13.5.3. Расчет усилительного каскада с общим истоком

Рассмотрим последовательность расчета каскада по схеме с ОИ, выполненного на полевом транзисторе с р-n-переходом и каналом р-типа.

Принципиальная схема каскада представлена на рис. 13.16. Исходными данными для расчета являются RH (входное сопротивление КПУ или УМ, для управления которым рассчитывается данный каскад), и UВЫХm = UHm (амплитудное значение напряжения, требуемого для управления следующим КПУ или УМ).

Расчет схемы производится в следующей последовательности.

1. Выбирается сопротивление RC из тех же соображений, что и сопротивление RK в КПУ по схеме с ОЭ (см. главу 13.5.1, п. 1).

2. Определяется амплитуда переменной составляющей тока стока , где RH» = RC || RH.

3. Задаются координаты точки покоя выходной цепи транзистора. Они должны удовлетворять условиям:

Для  определения  UСИП  принимают  DUСИ = 1 ÷ 2 В;  IСП  определяют  из  условия   IСП = (1,1 ÷ 1,2)ICm.  

4. Определяется ЕС каскада. Падение напряжения на сопротивлении RИ выбирается из условия UИП = (0,1 ÷ 0,3)ЕС.

Уравнение выходной цепи каскада по постоянному току имеет вид:

Подставляя UИП в (13.11), получим выражение для расчета EС:

5. Выбирается транзистор из условий: UСИДОП > ЕС; IСДОП > IСП + ICm; Pmax > UСИП × IСП. Частотные свойства полевого транзистора описываются частотой fS, информация о ее конкретной величине для данного типа транзистора в справочной литературе отсутствует. На частотные свойства каскадов на полевых транзисторах существенное влияние оказывают междуэлектродные емкости, поэтому полевые транзисторы выбираются с большим запасом по частоте. Оценить возможную величину fS можно по условному обозначению типа транзистора, в котором третий элемент несет информацию о его частотных свойствах. Классификация полевых транзисторов по частотным свойствам представлена в табл. 13.3.

Таблица 13.3 Классификация полевых транзисторов по частотным свойствам

Предельная

частота

транзистора, МГц

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт

малая

Рmax £ 0,3

средняя

0,3 < Рmax £ 1,5

большая

Рmax > 1,5

низкая  fS £ 3

1

4

7

средняя 3< fS £ 30

2

5

8

высокая  fS > 30

3

6

9

            6. По стоко-затворной ВАХ транзистора для IС = IСП определяется напряжение UЗИП. Точка покоя должна располагаться на линейном участке стоко-затворной ВАХ (наилучшее положение точки покоя – середина линейного участка стоко-затворной ВАХ), в противном случае нужно увеличить IСП и повторить расчет. При этом параметры выбранного транзистора могут перестать отвечать условиям п. 5, в этом случае необходимо выбрать транзистор другого типа.

            7. Рассчитывается величина сопротивления в цепи истока  RИ  по формуле

                           

            8. Рассчитываются величины сопротивлений входного делителя R1 и R2. Величина  сопротивления R2 выбирается равной 1 ÷ 2 МОм, величина сопротивления R1 определяется с учетом того, что для транзистора с р-каналом  UЗИП > 0, по формуле

Для транзистора с n-каналом UЗИП  < 0,  поэтому аналогичная формула имеет вид: 

Напряжения в формулах (13.12) и (13.13) берутся по абсолютной величине.

9. Производится расчет каскада по переменному току. Схема замещения каскада по переменному току в области средних частот представлена на рис. 13.17.

В схеме  не показано входное сопротивление полевого транзистора, т.к. оно имеет очень большую  величину – 102 ¸ 103 МОм и выше, поэтому его влиянием на работу схемы пренебрегают. Сопротивления входного делителя R1 и R2 представлены в схеме замещения сопротивлением  RД = R1 || R2.  Выходная цепь транзистора представлена источником тока    IС  = SUЗИ = SUВХ  и внутренним сопротивлением канала r1

Параметр r1 транзистора определяют по стоковой ВАХ, проходящей через точку покоя выходной цепи с координатами UСИП, IСИП параметр S – по стоко-затворной ВАХ в окрестности точки покоя с координатами UЗИП,                        IСП:   

По схеме замещения определяются параметры каскада по переменному току:

(сопротивление относительно выходных зажимов при отключенном RН)

10. Определяется необходимое для управления каскадом амплитудное значение входного напряжения . Весь размах UBX должен укладываться на линейном участке стоко-затворной ВАХ, иначе сигнал будет усилен с большими нелинейными искажениями. Если это условие не выполняется, смещают точку покоя, задавая новое значение тока IСП, и производят уточняющий перерасчет схемы, начиная с п. 4.                                       

Если условие усиления сигнала без искажений выполняется, то сравнивают величины UBXm и указанной в техническом задании еГ. Если UВХm ³ еГ, то переходят к расчету КПУ по схемам с ОЭ или ОИ, необходимого для управления спроектированным каскадом.

Если UBxm < еГ, то рассчитываемый каскад будет являться одновременно и входным каскадом усилителя, в этом случае определяют необходимую для управления каскадом ЭДС генератора по формуле

и сравнивают ее величину с величиной еГ. Если еГ.УПР  меньше еГ, то последовательно с источником входного сигнала ставится ограничивающее сопротивление RОГР для предотвращения перехода усилителя в насыщение. Величина RОГР определяется по формуле

Если еГ.УПР  больше еГ, то необходимо увеличить RВХ каскада, выбрав большую величину сопротивления R2.