dsd1-10 / dsd-06=Kruglov+АИС / lec / 2a.Простейший усилитель

Принцип работы простейшего усилителя напряжения

Оставаясь в рамках схем с постоянными параметрами, в качестве простейшего (базового) усилителя исторически предложена единственная схема: последовательно соединенные резистор R_L и управляемый источник питания (т.е. активный элемент), на управляющий вход которого подается сигнал, который требуется усилить. Известным нам интегральным управляемым активным элементом является транзистор (в нашем случае МДП транзистор), имеющий в некотором диапазоне характеристику, близкую к характеристике источника тока, то упомянутым управляемым источником питания является Источник Тока, Управляемый Напряжением (ИТУН). (см. Рис.1).

Рис.1.1. Простейший (базовый) усилитель.

Очевидно, что для достижения наибольшего размаха выходного сигнала V_OUT, потенциал на выходе в отсутствие переменного входного сигнала (т.е. «рабочая точка») должен быть V_DDA/2. Для простейшего усилителя это достигается соответствующей постоянной составляющей входного управляющего напряжения. При приложении ко входу ИТУН сигнала , ток , генерируемый в ИТУН, равен сумме постоянной и переменной составляющих : .Напряжение на резисторе изменяется на величину, где --- так называемая крутизна ИТУН. Изменение напряжения на резисторе R_L, называемом резистором нагрузки, есть выходной сигнал, т.е. . Отсюда коэффициент усиления по напряжению равен: . Потенциал верхнего вывода резистора постоянен и равен , поэтому увеличение вследствие увеличения тока, генерируемого в ИТУН, происходит в сторону , т.е. в отрицательную сторону по отношению к . Поскольку увеличение тока ИТУН происходит вследствие увеличения , то усиление всегда происходит с инверсией фазы.

МОП транзисторы с коротким каналом в аналоговых (аналогоцифровых) КМОП ИС.

Специфика применения МОП транзисторов (MOST) в аналоговых ИС во многом ясна из рассмотрения простейшего КМОП усилителя.

Простейший КМОП усилительный каскад.

Общее положение, применяемое к любым усилителям класса А, имеющим достаточно высокий коэффициент усиления: размах входного сигнала, как правило, много меньше постоянного смещения на входе (т.е. постоянной составляющей входного напряжения, жизненно необходимого для любого усилителя, для того, чтобы при заданных характеристиках нагрузки рабочая точка на выходе находилась в середине диапазона изменения выходного сигнала). При этом изменение крутизны входного транзистора много меньше её значения при наличии на входе только постоянного смещения. Можно сказать, что крутизна входного транзистора в каскаде с достаточно высоким коэффициентом усиления постоянна и не зависит от входного напряжения. Такой режим работы усилителя называется режимом малого входного сигнала.

Рис. 1.2. Простейший КМОП усилительный каскад.

Итак, если у усилительного каскада статический (низкочастотный) коэффициент усиления К₀ достаточно велик, то ввиду ограниченности диапазона V_ВЫХ изменения выходного напряжения, диапазон V_ВХ изменения входного сигнала также ограничен, мал по величине и равен: малая величина при большом К₀ (при этом предполагается, что входной сигнал достаточно низкочастотный, т.е. медленно изменяется во времени. О зависимости коэффициента усиления усилителя K(f) от частоты f – в дальнейших лекциях). Пусть , где - постоянная составляющая входного напряжения, или входное смещение. - переменная составляющая входного напряжения, или сигнал. Тогда V_ВЫХ также имеет постоянную составляющую , или рабочую точку и переменную составляющую , или выходной сигнал.

На величину рабочая точка отличается от . - постоянная составляющая тока I_Rн в нагрузочном резисторе R_н и МОSТ или режимный ток. Переменная составляющая является малой величиной ввиду малости , а, именно, . Здесь g- крутизна MOST для данного режимного тока . Выходной cигнал , т.е. .

Примечание: Увеличивать R_н целесообразно лишь до величины, сравнимой с R_DS, дифференциальным сопротивлением MOST в пологой области при протекании через него режимного тока (см. дальнейшие лекции). Для увеличения К₀ можно увеличить R_н (см. Примечание), однако при этом растёт . Очевидно, что должно быть приблизительно равным , т.е. должно быть.Итак, получается, что чтобынадо ,но при этом уменьшается крутизна и уменьшается усиление каскада К(f) на высоких частотах (см. след. лекции). Концепция активной нагрузки позволяет преодолеть этот недостаток.

Активная нагрузка.

Рис.1.3А. Простейший каскад с активной Рис.1.3Б. Совместная ВАХ

нагрузкой - это применение вместо Р – канальной нагрузки

резистора транзистора противоположного и N – канального

типа проводимости в режиме источника входного транзистора

постоянного тока.

Через оба MOST течет режимный ток , который получается в точке пересечения ВАХ в NМОSТ и РМОSТ. Ток задаётся напряжением смещения на затворе РMOST. В нашей простейшей схеме напряжениезадаётся простой подгонкой. В практических задачах формируется автоматически с помощью токового зеркала (см. далее). Из рисунка видно, что применение в нагрузке каскада обыкновенного резистора такой же величины, как величина дифференциального сопротивления активной нагрузки, требует в несколько раз большего напряжения питания.

Рис. 1.4. Каскад с активной нагрузкой и автоматическим формированием . (Резистор R подводит к затвору Nmos1 входное смещение ; конденсатор С_Ф вместе с резистором R образуют ФНЧ и отфильтровывают переменную составляющую в узле В с целью уменьшения величины нежелательного изменения потенциала V_A; С_ВХ – паразитная входная емкость каскада).

Рис. 1.5. ВАХ идеального (пунктир) и реального (сплошная линия) МОП транзисторов.

Прежде чем рассмотреть схему на рис. 1-4, определим метод инженерного расчета напряжения на МОП диоде (на рис. 1-4 это транзистор N2), через который протекает ток I ( см. рис. 1-5). Ток I, протекающий при некотором превышении над порогом (V_ЗИ-V_Т), складывается из граничного тока I_ГР, который протекал бы на границе крутой и пологой областей идеального MOST (модель Шичмена-Ходжеса) при той же величине (V_ЗИ-V_Т), и добавки , всегда существующей ввиду увеличения тока стока в пологой области в зависимости от напряжения V_СИ между стоком и истоком. Реальность для правильно спроектированного MOST такова, что составляет небольшую долю (как правило меньше 10%) от I_ГР, поэтому вполне правомерно пренебречь величиной при инженерной (предварительной) оценке статического состояния схемы, т.е. для этой цели принимают I=I_ГР.

Итак, пусть на рис. 1-4 через N2 идет ток I_N2, генерируемый транзистором Р2, т.е. I_N2=I_Р2.Аналогично .С учётом изложенных выше замечаний,: . Следовательно . Пусть транзистор Р1 во всём одинаков с транзистором Р2, а N1 - с N2. Тогда очевидно, что , генерируемый в Р1, равен . Аналогично: =. Принимая во внимание конечность дифференциального сопротивления в пологих областях всех MOST ясно, что совпадает с не на всём протяжении пологих участков, что было бы, если бы N1 и Р1 были идеальными, а в одной точке, как на рис. 1-3В. Также можно утверждать, что .

Примечание. Комбинация двух транзисторов, в которой потенциал с диода, сформированного из одного транзистора (N2 на рис. 1-4), подается на затвор другого транзистора (N1 на рис. 1-4), работающего генератором тока, называется токовым зеркалом. Назначение токового зеркала – в генерации тока, равного по величине или пропорционального току, протекающего через диод (см. также рис.1-6), однако истекающего из другого полюса источника питания.

Итак, имеем усилитель, на затворе которого при и при , нижней частотной границе входного сигнала V_ВХ, подаётся почти вся величина входного сигнала.

Из рассмотрения рис. 1-7 очевидно, что каскад с активной нагрузкой на транзисторах N1 и Р1 должен иметь следующие особенности: 1.Рабочая точкадолжна быть симметрична относительно потенциалам источника питания, т.е. должна быть ; 2. Условные точки и перехода ВАХ из пологих областей в крутые должны быть, во-первых, симметричны относительно и, во-вторых, быть как можно ближе к потенциалам питания. Чтобы удовлетворить требованиям п.1, необходимо слегка изменить V_B, т.е. , где V_СM – напряжение смещения нуля. Если дифференциальное сопротивление R_CИ в пологой области MOST принять не зависимым от V_CИ, то, очевидно, , где К₀ – к-нт усиления каскада при . Практически способы уменьшения V_CM будут узложены в дальнейших лекциях.

Для выполнения требований П.2 необходимо, во-первых, чтобы и . Во-вторых, чтобы величины и были малы, необходимо, чтобы наибольшим было превышение над порогом .

К-нт усиления каскада - (это соотношение строго будет выведено в следующей лекции).

Желание увеличить K₀ согласуется с желанием иметь как можно больший диапазон изменения путём уменьшения превышения над порогами транзисторов N1 и P1. Разберёмся с этим утверждением подробнее.

Известно, что х-ки MOST в пологой области в наибольшей степени определяются активным каналом, занимающим часть пространства между стоком и истоком. Напряжение на нем приблизительно равно (V_ЗИ-V_Т). Чем меньше (V_ЗИ-V_Т) и в меньшей степени V_CИ, тем меньше и поперечное, и продольное поля в канале, оба уменьшающие подвижность носителей. Например, для достаточно точной модели MOST уровня LEVEL=3,

; ,

THETA-экспериментально определяемый параметр;

L_ЭФФ- эффективная длина канала;

V_MAX- максимальная скорость дрейфа носителей;

Для ; для .

Например, для , т.е. подвижность в канале практически равна максимальной. Таким образом, при величине (V_ЗИ-V_Т), равной долям вольта и при изменении на десятки или единицы сотен милливольт, подвижность можно считать постоянной: . В этом случае зависимость I_C от V_ЗИ для правильно (!!!) сконструированного MOST хорошо описывается выражением Шичмена-Ходжеса (что мы и использовали до сих пор). Это выражение было выведено для MOST с длинным каналом. К счастью, при малых (V_ЗИ-V_Т), даже для короткоканальных MOST зависимость R_CИ от режимного тока I такая же,как и у длинноканальных:. Крутизна же . Следовательно . Конечно же, при малых (V_ЗИ-V_Т) и малых режимных токах быстродействие каскада мало ввиду малой крутизны N1.Однако можно радоваться тому факту, что в аналоговых ИС возможности MOST используются полностью (ввиду при малых значениях V_ЗИ-V_Т) в отличие от цифровых ИС, где из-за большой величины (V_ЗИ-V_Т) и ограничения скорости носителей быстродействие растёт уже не пропорционально , а пропорционально .