Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 34
Текст из файла (страница 34)
сто ах, Сугцествует много схем источников тока на МОП-транзи- орах, похожих на схемы источников на биполярных транзисторах, рассмотренных выше. Простой пример — схе ма на рис, 3.19, использующая тоновое зеркало на МОП. транзисторе. Для тока !, имеем !, = (У' — У вЂ” Уоа)//!,, Если транзисторы Я, и (/а согласованы, то !, = !„прн чем должно выполняться условие, что транзистор Яа работает в области насыщения. Это условие удовлетворяется Рис. 3.20. Ссстааноа источник тока на МО! 1.транзисторна. ч- чпри 1'оа., )~ Уоа — Уо откуда определяется янжняя граница диапазона линейного изменения напряжения.
Например, если У~ = +2 В, Уоа = +4 В и У = — 10 В, то для работы Я, в области насыщения должно выполняться неравенство Уоа а )» » +2 В и диапазон линейного изменения напряакенпя начинается с-8 В. Относительное изменение выходного тока !о при изменении выходного напряжения Уо определяется формулой (1//о) х х ао/с(Уо = (1/!о) йо Поскольку ао = аа.
= ! а /Уа !о/Уа, эта формула преобразуется к виду (1/!о) с!!о/Юо = = 1/У„. При Уа = 50 В это дает (1/!о) й!о/йУо —— 1/50 В = 0 02/В = 2 %/В, Если транзисторы 9а н О, идентичны, за исключением ширины каналов, то отношение токов должно подчиняться равенству !,/!, = )Ра/К,, где )Р, и Жа — ширина каналов. Это ассоциируется со схемой токового зеркала иа биполярном транзисторе, Иалочнияи постоянного глена, напряжения и опорного напряжения 181 где подбираются активные площади транзистора А, и А„чтобы выполнялось равенство 1,/1, = А,/А,. Другой пример источника тока на МОП-транзисторах — составной источник тока, показанный на рис. 3.20.
Это по существу схема 3 11, в которой биполярные транзисторы заменены МОП- транзисторами. Главное преимущество этого источника по сравнению с предыдущей более простой схемой заключается в существенно более низкой динамической выходной проводимости и, следовательно, в значительно более качественной стабилизации тока. Это, однако, происходит за счет некоторого уменьшения диапазона линейного изменения напряжения. Динамическая выходная проводимость определяется равенством йо = дегг/(1+ йг гЕнг), где 7н, = 1/йе„(см. приложе.
ние Б). Поскольку яе,г — — де = 1о/Ул и д„, = 2К (Уоз — Уг)=» = 21о/(Уаз — 1'1), имеем д„,3н, = а)„/йе„= (2/о/(Уаз— — 1'г) ! Уя//о = 2Уя/(Уаз — Уг) Для йо в этом случае имеем йо = г(/о/г(Уо = (/о/Ул)/(! + 2Уя/(Уав — Уг)1. Относительное изменение 1о при изменении напряжения 1'о, или нестабильность по току, имеет вид (1/)о) Л)о Ко аг о 1о ! + 2УАЙ) аз УО В качестве типичных возьмем для примера значения Уаз— — Уг = 2 В и Уя = 50 В, Нестабильность по току при этом равна !1/! О) г))О 1!50 В 1/50 В й'о 1 + 2 Х 5О В/2 В 1+ 5О 0,04%/В. (3.53) Таким образом, эта схема дает существенное улучшение по сравнению с нестабильностью по току 2 %/В для предыдущей схемы источника тока на МОП-транзисторах.
При уровне выходного тока 1о = 100 мкА соответствУющее значение выходной проводимости составит до — — 100 мкА/2500 В = 40 нСм. Определим нижнюю границу диапазона линейного изменения напряжения. Снова используем значения Уаа — Уг = +2 В " Уг = +2 В и положим У = — 1О В. Тогда получим Уог= Уаг = У + Уанг = 10В + 4 — 5В, (3.54) 1 аг = 1'рг = Уаг = Ург + Уааг = — 6В + 4 В = — 2В. (3 55) Дли 9, в области насыщения Уао, = Уа, — Ур, ~( Уг = +2 В. ПосколькУ Уа, — 2 В, Уо — — Уш ) — 4 В, и диапазон линейного изменения напряжения будет начинаться с — 4 В. 3 1.11.
Источник тока на МОП-транзисторах, слабо зааисяг аисягг(ий от напряжения литания. На рис. 3.21 показан источникто к тока, который вырабатывает выходной ток, слабо зависящий от нап яж ряжения питания. Выходной ток /о определяется формулой 1о = 1овя = Увит/)та, а ток 1, — формулой 1т = (У+ — У- — Уев, — Уввт)1)тт. В обычном слУчае, когда У+ — У 'В> У последнюю формулу можно упростить: 1, ~ (У+ — У )1)з, в' Ч+ Рис. 3 2( Источник тока на МОП- транзисторах, слабо зависящий от напряженна питания.
Ч" Ч Изменение 1о по отношению к изменению напряжения пита. ния (У+ илн У ) имеет вид т((о т((о ~(Уав1 "~з ЛУт ЛУовт Л(, ЛУ+ (3,57) та амт Лз Для ятат имеем й, = 2К (Уож — Ут) = 21 1(Уав — У ) ~ ж 2 (У' — У )1(Увит — У~) )тп (3,58) так что Но/йУ' можно теперь представить в виде — ( ') (~' ( = Увв У', (3.59) бР+ Лт 2(У+ — У ) Лт 2Лт(Ут — У ) ' Относительное изменение 1о связано с относительным изменение~ напряжения питания следующим образом: и(0 Убв УФ д( ( У081 УФ и( .
(3.60) (о 2 на У+ — У ! о 2Уавт Источники пососоянноео осока, напрялсония и опорносо нассряокения 109 14апример, пусть Ус 1 В и Уов = 2 В. Для этих значений получаем с(/о//о (1/4) с(У'/(У+ — 1 ). Если У+ =' +10 В и У 10 В, то изменение У' на 1 В (или У на — 1 В) вызовет измесесгие /р только на 1,25 %. Источники тока на МОП-транзнсторах в режиме обеднения. МОП-транзисторы в режиме обеднения можно использовать в качестве стабилизаторов тока, подобно полевым 1о Рис.
3,22 й1ОП-транзисторы в режиме обелненин, нсссользтемые в качестве стабилизаторов тока: а — источник тока отрицательной нолзриости на МОП-транзисторе в ре«нине обеднении; б — источник тока на МОП- транзисторе в режиме обеднении, ко ! транзисторам с управляюшим рп-переходом. На рис. 3.22, а по"зван пример источника тока отрицательной полярности на МОП- этого транзисторе в режиме обеднения. Выходная проводимость д о зисто а ото источника тока равна динамической проводимости трантора между стоком н истоком йа,.
для примера используем ~~сдуюнсие значениЯ: /ола — — 100 мкА, Ур = — 4 В, Ул = 80 В, ~ров = 40 В и 1' = — 10 В. Выходной ток равен /о = !олн = 100 мкА. Динамическая выходная проводимость вычисляется следующим образом: Ко= асс = др = яка Р 80В 1,25 мкСм. (3.51) ~~о сУси !о 100 мкй 190 Глава 3 Нестабильность по току равна 100% ~ 100%/к А 1~25 ео,~В. 1 кур (3.62) о, н, от ° в — -о вз о, Рнс, 3.23. Схемы акгнвноа нагрузка: а — прн-транзнстор-уснлвтель — антна нан нагрузка — рлр-нсточннк тока; о — усилитель на ЛГОП-транзн егоре с канавам а-тнпа — нагрузка на МОП-транзнсторе с каналом л.тнпа1 а — уснлнтель на Л!ОГ1-транзвсторе с каналом а-типа — актнвнан нагрузка ~.
нсточннк тока на ЛГОП-транзнсторе с каналом а-тнпа в режиме ооедневнн„' з КЛГОП.структура. Диапазон линейного до +40 В. На рис. 3.22„б источника тока. Во изменения напряжения составляет от -б показан МОП-транзистор в качестве многих ИС основой МОП.транзистора Освочнини посвоянного вона, напряжения и опорного напряжения 191 А, тсЮт (3.64) и + кое+ А. 1Ят А ж — пр ) с каналом и-типа служит обычная подложка р-типа интеграль- нои схемы (рис. 3.16, б).
Результирующее напряжение между подложкой и истоком транзистора Урз оказывает значительное влияние на выходную проводимость. В приложении Б анализи- уется эффект смещения подложки, или эффект основы, и приво- дится выражение для выходной проводимости. В данном случае1 йо = ра, + ймКаз.
Если принять те же значения параметров, которые определены ранее, и использовать типичное значение для коэффициента эффекта подложки Киэ = 0,08, получим др — — (100 мкА/80 В) + (2 100 мкА/4 В) 0,08 =. = 1,25 мкСм + 4,0 мкСм = 5,25 мкСм, (3.63) Соответствующая нестабильность по току равна 5,25 о /В. Итак, этот источник имеет относительно высокую выходную проводимость и низкую нестабильность по току вследствие эффекта подложки. Источники тока в качестве активной нагрузки.
Активная на- грузка различных усилительных, а также цифровых логических схем — очень важная область применения источников тока как для аналоговых, так и для цифровых ИС, Примеры наиболее часто встречающихся схем активной нагрузки показаны иа рис. 3.23. Токовое зеркало часто используют как активную на- грузку в дифференциальных усилителях как на биполярных, так и на полевых транзисторах (см. гл. 4).
Ниже приведены уравнения, выражающие значение коэффи- циента усиления переменного напряжения малого сигнала для каждой нз разновидностей схем активной нагрузки, представлен- ных на рис. 3.23, Определение коэффициента усиления по напря- жению имеет смысл для анализа работы транзистора в активной области Я, на рис. 3.23).
Внешнюю нагрузку каждой схемы обо- значим через проводимость йь. Прямую передаточную динами- ческУю пРоводимость тРанзистоРов — Усилителей обозначим двт лля биполярного транзистора и дгм для схем на МОП- т(занзисторах, Выходные проводимости транзисторов усилителя % и ~агРУзки 1)о обозначим дог и йае соответственно. ПаРаметРы аг " Уп — это начальное напряжение, или величины, обраткоэффнциенту модуляции ширины базы для биполярных транзисторов и коэффициенту модуляции длины канала для МОП, ОП-транзисторов (см. приложение Б), для транзистора- уснлителя и транзистора-нагрузки соответственно. прп-транзистор-усилитель — активная нагрузка — рлристочник тока: 192 (3.72) б.
Усилитель на МОП-транзисторе с каналом и-типа — на. грузка на МОП-транзисторе с каналом а-типа: А, Км1 а/«1 (3.66) ~01 + К1»2 + аь И/»2 Если транзистор-усилитель ()1 и транзистор-нагрузка ()2 иден. тичны, за исключением отношения ширины канала %' к его длине /., то Ар имеет вид 2 К/ ~1»2 2 (К»/оэ) э. Усилитель на МОП-транзисторе с каналом и-типа — актив ная нагрузка на МОП-транзисторе и-типа с обедненным слоем.
21 о э/бгоэ» — Ю «01+«02+«Ь ( ОЗ/ А1) + ( 2»зэ/ А2)+«Ь (если (/в» = (/~). Если основой транзистора-нагрузки служит подложка ИС, потенциал которой равен переменному потенциалу «земли», то в резУльтате эффекта полложки до» = дю» + О/»2Квэ выРажение для коэффициента усиления по напряжению принимает следующий вид: Аг=— а/.1 ао1 + %1я + яь 2/оээ/(Го⻠— Р1) (3.69) (/оээ/ГА1) + (1оээ/РА») — (2/оээКвэ/Кр) + а„ ' где /оэа — стоковый ток насыщении ($'оэ —— О) транзистора (/„ (/р — напряжение отсечки (/2 и $'1 — пороговое напряжение Я1 Комплементарные МОИ-транзисторы (КМОП-структура). В схеме на КМОП-структуре транзисторы (/1 с каналом п-типа и (/2 с каналом р-типа выполняют двоякую функцию: как транзистора.усилителя, так и активной нагрузки.
Коэффициент усиления по напряжению определяется выражением Ар *= — (д/«1 + дп»)/(йо» + яо» + дь), (3.70) Если эти транзисторы имеют одинаковые пороговые напряжения и если значения К одинаковы, то в средней точке активной области (т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
