Выходное сопротивление и коэффициент передачи каскада с диодом в нагрузке

Если в МДП транзисторе затвор соединить со стоком, то образуется двухполюсник (ввиду того, что рассматривается ИНТЕГРАЛЬНЫЙ транзистор, подложка подразумевается общей), имеющий ВАХ диода. На рис. 3.14(а) и 3.14(с) изображены каскады, в нагрузках которых находятся диоды на базе p-канального и n-канального транзисторов соответственно. Подобные каскады содержатся в подавляющем большинстве аналоговых узлов, поэтому приведем краткий анализ выходного сопротивления и коэффициента передачи каскада с диодом в нагрузке. Анализ проведем на примере каскада с p-канальным диодом на рис. 3.14(а).

Рис. 3.14. Каскады с общим истоком и с диодными нагрузками:(а) p-канальная диодная нагрузка; (в) эквивалентная схема для расчета выходного сопротивления каскада с p-канальной диодной нагрузкой; (с) n-канальная диодная нагрузка.

Обращаем внимание, что транзистор в составе диода принципиально находится в пологом режиме, поскольку его напряжение сток-исток тождественно равно напряжению затвор-исток и больше превышения над порогом на целый порог:

(3.44)

Здесь и – соответственно пороговое напряжение и превышение над порогом транзистора в составе диода.

Расчет малосигнального выходного сопротивления каскада проводится для p-канального диода при помощи соответствующей эквивалентной схемы на рис. 3.14(b). На эквивалентной схеме учтено, что при расчете вход каскада заземлен по переменному току (переменная составляющая входного напряжения равна нулю, т.е. , и на входе поддерживается только постоянный режимный потенциал, ), и изменение тока в транзисторе диода происходит только благодаря изменению потенциала истока этого транзистора (как второго входного терминала транзистора) при изменении величины тока малого пробного переменного источника тока .

Уравнение Кирхгофа имеет вид:

(3.45)

Здесь – переменное напряжение на выходе каскада с диодом; также введено обозначение:

параметр (3.46)

представляет параллельное соединение сопротивлений и в пологой области транзисторов Mn и Mp соответственно.

По определению, выходное сопротивление диода:

(3.47)

Отрицательный знак параметра не должен вводить в заблуждение, поскольку в (3.47) отражает лишь уменьшение переменного тока в диоде при увеличении выходного потенциала (если бы проводился расчет выходного сопротивления для n-канального диода на рис. 3.14(с), то при увеличении ток в диоде возрастал бы, и знак был бы положительным). В любом случае важен МОДУЛЬ выходного сопротивления:

(3.48)

Выражения (3.47) и (3.48) можно упростить, используя введенное выше определение параметра «собственный коэффициент усиления транзистора» и присущие ему характеристики. Этот параметр определяет усиление каскада, поэтому при разработке технологии его стремятся создать возможно более высоким, т.е. . Согласно (3.20), , следовательно значение дифференциальной проводимости транзистора в пологой области много меньше значения крутизны по затвору этого транзистора: . Очевидно, что суммарная проводимость параллельного соединения таких проводимостей транзисторов диодного каскада также много меньше крутизны по затвору: (3.49)

Согласно (3.49), выражение (3.48) упрощается:

(3.50)

Из (3.49) и (3.50) следует, что выходное сопротивление каскада с диодной нагрузкой всегда значительно меньше выходного сопротивления каскада с токовой нагрузкой.

Малое значение выходного сопротивления обусловлено 100% отрицательной обратной связью с выхода каскада на затвор p-канального транзистора с высоким собственным коэффициентом усиления .

При воздействии на каскад с диодной нагрузкой переменной составляющей входного напряжения , напряжение на выходе также изменяется:

(3.51)

Здесь: и – крутизны по затвору входного транзистора и транзистора в составе диода соответственно.

Как видно из (3.51), величина отношения может быть меньше единицы при , поэтому в подобных случаях такое отношение вместо «коэффициента усиления» будем называть «коэффициентом передачи».

3.2.1. Передаточная характеристика каскада с общим истоком и с диодной нагрузкой

Каскад с диодной нагрузкой обладает уникальным свойством: пока входной транзистор находится в пологом режиме, передаточная характеристика каскада является линейной.

С учетом того, что транзистор диода всегда находится в пологом режиме, приведем условие равенства токов входного и нагрузочного транзисторов (входной транзистор предполагается n-канальным, а транзистор диода – p-канальным):

(3.52)

Здесь: и – постоянные параметры крутизны транзисторов, входного и в составе диода соответственно; и – постоянные пороговые напряжения транзисторов, входного и в составе диода соответственно.

Отсюда:

(3.53)

Токовое зеркало

Примем во внимание выражение (3.33), демонстрирующее относительную незначительность тока в сопротивлении сток-исток (в пологой области) в сравнении с граничным током . В связи с этим будем считать, что ток МДП транзистора в пологой области НЕ ЗАВИСИТ от напряжения сток-исток, т.е. . Подобное допущение позволяет адекватно понять принцип работы электрической схемы, являющейся неотъемлемой частью практически любого аналогового узла. Эта схема называется ТОКОВЫМ ЗЕРКАЛОМ. Два токовых зеркала, как для p-канальных, так и для n-канальных транзисторов изображены на рис. 3.15(а) и 3.15(b) соответственно.

Назначением токового зеркала является создание источников тока с заранее известными этапе проектирования значениями токов. Проведем иллюстрацию этого тезиса на примере p-канального токового зеркала на рис. 3.15(а).

«Сердцем» любого токового зеркала является комбинация МДП диода (на рис. 3.15(а) – на базе транзистора ) и источника ИЗВЕСТНОГО базового режимного тока (на рис. 3.15(а) – тока от источника отрицательного напряжения питания). Равенство базового режимного тока , заряжающего соединенные друг с другом в узле А затвор и сток транзистора , а также тока в этом транзисторе, разряжающего узел А до , поддерживают узел А в стационарном состоянии при постоянном потенциале относительно :

(3.54)

Рис. 3.15. Токовые зеркала: (а) для p-канальных и (в) для n-канальных транзисторов

Пусть длины всех p-канальных транзисторов на рис. 3.15(а) одинаковы, что предполагает равенство их пороговых напряжений. Пусть также на интегральной схеме ширины всех p-канальных транзисторов специально заданы таким образом, что заранее известны соотношения ширин их каналов:

; (3.55)

Принимая во внимание одинаковость длин каналов всех p-канальных транзисторов, равенство потенциалов их истоков и затворов, а также соотношение (3.55), можно сделать вывод, что:

; (3.56)

Таким образом, задавая на топологии интегральной схемы определенные соотношения между шириной транзистора диода, через который протекает ИЗВЕСТНЫЙ базовый режимный ток и ширинами транзисторов с затворами, соединенными с затвором диода (при условии одинаковости потенциалов истоков), можно создавать источники тока с задаваемыми на стадии проектирования ИЗВЕСТНЫМИ величинами токов. Полярность этих токов противоположна полярности базового тока, а, именно, на рис. 3.15(а) известный базовый ток соединен с источником отрицательного источника питания, тогда как созданные p-канальные источники тока соединены с источником положительного питания, т.е. имеем «токовое зеркало».

Аналогично рассуждая, легко понять принцип токового зеркала для n-канальных транзисторов на рис. 3.15(b).

Вернемся к рис. 3.3, на котором изображен простейший усилитель с активной нагрузкой. Режимный ток усилителя задавался нагрузочным p-канальным транзистором выбором постоянного потенциала на его затворе. При анализе усилителя по умолчанию подразумевалось, что постоянное режимное смещение на затвор ВХОДНОГО транзистора, обеспечивающее равенство режимного тока во входном n-канальном транзисторе задаваемому режимному току в нагрузочном p-канальном транзисторе, создавалось соответствующей схемой.