Расчёт усилительных каскадов на полевых MOSFET транзисторах

Как просто рассчитать режимы работы и номиналы элементов схем на полевых MOSFET транзисторах обогащённого типа. Онлайн калькулятор

На предыдущей странице мы с вами рассмотрели методику по расчёту режимов работы и номиналов элементов схем каскадов на полевых транзисторах. Процедура расчёта достаточно проста и не подразумевает необходимости построения нагрузочных линий, как это рекомендуется при процессе проектирования усилительных каскадов в любой радиотехнической литературе.

В качестве примера был выбран распространённый JFET-транзистор 2SK117 со встроенным p-n переходом обеднённого типа.
По большому счёту, расчёт каскадов, выполненных на MOSFET транзисторах обогащённого типа, ничем не отличается от процедуры расчёта для JFET-транзисторов, однако, учитывая то, что стоково-затворная ВАХ JFET-ов находится в отрицательной области напряжений Uзи, а MOSFET-ов смещена в положительную - могут возникнуть определённые вопросы.

В качестве пациента для расчётов выберем N-Channel MOSFET 2N7002, который, строго говоря, был спроектирован для работы в ключевых устройствах, однако, наряду с 2N7000, довольно часто применяется радиолюбителями в усилительных каскадах радиочастотного диапазона.
Итак, определимся с вводными: напряжение питания Е_п = 12В, ток покоя стока транзистора I_с = 10мА, коэффициент усиления по напряжению К_u = 10.

Далее всё по накатанной: вольт-амперная характеристика 2N7002 из Datasheet-а и схема каскада с общим истоком.


Рис.1 Стоково-затворная ВАХ 2N7002 и схема каскада с общим истоком

Поскольку ключевые транзисторы даже малой мощности могут работать при значительных величинах импульсных токов, их вольт-амперные характеристики для наших аналоговых целей имеют явно избыточный размах. Однако приблизительно оценить интересующие нас значения мы всё ж таки сумеем.

1. Линия, которая пересекает на ВАХ точку, равную току истока Iс = 10 mA, приблизительно соответсвует напряжению U_зи ≈ 2,6В.

2. Опять же, очень приблизительно оценим параметр крутизны передаточной характеристики транзистора вблизи интересующего нас тока стока:
S = ΔI_c/ΔU_зи = (75-10)мА / (3-2,6)В = 162 мА/В.
Поскольку при расчёте (в связи с мелкостью масштаба в районе Iс = 10 mA) нам пришлось залезть в область значительно более высоких токов, то реальный показатель крутизны окажется раза в 1,5 ниже расчётного значения. Лучше бы эту поправку учесть - но мы не будем, для того, чтобы наглядно продемонстрировать, что даже такие существенные расхождения не сильно повлияют на работоспособность рассчитанной схемы.

3. Перенесём сюда формулы с предыдущей страницы и добавим пару новых:

К_u = R_c*S/(1 +R_и*S) ;
U_c = (E_п + U_и)/2 ;
R_c = (E_п - U_с)/I_с ;
U_и = Е_см - U_зи ;
R_и = U_и/I_c .

Объединив данные формулы, можно рассчитать номиналы всех элементов, ну а поскольку итоговые выражения получаются довольно громоздкими, то, я думаю, что мало кто обидится, если я сразу приведу онлайн калькулятор.

Расчёт элементов каскада ОИ НА полевых MOSFET транзисторах

Напряжение питания Еп (В)
Ток покоя транзистора Iс (мА)
Крутизна транзистора S (мА/В)
Напряжение затвор-исток для заданного Ic Uзи (В)
Необходимый Ku каскада
Номинал резистора Rc (Ом)
Номинал резистора Rи (Ом)
Напряжение смещения на затворе Есм (В)
Напряжение на стоке (В)
Напряжение на истоке (В)

А теперь так же, как и на предыдущей странице проверим полученные расчёты в симуляторе.
Некоторая разница между показаниями вольтметров симулятора и рассчитанными значениями связано с неточ- ностью определения тока по ВАХ, с избыточно крупным масштабом.

Несмотря на это, схема с рассчитанными номиналами вполне работоспособна и обладает усилением, близким к заданному, что явно видно по эпюрами входного и выходного сигналов на осциллографе.




Рис.2 Результаты моделирования каскада с общим истоком на симуляторе

На самом деле, в связи с достаточно большим разбросом параметров любых полевых транзисторов, произвести точный теоретический расчёт режимов полупроводника не представляется возможным. Поэтому на практике, как правило, предусматривается возможность точной подстройки режимов транзистора. К примеру, снижение на симуляторе напряжения смещения затвора транзистора с 3,11 В до 2,95 В приводит к практически полному приближению режимов полевика к расчётным значениям.

Однако, если заранее измерить основные характеристики ПТ, то можно обойтись и без указанных мероприятий, связанных с подбором элементов, задающих режим транзистора по постоянному току.
Как это сделать - рассмотрим на следующей странице.

Назад

Дальше