Дифференциальный каскад как источник тока, управляемый входным напряжением. Несимметричный и симметричный входные сигналы

Далее везде (если другое не указано) при любых значениях входных сигналов и и при сумма токов и равна режимному току, , т.е.

, (3.99а)

В этом случае для переменных составляющих этих токов всегда

. (3.99b)

(1) Пусть на дифференциальные входы дифкаскада подается несимметричный входной переменный сигнал : и . (3.100)

Имеем: (3.101а)

Ток притекает к выходному узлу из источника напряжения .

Через транзистор в источник режимного тока и далее в источник напряжения утекает ток . (3.101b)

Отметим, что в выражениях (3.101а) и (3.101b) потенциал является функцией (см. ниже), и именно этот эффект является причиной того, что ток уменьшился в точности на такую же величину, на которую увеличился ток , несмотря на отсутствие в (3.101b) сигнала .

Поскольку токи и не равны, то единственным путем тока, равного разности и , является путь в нагрузку. Поскольку выходное сопротивление дифкаскада высокое, определяемое сопротивлениями исток-сток в пологой области, то единственно приемлемым типом нагрузки является емкость, например, затвор другого КМДП усилительного каскада, поскольку резистор в нагрузке уменьшит значение . Таким образом, в нагрузку течет дифференциальный ток , равный разности токов и :

(3.102)

Если (условие малого входного сигнала), то

(3.103)

Результат (3.103) позволяет в качестве малосигнальной эквивалентной схемы дифкаскада использовать эквивалентную схему простейшего усилителя на рис. 3.7b.

Малосигнальный низкочастотный коэффициент усиления дифкаскада для несимметричного входного сигнала:

(3.104)

В выражении (3.104) (3.105)

– выходное сопротивление дифкаскада.

Дифкаскад является однокаскадным усилителем, поскольку в нагрузку течет переменный ток, образованный непосредственно во входных транзисторах.

Поскольку выходные сопротивления в узлах А и В низкие, а паразитные емкости в них также невелики (как правило, много меньшие типичной емкости в выходном узле), то задержка фазы сигнала, обязанная постоянным времени перезарядки паразитных емкостей в узлах А и В через их выходные сопротивления и , пренебрежимо малы по сравнению с задержкой фазы, обязанной параметрам выходного узла. В связи с этим малосигнальная АЧХ дифкаскада при в минимальной степени отличается от однополюсной АЧХ простейшего дифкаскада (см. выражение (3.14)), и выражение для можно считать аналогичным выражению (3.23):

(3.106)

Очевидно, что увеличение абсолютной величины ведет ко все большему различию абсолютных величин и . Рассмотрим поведение дифкаскада при возрастании .

Подставляя (3.101а) и (3.101b) в (3.99а), нетрудно получить:

(3.107а)

Пользуясь равенством при условии

(3.107b)

выражение (3.107а) переписываем в виде:

(3.107с)

или (3.107d)

Из (3.107) можно сделать следующие выводы.

(*) Если (3.108а)

то в обоих транзисторах М1 и М2 токи и однозначно зависят от входного сигнала. Этот режим работы дифкаскада является активным,и емкость перезаряжается разностью токов и согласно выражению (3.102).

(**)В граничном состоянии имеем . Согласно (3.107d), потенциал увеличился на по сравнению с режимом покоя, когда (как упоминалось выше, при несимметричном входном сигнале именно эффект увеличения является причиной уменьшения тока при увеличении тока ). В результате , и весь режимный ток течет только через транзисторы и , «отражается» в , и емкость нагрузки заряжается в направлении положительного напряжения питания постоянным током . При этом потенциал увеличился на .

(***)Если (3.108b)

то дифкаскад полностью работает вне активного режима, , емкость нагрузки заряжается в направлении положительного напряжения питания нерегулируемым постоянным током , а потенциал «следит» за потенциалом , как в истоковом повторителе на транзисторе , начиная с величины относительно величины режима покоя, когда .

(2)Пусть на входы дифкаскада подается симметричный сигнал:

; . (3.109)

(3.110)

Из (3.110)следует, что при симметричном сигнале на входе дифкаскада на базе транзисторов с квадратичными характеристиками система остается линейной не только для малых сигналов, для которых необходимо . Достаточно, чтобы выполнялось условие , т.е. условие работы дифкаскада лишь в активном режиме.

Проанализируем поведение дифкаскада при увеличении .

Подставляя (3.109) в выражения для М1 и М2, а последние – в (3.99а), получаем:

(3.111а)

или (3.111b)

(****) При (3.112а)

дифкаскад работает в активном режиме. При этом в 2 раза меньшее изменение потенциала в сравнении с режимом несимметричного входного сигнала, снижает вклад узла В в паразитное отставание фазы сигнала, проходящего через дифкаскад.

(*****) Режим большого сигнала наступает при . (3.112b)

При этом потенциал «следит» за потенциалом , как в истоковом повторителе на транзисторе , начиная с величины относительно величины режима покоя, когда .