Дифференциальная пара MOSFET с активной нагрузкой
Узнайте о довольно простой, но очень полезной модификации дифференциальной пары MOSFET на основе резистора на резисторе.
Вспомогательная информация
- Дискретные полупроводниковые схемы: дифференциальный усилитель
- Дискретные полупроводниковые схемы: простой Op-Amp
- Изолированные транзисторы с полевым эффектом (MOSFET)
- Основной источник постоянного тока MOSFET
- Базовая дифференциальная пара MOSFET
Во-первых, пассивная нагрузка
Активная загрузка имеет важное значение при разработке высокопроизводительных усилителей. Хотя задействованная схема прост, общая концепция может быть, на мой взгляд, несколько заумной. Таким образом, мы будем тратить свое время на эту тему, с основной целью (как обычно) быть тщательным, интуитивным пониманием.
Начнем с изучения пассивно нагруженного недифференциального МОП-транзистора:
Текущий источник смещает полевой транзистор так, чтобы он мог работать в области насыщения. Напряжение перегрузки (V OV) -ie, напряжение затвора к источнику (V GS) за вычетом порогового напряжения (V TH) будет соответствовать любому значению стока стока I BIAS. Мы предполагаем, что входной сигнал будет синусоидой малой амплитуды без смещения постоянного тока, и, таким образом, напряжение источника будет равно (0 - V OV).
Каков основной механизм усиления в этой схеме «center»> (I_D = \ frac {1} {2} mu_nC_ {ox} frac {W} {L} (V_ {GS} -V_ {TH}) ^ 2 )
Таким образом, наш входной сигнал малой амплитуды создаст малое амплитудное отклонение тока стока. Соотношение между небольшими изменениями входного напряжения и результирующими небольшими изменениями тока стока - это крутизна, обозначаемая g m:
( Delta I_D = \ Delta V_ {GS} times g_m )
Но крутизна - это не то же самое, что усиление усилителя, потому что нам все равно нужно преобразовать этот ток стока в напряжение. Это и есть цель R D: он преобразует изменения стока сточных вод в колебания стока. Из закона Ома мы знаем, что отношение между изменениями тока и изменениями напряжения является сопротивлением R D, и, таким образом, амплитуда изменений напряжения стока будет равна амплитуде изменения напряжения затвора, умноженной на умноженное на g m по R D. Если вспомнить, что затвор является входным узлом, а дренаж является выходным узлом, можно сказать, что величина усиления напряжения (A V) следующая:
( frac { Delta V_ {OUT}} { Delta V_ {IN}} = A_V = g_m \ times R_D )
Поэтому сразу же мы видим, что один очень простой способ увеличить коэффициент усиления - увеличить значение резистора стока. Так зачем беспокоиться об активной нагрузке? Если мы хотим получить больше прибыли, мы просто используем больше сопротивления сливу!
Проблема с дренажным резистором
Существует одна серьезная проблема с подходом с более высокой эффективностью слива: это сопротивление применяется не только к изменениям малого тока в потоке стока, но также к большему установившемуся току стока, требуемому для смещения. Рассмотрим следующую диаграмму:
Таким образом, дренажный резистор создает проблему смещения: большее сопротивление означает большее падение напряжения, а это означает более низкое напряжение смещения для дренажного узла. Это может показаться серьезной проблемой, если вы думаете о поставках ± 15 В, но при поставках ± 3, 3 В нам нужно быть осторожными. Если напряжение слива будет слишком низким, транзистор покинет насыщение и войдет в зону триода, и это не то, что мы можем терпеть - усилители MOSFET должны оставаться насыщенными. Даже если само напряжение смещения недостаточно низкое, чтобы вызвать проблемы, слишком большое отрицательное колебание сигнала может привести FET в зону триода. В любом случае наш усилитель скомпрометирован.
Поэтому использование больших количеств сливного сопротивления нецелесообразно, особенно в современных низковольтных системах. Как мы можем обеспечить дополнительную устойчивость к малым сигналам без возникновения проблем с смещением?
Думая о текущем источнике
Резистор представляет собой преобразователь тока в напряжение. Помните, что устройство для сопротивления, омы, может быть определено как напряжение на ампер: вы помещаете в I amps, вы получаете I × R вольт.
Теперь рассмотрим источник тока в этом же контексте преобразования тока в напряжение. Ток, создаваемый идеальным источником тока, никогда не изменяется, даже когда напряжение на клеммах источника тока чрезвычайно велико. Таким образом, даже малейшее изменение тока соответствует бесконечному изменению напряжения, и в этом смысле источник тока эквивалентен бесконечному сопротивлению; это не слишком удивительно, когда мы вспоминаем, что теоремы сети постоянного тока требуют, чтобы вы заменили источник тока на разомкнутую цепь.
Бесконечность может отвлекать, поэтому давайте перейдем теперь к хорошему, но не идеальному источнику тока. Эквивалентное сопротивление очень велико, 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 дренажного резистора, у нас был бы очень высокий коэффициент усиления, потому что небольшие изменения напряжения затвора приведут к соответствующим изменениям тока стока, а это, в свою очередь, приведет к большим изменениям в сливное напряжение. Кроме того, и это критическая точка - источник тока не будет влиять на условия смещения так же, как резистор, потому что он является источником тока, а не только препятствием для тока.
Предыдущее обсуждение довольно абстрактно, но соответствующие понятия должны помочь посеять семя понимания. Перейдем теперь от теоретического царства к царству.
Два полевых транзистора и текущее зеркало
Вот схема:
Нижняя половина дифференциальной пары такая же, как и ожидаемая от дренажного резистора. Но теперь вместо резисторов для стока мы имеем зеркало тока PMOS. (Мы можем видеть, просто посмотрев на схему, что напряжение затвора будет ниже напряжения источника, и чтобы FET вышел из отсечки с отрицательным напряжением от источника к источнику питания, нам нужен PMOS.)
Если вы прочитали «Основной источник постоянного тока MOSFET» (или если вы знакомы с текущими зеркалами), вы знаете, что «выходной» транзистор (справа) генерирует относительно стабильный ток, пропорциональный току стока «входного» транзистора (слева), называемого опорным током, I REF. Ориентировочный ток, в свою очередь, определяется резистором (то есть резистором настройки тока, R SET).
Итак, где R SET для этого зеркала?
Ну, в этом случае I REF определяется не резистором в зеркале активной нагрузки, а источником тока I BIAS (который в реальной жизни будет текущим зеркалом с резистором, устанавливаемым по току). Кроме того, если мы предполагаем идеальное согласование, ток смещения будет поделен поровну между двумя половинами схемы (как с дифференциальной парой на основе резистора). Это означает, что опорный ток равен I BIAS / 2. Таким образом, входной транзистор зеркала активной нагрузки имеет опорный ток, равный I BIAS / 2, и, следовательно, ток, генерируемый выходным транзистором, будет I BIAS / 2 (если предположить, что Q 3 и Q 4 имеют одинаковую ширину, отношение длины к длине).
Вывод
Мы остановимся здесь. Эта статья предоставила концептуальную основу, представила активно загруженную дифференциальную пару и представила основные условия смещения, связанные с текущим зеркалом активной нагрузки. В следующей статье мы продолжим наш анализ этой важной схемы.
Следующая статья в серии: Преимущества активной дифференциальной пары MOSFET-транзисторов