Роль емкости в выходном узле каскодного усилителя.

Диапазон изменения напряжения на выходе каскодного усилителя

Следует отметить, что выражение (3.80) представляет замечательный результат. Из него следует, что в узле А истока каскодного транзистора выходное сопротивление идентично сопротивлению на выходе истокового повторителя, несмотря на то, что в истоковом повторителе сток транзистора непосредственно присоединен к источникунапряжения, а в каскодном усилителе

– посредством источника тока. В последнем случае ток, втекающий в каскодный транзистор должен быть постоянными не зависеть от сигнала, что при идеальной токовой нагрузке предполагает бесконечное сопротивление в узле А.

Проведем прямой расчет выходного сопротивления в узле А используемым ранее методом, предполагаемым исключение всех реактивных элементов. Нагрузочный элемент, в целях общности, является не идеальным источником тока, а обычно используемой каскодной сборкой транзисторов противоположного типа с ограниченным, хотя и высоким значением дифференциального сопротивления . Соответствующие электрическая схема каскодного усилителя с общим истоком и эквивалентная малосигнальная схема расчета выходного сопротивления в узле А приведены на рис. 3.23.

Рис. 3.23. (а) базовый каскодный усилитель с общим истоком; (b) эквивалентная схема базового каскодного усилителя с резистором в нагрузке для расчета выходного сопротивления в узле А. Все реактивные элементы исключены.

Система уравнений Кирхгофа:

(3.84а)

(3.84b)

Из (3.84) получаем выражение для низкочастотного активного выходного сопротивления узла А:

(3.85а)

При стандартном условии выражение (3.85а) упрощается:

(3.85b)

Нагрузка обычно представляет собой каскодную пару РМДП транзисторов с параметрами, близкими к параметрам NМДП транзисторов М1 и М2, т.е. . Исходя из этого можно оценить :

(3.85с)

Итак, для эквивалентной схемы на рис. 3.23b значение низкочастотного активного выходного сопротивления в узле А получается нежелательно высоким.

Если уменьшить хотя бы до значения , то тогда , что еще допустимо, но при этом коэффициент усиления будет ниже в раз, т.е. потеряет смысл добавление каскодного транзистора. Физически большое выходное сопротивление в истоке М2 получено из—за ограничения резистором пределов изменения тока в стоке транзистора М2.

Спасением ситуации служит добавление к выходному узлу нагрузочной емкости , которая является накопителем заряда и которая поставляет этот заряд в канал М2 при необходимости изменения в нем тока. Иначе говоря, конденсатор , являясь источником заряда, фактически служит виртуальным источником питания на достаточно больших частотах, когда за период колебаний заряд и потенциал на конденсаторе изменяются незначительно. Последнее же как раз и является формальным признаком того, что узел подключен к источнику питания т.е. к «земле» для малого переменного сигнала большой частоты.

Выполнение конденсатором роли виртуального источника питания только на высоких частотах является вполне достаточным, поскольку опасность нежелательных фазовых сдвигов появляется именно на больших частотах, сравнимых с частотой .

Искусственно вводить емкость также не требуется, поскольку каскодный усилитель всегда работает на какую-нибудь емкостную нагрузку, что внутренне присуще КМДП ИС.

В дополнение к представленным выше замечательным качествам, каскодный усилитель имеет (вероятно, для равновесия) не менее значимое отрицательное качество, а, именно, уменьшенный диапазон изменения выходного напряжения в сравнении с НЕкаскодным усилителем.