Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Форма этих характеристик такая же, как у коэффициента а (см. рис. 5.21). Пусть, как и в предыдущем примере, т„„= 5 нс и у, = 0„4. Тогда 1', = (1/2я) в, = 20 МГц. Особо следует остановиться на входном базовом токе, который определяет входное сопротивление усилителя. В первый момент после подачи входного сигнала, когда б„= О, ток базы равен току эмнттера (рис. 9 7, а): Глава 9.
Основы акалоговой схемотехники 352 9.5. Простейшие усилители на МДП-транзисторах Используются два схемных варианта таких усилителей — с резистивной и с динамической нагрузкой (рис. 9.8). В усилительных каскадах МДП-транзисторы всегда работают на пологих участках характеристик, где крутизна и коэффициент усиления транзистора имеют максимальные значения.
+Е, Пеыз — Е а) Рис. 9.9. Усилительные каскады на МДП-транзисторах: о — с резистивной нагрузкой; 6 — с динамической нагрузкой Усилитель с резистивной нагрузкой. В усилителе с резистивной нагрузкой (рис. 9.8, а) режим покоя характеризуется следующими потенциалами: У = — Е; о н и (9. 22а) (9. 226) Для того чтобы транзистор был открыт, напряжение Уаа о должно превышать пороговое напряжение; значит, в данной схеме должно выполняться условие .Е„> Уо. Потенциал У, о удобно делать равным нулю. Это облегчает каскадирование усилителей: можно непосредственно соединять сток предыдущего каскада с затвором следующего. Ток покоя Е, легко записать, подставляя У,„=У, — У„в о о о о формулу (4.8): 10 = 1/2 Ь (ń— Уо)2, (9.23) Отсюда, задаваясь током Х,, легко найти необходимое значение Ев.
9.5. Простейшие усилители иа МДП-траиаисторах 353 Если напряжения питания Е, и Е„ стабилизированы, то дрейф постоянных составляющих 1, и У, обусловлен в первую очередь дрейфом параметров Ус и Ь. Как известно, (см. с. 112), существует критическое значение тока 1„при котором температурный дрейф минимален (в узком диапазоне температур он близок к нулю). При токах, больших критического, температурный коэффициент тока положительный, а при токах, меньших критического, — отрицательный. Перейдем к оценке коэффициента усиления. Если положить дифференциальное сопротивление стока на пологом участке бесконечно большим (г, = о), то из малосигнальной эквивалентной схемы на рис.
9.9 следует: 1, = ЯУ,„и, следовательно, Рис. 9.9. Зквивалеитиал схема стоковой цепи усилительного каскада Увых 1сВс ЯВсУвх Тогда коэффициент усиления будет иметь вид: (9. 24) Х = У, /У,„= — ЯВ,. Если же сопротивление г, имеет конечную величину, сравнимую с В„то полный ток ЯУ,„распределяется между ветвями В, и г,. При этом ток стока оказывается равным 1, = ЯУ„г, Дг,+ В,). Соответственно У„,х= — 1,В,= — Я(г,!~В,) У,„. Тогда коэффициент усиления можно записать в следующем общем виде: К=— Н 1+ г,/В, (9.2б) где Н = Яг, — собственный коэффициент усиления транзистора (см. (4.18) и сноску на с.
110]. 12 — 3423 354 Глава я Основы аналогоаое схеыотелнннн Из выражения (9.26) видно, что максимальный коэффициент усиления Щ = р получается при условии Я, » г,. На практике это условие невыполнимо; получается большое падение напряжения 1, Я, и соответственно требуется большое напряжение пио тания Ес (см. (9.226Ц. Поэтому обычно В, ~ (0,2 — 0,3) г, и соответственно (К~ < 0,2 )1.
При этом, как легко показать, можно пользоваться формулой (9.24). Усилитель с динамической нагрузкой. В усилителе с динамической нагрузкой (рис. 9.8, 6) нагрузочный транзистор Т2 работает на пологом участке характеристик. Поэтому его сопротивление малым сигналам можно найти, дифференцируя ток /с. по напряжению с1,н в формуле (8.47). Учитывая (4.19а), получаем: Вс = 1)(/сг/1)1сз = 1/Я2 (9.26) где Я2 — крутизна транзистора Т2. Внутреннее сопротивление г, при этом считается бесконечно большим; его учет обычно не существен.
Заменяя в выражении (9.26) сопротивление В, на 1/Я2, коэффициент р на р и подставляя г, = 91/Я, получаем: р1(Я2/Я1) е 1 Я2 (неравенство р1(Я2/Я ) )> 1 обосновано ниже). Поскольку токи обоих транзисторов одинаковы, отношение Я1/Я согласно (4.196) запишется следующим образом: Введем коэффициент В, который с учетом (4.7) характеризует геометрию транзисторов: (9.27а) При одинаковых длинах каналов В = 21/22 (9. 276) 355 5.5. Простейшие усилители иа МДП-траиаисторах Тогда коэффициент усиления можно записать в виде к=- Гв. (9.28) о У. г Уо гв о Усат Уо Подставим сюда значения У,„, = Е„и У,„г — — Есо — У,, котоо о о рые очевидны из рис. 9.8, б.
Тогда связь между коэффициентом усиления и режимом покоя можно представить в виде: Ес (Ус + Уо) (ф Уо (9. 29) Это выражение и по форме, и по существу аналогично выражению (9.6) для усилителя на биполярных транзисторах. Ясно, что напряжение Е„должно быть существенно меньше Е;„однако оно должно заметно превышать Уо во избежание нестабильности. Переходные процессы. В усилителях на МДП-транзисторах переходные процессы связаны с перезарядом паразиткой емкости С„подключенной к стоку активного транзистора (показана штриховой линией на рис. 9.8).
Структура этой емкости та же, что и в МДП-транзисторных ключах [см. (8.62)). Пусть на вход усилителя подан ступенчатый сигнал. При этом ток стока изменится практически мгновенно (с очень малой постоянной времени тэ), а напряжение на стоке будет меняться зкспоненциально, с постоянной времени т,. Операторное изображение коэффициента усиления нетрудно получить из (9.24), заменяя В, полным сопротивлением г,=л,!! зС, Следовательно, коэффициент усиления определяется разме рами каналов у активного и нагрузочного транзисторов, прежде всего, — отношением ширин каналов. Отношение ву!Яг трудно сделать более 60-100, поэтому коэффициент усиления, как правило, составляет всего несколько единиц. Заметим, что коэффициент усиления связан с режимом покоя усилителя.
Действительно, приравнивая друг другу токи обоих транзисторов и используя коэффициент В, легко получить соотношение Глава 9. Основы аналоговой схемотехннкн После элементарных преобразований коэффициент усиления приводится к виду К(в) = К 1 + вт, (9.30) К= 1+ )ю/ю, (9. 31) где ю, = 1/т,. Пусть, например, В, = 20 кОм, С, = 3 пФ; тогда т, = 60 нс, 1, = 130 нс и ), = 1,2 МГц. Эффект Миллера.
Этот эффект упоминался в равд. 8.3 в связи с постоянной времени коллекторной емкости и в равд. 8.6 в связи со структурой суммарной емкости МДП-транзистора (8,52). Сущность эффекта Миллера состоит в том, что эквивалентная входная проводимость активного четырехполюсника, обусловленная обратной связью, отличается от реальной проводимости, включенной в цепь обратной связи. Рассмотрим конкретную схему (рис.
9.10, а), в которой между выходом (стоком) и входом (затвором) имеется комплексная проводимость У. Подадим на и ~ У... вход переменную составляющую напряжения У. Тогда на выходе получится напряжение а) е) КУ, где К вЂ” коэффициент усиРнс. 9.10. Эффект Миллера: а — схема с реальном проводнмо- Таким образом„разность постыл; Э вЂ” схема с аквнвалентной тенциалов на проводимости У проводимостью составит где тс = С,В,. В случае динамической нагрузки под В, понимается дифференциальное сопротивление 1/Я (9.26). Изображению (9.30) соответствует простейшая экспоненциальная функция, которая не раз встречалась выше (см., например, (9.18)). Длительности фронта и среза определяются выражением типа (9.19).
Комплексный коэффициент усиления также имеет традиционную структуру, вытекающую из (9.30): ,9.6. двЕЕеревввельвме усвлвтелв 357 У вЂ” КУ - У (1 — К). Эта разность потенциалов вызовет протекание тока 1 П(1 — К)У. Поскольку ток отбирается от источника входного сигнала, отношение 1/У есть эквивалентная входная проводимость У,„, (рис. 9.10, б). Ее значение У„, = У (1 — К). В рассматриваемой схеме и в большинстве других случаев коэффициент усиления отрицательный. Тогда удобнее использовать запись: Как видим, при условии ~К~ > 1 эквивалентная проводимость может намного превышать реальную.
На практике проводимость У чаще всего представляет собой емкость ( в данном случае это емкость С„). Поэтому обычно эффект Миллера ассоциируется с кажущимся увеличением входной емкости: С... = (1К! + 1) С (9.32) (в формуле (8.52) величина ~К( + 1 была обозначена через К). Однако, если коэффициент усиления схемы положителен, но меньше единицы (например у повторителя, см. равд. 9.7), то эквивалентная входная емкость определяется величиной (1 — К) С и оказывается значительно меньше реальной емкости между входом и выходом.
Подчеркнем, что эффект Миллера имеет общее значение: он не ограничен однокаскадными схемами и типом активных приборов. 9.6. Дифференциальные усилители Схема дифференциального усилителя (ДУ) показана на рис. 9.11. Он состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор, В общей эмиттерной цепи действует источник тока 1з. Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным — разность базовых потенциалов. Глава 9. Основы аналоговой схемотехннкн В целом структура ДУ такая же, как у переключателя тока (см. рис. 8.13), но режим работы другой: ни один из транзисторов не заперт, оба они работают в активном режиме.
Использование источника тока 1о обеспечивает стабильность рабочей точки — токов 1, и напряжений У„. о о Принцип действия. В основе ДУ лежит идеальная симметрия обоих его плеч, т.е. идентичность параметров транзисторов Т1, Т2 и равенство сопротивлений В„1, В„з. Прн этом в отсутст+х вне сигнала токи и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а л„в„выходное напряжение будет рав- но нулю. В силу симметрии нулет1 1у,„„тз вое значение У,„„сохраняется при одновременном и одинаковом Оэ У,„ изменении токов в обоих плечах, какими бы причинами такое изменение ни вызывалось. Следовательно, в идеальном ДУ дрейф вы Я, ходкого напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно больРнс. 9Л1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
