Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим истоком (ОИ)

Схемы включения с общим истоком (ОИ) полевого транзистора с управляющим переходом и МДП-транзистора с индуцированным каналом показаны на рис. 2-2.2. Статические характеристики такого включения для полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом даны на рис. 2-2.3, а на рис. 2-2.4, 2-2.5 представлены статические характеристики для МДП-транзисторов с индуцированным или встроенным каналом.

Рис. 2-2.2. Упрощенные схемы включения \(n\)-канальных полевых транзисторов с общим истоком

Рис. 2-2.3. Статические характеристики \(n\)-канального полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики, (в) входная характеристика, (г) характеристики обратной связи

Рис. 2-2.4. Статические характеристики \(n\)-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики

Рис. 2-2.5. Статические характеристики \(n\)-канального МДП-транзистора со встроенным каналом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики

При рассмотрении статических характеристик биполярных транзисторов мы пользовались системой т.н. гибридных или \(H\)-характеристик, эквивалентной системе \(H\)-параметров линейных четырехполюсников. Для полевых транзисторов более удобным оказалось применение системы \(Y\)-характеристик, в которой в качестве независимых переменных выступают входное и выходное напряжения, а в качестве определяемых функций — входной и выходной токи. На рис. 2-2.3 представлены все семейства статических характеристик полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом, однако на практике для анализа схем на полевых транзисторах обычно достаточно характеристик передачи и выходных характеристик, поэтому в дальнейшем мы не будем включать в рисунки входные характеристики и характеристики обратной связи (при желании читатель может сам отстроить их графики по двум представленным семействам).

Внимательное рассмотрение представленных на рис. 2-2.3, 2-2.4, 2-2.5 характеристик показывает следующее. В области насыщения ток стока \({I_С}_0\), а соответственно и ток истока \({I_И}_0\), слабо зависят от напряжения сток—исток \({U_{СИ}}_0\) и сильно — от напряжения затвор—исток \({U_{ЗИ}}_0\). Т.е., стабилизируя напряжение \({U_{ЗИ}}_0\), можно поддерживать неизменное положение исходной рабочей точки всего каскада. Рассмотрим схему, представленную на рис. 2-2.6.

Рис. 2-2.6. Комбинированная схема задания исходной рабочей точки каскада на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа

Основным соотношением, на базе которого осуществляется анализ на постоянном токе для этой схемы является:

\({U_{ЗИ}}_0 = {U_д}_0 - {U_R}_И = {U_д}_0 - {I_И}_0 R_И\).

Сам анализ удобно провести графически на передаточной характеристике каскада (рис. 2-2.7).

Рис. 2-2.7. Графический анализ схемы с рис. 2-2.6

Приводимые на рис. 2-2.7 построения предполагают, что в истоковой цепи включен линейный резистор \(R_И\) с вольт-амперной характеристикой, изображаемой прямой 2, а на затвор транзистора с помощью делителя напряжения \(R1\), \(R2\) подан потенциал \({U_д}_0\). Точка пересечения графика передаточной характеристики каскада (1) с вольт-амперной характеристикой резистора \(R_И\) (2) определяет положение исходной рабочей точки транзистора, т.е. значение тока \({I_С}_0 \approx {I_И}_0\), и разность потенциалов \({U_{ЗИ}}_0\). В ряде случаев для расчета \({U_{ЗИ}}_0\) и \({I_С}_0\) можно пользоваться упрощенными формулами:

\( I_С \approx {I_С}_0(0) {\left( 1 - \cfrac{{U_{ЗИ}}_0}{{U_{ЗИ отс}}} \right)}^2 \);

\( {U_{ЗИ}}_0 \approx {U_{ЗИ отс}} \left( 1 - \sqrt{\cfrac{{I_С}_0}{{I_С}_0(0)}} \right) \),

где:

\( {I_С}_0(0) ={I_С}_0 {\huge |}_{{U_{ЗИ}}_0 = 0}  \)

\({U_{ЗИ отс}}\) — напряжение отсечки транзистора.

Параметры делителя напряжения выбираются так, чтобы \({I_д}_0 \gg {I_З}_0\).

При применении МДП-транзисторов схема цепей смещения остается неизменной (рис. 2-2.8). Изменяются лишь параметры элементов с учетом того, что полярность напряжения \({U_{ЗИ}}_0\) в МДП-транзисторах может иметь противоположное направление по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим переходом.

Рис. 2-2.8. Комбинированная схема задания исходной рабочей точки каскада на МДП-транзисторе с каналом \(p\)-типа

Существует еще одно более простое схемное решение, позволяющее задавать рабочую точку каскадов на полевых транзисторах. Это так называемая схема истокового автосмещения (рис. 2-2.9).

Рис. 2-2.9. Схема истокового автосмещения для полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа

В данной схеме делитель напряжения заменен одним резистором в цепи протекания тока затвора \({I_З}_0\). Значение этого тока достаточно стабильно, ведь обратносмещенный управляющий \(p\)-\(n\)-переход транзистора работает как стабилизатор тока, т.е. ток \({I_З}_0\) практически не зависит от возможных колебаний напряжения \({U_{ЗИ}}_0\). Поскольку величина тока затвора \({I_З}_0\) полевого транзистора очень мала, то значение сопротивления \(R_З\) можно выбирать достаточно высоким. Необходимо лишь следить за тем, чтобы напряжение на управляющем \(p\)-\(n\)-переходе \({U_{ЗИ}}_0\) оставалось отрицательным. Это достигается, когда величина \(R_З\) не превышает величину входного сопротивления каскада \(R_{вх}\) (обычно \(R_З \le 1 МОм\)).

Схема с истоковым автосмещением оказывается крайне чувствительной к любым внешним воздействиям, прикладываемым к затвору транзистора. Это обусловило ее широкое применение в первую очередь в каскадах предварительного усиления, где требуется повышенная чувствительность и низкое энергопотребление.

Использование схемы с высокоомным резистором в цепи протекания тока затвора возможно и с МДП-транзисторами (напомним, что для этих приборов постоянный ток затвора обусловлен фактически только паразитными утечками). Но здесь необходимо иметь в виду, что установка рабочей точки каскада вблизи значения \({U_{ЗИ}}_0 = 0\) может оказаться неудачной для многих случаев использования МДП-транзисторов. Однако иногда для МДП-транзисторов со встроенным каналом именно \({U_{ЗИ}}_0 = 0\) отвечает наилучшему режиму усиления.

В качестве примера использования обоих описанных выше схем смещения на рис. 2-2.10 представлен усилительный каскад на двухзатворном МДП-транзисторе.

Рис. 2-2.10. Высокочастотный усилительный каскад на двухзатворном МДП-транзисторе со встроенным каналом \(n\)-типа