Запорожец  Издания 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 [ 88 ] 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193

(минимум) для всех транзисторов и примем /q = 20 мкА - вполне оазумное значение. В этом случае получим

= IqIWj = 20 мкА/100 мВ = 200 мкСм; 02 = У2л,я„„ = 20 мкА/400В =

= 0,05 мкСм = 50 нСм (максимум); ёо. = (..р, = 20 МКА/400В = (4.71)

= 0,05 мкСм = 50 нСм (максимум); g, = Ijpp2nVy = 20 мкА/(50-50-2-1,5-25 мВ) =

= 107 нСм (максимум).

Следовательно, общая проводимость, g,, равна сумме = g + + goi + gid = 50 нСм -1- 50 нСм + 107 нСм = 207 нСм (максимум). Для первого каскада (дифференциальный усилитель) коэффициент усиления по напряжению на нулевой частоте поэтому равен

А у (0) = 2g/gf = 2-200 мкСм/207 мкСм (максимум) =

= 1,932 (минимум). (4.72)

Этот результат показывает, что при использовании активной нагрузки можно получить достаточно большой коэффициент усиления по напряжению даже в одном каскаде усиления.

Проведенный анализ показывает, что динамическая проводимость активной нагрузки составляет всего 50 нСм (максимум), что соответствует динамическому сопротивлению Гд = 20 МОм (минимум), следовательно, можно получить очень большой коэффициент усиления первого каскада. Несмотря на значительное динамическое сопротивление, падение напряжения на активной нагрузке составляет всего 2Vhe 1.2 В. Если бы в этой схеме использовался обычный нагрузочный резистор с таким большим сопротивлением, то падение напряжения на нем было бы 10 мкА X 20 МОм = 200 В! Более того, такой большой резистор занимал бы огромную площадь на кристалле ИС, а связанная с ним паразитная емкость была бы недопустимо большой. В свою очередь сочетание большого сопротивления и очень большой паразитной емкости привело бы к существенному ухудшению частотной характеристики.

Поскольку падение напряжения на транзисторах активной на-РУзки Qg и Q примерно равно 2Vbe 1,2 В, напряжение на коллекторах Q и Q равно - 2Vbe « - 1,2 В. Падение пряжения на переходе база-эмиттер связано логарифмической висимостью с током через него, и при изменении тока в отно-нии ю ! 1 результирующее изменение Vbe составит всего



270 Глава 4

60 мВ. Поэтому падение напряжения на активной нагрузке в реальных условиях работы будет примерно постоянным и будет составлять около 1,2 В.

Максимальное напряжение на базах Qi и Qg, не приводящее к насыщению транзисторов, не должно превышать напряжение на коллекторах более чем на 0,5 В. Следовательно, диапазон изменения входного напряжения ограничен сверху величиной

- 1,2 -f 0,5 = V - 0,7 В, что всего на 0,7 В меньше положительного напряжения питания.

Активная нагрузка содержит только два или три транзистора и поэтому занимает очень мало места на кристалле ИС. Выходная или коллекторная емкость определяет паразитную емкость активной нагрузки и приблизительно равна 3-10 пф, т. е, относительно невелика. Активная нагрузка позволяет получить коэффициент усиления каскада дифференциального усилителя более 1000, причем падение напряжения на ней будет не более чем 1,2 В. Таким образом, активная нагрузка не подвержена недостаткам пассивной нагрузки. Кроме того, немаловажно, что все проводимости первого каскада пропорциональны Iq, поэтому коэффициент усиления этого каскада не зависит от начального тока. Значение Iq можно выбрать достаточно малым (<20 мкА), причем коэффициент усиления в этом случае останется большим. Желательно, чтобы Iq было мало, так как это приведет к малому а входное сопротивление станет большим. В рассмотренном выше примере входной ток смещения (или базовый ток) /д = 10 мкА/50 (минимум) == 200 нА (максимум), а дифференциальное входное сопротивление г,- = 2Vt/Ib ~ 50 мВ/0,2 мкА = = 250 МОм (минимум). Выбор слишком малых величин Iq нежелателен, так как это приведет к сокращению частотного диапазона и ухудшению переходной характеристики усилителя. В большинстве случаев, когда необходимо, чтобы /д было мало, лучше всего использовать в дифференциальном усилителе полевые транзисторы (МОП или с рп-переходом), работающие при относительно больших токах Iq.

В заключение отметим, что при использовании активной нагрузки уровень иапряжения на коллекгорах двух транзисторов дис{зференциального усилителя остается практически постоянным и одинаковым. По этой причине уменьшается часть напряжения смещения, вызванная разностью коллекторных напряжений пары транзисторов.

4.3.1. Дифференциальный усилитель на МОП-транзисторах с активной нагрузкой в виде схемы токового зеркала. Рассмотрим дифференциальный усилитель на ЛЮП-транзнсторах с активной нагрузкой в виде схемы токового зеркала (рис. 4.17). Коэффициент усиления на нулевой частоте задается выражением



(4.73)

где = si - - дифференциальное входное напряжение;

передаточная проводимость дифференциального усилителя,

% = {KlQ/2yi = (/q/2) (lGs " v,); go и gr - динамические выходные проводимости соответственно транзисторов и Q. Для выходной проводимости можно записать:

о2 Sds2 ОзУл (п)

goi =

= «5./л(.) = (У2)/л(р)-

(4.74)

Параметр транзистора l/V - это коэффициент модуляции длины канала (см. приложение Б). Множитель 2 в выражении (4.73) - результат удвоения тока схемой токового зеркала, точно так же как и в аналогичной схеме на биполярных транзисторах.

Рис. 4.17. Дифференциальный усилитель на МОП-транзисторах с активной нагрузкой в виде схемы токового зер кала.

После подстановки приведенных В1Ч>ажений для gf, £«И Выражение (4.73) принимает вид

Av, (0) =

(4.75)

Например, если Vos - Vt = I В а Уа(п) = (р) = 60 В, то оэффициент усиления по напряжению на нулевой частоте МО) = 60. Сравните это число с коэффициентом усиления фференциальных усилителей на биполярных транзисторах, ко-°Рый равен примерно 1000.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 [ 88 ] 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193