Концепция активного каскодного транзистора (материал для дополнительного изучения подготовленными студентами с использованием периодической литературы)

Приведем пример того, как добавление дополнительного усилителя с коэффициентом усиления в нужном месте базового каскодного усилителя позволяет в раз увеличить коэффициент усиления всего усилителя. Для простоты предположим, что во всем, кроме ограниченности коэффициента усиления, дополнительный усилитель является идеальным.

На рис. 3.28 приведена схема базового каскодного усилителя с активным каскодным транзистором.

Рис. 3.28. Базовый каскодный усилитель с активным каскодным транзистором.

Малый переменный ток, текущий в канале N2, равен:

(3.90)

Итак, результат эквивалентен увеличению крутизны N2 в раз, поэтому максимальный коэффициент усиления усилителя также увеличивается в раз:

. (3.91)

В действительности дополнительный усилитель является идеальным не, а однокаскадным усилителем с высоким выходным сопротивлением и передаточной функцией приблизительно первого порядка. Другими словами, если дополнительный усилитель является простейшим, и даже не каскодным, передаточная функция дополнительного усилителя имеет, во-первых, третий порядок и, во-вторых, содержит предпосылки к относительно медленному переходному процессу после подачи на вход большого сигнала.

На рис. 3.29 приведена простейшая базовая реализация усилителя с активным каскодным транзистором.

Рис. 3.29. Простейшая

реализация каскодного

усилителя с активным

каскодным транзистором

и дополнительным усили-

телем с передаточной

функцией первого порядка.

- паразитная емкость

узла А;

- паразитная емкость

узла В.

Не проводя громоздкий анализ частотных характеристик, можно показать, что в электрической схеме усилителя на рис. 3.29:

– выходной узел out имеет большое выходное сопротивление , поэтому он определяет свойства основного полюса ;

– узел А в истоке транзистора M2 сам по себе имеет небольшое сопротивление, меньшее величины (при учете выходной емкости , играющей роль виртуального источника питания) однако, поскольку исток транзистора M2 действует на его затвор через инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления , то эффективное выходное сопротивление в узле А оценивается как . В результате узел А ответственен за неосновной полюс ;

– узел В в истоке транзистора M3 сам по себе имеет высокое выходное сопротивление, равное , однако он по переменному току соединен со стоком транзистора M3 через истоковый повторитель на транзисторе M2, поэтому по переменному току имеет низкое выходное сопротивление. В результате узел В также отвечает за неосновной полюс.

Можно показать, что коэффициент усиления усилителя приблизительно (при условии ) равен

. (3.92)

Кратко рассмотрим поведение усилителя как линейной системы во времени. Известно, что линейной системе с передаточной функцией

(3.93)

(здесь параметры а, в, с и d могут быть как действительными, так и комплексными) соответствует экспоненциальный отклик во времени типа

(3.94)

Здесь: ; ; (3.95)

Из (3.93) – (3.95) следует, что наряду с основным откликом во времени, определяемом частотой по уровню – 3 дБ в схеме включения с отрицательной обратной связью существуют дополнительные паразитные отклики с постоянными времени, определяемыми частотами неосновных полюсов и амплитудами, определяемыми разностями частот нуля и полюсов.

В реальных разработках каскодных транзисторов с очень высоким коэффициентом усиления и одновременно высоким быстродействием в режиме большого входного сигнала используют каскодные дополнительные усилители. Результирующая передаточная функция полного усилителя чрезвычайно сложна, поэтому поиск оптимального соотношения между значениями параметров компонентов производят методом оптимизации на компьютере.