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).