.9

Транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком, транзистор VT2 — с общим стоком (рис. 5.8 — 5.10). При таком сочетании первый каскад имеет коэффициент усиления по напряжению близкий к единице, благодаря чему он обладает большим запасом устойчивости. Кроме того, схема с общим истоком обладает значительным коэффициентом усиления по мощности, что способствует снижению шума двухкаскадного усилителя. Второй каскад, обладая большим коэффициентом устойчивого усиления, позволяет получить необходимое усиление по напряжению.

Рис. 5.10

Рис. 5.11

Рис. 5.12

Наиболее простая схема (рис. 5.8) содержит всего 5 элементов, включая переходные конденсаторы. Несколько усложненный вариант усилителя (с включением в цепь истока каждого полевого транзистора сопротивления смещения) показан на рис. 5.9.

Рис. 5.13

Рис. 5.14

Для расширения частотного диапазона входного сигнала в качестве сопротивления в цепи истока верхнего (по схеме на рис. 5.10) полевого транзистора дополнительно может быть включен высокочастотный дроссель — элемент, реактивное сопротивление которого возрастает с ростом частоты.

Коэффициент усиления каскада в области низких частот (рис. 5.8) при использовании полевых транзисторов типа КП103Ж достигает 40 дБ при низком уровне шумов.

Коэффициент усиления по напряжению в диапазоне низких частот (от 10 Гц до 10 кГц) каскада на рис. 5.9 составляет 130 [А.Г. Милехин]. Максимальный выходной сигнал при напряжении питания 9 В может доходить до 1,4 В. Схема на рис. 5.11 имеет динамическую нагрузку полевого транзистора, в качестве которой применен биполярный транзистор.

Рис. 5.15

Рис. 5.16

Основные характеристики схемы (рис. 5.11) соответствуют аналогичным для схемы (рис. 5.9), коэффициент усиления по напряжению незначительно возрастает, но в целом схема заметно усложняется.

На рис. 5.12 показан пример практической реализации усилительного каскада, выполненного на основе полевого и биполярного транзисторов (см. также рис. 5.1).

В соответствии со сведениями, систематизированными в литературе [Р 9/72-38], можно привести сводную таблицу 5.1, характеризующую свойства каскодных усилителей в сопоставимых условиях измерения (для транзисторов КП103М), см. рис. 5.8 — 5.10, 5.13 — 5.16.

Таблица 5.1

Апериодический и резонансные каскады усиления с кас-кодным включением транзисторов показаны на рис. 5.17 — 5.19 [Р 5/75-54].

Рис. 5.17

Резонансный (рис. 5.18) в области частот до 500 кГц имеет устойчивое и не зависящее от частоты усиление по напряжению (порядка 20...25 раз) при использовании относительно низкочастотных транзисторов типа КП103И. При их замене более высокочастотными (типа КПЗОЗ и сменой полярности источника питания) схема усилителя может работать для усиления сигналов в диапазонах коротких и средних волн.

Рис. 5.18

Рис. 5.19

Вторая схема каскодного резонансного усилителя (рис. 5.19) позволяет получить на частоте 12,5 МГц коэффициент усиления до 18.. .20. Для более низких частот (в диапазоне длинных и средних волн) коэффициент усиления по напряжению возрастает до 100 и выше. От источника питания усилитель потребляет ток 3...4 мА.

На основе схем усилителей, приведенных на рис. 5.18, 5.19, могут быть созданы узкополосные высокочастотные усилители с одновременно перестраиваемыми на входе и выходе устройства идентичными колебательными контурами или фильтрами.

Интересным схемотехническим решением, позволяющим заметно выиграть в соотношении сигнал/шум, создав таким образом сверхмалошумящие усилители, является параллельное включение в нижнем плече схемы нескольких однотипных транзисторов [ПТЭ 1/78-88]. Общий коэффициент усиления транзисторов суммируется. В то же время уровень шумов возрастает только пропорционально корню квадратному из числа параллельно включенных транзисторов. В итоге, если включить параллельно 4 транзистора, соотношение сигнал/шум улучшится в 2 раза; при девяти транзисторах — в 3 раза и т.д.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год