3.1.6. Расчет выходного сопротивления

Параметр «выходное сопротивление» определяет коэффициент усиления усилительного каскада и частоту полюса и поэтому является одним из важнейших параметром для любых усилителей. Поскольку он является малосигнальным параметром, то все эквивалентные схемы для его расчета являются линейными. По умолчанию подразумевается, что выходное сопротивление является активным и НЕ включает в себя реактивных компонентов.

По определению выходное сопротивление активных схем рассчитывается при условии протекания в них стационарных режимных токов и поддержании в узлах стационарных потенциалов. В этих условиях наиболее приемлемый метод определения выходного сопротивления вi-м узле схемы подразумевает:

(D) удаление из схемного узла реактивных компонентов;

(E) удаление всех переменных входных сигналов, т.е. подключение всех входов схемы к источникам напряжения с номиналами, равными режимным потенциалами в этих узлах;

(F) подключение к этому узлу малого пробного источника тока , много меньшего режимного тока, протекающего в этом узле (условиененарушения стационарного состояния, бывшего ДО подключения этого источника тока);

(G) измерения величины изменения потенциала в узле;

(H) вычисления отношения , которое определяется как:

(3.34)

При осуществлении пункта (Б) предполагается, что наличие входных переменных сигналов как минимум усложняет (в большинстве случаев – чрезмерно) расчет изменения потенциала в узле. В экспериментальных условиях наличие входных переменных сигналов просто мешает как обнаружению факта измененияпотенциала в узле, так и измерению его с необходимой точностью.

Эквивалентная малосигнальная схема для расчета выходного сопротивления в простейшем усилителе получается из схемы на рис. 3.7b после выполнения условий (D) и (E), т.е. удалении источника переменного тока и конденсатора. В результате вся эквивалентная схема состоит из одного резистора, и выходное сопротивление тождественно равно ему, подтверждая правильность названия «» эквивалентного сопротивления в выражении (3.12).

3.1.7. Элементарный анализ величины входной емкости. Емкость Миллера

Выше МДП транзистор рассматривался только как совокупность двух источников тока (источника постоянного режимного тока и источника переменного тока) и активного резистора между стоком и истоком в пологой области. С целью упрощения первоначального анализа рассматриваемых вопросов, не рассматривались присущие транзистору внутренние емкости. Дальнейший анализ требует их учета.

Рассмотрим влияние на входную емкость простейшего инвертирующего усилителя двух емкостей входного транзистора, а, именно, его емкости затвор-исток и емкости затвор-сток(см. рис. 3.10).

Рис. 3.10. Иллюстрация к анализу величины входной емкости инвертирующего усилительного каскада.

Мерой любой емкости по определению является заряд, поступивший в конденсатор при приложении к нему напряжения, т.е.. Для установившегося синусоидального напряженияможно записать упрощенное выражение:.

Конденсаторы ивходят в состав входной емкости усилителя. Особенности процесса перезарядки конденсаторов влияют на заряды в обкладках. У конденсатораодна из обкладок по переменному току заземлена, поэтому зарядна этом конденсаторе выражается просто как

(3.35а)

Следует отметить, что емкостью затвор-исток считается не только емкость непосредственного перекрытия истока затвором на расстояниеLD. В состав в пологом режиме входит болееемкости активного канала относительно затвора (см. главуII). В оценочных расчетах целесообразно в состав вводитьвсю емкость активного канала относительно затвора и даже всю емкость затвора, поскольку в подавляющем большинстве случаев это является наихудшим случаем. Согласно этим замечаниям, выражение для запишем в виде:

(3.35b)

У конденсатора , находящегося в цепи обратной связиинвертирующего усилителя, обе обкладки соединены с узлами, имеющими переменные потенциалы. Учитывая, что , где– коэффициент усиления, имеем:

(3.36)

Выражение (3.36) указывает на эффективное увеличение емкости затвор – сток как элемента обратной связи в составе инвертирующего усилителя в режиме малого сигнала. Этот эффект называют эффектом Миллера, а емкость обратной связи между входом и инвертирующим выходом усилителя называют емкостью Миллера.

В большинстве случаев с достаточной точностью под емкостью затвор-сток можно принимать только емкость непосредственного перекрытия стока затвором на расстояниеLD, т.е

(3.37)

Суммарная входная емкость инвертирующего усилителя с емкостьюобратной связи определяется выражением:

(3.38)

Как видно из (3.38), для достижения наибольшей скорости перезарядки входной емкости инвертирующего усилителя необходимо (1) уменьшать емкость обратной связи и (2) уменьшать коэффициент передачи от входа усилителя, к которому подключена первая обкладка емкости обратной связи, к узлу подключения второй обкладки.