Одна из наиболее распространенных схем каскада ОИ на полевом транзисторе с управляющим р-п- переходом представлена на рис.27. Такой каскад позволяет усиливать сигнал по напряжению в широком диапазоне частот и не требует дополнительного источника напряжения для создания требуемой разности потенциалов между затвором и истоком транзистора.
Начинаем с расчета по постоянному току. Целью такого расчета является определение величин сопротивлений, гальванически связанных с выводами транзистора. Эти сопротивления должны обеспечивать оптимальное согласование каскада с нагрузкой и состояние покоя транзистора, соответствующее выбранной рабочей точке. Выше, при выборе транзистора и определении положения его рабочей точки, мы нашли две точки на плоскости представления выходных ВАХ транзистора, определяющие положение нагрузочной прямой. Одна из этих точек лежит на оси напряжений U СИ и соответствует выбранному значению напряжения источника питания, Е пит. Другая точка находится на оси токов, I С, и соответствует величине I С00, определенной нами из условия согласования каскада с нагрузкой. С другой стороны (сопоставьте рис.22 и рис.27), I С00 имеет смысл постоянного тока, протекающего в цепи стока в отсутствие входного сигнала и при коротком замыкании выводов стока и истока (U СИ = 0). Из схемы (рис. 27) видно, что величина I С00 определяется равенством
I С.00 = Е пит /(R С + R И), (19)
где R С и R И сопротивления, через которые протекают постоянные и переменные составляющие тока стока (в случае полевого транзистора постоянные составляющие токов стока и истока практически равны).
В схеме ОИ, сопротивление R И служит только для обеспечения положения рабочей точки в том месте, которое было получено в результате графического построения (см. рис.22). В этой схеме оно обычно шунтируется большой электрической емкостью и его величина должна быть равной
. (20)
Величина сопротивления R С находится из равенства:
. (21)
В данной схеме сопротивление R 1 необходимо для обеспечения гальванической связи затвора транзистора с общим проводом схемы. Постоянной составляющей тока через это сопротивление нет, поскольку канал транзистора надежно изолирован от затвора обратно смещенным р-п- переходом. По этой причине величина сопротивления R 1 может быть достаточно большой (несколько МОм). Однако, при большой величине R 1 ухудшается термостабильность параметров схемы. С другой стороны, слишком малым это сопротивление не должно быть, поскольку оно будет шунтировать источник сигнала, вследствие чего коэффициент передачи сигнала уменьшится. Рекомендуемые значения R 1 следующие: для маломощных транзисторов – 100¸200 кОм, для транзисторов средней мощности – 30¸50 кОм, для мощных транзисторов – 10¸20 кОм.
Расчет по переменному току начинается с определения величин разделительных емкостей С 1 и С 2 и шунтирующей емкости С 3. Поскольку реактивное сопротивление электрических емкостей обратно пропорционально частоте сигнала (w), то на низких частотах на разделительных емкостях начинает падать заметная доля напряжения сигнала. При разработке любого усилителя частотный диапазон эффективного усиления сигнала задается техническим заданием, где определяется нижняя (w ниж) и верхняя (w верх) частоты этого диапазона. При этом для оценки оптимальной величины разделительных емкостей служат равенства:
, (22)
, (23)
где Z вх – комплексное входное сопротивление транзистора. На низких частотах междуэлектродными емкостями можно пренебречь. Кроме того, можно считать, что сопротивление R И достаточно хорошо зашунтировано емкостью С 3. Поэтому вместо приближенного равенства можно использовать
. (22а)
Чтобы исключить отрицательную обратную связь в каскаде и надежно зашунтировать сопротивление R И уже на частоте w ниж, необходимо выполнение приближенного равенства
. (24)
Далее производится расчет коэффициента усиления каскада. Для этого в схеме усилительного каскада (рис.27) транзистор замещается линейным четырехполюсником, заданным в Y-параметрах. Свойства этого четырехполюсника описываются линейными уравнениями, связывающими между собой входные и выходные напряжения и токи (U 1, U 2, I 1 и I 2).Система уравнений для полевого транзистора, рассматриваемого как четырехполюсник, может быть представлена в следующем виде:
,
. (25)
Физический смысл входящих в систему параметров определяется равенствами, найденными из системы (8) при предельных условиях.
, 
, 
, 
. (26)
Из вида равенств (26) следует, что 
представляет собой входную проводимость четырехполюсника, определенную при коротком замыкании на его выходе. Параметр 
является проводимостью обратной связи при холостом ходе на входе четырехполюсника, 
является для четырехполюсника проходной проводимостью, определенной при коротком замыкании на его выходе, а 
- выходной проводимостью четырехполюсника при холостом ходе на его входе.
Можно показать, что уравнения (25) соответствуют схеме, представленной на рис. 28.
Поскольку полевой транзистор может заменяться линейным четырехполюсником не во всем диапазоне изменений входных и выходных токов и напряжений, то его Y-параметры имеют смысл лишь в дифференциальной форме:
, 
,
, 
. (27)
В приближенных расчетах обычно пренебрегают влиянием параметра у 12, поскольку он имеет величину, близкую к нулю. На низких и средних частотах (где влияние междуэлектродных емкостей пренебрежимо мало) параметр у 11 также может быть исключен из рассмотрения. Поэтому часто используют упрощенную схему замещения полевого транзистора (схема ОИ), показанную на рис. 29. Она представляет собой четырехполюсник с бесконечно большим входным сопротивлением и бесконечно малой проводимостью обратной связи.
Заменив в схеме каскада ОИ (рис. 27) полевой транзистор его схемой замещения, примем во внимание дифференциальный характер параметров у 21 и у 22. Это значит, что постоянные составляющие токов и напряжений в схеме каскада должны быть приравнены к нулю. Источники постоянного напряжения должны быть закорочены, а ветви схемы, содержащие источники постоянного тока, должны быть разомкнуты. Источник тока в схеме замещения следует рассматривать как источником переменного тока. Таким образом, в расчетах по переменному току схема каскада ОИ будет иметь вид, показанный на рис. 28. Для простоты на этой схеме не учтено внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Параметр транзистора у 21 зависит от частоты. Его величина резко уменьшается по мере приближения к граничной частоте усиления транзистора. Реактивные сопротивления емкостей С 1, С 2 и С 3 также зависят от частоты сигнала. На самой нижней частоте рабочего частотного диапазона каскада они могут повлиять на его коэффициент усиления. Но на более высоких частотах это влияние очень мало. Поэтому мы можем считать, что на этих частотах их сопротивление равно нулю.
Для примера мы рассмотрим порядок расчета каскада на средних частотах усиливаемого сигнала. Учитывая сказанное выше, эквивалентную схему каскада ОИ мы представим так, как это показано на рис.29.
Целью нашего упрощенного расчета является определение коэффициента усиления каскакда по переменному току, KU = u вых / u вх. Очевидно, что выходным напряжением каскада является напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки вследствие протекающего через него переменного тока. Из схемы (рис. 29) видно, что это напряжение соответствует также падению напряжения на сопротивлении R С и переменной составляющей напряжения U КЭ (т.е., u КЭ). Поскольку, вследствие шунтирующего влияния емкости С 3, переменная составляющая потенциала истока равна нулю (потенциалы отсчитываем от общего провода), то ток генератора тока i будет равен у 21× u ЗИ. На средних частотах параметр у 21 приблизительно равен S 0 (величине крутизны статической стоко-затворной характеристики используемого полевого транзистора). Переменная составляющая напряжения U ЗИ равна входному напряжению u вх. Из равенств
и 
находим
,
откуда получим
. (28)
Расчет величин пассивных элементов и коэффициента усиления схемы ОC. Одна из возможных схем каскада усиления ОС представлена на рис.30. Такая схема используется очень редко, поскольку обеспечивает лишь усиление сигнала по току. Его использование приобретает смысл только на высоких частотах, где межэлектродные емкости полевого транзистора начинают играть значительную роль.
Как и выше, начинаем с расчета по постоянному току. Будем искать величины сопротивлений, гальванически связанных с выводами транзистора и обеспечивающих оптимальное согласование каскада с нагрузкой и состояние покоя транзистора в выбранной рабочей точке. Используем две величины, определенные при выборе рабочей точки - Е пит и I С00. Из схемы (рис. 30) видно, что величина I С00 определяется равенством
I С.00 = Е пит / R И. (29)
В схеме ОС сопротивление R И служит (совместно с разделительной емкостью С 3) для выделения усиленного переменного сигнала. В то же время оно влияет на положение рабочей точки. Обеспечение оптимального согласования с нагрузкой является главным требованием к этому сопротивлению. Исходя из опыта, величину этого сопротивления выбирают согласно приближенному равенству:
R И » (1,5¸2) R Н. (30)
Поскольку падение напряжения на сопротивлении R И, I С(РТ) R И, оказывается намного больше напряжения между затвором в рабочей точке, необходимо поднять потенциал затвора относительно потенциала общего провода так, чтобы в отсутствие входного сигнала состояние транзистора соответствовало выбранной рабочей точке. Для этого в схеме предусмотрен делитель напряжения, построенный на сопротивлениях R 1 и R 2. Величина указанных сопротивлений выбирается исходя из следующего равенства:
. (31)
Очевидно, что равенство (31) позволяет лишь определение относительных величин сопротивлений R 1 и R 2 (т.е., позволяет определить отношение R 2 /R 1):
. (32)
Значение сопротивления R 1 выбирается согласно рекомендации - для маломощных транзисторов – 200¸500 кОм, для транзисторов средней мощности – 50¸200 кОм, для мощных транзисторов – 30¸50 кОм. По выбранному значению R 1 из определенной выше величины отношения R 2 /R 1 находится R 2 .
Расчет по переменному току начинается с определения величин разделительных емкостей С 1 и С 2. Для оценки оптимальной величины разделительных емкостей служат равенства (22а) и (23) (см. выше). Здесь (как и при расчете схемы ОИ) мы пренебрежем, на низких частотах сигнала, междуэлектродными емкостями транзистора.
Далее начнем расчет коэффициента усиления каскада по напряжению. Для этого в схеме усилительного каскада (рис. 30) транзистор замещается линейным четырехполюсником, заданным в Y-параметрах. Внутреннее содержание этого четырехполюсника показано на рис. 29). В результате такого замещения получаем следующую схему (рис. 31).
Для простоты на этой схеме не учтено внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Напомним, что параметр транзистора у 21 и реактивные сопротивления емкостей С 1 и С 2 зависят от частоты сигнала. На самой нижней частоте рабочего частотного диапазона на усилительные свойства каскада могут повлиять емкости, а на высших частотах – резкое падение величины у 21.
Напоминаем, что мы рассматриваем порядок расчета каскада на средних частотах усиливаемого сигнала. В этом случае величина у 21 еще остается близкой к статическому значению S 0, а реактивные сопротивления емкостей оказываются близкими к нулю. Учитывая сказанное выше, эквивалентную схему каскада ОС мы представим так, как это показано на рис. 32. Отличия от соответствующей для схемы ОИ картины, представленной на рис. 29, состоят в следующем. В данном случае с общим проводом оказался соединенным сток, а не исток. Поэтому фазу генератора тока мы изменили на 1800 (т.е., поставили знак «-» перед произведением S 0× u ЗИ). Кроме того, параллельно источнику входного сигнала оказалось включенным сопротивление R 12 (вместо R 1), которое соответствует параллельно включенным сопротивлениям R 1 и R 2.
Итак, мы ищем величину коэффициента усиления каскакда по переменному току, KU = u вых / u вх. Отметим, что выходным напряжением каскада является напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки вследствие протекающего через него переменного тока. Из схемы (рис. 32) видно, что это напряжение соответствует также падению напряжения на сопротивлении R И и переменной составляющей напряжения U КЭ (т.е., u КЭ). Но здесь величина тока i оказывается выраженной не через величину входного напряжения, поэтому мы вместо u ЗИ должны подставить значение этого напряжения, выраженное через u вх. Поскольку на средних частотах параметр у 21 » S 0 (т.е. практически остается действительной величиной), мы можем не рассматривать пренебрежимо малого сдвига фазы сигнала в транзисторе. Поэтому используем равенство u ЗИ = u вх - u вых. Учитывая это, из равенств
и 
находим
,
откуда получим
, (33)
где
(34)
- является величиной, определенной выше (см. выражение (28)) как коэффициент усиления по напряжению для каскада ОИ. Отсутствие в формуле (34) величин сопротивлений R 1 и R 2 (и, по этой причине, полное тождество выражений (28) и (34)) связано с тем, что мы пренебрегли внутренним сопротивлением источника входного сигнала.
Результат (33) говорит о том, что коэффициент усиления по напряжению у каскада ОС меньше единицы.