Основы схемотехники / magisterLec4

Формирователь смещения на затвор каскадного транзистора без использования резистора.

Рис. 4-1: Формирователь смещения без использования резистора.

Пусть режимные токи в усилителе и в формирователе одинаковы и равны I_0. В этом случае пусть N1=N2=N3. Выбором параметра _N4 необходимо добиться равенства V_B=V_A.

Имеем: I_N4 I₀ = C₀μ_N4 (1)

Также: V⁼_B = V⁼_A = m(V⁼_ВХ – V_TO) (2)

V⁼_C V_{ЗАТВ.(N2)} = V⁼_A + VTH_(N2;N3) {порог с учетом смещения V_B подложки} +

{= (V⁼_ВХ – V_TO)} (3)

Подставляем в (1) выражения (2) для V_B и (3) для V_C и получаем _N4.

Чувствительность формирователя на Рис. 4-1 к наводкам от V_ВЫХ меньше чем для схемы с резистором. Наводка _ВЫХ на узел С изменяет потенциал затвора N₄, в результате чего потенциал узла В изменяется в сторону, противоположную измерения потенциала узла С. Эффект иллюстрируется системой уравнений (для достаточно малого тока смещения _СМ через емкость С_3С(N2), при котором крутизну N3 можно считать постоянной):

(1) _см = С_3С(N2) здесь не учитывается паразитная емкость узла В

(2) _см = C₀μ_N4

Достоинство схемы формирователя без резисторов — также в уменьшении опасности (по сравнению с вариантом с резистором) перехода N₁ в крутую область при изменении температуры T вследствие одинаковости зависимости от нее подвижности во всех транзисторах.

Итак, величина V⁼_A = m(V⁼_ВХ – V_TO) выбирается исходя из следующих паразитных эффектов:

— комплексного воздействия V_ВЫХ усилителя как на узел С, так и непосредственно на узел В;

— разности порогов VTH транзисторов N2 и N3 вследствие естественного разброса параметров слоев;

— температуры.

Анализ передаточной ф—ции каскадного усилителя. Роль емкости в выходном узле:

Базовый каскадный усилитель, приведенный на рис. 4—1 является составной частью большинства ОУ. Основной плюс ОУ, разумеется, определяется большим выходным сопротивлением каскадного усилителя (в качестве нагрузки — также каскадная сборка). Ожидается, что в остальных узлах вых. сопротивл. будет небольшим, тем более, что это сопротивление в истоке транзистора, где, подобно истоковому повторителю, вых. сопрот. ожидается порядка . Проверим это.

Рис. 4—6: схема базового каскадного усилителя с резистором R_H в нагрузке.

Проведем расчет выходного сопротивления R_ВЫХ-А узла А.

Рис. 4—7: Эквив. схема для расчета R_ВЫХ-А:

Име-

ем схе-

му

уравнений:

(1) ;

(2) R_ВЫХ-А =

(где(g₂R₂)>>1) .

Как уже упоминалось выше, нагрузка представляет собой каскадную пару транзисторов с параметрами, близкими к N1 и N2, т.е. R_H = R₂(g₂R₁).

Тогда R_ВЫХ-А = — высокое сопротивление!!!

Если R_Н уменьшить до хотя бы R₂, то тогда R_ВЫХ-А — еще допустимо, но при этом к—нт усиления будет ниже в (g₂R₂) раз, т.е. потеряет смысл добавление каскадного транзистора.

Физически большое выходное сопротивление в истоке N2 получено из—за ограничения резистором нагрузки в стоке N2 тока, требуемого для протекания в N2 из-за изменения V_A.

Спасением ситуации служит добавление к выходному узлу нагрузочной емкости C_H, которая является накопителем заряда и которая поставляет этот заряд в канал N2 для протекания в нем тока. Иначе говоря, C_H служит виртуальным источником питания на достаточно больших частотах, когда за период колебаний C_H не успевает сильно разрядиться (зарядиться), и потенциал на C_H остается приблизительно постоянным. Последнее как раз является формальным признаком того, что узел подключен к источнику питания т.е. к нулю для малого переменного сигнала большой частоты.

Кстати, требование достаточно высокой частоты не является искусственным. Вспомним, что опасность фазовых сдвигов появляется именно на больших частотах, т.е. именно на больших частотах необходимо иметь низкие сопротивления во всех узлах, кроме одного.

Далее искусственно добавлять C_H также не требуется, поскольку каскадный усилитель всегда работает на какую—нибудь емкостную (!!!) нагрузку, что присуще КМОП ИС.

Итак, добавим к усилителю на рис. 4—10 нагрузочную емкость C_H в выходной узел, а в узел А добавим паразитную емкость C_А (см. рис. 4—12). Найдем передаточную функцию такого усилителя, а также полюса этой функции. Значения сопротивления в этих полюсах будут определять как бы эффективные выходные сопротивления в узлах на высоких частотах малого сигнала. Величину же сопротивления нагрузки R_H предположим бесконечно большой, что лишь оттенит эффект от полезной роли C_H.

Рис. 4—8: базовый каскадный усилитель с емкостью нагрузки C_H и паразитной емкостью C_А узла А.

Рис. 4—9: эквивалентная схема для расчета передаточной функции базового каскад-

ного усили-

теля.

Имеем систему уравне-

ний:

(1) Ø

(2)

Получаем:

(ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФОРМУЛЫ СМОТРИ НА ДОСКЕ )

= здесь (g₁R₁)(g₂R₂) — максимальный к—нт усиления при ω<ω₁. Обозначим (g₁R₁)(g₂R₂) = K_0.

Мы не без основания ожидаем, что один полюс (основной) оценивается величиной

, где R₂(g₂R₁) — выходное сопротивление выходного узла. Другой полюс (неосновной) оценим как , где — есть выходное сопротивление узла А. Отношение полюсов .

Как правило, С_Н>>С_А, поскольку С_А — всего лишь паразитная емкость в истоке N2, (см. ниже), а

С_Н достаточно велика. К тому же (g₂R₁)>>1, так что >>>1.

Имея это виду, запишем . Итак, сразу имеем = (g₂R₂)(С_НR₁), а P₁ =, как и ожидал R₁ R₂ C_H C_A Также = (С_АR₁)(С_НR₂). Поскольку P₁ известен, получаем P₂=, что также ожидали.

Итак: в каскадном усилителе имеем действительные полюса, очень сильно отличающиеся по величине, что дает возможность предполагать, что частота неосновного полюса больше частоты ω_Е единичного усиления. И это предположение правильное!!!

В самом деле, ω_Е = ω₁K₀ = Как правило, g₂ >= g₁, а С_Н всегда больше С_А! Следовательно, ω_H1 > ω_Е!

Оценим величину С_А: С_А = С_PN + C_3И(N2) + C_3C(N2) (см. рис. 4—10 НА ДОСКЕ). С_PN — емкость P-N перехода в промежутке между N1 и N2. Ширина полоски этого перехода — минимальна, поскольку равна топологической норме минимального расстояния между поли S_i затворами. Площадь этого перехода в 2.5…3 раза меньше площади N⁺ дифф. области на выходе усилителя и еще в 7…9 раз меньше площади P⁺ дифф. области на выходе усилителя (паразитные емкости обоих, N⁺ и P⁺, областей, входят в суммарную емкость С_H).

С_3И(N2) = С₀W(L — 2LD) + C₀WLD = C₀W(L — LD) — даже без специально сформированной полезной нагрузочной емкости как правило меньше входной емкости какого-либо усилителя.

Итак, всегда С_Н > C_A и, следовательно, ω_Н1 > ω_E.

Концепция активного каскадного транзистора.

Приведем пример того, как добавление в нужном месте базового каскадного усилителя дополнительно усилителя с к—нтом усиления К_А, позволяет в К_А раз улучшить хар—ки. Для простоты предположим, что во всем, кроме конечности к—нта усиления, дополнительный усилитель является идеальным. На рис. 4—11 приводится схема базового каскадного усилителя с активным каскадным транзистором.

Рис. 4—11: базовый каскадный усилитель с активным каскадным транзистором.

Рис. 4—12: эквивалентная схема усилителя.

Малый переменный ток, текущий в N2, равен: =

= Итак, результат эквивалентен увеличению крутизны N2 в к_А+1 к_А раз, поэтому к—нт усиления усилителя также увеличивается в к_А раз: к₀ = к_А(g₁R₁)(g₂R₂).

На самом деле дополнительный усилитель не идеальный, он содержит каскад с высоким выходным сопротивлением. Другими словами, если дополнительный усилитель является простейшим, даже не каскадным, требуется найти и проанализировать передаточную функцию 3^го порядка. На рис. 4—12 приведена простейшая (базовая) схема усилителя с активным каскадным транзистором.

Рис. 4—12:

С_А — пара-

зитная ем-сть узла А

С_В — паразитная ем-сть узла В

Что можно ска-

зать:

1. выходное сопротивление дополнительного усилителя должно быть , поскольку по переменному току затвор N3 через повторитель на N2 закорочен на свой сток, т.е. выход усилителя на базе N3. Вследствие этого полюс, ассоциируемый с узлом В, должен быть порядка (в первом приближении);

2. эффективная крутизна N2 должна быть больше своего номинального значения g₂ благодаря усилителю на базе N3 (расчет показывает, что больше в (g₃R₃) раз). Соответственно полюс, ассоциируемый с узлом А, будет , т.е. очень большим;

3. усиление всего усилителя должно быть больше, чем (g₁R₁)(g₂R₂). Расчет автора этих строк показывает: ;

4. расчет автора этих строк показывает, что существует нуль в отрицательной полуплоскости, равный .