Дифференциальная пара на MOSFET транзисторах с активной нагрузкой

Рассмотрим довольно простую, но очень выгодную модификацию версии дифференциальной пары на MOSFET транзисторах, использующей резисторы в цепях стоков.

Вспомогательная информация

• Схемы на дискретных полупроводниковых компонентах: Дифференциальный усилитель
• Схемы на дискретных полупроводниковых компонентах: Простой операционный усилитель на дискретных элементах
• Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)
• Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах
• Базовая схема дифференциальной пары на MOSFET транзисторах

Во-первых, пассивная нагрузка

В схемах высокоэффективных усилителей активная нагрузка имеет важное значение. Несмотря на то, что схема проста, общая концепция может быть, на мой взгляд, несколько запутанной. Итак, мы собираемся уделить этой теме некоторое время, и основной целью этого (как обычно) является полное, интуитивное понимание.

Давайте начнем с рассмотрения пассивно нагруженного недифференциального усилителя на MOSFET транзисторе:

Источник тока смещает полевой транзистор, чтобы он мог работать в области насыщения. Напряжение перегрузки (overdrive voltage) (V_перегр), т.е. напряжение затвор-исток (V_зи) минус пороговое напряжение (V_порог), будет равно любому значению, соответствующему току стока I_смещ. Мы предполагаем, что входной сигнал будет синусоидой с малой амплитудой без смещения по постоянному напряжению, и, таким образом, напряжение истока будет равно (0 – V_перегр).

Какой основной механизм усиления в этой схеме? Ну, при смещении в область насыщения полевой транзистор действует как источник тока, управляемый напряжением, причем ток стока (если мы игнорируем модуляцию длины канала) определяется следующей формулой:

\[I_с=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{зи}-V_{порог})^2\]

Таким образом, наш входной сигнал с малой амплитудой будет создавать небольшие отклонения амплитуды тока стока. Соотношение между небольшими изменениями входного напряжения и возникающими в результате небольшими изменениями тока стока представляет собой крутизну характеристики, обозначаемую как g_m:

\[\Delta I_с=\Delta V_{зи}\times g_m\]

Но крутизна характеристики – это не то же самое, что коэффициент усиления усилителя, потому что нам еще нужно преобразовать этот ток стока в напряжение. Как раз для этого и предназначен R_с: он преобразует изменения тока стока в изменения напряжения стока. Из закона Ома мы знаем, что отношение между изменениями тока и изменениями напряжения равно сопротивлению R_с, и, таким образом, амплитуда изменений напряжения стока будет равна амплитуде изменений напряжения затвора, умноженной на g_m и умноженной на R_с. Если вспомнить, что затвор является входным узлом, а сток – выходным, мы можем сказать, что величина коэффициента усиления по напряжению (A_V) равна:

\[\frac{\Delta V_{вых}}{\Delta V_{вх}}=A_V=g_m\times R_с\]

Итак, тут мы сразу же видим один очень простой способ увеличить коэффициент усиления – это увеличить номинал резистора стока. Так зачем беспокоиться об активной нагрузке? Если мы хотим большего усиления, мы просто используем большее сопротивление стока!

Проблема с резистором стока

Существует одна большая проблема с подходом с большим сопротивлением стока: это сопротивление применяется не только к малым колебаниям тока стока, но и к большему постоянному току стока, необходимому для смещения. Рассмотрим следующую схему:

Таким образом, резистор стока создает проблему смещения: чем больше сопротивление, тем больше падение напряжения, а это означает более низкое напряжение точки смещения для узла стока. Это может показаться несерьезной проблемой, если вы используете питание ±15 В, но с напряжениями питания ±3,3 В мы должны быть осторожны. Если напряжение стока становится слишком низким, транзистор выйдет из насыщения и войдет в триодную область, а это не то, что мы можем допустить – усилители на MOSFET транзисторах должны оставаться в насыщении. Даже если само напряжение смещения недостаточно низкое, чтобы вызвать проблемы, вытолкнуть полевой транзистор в триодную область может слишком большое отрицательное изменение сигнала. В любом случае наш усилитель не будет нормально работать.

Поэтому использование большой величины сопротивления стока нецелесообразно, особенно в современных низковольтных системах. Как мы можем обеспечить большее сопротивление малым сигналам без проблем с точкой смещения?

Подумайте об источнике тока

Резистор – это преобразователь тока в напряжение. Помните, что единица измерения сопротивления, Ом, может быть определена как вольт на ампер: вы вводите I ампер и получаете I × R вольт.

Теперь давайте рассмотрим источник тока в том же контексте преобразователя тока в напряжение. Ток, генерируемый идеальным источником тока, никогда не изменяется, даже когда напряжение на клеммах источника тока очень высокое. Таким образом, даже малейшее изменение тока соответствует бесконечному изменению напряжения, и в этом смысле источник тока эквивалентен бесконечному сопротивлению; это не слишком удивительно, если вспомнить, что теория цепей постоянного тока требует замены источника тока на разрыв цепи.

Бесконечность может отвлекать, поэтому давайте теперь перейдем к хорошему, но не идеальному источнику тока. Эквивалентное сопротивление очень высокое, что означает, что небольшие изменения тока приводят к очень большим изменениям напряжения. Если бы мы могли использовать этот хороший, но не идеальный источник тока вместо резистора стока, то получили бы очень высокий коэффициент усиления, потому что небольшие изменения напряжения на затворе приводили бы к соответствующим изменениям тока стока, а это, в свою очередь, приводило бы к большим изменениям напряжения стока. Кроме того (и это критически важный момент) источник тока не будет влиять на условия смещения, как резистор, поскольку он является источником тока, а не просто препятствием для тока.

Предыдущее обсуждение является довольно абстрактным, но эти идеи должны помочь пониманию. Давайте теперь перейдем от теории к реальным схемам.

Два полевых транзистора и токовое зеркало

Схема:

Нижняя половина дифференциальной пары такая же, как и в версии с резисторами стока. Но теперь вместо резисторов мы используем токовое зеркало на PMOS транзисторах (из схемы видно, что напряжение на затворе будет ниже, чем напряжение истока, и чтобы вывести полевой транзистор из режима отсечки при отрицательном напряжении на затворе, нам нужен PMOS транзистор, т.е. полевой транзистор с каналом P-типа).

Если вы читали статью «Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах» (или если вы иным образом знакомы с токовыми зеркалами), вы знаете, что «выходной» транзистор (справа) генерирует относительно стабильный ток, который пропорционален току стока «входного» транзистора (слева), называемого опорным током, I_опор. Опорный ток, в свою очередь, определяется резистором (то есть резистором, устанавливающим ток, R_уст).

Так, где же R_уст в этом зеркале?

Что ж, в этом случае, в зеркале с активной нагрузкой, I_опор определяется не резистором, а источником тока I_смещ (который в реальной жизни был бы токовым зеркалом с резистором для установки тока). Кроме того, если мы предположим, что характеристики компонентов идеально согласованы, ток смещения будет разделен поровну между двумя половинами схемы (как в случае дифференциальной пары с резисторами стока). Это означает, что опорный ток равен I_смещ/2. Таким образом, опорный ток входного транзистора зеркала с активной нагрузкой равен I_смещ/2, и, следовательно, ток, генерируемый выходным транзистором, будет равен I_смещ/2 (при условии, что каналы транзисторов Q₃ и Q₄ имеют одинаковое отношение ширины к длине).

Заключение

Пока мы на этом остановимся. В данной статье была представлена сама концепция, дифференциальная пара с активной нагрузкой и основные условия смещения, связанные с токовым зеркалом с активной нагрузкой. В следующей статье мы продолжим анализ этой важной схемы.

Теги