3.6.2. Роль емкости в выходном узле каскодного усилителя.

Диапазон изменения напряжения на выходе каскодного усилителя

Следует отметить, что выражение (3.80) представляет замечательный результат. Из него следует, что в узле А истока каскодного транзистора выходное сопротивление идентично сопротивлению на выходе истокового повторителя, несмотря на то, что в истоковом повторителе сток транзистора непосредственно присоединен к источнику напряжения, а в каскодном усилителе

– посредством источника тока. В последнем случае ток, втекающий в каскодный транзистор должен быть постоянным и не зависеть от сигнала, что при идеальной токовой нагрузке предполагает бесконечное сопротивление в узле А.

Проведем прямой расчет выходного сопротивления в узле А используемым ранее методом, предполагаемым исключение всех реактивных элементов. Нагрузочный элемент, в целях общности, является не идеальным источником тока, а обычно используемой каскодной сборкой транзисторов противоположного типа с ограниченным, хотя и высоким значением дифференциального сопротивления . Соответствующие электрическая схема каскодного усилителя с общим истоком и эквивалентная малосигнальная схема расчета выходного сопротивления в узле А приведены на рис. 3.23.

Рис. 3.23. (а) базовый каскодный усилитель с общим истоком; (b) эквивалентная схема базового каскодного усилителя с резистором в нагрузке для расчета выходного сопротивленияв узле А. Все реактивные элементы исключены.

Система уравнений Кирхгофа:

(3.84а)

(3.84b)

Из (3.84) получаем выражение для низкочастотного активного выходного сопротивления узла А:

(3.85а)

При стандартном условии выражение (3.85а) упрощается:

(3.85b)

Нагрузка обычно представляет собой каскодную пару РМДП транзисторов с параметрами, близкими к параметрам NМДП транзисторов М1 и М2, т.е. . Исходя из этого можно оценить:

(3.85с)

Итак, для эквивалентной схемы на рис. 3.23b значение низкочастотного активного выходного сопротивления в узле А получаетсянежелательно высоким.

Если уменьшить хотя бы до значения, то тогда, что еще допустимо, но при этом коэффициент усиления будет ниже враз, т.е. потеряет смысл добавление каскодного транзистора. Физически большое выходное сопротивление в истокеМ2 получено из—за ограничения резистором пределов изменения токав стоке транзистора М2.

Спасением ситуации служит добавление к выходному узлу нагрузочной емкости , которая является накопителем заряда и которая поставляет этот заряд в каналМ2 при необходимости изменения в нем тока. Иначе говоря, конденсатор , являясь источником заряда, фактически служит виртуальным источником питания на достаточно больших частотах, когда за период колебаний заряд и потенциал на конденсатореизменяются незначительно. Последнее же как раз и является формальным признаком того, что узел подключен к источнику питания т.е. к «земле» для малого переменного сигнала большой частоты.

Выполнение конденсатором роли виртуального источника питаниятолько на высоких частотах является вполне достаточным, поскольку опасность нежелательных фазовых сдвигов появляется именно на больших частотах, сравнимых с частотой .

Искусственно вводить емкость также не требуется, поскольку каскодный усилительвсегда работает на какую-нибудь емкостную нагрузку, что внутренне присуще КМДП ИС.

В дополнение к представленным выше замечательным качествам, каскодный усилитель имеет (вероятно, для равновесия) не менее значимое отрицательное качество, а, именно, уменьшенный диапазон изменения выходного напряжения в сравнении с НЕкаскодным усилителем.