Для магистратуры / CMOS_IC

60

где: v1 и v2 – переменные напряжения на стоках транзисторов М1 и М2,

Из (4.46) непосредственно следует, что коэффициент усиления каскодного усилителя (при его питании источником тока) равен произведению коэффициентов усиления составляющих транзисторов:

Для определения выходного сопротивления каскодного усилителя достаточно задать на его выход ток i. Тогда уравнения его работы примут вид

Из них следует, что выходное сопротивление каскодного усилителя

т.е. наличие транзистора М2 увеличивает выходное сопротивление транзистора М1 в количество раз равное коэффициенту усиления транзистора М2.

Рассмотренный каскодный усилитель содержит транзисторы одного типа проводимости. Его недостаток заключается в последовательном соединении всех приборов (поэтому его иногда называют телескопическим).

Если же в схеме с общим затвором использовать МОПтранзистор с каналом противоположного типа (рис.4.9,б), то схема “свернется” и будет содержать две параллельные цепи. Правда, придется добавить еще один генератор постоянного тока.

В силу симметрии n-МОП и p-МОП-транзисторов работу свернутого каскодного усилителя описывают те же самые уравнения (4.43) и (4.44). Поэтому их параметры в первом приближении идентичны.

Питание схем от источника тока – идеализированный случай. Реальные каскодные усилители в качестве нагрузок также используют каскодные цепочки, рис.4.10.

61

Рис.4.10. Каскодные усилители: а – телескопический, б – свернутый.

Работа таких усилителей описывается следующей системой уравнений:

Решая систему (4.51) – (4.53) можно найти значения переменные v1, v2, v3, и по ним определить коэффициент усиления каскодного усилителя. Для упрощения воспользуемся соотношением gm >> gb , g0. Тогда

A = v2 vin ≈ gm1gm2gm3 (gm2g03g04 + gm3g01g02 ), (4.54)

и, если все МОП-транзисторы одинаковы (по параметрам), то

Таким образом, коэффициент усиления каскодного усилителя с точностью до множителя квадратично зависит от коэффициента усиления МОП-транзисторов. Заметим, что если один из транзисторов М2 или М3 обладает гораздо большей крутизной, то множитель в формуле (4.54,а) обращается в единицу.

62

Глава 5. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель ДУ является одним из наиболее универсальных и распространенных видов усилителей. Он имеет два симметричных входа и его функциональное назначение состоит в усилении разности входных сигналов. Сумма входных сигналов– синфазная составляющая не должна влиять на выходной сигнал ДУ. Практически она должна быть максимально ослаблена,т.е. подавлена.

К дифференциальному усилителю наряду с обычными требованиями предъявляются специальные требования, что обуславливает дополнительные параметры:

1)коэффициент усиления дифференциальной составляющей;

2)коэффициент усиления синфазной составляющей;

3)коэффициент подавления синфазной составляющей – отношение коэффициента усиления дифференциальной составляющей к коэффициенту усиления синфазной составляющей;

4)диапазон синфазного сигнала на входе – область значений синфазного сигнала, в которой усилитель обеспечивает заданное усиление дифференциального сигнала.

5)смещение нуля – выходное напряжение, деленное на коэффициент усиления дифференциальной составляющей (выходной сигнал, приведенный ко входу ДУ), при одинаковых сигналах на соединенных между собой входах.

Дифференциальная пара. Дифференциальный усилитель пред-

ставляет собой пару согласованных (β1 = β2 = β) МОП-транзисторов, подсоединенных истоками к генератору тока смещения ISS (рис.5.1).

Рис.5.1 Дифференциальная пара; а – на основе n-МОП; б – на основе р-МОП; в – передаточная характеристика дифференциальной пары

64

Отметим, что формулы (5.7) и (5.7,а) справедливы только в диапазоне

vDImin – vDImax .

(5.8)

vD Imin = − 2IβSS

Крутизна дифференциальной пары Gm определяется как средний наклон передаточной ВАХ в диапазоне vDImin – vDImax.

где gm – крутизна МОП-транзистора.

Нагрузка дифференциальной пары. В качестве нагрузки диф-

ференциальной пары в ДУ используют различные комбинации МОПтранзисторов (рис.5.2): активную нагрузку – МОП в диодном включении, источники тока, токовое зеркало (отражатель тока).

Рис.5.2. Дифференциальная пара с нагрузкой: а – активной; б – в виде источника тока; в – в виде отражателя тока

ДУ с первыми двумя нагрузками обладают дифференциальным выходом. Такие ДУ применяют в (полностью) симметричных системах.

ДУ с нагрузкой в виде отражателя тока имеет один несимметричный выход. Он позволяет отдавать во внешнюю цепь полный выходной ток. Коэффициенты усиления по напряжению для перечисленных нагрузок приведены в Табл.5.1.

65

Рабочий диапазон. В качестве генератора тока смещения в дифференциальном усилителе используют насыщенный транзистор, режим которого задается токовым зеркалом (рис.5.3).

Рис.5.3. Дифференциальный усилитель с питанием через токовое зеркало и с отражателемтока в нагрузке.

Для нормальной работы ДУ все его транзисторы должны находиться в режиме насыщения.

Минимально допустимое входное напряжение складывается из напряжения питания нижнего уровня VSS, напряжения насыщения токозадающего транзистора М6, напряжения открывания на затворе М1, обеспечивающего ток ISS / 2:

Максимально допустимое входное напряжение должно обеспечивать открывание транзистора М3, обеспечивающее ток ISS и максимально возможное превышение напряжения на затворе по отношению к стоку транзистора М1 равное пороговому напряжению:

67

обратно пропорциональный крутизне нагрузочных транзисторов и сопротивлению в цепи истока.

Коэффициент подавления синфазного сигнала. Коэффициент подавления синфазного сигнала CMRR, выраженный в децибелах

Смещение нуля. Смещение нуля V0S определяется разбросом (асимметрией) дифференциальной пары, в том числе отклонениями в геометрии ∆(W/L) и несогласованностью пороговых напряжений ∆Vt. Необходимо также учитывать разброс сопротивлений нагрузки ∆RD. В результате смещение нуля Vosопределяется следующим образом:

Тип проводимости. Дифференциальная пара может быть построена как на n-МОП, так и на p-МОП. При одинаковых электрических характеристиках МОП параметры пар также будут одинаковыми. Однако практически добиться одинаковых характеристик не удается. Выбор типа транзистора дифференциальной пары определяется требованиями к дифференциальному усилителю. Во всяком случае следует принимать в расчет технологические особенности, размеры и шумы транзисторов.

При КМОП-технологии на р-подложке p-МОП находится в п- кармане, а карманом n-МОП является сама подложка. Поэтому если необходимо задавать потенциал на кармане дифференциальной пары (например, соединить карман с истоком или с источником стабилизированного питания), то это возможно только для p-МОП.

Низкочастотные шумы (типа 1/f) в p-МОП гораздо меньше, чем в n-МОП. Это также влияет на выбор типа транзисторов дифференциальной пары.

Вместе с тем для достижения высокого коэффициента усиления по напряжению и снижения входной емкости в дифференциальной паре больше подходят n-МОП.

68

Глава 6. Частотные характеристики усилителей

6.1. Методы расчета частотных характеристик

Ранее рассматривалась работа усилителей на низкой частоте, когда влиянием емкостей можно было пренебречь. Учет емкостей позволяет получить частотные характеристики ЧХ схем, в том числе, определить предельную частоту работы, при которой еще возможно усиление сигнала.

Малосигнальная модель МОП-транзистора (рис.6.1,а) в ряде случаев упрощается. Так, если исток находится под потенциалом кармана, то Сsb = 0; если транзистор работает в режиме насыщения, то Cgb = 0; обычно Сdb сравнительна мала и ею можно пренебречь. В результате получаем упрощенную малосигнальную модель МОП-транзистора (рис.6.1,б).

Рис.6.1. Малосигнальные модели МОП-транзистора: а – полная, б – упрощенная.

Малосигнальная модель схемы, содержащей несколько МОПтранзисторов, описывается линейным диференциальным уравнением достаточно высокого порядка. Передаточная функция схемы с непосредственными связями, содержащей несколько МОП-транзисторов, в общем случае имеет вид:

где ωP и ωZ –полюса и нули передаточной функции, соответственно. Обычно нули гораздо выше полюсов и при наличии доминирую-

щего полюса передаточная функция упрощается

Из (6.2) легко построить частотную характеристику схемы и оп-

ределить частоту среза ωH (при которой усиление падает в 2 раз – на – 3 дБ), которая примерно совпадает с доминирующим полюсом (ωH = ωp1).