3. Каскады на моп-транзисторах. Схемотехника источников тока и токовых зеркал, каскадов с общим истоком и истоковых повторителей
3.1. Особенности моп-транзисторов
В зависимости от конструкции МОП содержат три (затвор G, исток S, сток D) электрода или (плюс электрод контакта к карману В) четыре. Если четвертый электрод на схеме не показан, то его подключение оговаривается отдельно. Как правило, карман n-МОП (p-типа проводимости) подсоединен к нулевому потенциалу, а карман р-МОП (n-типа проводимости) к источнику положительного питания VDD.
Последовательное соединение n-МОП и р-МОП образует КМОП-усилитель, включенным по схеме с общим истоком (СS) различаются узлом подключения затвора нагрузочного р-МОП:
1) ко входу схемы – симметричный усилитель (рис. 3.1,а);
2) к отдельному источнику питания Vb – с транзисторной нагрузкой (рис. 3.1, б);
3) к выходу схемы – с диодной нагрузкой (рис. 3.1, в).
Рис. 3.1. Простейшие КМОП-усилители: а - симметричный;
б - с транзисторной нагрузкой; в – с диодной нагрузкой
В первом варианте указаны дополнительные электроды МОП - контакты к карманам В.
Режимы работы и характеристики трех приведенных вариантов КМОП-усилителя существенно отличаются друг от друга.
3.2. Схемотехника источников тока и токовых зеркал
В некоторых случаях при разработке электронных схем необходимо получить стабильный ток, не зависящий от напряжения (например, в схемах смещения, в качестве элементов динамической нагрузки). Для этого используются источники тока, построенные на полевых транзисторах. Из выходных характеристик транзисторов видно, что в постоянном входном токе (или напряжении) выходной ток изменяется сравнительно мало.
Токовые зеркала широко используются в аналоговых интегральных схемах для задания тока смещения. Благодаря ним, удается снизить зависимость режимов усилительных каскадов от колебаний напряжений источников питания и от температурных уходов. Основными параметрами токового зеркала являются:
а) Выходной ток (и коэффициент трансформации тока, если он не равен 1)
б) Выходное сопротивление
в) Диапазон работы (допустимое выходное напряжение)
Простое токовое зеркало содержит входную цепь, которая задает ток зеркала, и выходную цепь, которая формирует выходной ток зеркала (см. рис. 3.2).
Рис. 3.2. Простое токовое зеркало
Поскольку напряжение на затворах транзисторов М1 и М2 одинаковы, а сами транзисторы в режиме насыщения, то справедливо соотношение
|
(3.1) |
Оно выполняется пока М2 остается в насыщении, т.е. при
|
(3.2) |
Выходное сопротивление простого токового зеркала равно выходному сопротивлению транзистора М2
|
(3.3) |
В тех случаях, когда выходная цепь токового зеркала является нагрузкой усилительного каскада, ее выходное сопротивление определяет величину коэффициента усиления. В ряде случаев требуется выходное сопротивление токового зеркала намного большее сопротивления отдельного МОП-транзистора. Увеличение выходного сопротивления достигается за счет дополнительного усиления (см. рис. 3.3) получаемого различными схемотехническими решениями.
Рис. 3.3. Способы повышения выходного сопротивления токового зеркала:
а) – каскод; б) – регулируемый каскод; в) – самосовмещенный каскод
Каскод – введение дополнительного транзистора М2, включенного по схеме с общим истоком (рис. 3.3, а) увеличивает выходное сопротивление до
|
(3.4) |
Регулируемый каскод – введение дифференциального усилителя между истоком и затвором каскодного транзистора (рис. 3.3, б) увеличивает выходное сопротивление до:
|
(3.5) |
Самосовмещенный каскод – взаимосвязь входной и выходной цепи (рис. 3.3, в) позволяет исключить напряжение смещения каскода, выходное сопротивление такого токового зеркала равно:
|
(3.6) |
Перечисленные способы порождают разные схемы токовых зеркал [3].