3.3. Схемотехника с общим истоком и истоковых повторителей

Усилитель с общим истоком – наиболее распространенный тип однокаскадных усилителей. Он состоит из активного входного транзистора и нагрузки в цепи стока. В качестве нагрузки можно использовать резистор, транзистор в диодном включении или токовое зеркало. Схема усилительного каскада с резистивной нагрузкой представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема усилителя с общим истоком с резистивной нагрузкой

Низкочастотная эквивалентная схема такого усилителя представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Низкочастотная эквивалентная схема усилителя

с общим истоком

Коэффициент усиления такого каскада определяется по формуле (3.7):

, (3.7)

где V_out – выходное напряжение (В),

V_in – входное напряжение (В),

V_T – пороговое напряжение (В),

R_d – сопротивление резистора (Ом),

k – крутизна транзистора (А/В²),

g_m – крутизна транзистора по затвору (А/В)

Резистивная нагрузка не дает высокий коэффициент усиления, к тому же резистор занимает большую площадь. В интегральной технологии это недопустимо, поэтому для получения высокого коэффициента усиления в каскадах с общим истоком используют активную нагрузку – транзистор в диодном подключении или токовое зеркало.

На рис. 3.6 приведена передаточная характеристика усилителя с общим истоком.

Рис. 3.6. Передаточная характеристика схемы с общим истоком

Для определения передаточной характеристики достаточно измерить выходное напряжение U_a как функцию напряжения сигнала U_g.

При U_g < U_th = 1 В ток стока отсутствует и U_a = U_b = 5 В. При U_g ≥ U_th появляется ток стока I_D, пропорциональный U_g, и соответственно уменьшается выходное напряжение. В этих условиях при 1 В ≤ U_g ≤ 2,4 В МОП-транзистор работает в области насыщения, а при U_g > 2,4 В – в линейной области. В схеме с общим истоком эффект подложки, характерный для интегральных МОП транзисторов, не проявляется, поскольку выводы подложки и истока соединены с землей, то есть всегда U_BS = 0.

Рабочая точка выбирается примерно посредине нисходящей ветви передаточной характеристики, чем обеспечивается максимальная управляемость схемы.

Усилительный каскад с общим истоком с активной нагрузкой в виде транзистора в диодном подключении представлен на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема усилительного каскада с общим истоком с активной нагрузкой в виде транзистора в диодном подключении

У транзистора в диодном подключении затвор и сток закорочены, поэтому он ведет себя как резистор.

Коэффициент усиления такого каскада определяется по формуле (3.8):

, (3.8)

Из формулы (3.8) следует, что высокий коэффициент усиления может быть получен только, если аспектное соотношение (W/L)₁ входного транзистора T1 во много раз превосходит аспектное соотношение (W/L)₂ нагрузочного транзистора T2. Например, чтобы получить коэффициент усиления 10, необходимо, чтобы (W/L)₁ = 100(W/L)₂, что требует немалой площади кристалла.

Усилители с общим истоком обладают высоким входным импедансом, достаточно высоким коэффициентом усиления (10 ÷ 100). К его недостаткам относится высокая нелинейность.

Усилитель с общим стоком (CD – common drain) повторяет на выходе входное напряжение с некоторым смещением по уровню и небольшим ослаблением, отсюда второе название схемы – истоковый повторитель.

Схема истокового повторителя приведена на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Схема истокового повторителя с резистивной

нагрузкой

В схеме с общим стоком нагрузка подключается к истоку активного транзистора. В качестве нагрузки могут выступать резистор, транзистор в диодном подключении или токовое зеркало. Эквивалентная схема усилителя с общим стоком показана на рис. 3.9. При U_g ≥ U_th и I_a = 0 имеют место:

U_a = I_D R_S, (3.9)

. (3.10)

Рис. 3.9. Эквивалентная схема усилителя с общим истоком

Для получения передаточной характеристики необходимо измерить выходное напряжение как функцию входного напряжения. Передаточная характеристика истокового повторителя приведена на рис. 3.10. При U_g < 1 В ток стока отсутствует, поэтому U_a = 0. Если U_g ≥ 1 В, появляется ток стока I_D тем больший, чем выше U_g, и выходное напряжение следует за входным с отставанием на U_GS. Отсюда второе название схемы с общим стоком – истоковый повторитель. Полевой транзистор в таком случае всегда работает в области насыщения, пока напряжение сигнала остается ниже напряжения источника питания или превышает его не более чем на величину порогового напряжения U_th.

Рис. 3.10. Характеристика схемы с общим стоком

для дискретного (U_BS = 0) и интегрального (U_B = 0) МОП-транзисторов