Лекция № 4. Каскады на моп-транзисторах

Схемотехника дифференциальных каскадов. Операционный усилитель. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики для малого сигнала. Быстродействующие широкополосные операционные усилители

Особенности МОП-транзисторов

В зависимости от конструкции МОП-транзисторы 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:

ко входу схемы – симметричный усилитель (рис. 2.15, а);

к отдельному источнику питания Vb – с транзисторной нагрузкой (рис. 2.15, б);

к выходу схемы – с диодной нагрузкой (рис. 2.15, в).

Рис. 2.15. Простейшие КМОП-усилители: а - симметричный;

б - с транзисторной нагрузкой; в – с диодной нагрузкой

В первом варианте указаны дополнительные электроды МОП - контакты к карманам В.

Дифференциальные каскады. Схемотехника дифференциальных каскадов усиления

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из наиболее универсальных и распространенных видов усилителей. Он имеет два симметричных входа, и его функциональное назначение состоит в усилении разности входных сигналов.

Дифференциальный усилитель образует пара схем с общим истоком, где выводы истоков соединены друг с другом и подключены к общему источнику тока. В интегральных дифференциальных усилителях на МОП-транзисторах вывод подложки n-канальных МОП-транзисторов соединяется с отрицательным напряжением питания, а p-канальных – с положительным. В качестве нагрузки дифференциальной пары могут использоваться резисторы и различные комбинации МОП-транзисторов: транзистор в диодном подключении, источники тока, токовое зеркало (отражатель тока).

Схема дифференциального каскада усиления на n-канальных транзисторах с резистивной нагрузкой и идеальным источником тока приведена на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Схема дифференциального каскада усиления на n-канальных МОП-транзисторах с резистивной нагрузкой и идеальным источником тока

Сумма токов через источник тока постоянна:

, (2.22)

где – ток, протекающий через левую ветвь ДУ;

– ток, протекающий через правую ветвь ДУ.

В последующем изложении принимается, что . Кроме того, входные напряжения и заменяются синфазным напряжением и разностным напряжением :

, (2.23)

, (2.24)

Отсюда следует:

, (2.25)

При равных входных напряжениях ( ,) реализуется симметричный режим, и ток от источника тока разделяется поровну между обоими транзисторами:

.

В этом случае для выходных напряжений можно записать:

,

где – напряжение питания (B).

Изменения синфазного напряжения называются синфазным сигналом. Он ничего не меняет в распределении тока, пока транзисторы и источник тока не подвергнутся перегрузкам. Следовательно, при синфазном сигнале выходные напряжения остаются неизменными. Усиление синфазного сигнала

. (2.26)

В идеальном случае равно нулю, но на практике оно характеризуется небольшой отрицательной величиной . Причиной тому служит наличие внутреннего сопротивления реального источника тока. При наличии разностного входного напряжения распределение тока изменяется, а вместе с ним меняются и выходные напряжения. Такой сигнал называют дифференциальным сигналом, а соответствующее усиление – дифференциальным коэффициентом усиления:

. (2.27)

Эта величина отрицательная и лежит в интервале . При использовании резистивной нагрузки или при замене их источником тока.

Отношение дифференциального коэффициента усиления к синфазному называется ослаблением синфазного сигнала:

. (2.28)

В идеальном случае и, следовательно, . В зависимости от внутреннего сопротивления источника тока реальный дифференциальный усилитель характеризуется ослаблением синфазного сигнала .

Среди особенностей дифференциального усилителя центральное место занимает следующее положение: он усиливает разностное напряжение между обоими входами независимо от напряжения синфазного сигнала, пока оно остается меньше некоторой предельной величины.

Таким образом, выходные напряжения в допустимом интервале определяются током источника тока, а не напряжением синфазного сигнала . Поэтому рабочая точка малосигнального режима также не зависит от в широких пределах. Хотя вслед за изменениями варьируются и некоторые другие напряжения, величины, определяющие положение рабочей точки (выходные напряжения и токи), остаются практически неизменными. Это качество отличает дифференциальный усилитель от всех остальных и облегчает установку рабочей точки и связей в многокаскадных усилителях. Здесь не нужны цепи для согласования уровней постоянного напряжения, например, в виде разделительных конденсаторов связи.

Еще одно преимущество дифференциального усилителя заключается в подавлении влияния температурных колебаний в обеих ветвях, поскольку они действуют аналогично синфазной модуляции. В интегральных схемах по той же причине эффективно ослабляется влияние разброса параметров элементов, так как соседние транзисторы и резисторы дифференциального усилителя в первом приближении характеризуются допусками одного и того же знака.

Операционный усилитель. Схемотехника операционных усилителей. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики для малого сигнала

Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. Он имеет высокое входное сопротивление и практически бесконечно большой коэффициент усиления KU. Несмотря на то, что связь ОУ с общей шиной обычно не указывается явно (рис. 17, а), она всегда имеет место и осуществляется через источники питания (рис. 17, б). Поэтому функционально ОУ часто рассматривают как четырехполюсник, имеющий кроме общего вывода два входа и один выход. Один из входов усилителя, отмеченный знаком «+», называют неинвертирующим, или прямым, другой вход, отмеченный знаком «–», называется инвертирующим. При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с увеличением напряжения U+ на прямом входе или с уменьшением напряжения U_ на инвертирующем. Дифференциальный и синфазный входные сигналы, обозначаемые соответственно U и UСФ, определяются по формулам:

U = U+ - U_ (2.29)

UСФ= 0.5(U+ + U_) (2.30)

а)		б)

Рис. 2.17. Обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель является дифференциальным устройством, способным реагировать только на дифференциальный сигнал. Влияние синфазного сигнала пренебрежимо мало и может рассматри­ваться лишь при оценке погрешности в работе ОУ.

Идеализированная модель ОУ предполагает, что связь между вход­ным дифференциальным сигналом и выходным напряжением описыва­ется соотношением

U_ВЫХ = KU U . (2.31)

Поскольку KU , то использовать ОУ можно только в условиях действия отрицательной обратной связи, осуществляемой через внешнюю цепь, как показано на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Операционный усилитель с обратной связью

Внешняя цепь чаще всего является линейной пассивной цепью, однако в общем случае может содержать дополнительные усилительные элементы. Обратная связь будет отрицательной, если при увеличении выходного напряжения UВЫХ = UОС уменьшится U. В этом случае в цепи обратной связи устанавливается равновесный режим, при котором U = UВЫХ/ KU 0, т. е. ОУ выполняет по отношению к внешней цепи функцию автоматического регулятора, формирующего на своем выходе такой сигнал управления внешней цепью, при котором дифференциальный сигнал U на входе ОУ (рассматриваемый как сигнал рассогласования) принимает нулевое значение.

Общий коэффициент ACOM усиления будет зависеть от усиления ОУ (А) и коэффициента обратной связи (β)

(2.32)

и при больших βА он равен 1/β, т.е. не зависит от А.

Для устойчивости схемы с обратной связью необходимо, чтобы при частоте единичного усиления фазовая задержка ОУ была меньше 1800.

Каждый усилительный каскад, обладая инерционностью, вносит фазовый сдвиг до 900, и допустимое количество усилительных каскадов ограничено.

Обычно в состав ОУ входят:

1) входной дифференциальный каскад;

2) промежуточный каскад с высоким усилением;

3) выходной каскад;

4) источник опорных напряжений;

5) цепь компенсации.

Выходной каскад предназначен для работы на большую внешнюю нагрузку, и его коэффициент усиления обычно меньше единицы. У операционных усилителей, нагруженных только на емкостную нагрузку (внутри кристалла), выходной каскад может отсутствовать, либо они могут содержать только один каскад с высоким выходным сопротив­лением. Подобные усилители преобразуют (трансформируют) входное напряжение в выходной ток, и их часто называют операционными транс­формирующими усилителями (ОТУ). Фактически ОУ состоит из ОТУ и выходного каскада, согласованных по режиму и диапазонам сигналов, имеющих общий источник опорных напряжений. Во входном каскаде и или в промежуточном могут использоваться каскадные схемы.

В некоторых применениях в ОУ используют более двух усили­тельных каскадов, но в этом случае приходится усложнять цепь компенсации.

Схемотехника операционных усилителей

Для современных интегральных ОУ характерны две структуры: трехкаскадная (рис. 19, а) и двухкаскадная (рис. 19, б).

Трехкаскадная структура включает дифференциальный усилитель (ДУ), усилитель напряжения (УН), усилитель амплитуды (УА) и выходной эмиттерный повторитель (ЭП).

Рис. 2.19. Структура типового операционного усилителя:

а) трехкаскадная, б) двухкаскадная модели ОУ

Первый каскад ОУ - дифференциальный с эмиттерной связью и резисторной нагрузкой, необходимой для уменьшения дрейфа нуля, подавления синфазной помехи, увеличения входного сопротивления и усиления входного дифференциального сигнала.

Второй каскад – усилитель напряжения – обеспечивает основное усиление входного дифференциального сигнала по напряжению, строится также по дифференциальной схеме и включает специальную схему сдвига потенциала.

В третьем каскаде – усилителе амплитуды – обычно совмещаются схемы усиления сигнала, схемы сдвига уровня и формирования выходного двухполярного неискаженного сигнала. Как правило, все схемы ОУ заканчиваются эмиттерными повторителями (ЭП), которые определяют нагрузочную способность ОУ и не участвуют в формировании его коэффициента усиления.

Двухкаскадная модель ОУ включает дифференциальный усилитель (ДУ), усилитель амплитуды (УА) и выходной эмиттерный повторитель (ЭП). В этой модели первый каскад выполняет функции входного ДУ и малосигнального УН, а также схемы сдвига уровня. В других вариантах каскады УА и ЭП не отличаются от одноименной трехкаскадной модели.

На рис. 2.20 приведена упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ.

Рис. 2.20. Упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ

Дифференциальный каскад ОУ выполнен на транзисторах Т1..Т4. Транзисторы Т1, Т2 образуют дифференциальный усилитель, а транзисторы Т3, Т4 - его динамическую нагрузку. Выходным сигналом дифференциального каскада является 2i1 - ток, который поступает в интегрирующее звено, выполненное на транзисторах Т5, Т6 и корректирующее емкость Cк. Выходным сигналом интегратора тока является напряжение U1, равное напряжению на конденсаторе Cк .

Повторитель напряжения выполнен на транзисторах Т7, Т8 по схеме с эмиттерной нагрузкой.

При отсутствии обратной связи тангенс угла наклона характеристик в диапазоне − Uвх макс … +Uвх макс равен коэффициенту усиления К0. Максимальное напряжение Uвых макс близко к напряжению источников питания ± Еп. В реальных ОУ наблюдается разбаланс, который устраняется подачей на вход ОУ внешнего напряжения смещения нуля ±Uсм.

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ для малого сигнала

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ, снятые в режиме малого сигнала, имеют вид, изображенный на рис. 2.21.

Плавные кривые линии – реальные характеристики, ломаные прямые – их аппроксимации. Наиболее распространенной является аппроксимация частотной характеристики отрезками прямых, наклон которых соответствует n·20дБ/декаду, а фазовой – участками, фазовый сдвиг на которых равен n·(2 /π) , где n = 0,1,2,... (согласно диаграммам Боде).

Рис. 2.21. Мало-сигнальные характеристики трехкаскадного операционного усилителя: а) амплитудно-частотная характеристика; б) фазово-частотная характеристика

Диаграммы Боде соответствуют внутренней структуре частотной и фазовой характеристик многокаскадного ОУ, которые складываются из характеристик отдельных каскадов:

(2.33)

Характеристики отдельных каскадов близки к характеристикам эквивалентной RC-цепи:

(2.34)

где f вi = 1/2 π*τi - верхняя граничная частота i-го каскада,

τi - постоянная времени эквивалентной RC-цепи i-го каскада.

Таким образом, частоты излома характеристик ОУ соответствуют (примерно) граничным частотам отдельных каскадов. Погрешность аппроксимации не превышает обычно 3 дБ для частотной и π/4 для фазовой характеристики, что часто достаточно для практических целей пользования ОУ. Следует иметь в виду, что если граничные частоты отдельных каскадов близки друг к другу, то реальные характеристики не показывают в явном виде изломы, соответствующие аппроксимации по Боде.

Параметры амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик:

fв − верхняя граничная частота ОУ с разомкнутой обратной связью, измеренная в режиме малого сигнала. Ее величина определяется частотной характеристикой самого инерционного каскада ОУ и, в свою очередь, определяет ход переходной характеристики ОУ;

f1 − частота единичного усиления – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице;

fπ − частота, на которой внутренний фазовый сдвиг в ОУ достигает величины π радиан (180°). При применении ОУ с внешней частотно-независимой отрицательной обратной связью именно на этой частоте возникает самовозбуждение.

Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что АЧХ обладает только двумя полюсами и имеет только две частоты излома f в1 и f в2.

В целях обеспечения устойчивости ОУ вводится коррекция АЧХ. В трехкаскадном ОУ используются две RC – цепи, подключаемые к УН и УА, которые создают дополнительную задержку по фазе высокочастотного сигнала до π и тем самым обеспечивают устойчивую работу усилителя. Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что для коррекции его АЧХ в целях обеспечения устойчивости при ООС необходима лишь одна емкость Cк.