В электронике усилитель с общим истоком — это одна из трех основных топологий однокаскадного усилителя на полевых транзисторах ( FET), обычно используемых в качестве усилителя напряжения или крутизны . Самый простой способ определить, является ли полевой транзистор общим истоком, общим стоком или общим затвором, — это проверить, где сигнал входит и выходит. Оставшийся терминал известен как «общий». В этом примере сигнал поступает в затвор и выходит из стока. Единственный оставшийся терминал — это источник. Это схема на полевом транзисторе с общим истоком. Аналогичную схему биполярного переходного транзистора можно рассматривать как усилитель крутизны или как усилитель напряжения. (См. классификацию усилителей ). В усилителе крутизны входное напряжение модулирует ток, идущий на нагрузку. В качестве усилителя напряжения входное напряжение модулирует ток, протекающий через полевой транзистор, изменяя напряжение на выходном сопротивлении в соответствии с законом Ома . Однако выходное сопротивление полевого транзистора обычно недостаточно велико для разумного усилителя крутизны ( в идеале бесконечное ) и недостаточно низко для приличного усилителя напряжения ( в идеале равно нулю ). Как видно из формулы ниже, коэффициент усиления напряжения зависит от сопротивления нагрузки, поэтому его нельзя применять для управления низкоомными устройствами, например динамиком (имеющим сопротивление 8 Ом). Еще одним существенным недостатком является ограниченный диапазон высоких частот усилителя. Поэтому на практике выходной сигнал часто направляется либо через повторитель напряжения ( стадия с общим стоком или каскад CD), либо через повторитель тока ( стадия с общим затвором или каскад CG), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Комбинация CS-CG называется каскодным усилителем.
На низких частотах и с использованием упрощенной модели гибридного пи (где не учитывается выходное сопротивление из-за модуляции длины канала) можно получить следующие характеристики малого сигнала с обратной связью.
Полоса пропускания усилителя с общим истоком имеет тенденцию быть низкой из-за высокой емкости, возникающей в результате эффекта Миллера . Емкость затвор-сток эффективно умножается на коэффициент , тем самым увеличивая общую входную емкость и уменьшая общую полосу пропускания.
На рисунке 3 показан усилитель с общим истоком на МОП-транзисторе с активной нагрузкой . На рисунке 4 показана соответствующая схема слабого сигнала, когда нагрузочный резистор RL добавлен в выходном узле, а драйвер Тевенена с приложенным напряжением VA и последовательным сопротивлением RA добавлен во входном узле. Ограничение полосы пропускания в этой схеме обусловлено связью паразитной емкости транзистора C gd между затвором и стоком и последовательным сопротивлением истока R A . (Существуют и другие паразитные емкости, но ими здесь пренебрегают, поскольку они оказывают лишь вторичное влияние на полосу пропускания.)
С помощью теоремы Миллера схема на рисунке 4 преобразуется в схему на рисунке 5, на которой показана емкость Миллера C M на входной стороне схемы. Размер C M определяется путем приравнивания тока во входной цепи рисунка 5 к емкости Миллера, скажем, i M , которая равна:
току, потребляемому со входа конденсатора C gd на рисунке 4, а именно jωC gd v GD . Эти два тока одинаковы, поэтому две цепи имеют одинаковое входное поведение, при условии, что емкость Миллера определяется выражением:
Обычно частотная зависимость коэффициента усиления v D / v G не имеет значения для частот даже несколько выше угловой частоты усилителя, а это означает, что низкочастотная гибридная пи-модель является точной для определения v D / v G. Эта оценка является приближением Миллера [1] и дает оценку (просто установите емкости равными нулю на рисунке 5):
поэтому емкость Миллера равна
Коэффициент усиления g m ( r O || R L ) велик для больших R L , поэтому даже небольшая паразитная емкость C gd может оказать большое влияние на частотную характеристику усилителя, и для противодействия этому эффекту используется множество схемных уловок. . Один из трюков заключается в добавлении каскада с общим затвором (повторителя тока) для создания каскодной схемы. Стадия повторителя тока представляет собой очень небольшую нагрузку для каскада с общим истоком, а именно входное сопротивление повторителя тока ( RL ≈ 1/ g m ≈ V ov /(2 I D ); см. общий затвор ). Малый R L уменьшает C M . [2] В статье об усилителе с общим эмиттером обсуждаются другие решения этой проблемы.
Возвращаясь к рисунку 5, напряжение затвора связано с входным сигналом делением напряжения следующим образом:
Полоса пропускания (также называемая частотой 3 дБ) — это частота, на которой сигнал падает до 1/ √ 2 от своего низкочастотного значения. (В децибелах , дБ( √ 2 ) = 3,01 дБ). Снижение до 1/ √ 2 происходит, когда ωC M R A = 1, в результате чего входной сигнал имеет это значение ω (назовем это значение ω , скажем, 3 дБ ) v G = V A / (1+j). Величина (1+j) = √ 2 . В результате частота 3 дБ f 3 дБ = ω 3 дБ /(2π) равна:
Если в анализ включена паразитная емкость затвор-исток C gs , она просто параллельна C M , поэтому
Обратите внимание, что f 3 дБ становится большим, если сопротивление источника R A мало, поэтому миллеровское усиление емкости мало влияет на полосу пропускания при малых R A . Это наблюдение предполагает еще один схемный прием для увеличения полосы пропускания: добавьте каскад с общим стоком (повторитель напряжения) между драйвером и каскадом с общим истоком, чтобы сопротивление Тевенина комбинированного драйвера и повторителя напряжения было меньше, чем R A исходного . Водитель. [3]
Исследование выходной стороны схемы на рисунке 2 позволяет найти частотную зависимость коэффициента усиления v D / v G , обеспечивая проверку того, что низкочастотная оценка емкости Миллера адекватна для частот f даже больше, чем f 3 дБ . (См. статью о разделении полюсов , чтобы узнать, как обрабатывается выходная часть цепи.)
![{\displaystyle f_{\mathrm {3dB} }={\frac {1}{2\pi R_ {\mathrm {A} }C_ {\mathrm {M} }}}={\frac {1}{2\ pi R_ {\ mathrm {A} } [C_ {\ mathrm {gd} } (1+g_ {\ mathrm {m} } (r_ {\ mathrm {O} } \ parallel R_ {\ mathrm {L} })] }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/80495f020da5aece3e61f21738d61ab16c636e5b)
![{\displaystyle f_{\mathrm {3dB} }={\frac {1}{2\pi R_ {\mathrm {A} }(C_{\mathrm {M} }+C_{\mathrm {gs} })} }={\frac {1}{2\pi R_{\mathrm {A} }[C_{\mathrm {gs} }+C_{\mathrm {gd} }(1+g_{\mathrm {m} }( r_ {\ mathrm {O} } \ parallel R_ {\ mathrm {L} }))]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6b45722804f6daf3ba64cfb06d8af586da60770b)