Введение в усилители с общим стоком: поведение при больших сигналах

Усилитель с общим стоком, также известный как истоковый повторитель, отличается низким выходным сопротивлением. В этой статье представлена базовая конфигурация усилителя с общим стоком и рассмотрены его характеристики для большого сигнала.

В идеале выходное сопротивление операционного усилителя должно быть равно нулю. Это связано с тем, что выходное сопротивление операционного усилителя включается последовательно с сопротивлением нагрузки, и поэтому эти два сопротивления образуют делитель напряжения. При ненулевом выходном сопротивлении это приведет к снижению выходного напряжения на нагрузке.

Несмотря на широкое распространение, усилитель с общим истоком в этом отношении далек от идеала. Его выходное сопротивление имеет такой же порядок величины, что и выходное сопротивление МОП-транзистора, которое легко может составлять несколько килоом. По этой причине выход усилителя с общим истоком полезно буферизировать с помощью другого усилителя, имеющего сравнительно низкое выходное сопротивление.

На помощь приходит усилитель с общим стоком. Хотя он и не используется так часто, как его аналог с общим истоком, при подключении к выходу операционного усилителя он образует отличный буфер напряжения: его малосигнальный коэффициент усиления приблизительно равен единице, а выходное сопротивление относительно мало. Входное и выходное сопротивления этого усилителя также полезны при создании генераторов или двухвыводных активных индуктивностей.

На Рисунке 1 показана базовая схема усилителя с общим стоком и идеальным источником тока.

Как видно на Рисунке 1, в усилителе с общим стоком в качестве входа используется затвор, а в качестве выхода – исток. Поскольку выходное напряжение на истоке «повторяет» входное напряжение на затворе, эта конфигурация также известна как истоковый повторитель. Сток подключен к постоянному напряжению.

Рисунок 1.	Базовая конфигурация усилителя с общим стоком.

Предполагается, что для n-канальных МОП-транзисторов постоянное напряжение – это напряжение питания V_DD, а для p-канальных – земля.

В этой статье мы узнаем о характеристиках этого истокового повторителя при больших сигналах. В следующей статье будет рассмотрено поведение усилителя при малых сигналах.

Поведение при больших сигналах с идеальным источником тока

Чтобы понять характеристики представленной схемы при большом сигнале, давайте посмотрим, что происходит с выходным напряжением V_OUT, когда входное напряжение V_IN изменяется от 0 до V_DD.

В начале роста напряжения V_IN и V_OUT равны 0. Пока V_IN меньше порогового напряжения n-канального МОП-транзистора (V_TH), транзистор будет оставаться выключенным, а V_OUT будет продолжать равняться 0. Однако как только значение V_IN достигнет уровня порога, транзистор откроется.

Когда он включается, транзистор находится в состоянии насыщения. N-канальный МОП-транзистор достигает насыщения, когда V_DS = V_GS – V_TH, где V_DS – напряжение сток-исток, а V_GS – напряжение затвор-исток. Поскольку в этой конфигурации V_DS = V_DD, а V_DD всегда будет больше, чем V_GS – V_TH, транзистор останется в состоянии насыщения до конца роста напряжения.

Источник тока создает ток смещения (I_BIAS) проходящий через транзистор после его включения. Исходя из этого, напряжение между затвором и истоком можно рассчитать следующим образом:

(1)

где:

μ_n – эффективная подвижность носителей заряда,
C_OX – емкость оксидного слоя,
W – ширина затвора,
L – длина затвора.

Поскольку V_GS в этом случае равно V_IN – V_OUT, можно преобразовать эту формулу относительно V_OUT:

(2)

Из формулы (2) видно, что V_OUT отстает от V_IN. Это указывает на одно из распространенных применений истокового повторителя, а именно, на то, что его можно использовать в качестве преобразователя уровня.

На Рисунке 2 приведена характеристика для большого сигнала усилителя с общим стоком, показанного на Рисунке 1. Область отрицательного выходного напряжения на графике объясняется тем, что в схеме используется идеальный источник тока.

Рисунок 2.	Характеристика усилителя с общим стоком на Рисунке 1 по постоянному току.

Правильная рабочая область для входного напряжения усилителя с общим стоком определяется неравенством:

(3)

Более реалистичное воплощение

Поскольку в схеме используется идеальный источник тока, Рисунок 1 не отражает того, как на самом деле был бы реализован усилитель с общим стоком. В действительности источник тока будет сделан на основе нагрузочного транзистора, как показано на Рисунке 3. Нагрузочный транзистор обозначен как M2.

Рисунок 3.	Усилитель с общим стоком и источником тока на МОП-транзисторе (М2).

Чтобы транзистор M2 работал правильно, он должен находиться в насыщении, поэтому характеристика этого усилителя для большого сигнала немного отличается. Насыщение наступает, когда V_OUT ≥ V_BIAS – V_TH. Если V_OUT ниже, чем V_BIAS – V_TH, транзистор M2 работает в линейной области, что ухудшает характеристики истокового повторителя.

Характеристика схемы на Рисунке 3 по постоянному току показана на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Характеристика по постоянному току усилителя с общим стоком и источником тока на МОП-транзисторе.

Поскольку напряжение V_BIAS должно быть больше V_TH, реальный рабочий диапазон более ограничен, чем в схеме с идеальным источником тока. Используя зависимость V_OUT от V_IN из формулы (2), можно определить диапазон напряжений V_IN, в котором эта версия усилителя с общим стоком работает правильно:

(4)

Подведение итогов

Из нашего анализа схемы для большого сигнала мы видим, что истоковый повторитель выдает напряжение, смещенное по уровню относительно входного. Поскольку выход отслеживает изменения входного сигнала, усилитель с общим стоком можно использовать в качестве буфера или преобразователя уровня. Мы узнаем о других вариантах использования истокового повторителя, когда рассмотрим его поведение при малом сигнале в следующей статье.