Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е) - Хоровиц Пауль - Страница 60

На рис. 3.25 показан простейший истоковый повторитель.

Рис. 3.25.

Мы можем выразить амплитуду выходного сигнала, как делали это для эмиттерного повторителя в разд. 2.11, через крутизну. Имеем:

u_И = R_нi_С, так как i₃ пренебрежимо мал; при этом, поскольку i_С = g_mu_ЗИ = g_m(u₃ — u_И), то u_И = [R_нg_m/(1 + R_нg_m)]u₃. При R_н >> 1/g_m мы имеем хороший повторитель (u_И ~= u₃) с коэффициентом усиления, близким к единице, хотя всегда меньше единицы.

Выходное сопротивление. Предыдущую формулу для u_И можно было бы считать не приближенным, а точным выражением, если бы выходное сопротивление истокового повторителя было равно 1/g_m, (попробуйте произвести соответствующие расчеты, рассматривая напряжение источника как источник, который будучи включен последовательно с 1/g_m, работает на нагрузку R_н). Это точный аналог ситуации с эмиттерным повторителем, у которого выходное полное сопротивление равно r_Э = 25/I_Кили 1/g_m. Легко показать, что истоковый повторитель имеет полное выходное сопротивление 1/g_m, определив ток истока при сигнале, приложенном к выходу при заземленном затворе (рис. 3.26).

Рис. 3.26.

Ток стока в этом случае равен i_C = g_mu_ЗИ = g_mu, а r_вых = u/i_C = 1/g_m.

Обычно r_вых составляет несколько сот ом при токах в несколько миллиампер. Как легко видеть, истоковые повторители не столь совершенны, как эмиттерные повторители.

У данной схемы два недостатка:

1. Относительно большое выходное полное сопротивление означает, что амплитуда выходного сигнала может быть значительно меньше, чем амплитуда входного, даже при высоком полном сопротивлении нагрузки, так как любое R_н образует в сочетании с выходным сопротивлением истока делитель. Кроме того, так как ток стока меняется на протяжении периода сигнала, поэтому g_m и вместе с ней выходное полное сопротивление будут изменяться, внося в выходной сигнал некоторую нелинейность (искажения). Эту ситуацию можно улучшить, используя ПТ с большой крутизной, но лучшим решением является комбинированный (ПТ-биполярный транзистор) повторитель.

2. Так как величина U_ЗИ, необходимая для задания определенного рабочего тока, — трудно контролируемый при изготовлении параметр, то истоковый повторитель имеет непредсказуемое смещение по постоянному току - серьезный минус при использовании в схемах со связями по постоянному току.

Активная нагрузка. Путем добавления нескольких элементов истоковый повторитель может быть очень сильно улучшен. Рассмотрим это поэтапно.

Во-первых, заменим R_н источником тока (отбирающим ток, рис. 3.27).

Рис. 3.27.

Постоянный ток истока стабилизирует напряжение U_ЗИ, а это устраняет нелинейности. Для простоты можно считать, что значение R_н становится бесконечным — эффект, создаваемый источником тока в качестве нагрузки. Схема на рис. 3.27, б имеет еще одно преимущество в виде малого выходного сопротивления при сохранении приближенного постоянства тока истока U_БЭ/R_см. По-прежнему, правда, существует проблема непредсказуемого (а потому ненулевого) напряжения смещения от входа к выходу U_ЗИ (для схемы 3.27,б — U_ЗИ + U_БЭ). Можно было бы, конечно, просто отрегулировать I_см к значению I_{С нач} для конкретного ПТ в схеме 3.27, а или отрегулировать также R_см на схеме 3.27, б. Но это решение плохо по двум причинам: а) требуется индивидуальная регулировка для каждого ПТ; б) даже и при этом I_С может сильно меняться (почти двукратно) при изменении температуры в рабочем диапазоне при данном U_ЗИ.

В более качественных схемах применяются согласованные пары ПТ с нулевым смещением (рис. 3.28).

Рис. 3.28.

T₁ и Т₂ — это согласованная пара на отдельном кремниевом кристалле. Т₂ отбирает ток точно отвечающий условию U_ЗИ = 0, поэтому, так как для обоих ПТ U_ЗИ = 0, T₁ есть повторитель с нулевым смещением. Так как оба ПТ находятся в одних и тех же температурных условиях, смещение остается почти нулевым при любой температуре. Обычно в предыдущей схеме добавляют небольшие истоковые резисторы (рис. 3.29).

Рис. 3.29.

Если чуть подумать, то будет ясно, что резистор R₁ необходим, а равенство R₁ = R₂ гарантирует, что U_вых = U_вх, если Т₁ и Т₂ согласованы. Эта модификация схемы улучшает предсказуемость I_С, позволяет установить значение тока стока, отличное от I_{С нач} и улучшает линейность, поскольку ПТ как источник тока работает лучше при значениях рабочего тока, меньших I_{С нач}. Такой повторитель широко применяется в качестве входного каскада усилителя вертикального отклонения осциллографа.

Чтобы «выжать» из схемы все возможное, можно добавить в нее цепь следящей обратной связи со стока (чтобы скомпенсировать входную емкость) и выходной каскад на биполярном транзисторе для получения низкого полного выходного сопротивления. Тот же выходной сигнал можно затем использовать для запитки внутреннего «защитного» экрана, эффективно понижающего влияние емкости экранированного кабеля, которая в противном случае катастрофически ухудшила бы параметры схемы с высоким сопротивлением источника сигналов и свела бы на нет большое полное входное сопротивление, свойственное буферному усилителю.

3.09. Ток затвора ПТ

Мы уже говорили вначале, что ПТ вообще и МОП-транзисторы в особенности имеют практически нулевой ток затвора. Это, возможно, наиболее важное свойство ПТ и оно использовалось в описанных в предыдущем разделе высокоомных усилителях и повторителях. Существенным оно будет и в тех применениях, о которых речь впереди — самые существенные из них аналоговые ключи и цифровые логические схемы.

Разумеется, при пристальном рассмотрении мы увидим, что какой-то ток через затвор все же течет. Это важно знать, поскольку наивная модель с нулевым током гарантирует, что раньше или позже, но вы ошибетесь. Фактически к возникновению конечного (ненулевого) тока затвора приводит ряд механизмов. Даже у МОП-транзисторов изоляция затвора (двуокись кремния), несовершенна, что приводит к токам утечки, находящимся в пикоамперном диапазоне. У ПТ с p-n-переходом «изоляция» затвора на самом деле является обратносмещенным диодным переходом и механизмы тока утечки через него те же, что и у обычного диода. Кроме того, ПТ с p-n-переходом (n-канальные в особенности) подвержены дополнительному эффекту, известному как ток «ударной ионизации» затвора; он может достигать астрономических уровней. И наконец, как ПТ с p-n-переходом, так и МОП-транзисторы имеют динамический ток затвора, возникающий при воздействии сигналов переменного тока на емкость затвора; это может вызвать эффект Миллера, совсем как у биполярных транзисторов.