Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е)

3.07. Усилители на ПТ

Истоковые повторители и усилители на ПТ с общим истоком — это аналоги эмиттерных повторителей и усилителей с общим эмиттером на биполярных транзисторах, о которых мы говорили в предыдущей главе. Однако отсутствие постоянного тока затвора дает возможность получить очень высокое входное сопротивление. Такие усилители необходимы, когда мы имеем дело с высокоомными источниками сигналов, встречающимися в измерительных схемах. Для некоторых специализированных применений вы, может быть, захотите построить повторители или усилители на дискретных ПТ, однако в большинстве случаев можно использовать достоинства, которыми обладают ОУ с ПТ-входом. В любом случае стоит понять, как они работают.

Когда мы имеем дело с ПТ, то обычно применяется та же схема автоматического смещения, что и в источниках тока на ПТ с p-n-переходом (разд. 3.06) с одним резистором смещения затвора, подключенным вторым выводом к земле (рис. 3.21); для МОП-транзисторов требуется делитель, питаемый от источника напряжения стока, или расщепленный источник, как это было и в случае с биполярными транзисторами.

Рис. 3.21.

Резистор смещения затвора может иметь очень большое сопротивление (свыше МОм), поскольку ток утечки затвора измеряется наноамперами.

Крутизна. Отсутствие тока затвора делает естественным параметром, характеризующим усиление ПТ, крутизну — отношение выходного тока к входному напряжению:

g_m = i_вых/u_вх·

Это отличается от того, как мы рассматривали биполярные транзисторы в предыдущей главе, где мы вначале носились с идеей усиления по току (i_вых/u_вх), а затем ввели ориентированную на параметр крутизны модель Эберса-Молла: полезно было посмотреть на биполярные транзисторы с разных сторон, в зависимости от их применения.

Крутизна ПТ может быть оценена по характеристике либо по тому, насколько увеличивается I_С при переходе от одной кривой с фиксированным значением напряжения затвора к другой из семейства кривых (рис. 3.2 или 3.17), либо, что проще, по наклону кривых «передаточных характеристик» I_С-U_ЗИ(рис. 3.14).

Крутизна зависит от тока стока (вскоре мы увидим как) и определяется просто как (Напомним, что строчными латинскими буквами обозначаются малосигнальные приращения.) Из этого выражения мы получаем коэффициент усиления по напряжению:

К_U = u_С/u_ЗИ= — R_Сi_С/u_ЗИ = — g_mR_C,

тот же результат, что и для биполярного транзистора в разд. 2.09, если заменить резистор нагрузки R_K на R_C. Как правило, крутизна ПТ равняется нескольким тысячам микросименс (мкСм) при токе стока в несколько миллиампер. Поскольку g_m зависит от тока стока, существует некоторая нелинейность, связанная с зависимостью коэффициента усиления от изменения тока стока на протяжении периода сигнала, подобно тому, как это бывает в усилителе с заземленным эмиттером, где g_m = 1/r_Э пропорциональна I_С. Кроме того, ПТ в общем имеют значительно меньшую крутизну, чем биполярные транзисторы, что делает их менее подходящими для построения усилителей и повторителей. Рассмотрим это немного подробнее.

Сравнение крутизны ПТ и биполярных транзисторов. Чтобы перевести наше последнее замечание в числа, рассмотрим ПТ с p-n-переходом и биполярный транзистор, каждый с рабочим током 1 мА. Представим, что они включены как усилители с общим истоком (эмиттером), а сток (коллектор) через резистор 5 кОм подключен к источнику питания 4-10 В (рис. 3.22).

Рис. 3.22.

Не будем обращать внимания на детали смещения и сосредоточимся на рассмотрении коэффициента усиления.

Биполярный транзистор имеет r_Э, равное 25 Ом, а следовательно, g_m = 40 мСм и коэффициент усиления по напряжению — 200 (что можно получить прямым расчетом как — R_К/r_Э). Типичный ПТ с p-n-переходом (например, 2N4220) имеет g_m порядка 2 мСм при токе стока 1 мА, давая коэффициент усиления по напряжению порядка —10. Это сравнение выглядит обескураживающим. Малая g_m дает также относительно высокоеZ_вых в схеме повторителя (рис. 3.23): ПТ с p-n-переходом имеет Z_вых = 1/g_m, что в данном случае эквивалентно 500 Ом (независимо от сопротивления источника сигнала); в сравнении с этим биполярный транзистор имеет Z_вых = R_с/h_21Э + r_Э = R_с/h_21Э + 1/g_m, равное R_с/h_21Э + 25 Ом (при 1 мА). Для типичного бета-биполярного транзистора, скажем h_21Э = 100, и при разумных значениях сопротивления источника сигнала, скажем при R_c < 5 кОм, биполярный повторитель на порядок лучше (Z_вых равно 25–75 Ом). Отметим, однако, что при R_c > 50 кОм повторитель на ПТ с p-n-переходом будет лучше.

Рис. 3.23.Выходное сопротивление повторителей напряжения на ПТ с p-n-переходом (а) и биполярном транзисторе (б).