А. Межлумян
Радио 1991
Традиционная схемотехника линейных усилителей на полевых транзисторах с затвором в виде р-п-перехода (в дальнейшем для краткости называемом р-п-затвором) предусматривает в основном режим, когда рабочая точка находится в области обратного (закрывающего) смещения, т. е. при Uотс
Проведенные автором исследования показали, что использование режима, в котором рабочая точка может находиться в зоне открывающего смещения, позволяет существенно упростить схемы узлов на полевых транзисторах. Применение таких схем рационально в тех случаях, когда требование минимальности числа элементов оправдывает необходимость подборки некоторых из них, т. е. в радиолюбительской практике и при разработке особо миниатюрных конструкций.
На рис. 1 представлены обобщенные сток-затворная и входная характеристики полевого транзистора с р-п-затвором. На этих вольт-амперных характеристиках - Iс=f(Uвх) и Iз=f(Uвх) - можно выделить три характерных зоны: 1 - закрывающего смещения Uзи, 2 - открывающего смещения, при котором ток затвора практически отсутствует, и 3 - открывающего смещения, обусловливающего существенный ток затвора.
Четкой границы между зонами 2 и 3 нет, поэтому для определенности примем в качестве условной границы между ними ординату, соответствующую току затвора 1 мкА - при таком токе сопротивление затвора еще весьма велико, и это значение может быть сравнительно просто измерено. Обозначим также символом Im ток стока на этой границе и прямое напряжение на затворе Um. При напряжении Uзи, большем граничного, ток затвора начинает резко увеличиваться и полевой транзистор теряет свое основное достоинство - высокое входное сопротивление. Поэтому работу в зоне 3 не рассматриваем.
Из изложенного ясно, что нет необходимости полностью исключать работу полевого транзистора в зоне прямого смещения, вполне достаточно, чтобы рабочая точка не переходила в зону 3, т. е. было выполнено условие Uзи
Несмотря на то, что расширение рабочего интервала напряжения Uзи из-за добавления зоны прямого смещения по абсолютной величине невелико, оно имеет очень важное значение, поскольку позволяет несколько иначе подойти к схемо-технике полевых транзисторов.
Как видно из рис. 1, сток-затворная характеристика переходит в зону 2 плавно, без излома. Суть физических процессов в транзисторе заключается в том, что при подаче на затвор прямого напряжения смещения происходит расширение канала и проводимость его увеличивается, транзистор начинает работать в режиме обогащения. Легко заметить, что с учетом зоны прямого смещения транзистор с р-п-затвором становится аналогичным по характеристикам транзистору с изолированным затвором и встроенным каналом, который способен работать при прямом и обратном смещении на затворе.
Отличие носит лишь количественный характер - у первого из них рабочая область зоны прямого смещения короче, так как ограничивается значением Um. Поэтому полевой транзистор с р-п-затвором можно применять в режимах, которые считались возможными только для транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом.
Наличие у транзисторов с изолированным затвором серьезных недостатков - значительного разброса характеристик, малой стойкости к действию статического электричества и ряда других - резко ограничивает область практического применения этих приборов даже при допустимости их индивидуальной подборки. Номенклатура выпускаемых в настоящее время транзисторов с р-п-затвором значительно шире, чем с изолированным, они более доступны и имеют меньший разброс характеристик. По указанным причинам транзисторы с р-п-затвором следует считать более предпочтительными.
Рассмотрим некоторые варианты применения этих транзисторов с использованием режима прямого смещения на затворе. На рис. 2, а изображена схема линейного усилителя. Применение режима работы без начального смещения позволило исключить резистор автоматического смещения и блокировочный конденсатор в цепи истока транзистора VT1. Расчет ступени по постоянному току упрощается и сводится к определению сопротивления нагрузочного резистора R2 по формуле:
R2=(Uпит-Uвых о)/Io
где Uвых о - напряжение на выходе при отсутствии входного сигнала, a Iо - начальный ток транзистора.
При выборе Uвых o= 0,5 Uпит формула (1) упрощается и принимает вид: R2=Uпит/2Iо.
При разработке усилителей по этой схеме следует учитывать, что для транзисторов с начальным током стока в несколько десятков миллиампер возможно превышение их допустимой мощности.
Если необходимо уменьшить коэффициент усиления, в цепь истока включают резистор R3. Следует подчеркнуть, что в этом случае блокировочный конденсатор включать нельзя. Режим по переменному току рассчитывают по известным формулам; коэффициент усиления находят из выражения Кu= S • R2, где S - крутизна характеристики транзистора. Очевидно, что при Кu>10 в большинстве случаев усиление выходного сигнала по амплитуде до Uпит происходит при Uвх
При необходимости увеличить допустимую амплитуду положительных значении напряжения на входе свыше Um в цепь истока требуется вместо резистора R3 включить диод (катодом к общему проводу). Напряжение прямого смещения для кремниевых диодов может находиться в пределах 0,4...0,8 В (в большинстве случаев 0,5...0,7 В) в зависимости от типа диода и тока истока транзистора. Для германиевых диодов аналогичные значения равны 0,2...0,6 В (0,3...0,5 В). При включении диода ток стока из-за закрывающего смещения уменьшается, поэтому для обеспечения прежнего режима по постоянному току необходимо увеличить сопротивление резистора R2. Это, в свою очередь, приводит к увеличению К„, так как крутизна уменьшается незначительно. Поскольку динамическое сопротивление диода мало, шунтиро-вание его конденсатором малоэффективно. Введение диода вызывает небольшое - не более чем на 10 % - уменьшение усиления.
Режим такой ступени по постоянному току рассчитывают по формуле (1), в которую вместо Io подставляют Ioд - ток стока при включенном в цепь истока диоде. Уменьшить при необходимости Кu можно включением последовательно с диодом резистора обратной связи.
Несмотря на наличие дополнительного диода, реализация такой схемы в ряде случаев является оправданной и по той причине, что приводит к уменьшению потребления тока и увеличению коэффициента усиления. Эти свойства особенно ценны для устройств с автономным питанием.
Как видно из изложенного, по работе ступень с диодом близка к классической с резистором смещения. Основное преимущество - отсутствие блокировочного конденсатора, что приводит также к расширению снизу рабочей частотной полосы вплоть до постоянного тока. Кроме того, упрощается расчет и налаживание устройств.
При работе этой ступени с трансформатором, катушкой связи, воспроизводящей головкой магнитофона и другими подобными источниками сигнала резистор R1 утечки не требуется и схема принимает предельно простой вид, показанный на рис. 2, б.
Рассмотренная выше возможность работы полевого транзистора с р-п-затвором при прямом смещении может быть эффективно применена и для построения другого важного класса устройств - истоковых повторителей. На рис. 3, а представлена традиционная схема истокового повторителя на транзисторе VT2. Основной недостаток этого узла - сравнительно узкие пределы выходного напряжения. От этого недостатка свободен традиционный эмит-терный повторитель (VT2, рис.3, б); кроме того, в нем меньше деталей. Но у эмиттерного повторителя сравнительно низкое входное сопротивление: Rвх=h21эRэ (h21э - статический коэффициент передачи тока транзистора; Rэ - сопротивление резистора в цепи эмиттера).
Все отмеченные противоречия полностью устраняются при прямом включении истокового повторителя, как показано на рис. 3, в. Здесь удачно сочетаются достоинства истокового и эмиттерного повторителей. Практического применения эта схема не находила, видимо, потому, что невозможно избежать прямого напряжения смещения на затворе. Но этого и не требуется, достаточно исключить работу транзистора в области прямого тока затвора (в зоне 3 на рис. 1). Эта задача решается довольно просто, что и позволяет применять такую схему на практике.
Передаточная характеристика истокового повторителя определяется общим выражением: Uвых=Uo+UвxKп, (2) где Uo - начальное выходное напряжение при Uвх=0; Kп - коэффициент передачи истокового повторителя.
Для работы повторителя в области закрывающего смещения на затворе необходимо, чтобы условие Uз
Фактически же реальные требования менее жестки, так как достаточно выполнения более простого условия: UсиUпит (Rи -сопротивление резистора в цепи истока). Учитывая ориентировочный характер расчета по этой формуле, отсутствие тока затвора при Uз=Uпит, следует проверить при макетировании узла микроамперметром с током полного отклонения стрелки не более 100 мкА. Выходное напряжение такого истокового повторителя находится в пределах Uo...(Uпит-Uси).
Экспериментально снятые при Uпит=12 B зависимости Uвых=f(Uвх) для транзисторов КПЗ0ЗА и КПЗ0ЗЕ при разных значениях сопротивления Rи показаны на рис. 4. Как видно из графиков, возможно обеспечить линейность передаточной характеристики в пределах от Uвыхо (при Uвх=0) до (Uпит- -1) В. Для расширения этого участка следует, в первую очередь, уменьшить Uo, для чего нужно применять транзисторы с минимальным значением Uотc, а затем подобрать оптимальное сопротивление резистора Rи (R2-на схеме рис. 3, в). Звездочкой на графиках отмечены точки, где ток Iз достигает значения 1 мкА.
В качестве примера практического применения описанного режима линейного усиления на рис. 5 изображена схема двуканального смесителя сигналов 3Ч; вообще же число каналов ничем не лимитировано и может быть любым. Сопротивление резистора R3 определяют по формуле (1), в которую вместо Io подставляют Iод n, где n - число каналов.
В устройстве желательно применять транзисторы с близкими значениями Uотс и Io (или Iод), однако вполне допустим разброс этих параметров до 50...100 %, так как разницу усиления по каналам легко компенсировать входными регуляторами R1, R5. Следует обязательно проверить, чтобы ни один из каналов не входил в режим амплитудного ограничения в рабочем интервале входного напряжения. При использовании кремниевого диода допустимая амплитуда положительной полуволны на затворе каждого полевого транзистора - не менее 1 В.
При работе одного канала при напряжении питания Uпит=9 В, выходном напряжении Uвых=0,1 В (действующее значение), частоте сигнала fс=0,1 кГц коэффициент усиления смесителя примерно равен 3, а по уровню нелинейных искажений он не уступает построенному по классической схемотехнике.
