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)