Используя полевые транзисторы с p-n переходом (JFET) в необычных конфигурациях, можно разработать простые высокочастотные LC-генераторы с небольшим количеством пассивных компонентов. Усилительный каскад реализуется на основе JFET, включенного по схеме с общим стоком (Рисунок 1).
![]() | |
Рисунок 1. | Усилительный каскад реализуется на основе JFET, включенного по схеме с общим стоком. |
Когда JFET работает в области насыщения, ток стока ID равен:
где
IDSS – максимальный ток насыщения,
VGS – напряжение затвор-исток,
VP – напряжение отсечки.
Для моделирования JFET в этой области насыщения в режиме малого сигнала используются бесконечное входное сопротивление и источник тока, управляемый напряжением затвора. Малосигнальную крутизну транзистора определяет следующая формула:
Резистор RG соединяет затвор с землей. Его типичное сопротивление находится в диапазоне единиц мегаом, чтобы обеспечить необходимое высокое входное сопротивление усилителя. Резистор RS смещает рабочую точку транзистора. Его сопротивление рассчитывается следующим образом:
Чтобы завершить схему генератора, к каскаду усилителя необходимо добавить LC-резонансный контур (Рисунок 2); в результате получается генератор Колпитца. Резистор GS здесь становится ненужным, поскольку соединение затвора с землей обеспечивается индуктивностью резонансного LC-контура.
![]() | |
Рисунок 2. | Для завершения схемы генератора к каскаду усилителя необходимо добавить LC-резонансный контур; в результате получается генератор Колпитца. |
Анализируя схему с использованием критерия Баркгаузена (условие баланса амплитуд), можно найти выражение для частоты ее генерации fO:
Для генерации схемы конденсаторы должны удовлетворять следующему условию:
или, что эквивалентно, для коэффициента усиления по напряжению AV усилительного каскада, определяемого как VOUT(t)/VGS(t), должно выполняться неравенство:
где коэффициент усиления напряжения каскада с общим стоком равен:
откуда видно, что коэффициент усиления по напряжению всегда меньше единицы.
![]() | |
Рисунок 3. | На основе JFET можно сделать генератор Хартли. |
Точно так же на основе JFET можно разработать генератор Хартли (Рисунок 3). При моделировании и экспериментальной проверке генератора Колпитца использовался n-канальный JFET типа 2N3819. PSpice параметры транзистора были следующими: IDSS = 12 мА, VP = –3 В. Моделирование показывает, что при C1 = 50 нФ и C2 = 114 нФ коэффициент усиления схемы усилителя составляет 0.3064, а значит
и схема генерирует (Рисунок 4), что также видно из процесса запуска генератора. Коэффициент усиления также показывает, что емкости конденсаторов соответствуют условиям возникновения генерации:
![]() | |
Рисунок 4. | При C1 = 50 нФ и C2 = 114 нФ генератор запускается. |
Обратите внимание, что крутизна транзистора равна величине наклона кривой зависимости ID = f(VGS) в этой рабочей точке. В зависимости от положения рабочей точки фактическое значение крутизны будет больше или меньше. В соответствии с этим наклоном при запуске генерации кривая ID = f(VGS) ограничивает амплитуду выходного сигнала из-за уменьшения крутизны, когда VGS снижается до значений, близких к напряжению отсечки; в этой зоне кривой ее наклон и, следовательно, крутизна меньше. Таким образом, собственная нелинейность JFET ограничивает коэффициент усиления усилительного каскада, и никакой дополнительной схемы, стабилизирующей амплитуду выходного сигнала, не требуется.