3. Базовые элементы кмдп операционных усилителей

3.1. Простейший усилитель напряжения с общим истоком

Опыт исторического развития электронной техники выявил, что наиболее удачным типом активного элемента (электронной лампы, транзистора) является управляемый напряжением источник тока (см. описание компонентов в главе 2).

Простейший транзисторный усилитель напряжения на базе n-канального МДП транзистора с общим истоком (исток входного n-канального МДП транзистора непосредственно соединен с отрицательным источником напряжения) изображен на рис. 3.1. Соответствующие вольтамперные характеристики (ВАХ) изображены на рис. 3.2.

Потенциал на входе усилителя равен сумме постоянной (режимной) составляющей, определяющей режимный ток в усилителе и переменной (сигнальной) составляющей, т.е.

. (3.1а)

Ток в нагрузке также является суммой постоянной и переменной составляющих:. (3.1б)

Очевидно, что при линейной характеристике усиления и шумоподобном входном сигнале, т.е. при нулевом среднем значении параметра , среднее значение переменной составляющей выходного напряжениятакже равно нулю, идля достижения наибольшего диапазона выходного сигнала, потенциал на выходе (т.е. «рабочая точка») в отсутствиепеременного входного сигнала должен быть близким к . Для простейшего усилителя это достигается соответствующими значениямипостоянных составляющих и, соответственно,и.

Потенциал верхнего вывода резистора постоянен и равен напряжению положительного питания , поэтому увеличение абсолютного значения вследствие увеличения тока , генерируемого в транзисторе, происходит в сторону отрицательного питания .Посколькуувеличение в простейшем транзисторном усилителе приводит к уменьшению выходного напряжения то усиление в нем всегда происходитс инверсией фазы, т.е. со сдвигом ее на 180⁰. Иллюстрация последнего тезиса приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2: Вольтамперные характеристики транзистора и нагрузочного резистора

Переменное напряжение на нагрузочном резисторе равно, очевидно, произведению. Коэффициент усилениясигнала по напряжению естественно определить как отношение переменного напряженияна резисторе к входному, т.е., однако, вследствие нелинейности вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, значениебудет зависеть от величины. Из курса математики известно, что при достаточно малом (строго говоря, при бесконечно малом) изменении аргумента нелинейной функции (в нашем случае аргументом является), можно считать, чтоизменение функции происходит по линейному закону (в нашем случае точность этого утверждения тем больше, чем меньше значение ). Проиллюстрируем это положение для МДП транзистора с квадратичной характеристикой.

Как известно, в большинстве случаев ток стока в интегральном МДП транзисторе (МДПТ) изменяют изменением напряжения между затвором и истоком. Влиянием подложки, как второго затвора, обычно пренебрегают. Напряжениеестьпеременная составляющая напряжения между затвором и истоком.

В КМДП аналоговых интегральных схемах ток МДПТ может изменяться подачей изменяющихся потенциалов либо на затвор , либо на исток, либо на оба управляющих электрода. Пусть на идеальный МДПТ с горизонтальной ВАХ в пологой области с пороговым напряжениемк постоянным режимным напряжениям на затвореи на истокедобавляются переменные сигналы соответственнои ,. В этом случае токв транзисторе и, соответственно, токв нагрузочном резисторе определяются выражением:

(3.2а)

В правой части выражения (3.2а) для тока транзистора выделяются три слагаемых. Первое слагаемое зависит только от постоянных составляющих потенциалов на управляющих электродах, поэтому оно называется постоянной составляющей тока . Соответственно второе и третье слагаемые составляютпеременную составляющую тока (отмечаем, что выражениеявляетсякрутизной по затвору МДП транзистора, а выражение естьпревышение над порогом).

Пусть переменные составляющие ималы по сравнению с. При этом условии выражение (3.2а) упрощается:

(3.2b)

Итак, при (бесконечно) малом переменном сигнале имеем линейную зависимость переменного тока в нагрузке от входного сигнала, т.е. в этом случае усилитель даже в отсутствие каких-либо дополнительных мер (например, отрицательной обратной связи) является линейной системой, и выражение для коэффициента усиления сигнала записывается в виде:

(3.4)

Отметим, что в реальности преимущественный режим усилителей сигнала – это режим малого входного сигнала.