3.6.5. Каскодное токовое зеркало

Поскольку абсолютные значения стандартных порогов транзисторов в милливольтах для практически любой разновидности КМОП технологии численно как минимум более, чем в 5 раз больше толщины окисла в ангстремах.

Этот факт позволил появиться удачной схеме так называемого «каскодного токового зеркала», обеспечивающей весьма точную пропорциональность токов при относительно небольшом напряжении на каскодной сборке источника тока (см. рис. 3.26).

Рис. 3.26 . Каскодное токовое зеркало

Необходимо лишь обеспечить неравенство, необходимое для обеспечения пологого режима работы транзисторов каскодного источника тока. Имея в виду равенство , можно написать:

. (3.89)

Оценим напряжения сток – исток транзисторов и. Предположим, что (1), (2)и (3).

В этом случае допустимо и, и транзисторыизаведомо и с запасом находятся в пологом режиме.

3.6.6. Самосмещаемое каскодное токовое зеркало

Используя резистор, можно создать самосмещаемоекаскодное токовое зеркало без специальной ветви формирования смещения на затвор каскодного транзистора (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Самосмещаемое каскодное

токовое зеркало

Необходимый сдвиг потенциала затворов каскодных транзисторов М2 и М4 (потенциал узла А) относительно потенциала затворов транзисторов М1a и М3a (потенциал узла В) производится напряжением на дополнительном резисторе .

Метод аналитического расчета номинала резистора является достаточно простым и может предлагаться в качестве упражнения.

В связи с различием температурных коэффициентов изменения подвижности в резисторе и транзисторах, этот эффект необходимо учитывать при проектировании схемы токового зеркала.

3.7. Концепция активного каскодного транзистора (материал для дополнительного изучения подготовленными студентами с использованием периодической литературы)

Приведем пример того, как добавление дополнительного усилителя с коэффициентом усиленияв нужном месте базового каскодного усилителя позволяет враз увеличить коэффициент усиления всего усилителя. Для простоты предположим, что во всем, кроме ограниченности коэффициента усиления, дополнительный усилитель является идеальным.

На рис. 3.28 приведена схема базового каскодного усилителя с активным каскодным транзистором.

Рис. 3.28. Базовый каскодный усилитель с активным каскодным транзистором.

Малый переменный ток, текущий в канале N2, равен:

(3.90)

Итак, результат эквивалентен увеличению крутизны N2 в раз, поэтому максимальный коэффициент усиленияусилителя также увеличивается враз:

. (3.91)

В действительности дополнительный усилитель является идеальным не, а однокаскадным усилителем с высоким выходным сопротивлением и передаточной функцией приблизительно первого порядка. Другими словами, если дополнительный усилитель является простейшим, и даже не каскодным, передаточная функция дополнительного усилителя имеет, во-первых, третий порядок и, во-вторых, содержит предпосылки к относительно медленному переходному процессу после подачи на вход большого сигнала.

На рис. 3.29 приведена простейшая базовая реализация усилителя с активным каскодным транзистором.

Рис. 3.29. Простейшая

реализация каскодного

усилителя с активным

каскодным транзистором

и дополнительным усили-

телем с передаточной

функцией первого порядка.

- паразитная емкость

узла А;

- паразитная емкость

узла В.

Не проводя громоздкий анализ частотных характеристик, можно показать, что в электрической схеме усилителя на рис. 3.29:

– выходной узел out имеет большое выходное сопротивление , поэтому он определяет свойства основного полюса;

– узел А в истоке транзистора M2 сам по себе имеет небольшое сопротивление, меньшее величины(при учете выходной емкости, играющей роль виртуального источника питания) однако, поскольку исток транзистораM2 действует на его затвор через инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления , то эффективное выходное сопротивление в узле А оценивается как. В результате узел А ответственен занеосновной полюс ;

– узел В в истоке транзистора M3 сам по себе имеет высокое выходное сопротивление, равное , однако он по переменному току соединен со стоком транзистораM3 через истоковый повторитель на транзисторе M2, поэтому по переменному току имеет низкое выходное сопротивление. В результате узел В также отвечает за неосновной полюс.

Можно показать, что коэффициент усиления усилителя приблизительно (при условии) равен

. (3.92)

Кратко рассмотрим поведение усилителя как линейной системы во времени. Известно, что линейной системе с передаточной функцией

(3.93)

(здесь параметры а, в, с и d могут быть как действительными, так и комплексными) соответствует экспоненциальный отклик во времени типа

(3.94)

Здесь: ;;(3.95)

Из (3.93) – (3.95) следует, что наряду с основным откликом во времени, определяемом частотой по уровню – 3 дБ в схеме включения с отрицательной обратной связью существуют дополнительные паразитные отклики с постоянными времени, определяемыми частотами неосновных полюсов и амплитудами, определяемыми разностями частот нуля и полюсов.

В реальных разработках каскодных транзисторов с очень высоким коэффициентом усиления и одновременно высоким быстродействием в режиме большого входного сигнала используют каскодные дополнительные усилители. Результирующая передаточная функция полного усилителя чрезвычайно сложна, поэтому поиск оптимального соотношения между значениями параметров компонентов производят методом оптимизации на компьютере.