Общий источник

В электронике усилитель с общим истоком — это одна из трех основных топологий усилителя на однокаскадном полевом транзисторе (FET), обычно используемая в качестве усилителя напряжения или транскондуктивного усилителя . Самый простой способ определить, является ли FET общим источником, общим стоком или общим затвором , — это проверить, где сигнал входит и выходит. Оставшийся вывод — это то, что известно как «общий». В этом примере сигнал входит в затвор и выходит из стока. Единственный оставшийся вывод — это источник. Это схема FET с общим истоком. Аналогичную схему биполярного транзистора можно рассматривать как усилитель транскондуктивности или как усилитель напряжения. (См. классификацию усилителей ). В качестве усилителя транскондуктивности входное напряжение рассматривается как модулирующее ток, идущий к нагрузке. В качестве усилителя напряжения входное напряжение модулирует ток, протекающий через FET, изменяя напряжение на выходном сопротивлении в соответствии с законом Ома . Однако выходное сопротивление устройства FET обычно недостаточно высоко для разумного усилителя крутизны ( в идеале бесконечно ), 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 устройствами с низким сопротивлением, такими как динамик (имеющий сопротивление 8 Ом). Другим серьезным недостатком является ограниченный высокочастотный отклик усилителя. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения ( общий сток или каскад CD), либо через повторитель тока ( общий затвор или каскад CG), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Комбинация CS–CG называется каскодным усилителем.

Характеристики

На низких частотах и с использованием упрощенной гибридной пи-модели (где выходное сопротивление, обусловленное модуляцией длины канала, не учитывается) можно получить следующие характеристики замкнутого контура малого сигнала .

Пропускная способность

Рисунок 3: Базовый усилитель с общим истоком на N-канальном МОП-транзисторе с активной нагрузкой I _D .

Рисунок 4: Схема слабого сигнала для усилителя с общим истоком на N-канальном МОП-транзисторе.

Рисунок 5: Схема малого сигнала для усилителя с общим истоком на N-канальном МОП-транзисторе, использующая теорему Миллера для введения емкости Миллера C _M .

Полоса пропускания усилителя с общим истоком имеет тенденцию быть низкой из-за высокой емкости, возникающей из-за эффекта Миллера . Емкость затвор-сток эффективно умножается на коэффициент , таким образом увеличивая общую входную емкость и уменьшая общую полосу пропускания. $1+|A_{\text{v}}|\,$

На рисунке 3 показан усилитель с общим истоком на МОП-транзисторе с активной нагрузкой . На рисунке 4 показана соответствующая схема малого сигнала, когда на выходном узле добавлен нагрузочный резистор R _{L , а на входном узле добавлен}драйвер Тевенина с приложенным напряжением V _A и последовательным сопротивлением R _A . Ограничение полосы пропускания в этой схеме обусловлено связью паразитной емкости транзистора C _gd между затвором и стоком и последовательным сопротивлением источника R _A . (Существуют и другие паразитные емкости, но здесь они не учитываются, поскольку оказывают лишь второстепенное влияние на полосу пропускания.)

Используя теорему Миллера , схема на рисунке 4 преобразуется в схему на рисунке 5, которая показывает емкость Миллера C _M на входной стороне схемы. Размер C _M определяется путем уравнивания тока во входной цепи на рисунке 5 через емкость Миллера, скажем i _M , которая равна:

\ i_{\mathrm {M} }=j\omega C_{\mathrm {M} }v_{\mathrm {GS} }=j\omega C_{\mathrm {M} }v_{\mathrm {G} }

к току, потребляемому от входа конденсатором C _gd на рисунке 4, а именно jωC _gd v _GD . Эти два тока одинаковы, что делает две схемы имеющими одинаковое поведение на входе, при условии, что емкость Миллера определяется как:

C_{\mathrm {M} }=C_{\mathrm {gd} }{\frac {v_{\mathrm {GD} }}{v_{\mathrm {GS} }}}=C_{\mathrm {gd} }\left(1-{\frac {v_{\mathrm {D} }}{v_{\mathrm {G} }}}\right)

Обычно частотная зависимость коэффициента усиления v _D / v _G не важна для частот, даже немного превышающих угловую частоту усилителя, что означает, что низкочастотная гибридная пи-модель точна для определения v _D / v _G . Эта оценка является приближением Миллера ^[1] и дает оценку (просто установите емкости на ноль на рисунке 5):

{\frac {v_{\mathrm {D} }}{v_{\mathrm {G} }}}\approx -g_{\mathrm {m} }(r_{\mathrm {O} }\parallel R_{\mathrm {L} })

поэтому емкость Миллера равна

C_{\mathrm {M} }=C_{\mathrm {gd} }\left(1+g_{\mathrm {m} }(r_{\mathrm {O} }\parallel R_{\mathrm {L} })\right)

Коэффициент усиления g _m ( r _O || R _L ) велик для большого 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 приемов. Один из приемов — добавить каскад с общим затвором (повторитель тока) для создания каскодной схемы. Каскад повторителя тока представляет нагрузку для каскада с общим истоком, которая очень мала, а именно входное сопротивление повторителя тока ( R _L ≈ 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 посредством деления напряжения следующим образом:

v_{\mathrm {G} }=V_{\mathrm {A} }{\frac {1/(j\omega C_{\mathrm {M} })}{1/(j\omega C_{\mathrm {M} })+R_{\mathrm {A} }}}=V_{\mathrm {A} }{\frac {1}{1+j\omega C_{\mathrm {M} }R_{\mathrm {A} }}}

Полоса пропускания (также называемая частотой 3 дБ) — это частота, на которой сигнал падает до 1/ √ 2 от его низкочастотного значения. (В децибелах дБ( √ 2 ) = 3,01 дБ). Уменьшение до 1/ √ 2 происходит, когда ωC _M R _A = 1, делая входной сигнал при этом значении ω (назовем это значение ω _{3 дБ} , скажем) v _G = V _A / (1+j). Величина (1+j) = √ 2 . В результате частота 3 дБ f _{3 дБ} = ω _{3 дБ} / (2π) равна:

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} })]}}

Если паразитная емкость затвор-исток C _gs включена в анализ, то она просто параллельна C _M , поэтому

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} }))]}}

Обратите внимание, что f _{3 дБ} становится большим, если сопротивление источника R _A мало, поэтому усиление Миллера емкости мало влияет на полосу пропускания для малых R _A . Это наблюдение предполагает еще один трюк схемы для увеличения полосы пропускания: добавить каскад с общим стоком (повторитель напряжения) между драйвером и каскадом с общим истоком, чтобы сопротивление Тевенина объединенного драйвера и повторителя напряжения было меньше, чем R _A исходного драйвера. ^[3]

Исследование выходной стороны схемы на рисунке 2 позволяет найти частотную зависимость коэффициента усиления vD / vG , что позволяет проверить, что низкочастотная оценка емкости Миллера достаточна для частот f, даже больших, чем f3 _{дБ .}₍ См. статью о расщеплении полюсов , чтобы узнать _, как обрабатывается выходная сторона схемы.)

Смотрите также

Ссылки

^ RR Spencer; MS Ghausi (2003). Введение в проектирование электронных схем. Upper Saddle River NJ: Prentice Hall/Pearson Education, Inc. стр. 533. ISBN 0-201-36183-3.
^ Томас Х. Ли (2004). Проектирование КМОП-радиочастотных интегральных схем (Второе издание). Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. С. 246–248. ISBN 0-521-83539-9.
^ Томас Х. Ли (2004). С. 251–252. ISBN 0-521-83539-9.

Внешние ссылки

Усилительный каскад с общим источником