Усилительные каскады на МОП

Усилительные каскады на полевых транзисторах имеют значительно большее входное сопротивление, чем на биполярных транзисторах. Поэтому в настоящее время они получили широкое распространение. В усилительных каскадах применяются полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом и МОП - транзисторы с индуцированным и встроенным каналом. Используются три схемы включения транзистора: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рисунок 3.5.1-а, -б и -в соответственно). Они являются аналогами соответствующих усилительных каскадов на биполярных транзисторах: ОЭ, ОК. и ОБ.

Наибольшее распространение получил усилительный каскад с общим истоком. Он, как и каскад ОЭ, позволяет получить наибольшее усиление по мощности. Схемы усилительных каскадов с общим истоком на МОП - транзисторе со встроенным каналом и на МОП- транзисторе с индуцированным каналом приведены на рисунке 3.5.2-а и 3.5.2-б соответственно.

В схемах усилителей на рисунках 3.5.1-а и 3.5.2-а в цепь стока включается нагрузочный резистор R_C , на котором выделяется переменная составляющая усиленного напряжения.

Резистор R_Зфиксирует потенциал затвора в режиме покоя на нулевом уровне. Выбор исходного режима транзистора обеспечивается резистором R_И. В режиме покоя напряжение U_ЗИ=- I_ИR_Иотрицательно относительно затвора. Кроме того, резистор R_И создает отрицательную обратную связь по току и стабилизирует режим транзистора. Конденсатор С_И большой емкости шунтирует резистор R_И по переменному току, исключая отрицательную обратную связь для переменного сигнала в области высоких частот. В каскаде на рис. 3.5.2-б в качестве нагрузки R_Св цепи стока транзистора Т1используется транзистор Т2, включенный в режиме двухполюсника. Для отпирания транзистора Т1 в исходном режиме на его затвор с помощью делителя R’_З, R”_Зподается положительное напряжение

Режим транзистора в каскадах на рис. 3.5.1-а и 3.5.2-а можно задать без резистора R_И В каскаде на рисунке. 3.5.2-а МОП - транзистор со встроенным каналом открыт при U_ЗИ = 0, а в каскаде на рис. 3.5.2-б транзистор T1 открыт напряжением с делителя R’_З, R”_З. Поэтому исток может соединяться с общей шиной. Однако и в этих каскадах, как правило, включается резистор R_Идля стабилизации режима транзистора.

Конденсаторы C_Р1 и С_Р2 являются разделительными и выполняют те же функции, что и в усилительных каскадах на биполярных транзисторах.

Ток стока I_C является функцией напряжений U_ЗИи U_СИ. Вычислив приращение тока стока

заменив приращения переменными составляющими (∆I_C= i_С, ∆U_ЗИ = U_ЗИ = U_ВХ, ∆U_СИ= U_ВЫХ) и учитывая, что

получим

(3.5.1)

где S крутизна, a R_i - выходное сопротивление транзистора. Переменную составляющую выходного напряжения можно определить из выходной цепи каскадов (рисунок 3.5.1-а, 3.5.2-а)

(3.5.2)

Знак «-» в выражении (3.5.2) показывает, что с увеличением тока i_С выходное напряжение уменьшается.

Решая совместно (3.5.1) и (3.5.2), находят выходное напряжение

(3.5.3)

На рис. 3.5.3 приведена эквивалентная схема выходной цепи усилительного каскада, соответствующая выражению (3.5.3). Из последнего выражения получается коэффициент усиления

(3.5.4)

Знак «-» в выражении (3.5.4) указывает на изменение полярности усиливаемого сигнала. Выходное сопротивление R_iсовременных полевых транзисторов составляет 10⁴-10⁵ Ом и на практике выполняется неравенство

R_i>>R_C(3.5.5)

С учетом этого коэффициент усиления определяется приближенной формулой

(3.5.6)

Следует заметить, что крутизна транзистора S не является постоянной, а нарастает приблизительно линейно с ростом напряжения U_ЗИ (ток I_С является квадратичной функцией напряжения U_ЗИ). Поэтому соотношения (3.5.4), (3.5.6) справедливы только для заданной рабочей точки при усилении малых сигналов.

Входное сопротивление усилительных каскадов определяется сопротивлением R_З, так как входное сопротивление полевых транзисторов между затвором и истокам имеет порядок 10⁵ Ом, а сопротивление R_З = 10⁴-10⁶ Ом, т. е. R_ВХ ≈R_З. Для каскада на рис. 3.5.2-б

Выходное сопротивление при выполнении неравенства (3.5.5) определяется сопротивлением R_C

В усилителе на рис. 3.5.2-б нагрузкой транзистора T1является выходное сопротивление R_i2транзистора T2 (сопротивление между стоком и истоком при U_ЗИ = U_СИ).Оно выражается приближенным соотношением R_i2,≈ 1/S₂, где S₂ - крутизна транзистора Т2 при U_ЗИ = U_СИ. Тогда с учетом (3.5.6) коэффициент усиления

(3.5.7)

Для получения К_и>1 необходимо, чтобы S₁>S₂. Поскольку крутизна МОП- транзистора определяется отношением ширины канала Z к его длине L, можно заключить, что усиление сигнала в каскаде на рисунке. 3.5.2-б возможно лишь тогда, когда нагрузочный транзистор Т2 имеет значительно более узкий и более длинный канал, чем транзистор Т1. Коэффициент усиления усилительных каскадов на МОП- транзисторах не превышает нескольких единиц.

Частотные характеристики усилительных каскадов в области низких частот определяются емкостью разделительного конденсатора С_P1 при условии, что конденсатор С_Р2 отнесен к последующему каскаду и сопротивлением R_З, т. е. постоянной времени τ_Н =C_pR_З. Нижняя граничная частота ω = 1/τ_Н .В области высоких частот характеристики определяются паразитными емкостями транзистора (С_ЗИ, С_СИ, С_СЗ, С_СП) и нагрузки С_Н. Суммарная паразитная емкость выходной цепи усилительного каскада С_о=С_СИ + С_СП+ С_Н, постоянная времени τ_В= С₀R_C, а верхняя граничная частота ω = 1/τ_В .

Наряду с усилительными каскадами с общим истоком в электронных устройствах применяют усилительный каскад с общим стоком (ОС), который является аналогом эмиттерного повторителя и называется истоковым повторителем (рис 3.5.1-б) В этом каскаде нагрузочный резистор R_И включен в цепь истока, а по переменным составляющим через источник Е_Ссоединен с общей шиной.

Если сопротивление резистора R_Иудовлетворяет неравенству R_И <<R_i , то коэффициент передачи напряжения и выходное сопротивление определяются приближенными формулами:

Входное сопротивление определяется резистором R_Зт. е. R_ВХ = R_З.

Истоковый повторитель имеет большое входное и малое выходное сопротивления, не меняет полярность входного сигнала, его коэффициент передачи близок к единице.

Усилительный каскад с общим затвором (рисунок 3.5.1.-в) является аналогом каскада ОБ и применяется тогда, когда надо снизить уровень шумов, создаваемых затвором, а также в составе каскодного усилителя.

Усилительные каскады на МОП – транзисторах