10. Proiectare amplificator FET
CURENT - 10. Design amplificator FET
PREVIOUS- 9. Analiza amplificatorului FET
Proiectare amplificator FET
Acum explorăm extensia analizei amplificatorului FET prezentată mai devreme în acest capitol la proiectarea amplificatoarelor FET. Vom încerca să definim necunoscute în problema de proiectare și apoi să dezvoltăm ecuații pentru rezolvarea acestor necunoscute. La fel ca în majoritatea modelelor electronice, numărul de ecuații va fi mai mic decât numărul de necunoscute. Constrângerile suplimentare sunt stabilite pentru a îndeplini anumite obiective generale (de exemplu, costul minim, variații mai mici în performanță datorită modificărilor parametrilor).
10.1 Amplificatorul CS
Procedura de proiectare a unui amplificator CS este prezentată în această secțiune. Vom reduce proiectarea amplificatorului JFET și a amplificatorului MOSFET la o procedură organizată. În timp ce acest lucru poate părea
reduce designul la un proces foarte obișnuit, trebuie să vă convingeți că înțelegeți originea fiecărui pas, deoarece pot fi necesare ulterior mai multe variante. Dacă tot ce faci pentru a proiecta un amplificator CS este să „conectezi” fără grijă la pașii pe care îi prezentăm, îți lipsește întregul punct al acestei discuții. Ca inginer, căutați să faceți lucruri care sunt nu rutină. Reducerea teoriei la o abordare organizată este ceea ce veți face. Nu veți aplica pur și simplu abordările pe care ceilalți le-au făcut deja pentru dvs.
Amplificatoarele sunt proiectate pentru a îndeplini cerințele de câștig, presupunând că specificațiile dorite se încadrează în domeniul tranzistorului. Tensiunea de alimentare, rezistența la sarcină, câștigul de tensiune și rezistența de intrare (sau câștigul de curent) sunt de obicei specificate. Sarcina proiectantului este de a selecta valorile rezistenței R1, R2, RD, și RS. Consultați Figura 40 pe măsură ce urmați pașii din procedură. Această procedură presupune că un dispozitiv a fost selectat și că caracteristicile acestuia sunt cunoscute.
Figura 40 JFET CS amplificator
Mai întâi, selectați un punct Q în regiunea de saturație a curbelor caracteristice FET. Consultați curbele din Figura 40 (b) pentru un exemplu. Aceasta identifică VDSQ, VGSQ, și IDQ.
Rezolvăm acum pentru cele două rezistențe din bucla de ieșire, RS și RD. Deoarece există două necunoscute, avem două ecuații independente. Începem prin a scrie dc KVL în jurul circuitului de scurgere-sursă,
(58)
Rezolvarea pentru suma celor două randamente rezistoare
(59)
(60)
Rezistenta, RD, este singurul necunoscut în această ecuație. Rezolvarea pentru RD conduce la o ecuație patratică având două soluții, una negativă și una pozitivă. Dacă rezultă soluția pozitivă RD > K1, ceea ce implică un negativ RS, trebuie să fie selectat un nou punct Q (de ex., reporniți designul). Dacă soluția pozitivă se obține RD < K1, putem continua.
Acum când RD este cunoscut, pentru care rezolvăm RS utilizând Ecuația (59), ecuația buclă-sursă.
(61)
cu RD și RS cunoscut, trebuie doar să găsim R1 și R2.
Începem prin rescrierea ecuației KVL pentru bucla sursă poarta.
(62)
Tensiunea, VGS, are o polaritate opusă VDD. Astfel, termenul IDQRS trebuie să fie mai mare decât VGSQ în magnitudine. In caz contrar, VGG va avea polaritatea opusă VDD, ceea ce nu este posibil conform Ecuației (62).
Acum rezolvăm R1 și R2 presupunând că VGG gasit are aceeași polaritate as VDD. Aceste valori ale rezistenței sunt selectate prin găsirea valorii RG din ecuația de câștig curent sau din rezistența la intrare. Am rezolvat pentru R1 și R2.
(63)
Să presupunem acum că Ecuația (62) are ca rezultat un a VGG care are polaritate opusă of VDD. Nu este posibilă rezolvarea R1 și R2. Modul practic de a proceda este de a lăsa VGG = 0 V. Astfel, 
. De cand VGG este specificat de Ecuația (62), valoarea calculată anterior RS acum trebuie modificat.
Figura 41 - CS amplificator
În figura 41, unde un condensator este utilizat pentru a trece o parte din RS, vom dezvolta noua valoare a RS după cum urmează:
(64)
Valoarea a RNDC is RS1 + RS2 și valoarea lui RSac is RS1.
Acum că avem un nou RNDC, trebuie să repetăm câțiva pași mai înainte de proiectare. Noi determinăm din nou RD folosind KVL pentru bucla de scurgere la sursă.
(65)
Problema designului devine acum una dintre cele două RS1 și RS2 în loc de a găsi un singur rezistor sursă.
Cu o nouă valoare pentru RD of K1 - RNDC, mergem la expresia câștigului de tensiune al Ecuației (60) cu RSac folosit pentru acest lucru ac mai degrabă decât ecuația RS. Următoarele etape suplimentare trebuie adăugate procedurii de proiectare:
Găsim RSac (care este pur și simplu RS1) din ecuația câștigului de tensiune
(66)
RSac este singurul necunoscut în această ecuație. Rezolvând pentru asta, găsim
(67)
Să presupunem că acum RSac se pare că este pozitivă, dar mai mică decât RNDC. Aceasta este condiția dorită de atunci
(68)
Apoi proiectarea noastră este completă și
(69)
Să presupunem că RSac se pare că este pozitivă, dar mai mare decât RNDC. Amplificatorul nu poate fi proiectat cu câștigul de tensiune și punctul Q selectat. Un nou punct Q trebuie selectat. Dacă câștigul de tensiune este prea mare, este posibil ca proiectarea să nu fie posibilă cu orice punct Q. Poate fi necesar un tranzistor diferit sau poate fi necesară utilizarea a două etape separate.
10.2 Amplificatorul de CD-uri
Prezentăm acum procedura de proiectare pentru amplificatorul CD JFET. Sunt specificate următoarele cantități: câștigul curent, rezistența la sarcină și VDD. Rezistența la intrare poate fi specificată în locul câștigului curent. Consultați circuitul din Figura 39 în timp ce studiați următoarea procedură. Încă o dată, vă reamintim că procesul de reducere a teoriei la un set de pași este partea importantă a acestei discuții - nu pașii efectivi.
Mai întâi selectați un punct Q în centrul curbelor caracteristice FET cu ajutorul figurii 20 („Capitolul 3: Tranzistor cu efect de câmp de joncțiune (JFET)”). Acest pas determină VDSQ, VGSQ, IDQ și gm.
Putem rezolva rezistența conectată la sursă scriind dc KVL în jurul circuitului de scurgere-sursă.
(70)
din care găsim dc Valoarea RS,
(71)
Apoi găsim ac valoarea rezistenței, RSac, din ecuația de câștig curent rearanjat, Equation (55).
(72)
Unde RG = Rin. Dacă rezistența de intrare nu este specificată, permiteți RSac = RNDC și calculați rezistența de intrare din Ecuația (72). Dacă rezistența la intrare nu este suficient de mare, poate fi necesar să modificați locația punctului Q.
If Rin este specificat, este necesar să se calculeze RSac din Ecuație (72). În astfel de cazuri, RSac este diferit de RNDC, așa că am ocolit o parte din RS cu un condensator.
Ne îndreptăm acum atenția asupra circuitelor de polarizare de intrare. Noi determinăm VGG folosind ecuația,
(73)
Nu se produce nicio inversare de fază într - un amplificator FET sursă și VGG are în mod normal aceeași polaritate cu tensiunea de alimentare.
Acum când VGG este cunoscut, determinăm valorile lui R1 și R2 din echivalentul Thevenin al circuitelor de polarizare
(74)
Există de obicei suficient curent de scurgere într-un SF pentru a dezvolta tensiunea de polaritate opusă necesară pentru a compensa tensiunile negative solicitate de poarta JFET. Prin urmare, poate fi utilizată biasingul normal al diviziunii de tensiune.
Figura 44 - Amplificator CD cu o parte din RS ocolit
Acum revenim la problema specificării rezistenței la intrare. Putem presupune că o parte din RS este bypassed, ca în Figura 44, ceea ce duce la valori diferite ale lui RSac și RNDC. Folosim Equation (71) pentru a rezolva problema RNDC. Apoi, l-am lăsat RG egal cu valoarea specificată de Rin, și folosiți Ecuația (72) pentru a rezolva problema RSac.
În cazul în care RSac calculată mai sus este mai mică decât RNDC, designul este realizat prin ocolire RS2 cu un condensator. Sa nu uiti asta RSac = RS1 și RNDC = RS1 + RS2. Dacă pe de altă parte, RSac este mai mare decât RNDC, punctul Q trebuie mutat într-o altă locație. Alegem un număr mai mic VDS provocând astfel o creștere a tensiunii care va fi scăzută RS1 + RS2, Ceea ce face RNDC mai mare. Dacă VDS nu poate fi redus suficient pentru a face RNDC mai mare decat RSac, atunci amplificatorul nu poate fi proiectat cu câștigul de curent dat, Rin, și tipul FET. Una dintre aceste trei specificații trebuie modificată sau trebuie utilizată oa doua treaptă a amplificatorului pentru a obține câștigul necesar.
10.3 Amplificatorul SF Bootstrap
Acum examinăm o variantă a amplificatorului CD cunoscut sub numele de SF (sau CD) bootstrap amplificator FET. Acest circuit este un caz special al SF numit circuit de bootstrap și este ilustrat în figura 45.
Aici părtinirea este dezvoltată pe o parte a rezistorului sursă. Aceasta reduce necesitatea unui by-pass de condensator pe o parte a rezistorului sursei și astfel atinge o rezistență de intrare mult mai mare decât poate fi atinsă în mod normal. Acest design ne permite să profităm de caracteristicile de înaltă impedanță ale FET fără a utiliza o valoare ridicată a rezistenței porții, RG.
Circuitul echivalent din Figura 46 este folosit pentru a evalua funcționarea circuitului
Figura 45 - Următoarea sursă de bootstrap
Presupunem asta iin este suficient de mic pentru a aproxima curentul din RS2 as i1. Tensiunea de ieșire este apoi descoperită ca fiind
(75)
Unde
(76)
Dacă presupunem iin nu este valid, este înlocuit cu expresia
(77)
O ecuație KVL la randamentele de intrare vin după cum urmează:
(78)
Curent, i1, se găsește dintr-o relație curenta-divider,
(79)
Combinând randamentele de ecuații (79) și (78)
(80)
O a doua ecuație pentru vin este dezvoltat în jurul buclă prin RG și RS2 după cum urmează.
(81)
Eliminăm vin prin stabilirea Ecuației (80) egală cu Ecuația (81) și rezolvând pentru iin pentru a obține
(82)
Rezistența la intrare, Rin = vin/iin, se găsește prin împărțirea Ecuației (81) prin Ecuația (82) cu rezultatul,
(83)
RG este singura necunoscuta in aceasta ecuatie, asa ca putem rezolva pentru a obtine,
(84)
Câștigul curent este
(85)
Acum putem folosi ecuațiile derivate mai devreme, împreună cu observația pe care o avem RS - RS2 = RS1 pentru a rezolva câștigul curent.
(86)
Cresterea tensiunii este
(87)
Rețineți că numitorul din Ecuație (84) este mai mare decât numărul de numerotare, indicând astfel RG <(Rin-RS2). Acest lucru dovedește că o rezistență mare la intrare poate fi obținută fără a avea aceeași ordine de mărime ca RG.
