3.6.3. Диапазон изменения выходного напряжения

Как следует из материала, изложенного выше, максимальный коэффициент усиления каскодного усилителя реализуется при работе каждого транзистора только в пологом режиме. Однако МДП транзистор работает в пологом режиме только при таком напряжении сток – исток , которое больше превышения над порогом, т.е. При работетолько в режиме малого сигнала , однако для адекватной работы в режимебольшого сигнала необходимо выполнять условие (см ниже).

Для каскодной пары транзисторов М1 и М2 потенциал истока транзистораМ2 является потенциалом стока транзистора М1 и определяется напряжением на затворе транзистора М2 (см. выражение 3.60а)). Потенциал же стока транзистораМ2 является потенциалом выхода усилителя, и потенциал может значительно изменяться в зависимости от переменной составляющейвходного сигнала, однако в любом случае напряжение сток-истоктранзистораN2 должно быть не меньше . Изменение потенциала истокатранзистораМ2 меньше в раз.

Для усилителя рис. 3.23 очевидно, что диапазон изменения выходного напряжения в режиме большого сигнала равен (потенциалпо умолчанию равен нулю)

(3.86а)

Если при одинаковых длинах затворов n-канальных и р-канальных транзисторов ширины р – транзисторов выбрать в раз больше, то превышения над порогамии, следовательно, напряжения сток-исток для всех транзисторов в пологой области могут быть одинаковыми. Размах выходного напряжения в этом случае представляется в виде:

(3.86b)

Как видно из (3.86 а,b) величина тем ближе к, т.е. к максимально возможной величине, чем меньше превышение над порогом. Однако, уменьшениевлечет:

(1) уменьшение полосы усиливаемых частот (уменьшается частота единичного усиления);

(2) уменьшение точности задаваемой пропорциональности токов в токовом зеркале, так как величина становится сравнимой с величиной случайного разброса значений пороговых напряжений транзисторов в составе токового зеркала.

3.6.4. Схемы формирования постоянного смещения на затворе каскодного транзистора.

Рис. 3.24. Формирователь постоянного

смещения на затвор каскодного

транзистора.

Простейший каскодный усилитель совместно с базовой схемой формирователя смещения на затворе каскодного транзистора изображен на рис. 3.24. Согласно правилам конструирования токового зеркала, длины затворов транзисторов М2 и М3 должны быть одинаковы, т.е. а их ширины должны соотноситься в соответствии с отношением их токов, т.е.и, соответственно,.

Напряжение на резисторедолжно быть одинаковым с напряжением сток-исток транзистораМ1, т.е. .

Легко убедиться в том, что ввиду равенства потенциалов затворов в М3 и М2, потенциалы ипри этом должны быть одинаковы.

Действительно:

. (3.87)

Схема на рис. 3.24 красива и проста, однако различие в температурных коэффициентах изменения подвижности в резисторе и транзисторах может привести к различию потенциаловипосле изменении температуры. В связи с этим распространены схемы формирователей, в которых резистор заменен на транзистор в крутой области ВАХ. В последнем случае температурные коэффициенты изменения подвижности носителей в транзисторах с «крутой» и «пологой» ВАХ почти одинаковы.

На рис. 3.25 изображен формирователь смещения на затвор каскодного транзистора без использования резистора.

Рис. 3.25. Формирователь смещения на затвор каскодного транзистора с использованием транзистора в крутой области ВАХ.

При включенных последовательно транзисторах с объединенными затворами, соединенными со стоком одного из транзисторов, тот из них, сток которого подключен к истоку другого (именно так, как на рис. 3.25), всегда находится в крутой области ВАХ. Причина заключается в следующем.

Если в качестве примера обратиться к рис. 3.25, то, очевидно, для того, чтобы транзистор М4 был в крутой области ВАХ, напряжение сток-исток должно быть меньше превышения над порогом, т.е. должно быть

. (3.88а)

С другой стороны для транзистора М3, находящегося в пологой области ВАХ, справедливо соотношение (3.88b)

Из сравнения выражений (3.88а) и (3.88b) делаем вывод, что для того, чтобы транзистор М4 был в крутой области ВАХ, необходимо, чтобы выполнялось неравенство или, окончательно,

(3.88с)

Очевидно, что неравенство (3.88с) всегда выполняется, поскольку, согласно выражению (3.60b) для порогового напряжения транзистора с отличающимся от нуля напряжениеммежду истоком и подложкой, порогтранзистораМ3 с напряжением между истоком и подложкойвсегда больше порога транзистораМ4, исток которого соединен с подложкой.

Неравенство (3.88с) усиливает также отличающееся от нуля превышение над порогом транзистораМ3.

Метод аналитического расчета размеров транзистора М4 (т.е. значений и) в рамках моделиLevel1 при условии нахождения М3 в пологой, а М4 – в крутой области ВАХ, является достаточно простым и может предлагаться в качестве упражнения.