Простейший усилительный каскад с общим истоком и активной
Нагрузкой
Приведем иллюстрацию концепции малого сигнала на примере простейшего усилительного каскада с активной нагрузкой.
Как видно из рис. 3.2, увеличение значения
для увеличения коэффициента усиления
каскада неизбежно приводит к необходимости увеличения величины напряжения питания
.
Рис. 3.3: КМДП усилительный каскад с активной нагрузкой
С целью увеличения без необходимости увеличения
, практически во всех КМДП аналоговых ИМС используется концепция активной нагрузки, при которой роль нагрузочного резистора выполняет выходное сопротивление активного элемента , а, именно, выходное сопротивление сток-исток
транзистора противоположного типа проводимости в пологом режиме, т.е. подключенного в качестве источника постоянного тока. Последнее позволяет также называть каскад с активной нагрузкой каскадом с токовой нагрузкой.
На рис. 3.3 изображен КМДП усилительный каскад с активной (токовой) нагрузкой. На рис. 3.4 изображены ВАХ транзисторов, как входного, n-канального, так и нагрузочного, p-канального.
Рис. 3.4: ВАХ входного и нагрузочного транзисторов.
Из рисунка 3.4 видно, что высокое дифференциальное сопротивление нагрузочного элемента при замене пассивного нагрузочного элемента на активный получено при отсутствии необходимости увеличивать напряжение питания.
С целью дальнейшего анализа каскада с активной (токовой) нагрузкой, к выходу его дополнительно подключены нагрузочные емкость и резистор
. При учете паразитной емкости
выхода усилителя, реальная емкостная нагрузка в выходном узле
. (3.5)
Из рис. 3.4 очевидно, что для получения максимального усиления оба транзистора, и входной, и нагрузочный должны находиться в пологой области (при этом напряжение сток-исток для каждого транзистора всегда должно быть больше превышения над порогом
). В пологой области сопротивление
транзистора максимально, и усиление каскада также максимально даже при относительно небольших напряжениях питания. Тем не менее, при работе всех транзисторов в пологой области, каскад может иметь и низкое усиление. На рис. 3.5 приведена иллюстрация зависимости диапазонов
изменения выходного напряжения каскада в пологой области при одинаковых приращениях
входного сигнала, но при отличающихся сопротивлениях сток-исток
транзисторов. Чем больше
, тем диапазон
в пологой области больше, и усиление
каскада также больше. ВАХ транзисторов с большей величиной
изображена на рисунке 3.5 сплошными линиями, а с меньшей – пунктиром.
Рис. 3.5. Зависимости диапазонов изменения выходного напряжения усилительного каскада в пологой области при различных дифференциальных сопротивлениях сток-исток транзисторов.
Диапазон выходного напряжения с максимальным усилением ограничен. При уменьшении напряжения сток-исток любого транзистора до уровня, при котором ВАХ попадает в крутую область, где
, и выходное сопротивление
транзистора уменьшается, сопровождаясь как уменьшением усиления, так и увеличением нелинейных искажений. По этой причине допустимый диапазон изменения выходного напряжения
определяется выражением:
(3.6)
Здесь и
– условные граничные напряжения сток-исток перехода ВАХ из крутой области в пологую (или наоборот) для n-канального и p-канального транзисторов соответственно. На рис. 3.4 приведена иллюстрация максимального диапазона
изменения выходного напряжения усилительного каскада.
Положение рабочей точки каскада на выходной ВАХ в пологой области при заданном режимном токе, определяемом нагрузочным транзистором, определяется специальной схемой, содержащей «токовые зеркала» (см. ниже).
Дата добавления: 2022-02-05; просмотров: 313;