Общий источник

редактировать

Рисунок 1: Базовая схема N-канального JFET с общим источником (без учета деталей смещения ).

Рисунок 2: Базовая схема N-канального JFET с общим истоком и дегенерацией источника.

В электронике усилитель с общим источником является одним из трех основных топологии одноступенчатого полевого транзистора (FET) усилителя, обычно используемого в качестве усилителя напряжения или крутизны усилителя. Самый простой способ определить, является ли полевой транзистор общим истоком, общим стоком или общим затвором, - это проверить, где сигнал входит и выходит. Остающийся терминал известен как «общий». В этом примере сигнал входит в затвор и выходит из стока. Единственный оставшийся терминал - это источник. Это схема на полевом транзисторе с общим истоком. Аналогичную схему биполярного переходного транзистора можно рассматривать как усилитель крутизны или как усилитель напряжения. (См. классификация усилителей ). Как усилитель крутизны, входное напряжение рассматривается как модуляция тока, идущего к нагрузке. В качестве усилителя напряжения входное напряжение модулирует ток, протекающий через полевой транзистор, изменяя напряжение на выходном сопротивлении в соответствии с законом Ома. Однако выходное сопротивление полевого транзистора обычно недостаточно велико для усилителя с разумной крутизной (в идеале бесконечно ) и недостаточно мало для приличного усилителя напряжения (в идеале ). Еще один серьезный недостаток - ограниченная высокочастотная характеристика усилителя. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения (каскад с общим стоком или CD), либо через повторитель тока (общий затвор или каскад CG), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Комбинация CS – CG называется каскодным усилителем .

Содержание

1 Характеристики
- 1.1 Полоса пропускания
2 См. Также
3 Ссылки
4 Внешние ссылки

Характеристики

На низких частотах и с использованием упрощенного модель гибридного пи (где выходное сопротивление из-за модуляции длины канала не учитывается), можно получить следующие характеристики замкнутого контура слабого сигнала.

	Определение	Выражение
Текущее усиление	$A i ≜ i out i in {\ displaystyle A _ {\ text {i}} \ треугольникq {\ frac {i _ {\ text {out} }} {я _ {\ текст {in}}}} \,}$ $A _ {{\ text {i}}} \ треугольник {\ frac {i _ {{\ text {out}}} } {i _ {{\ text {in}}}}} \,$	$∞ {\ displaystyle \ infty \,}$ $\ infty \,$
усиление напряжения	$A v ≜ v out v in {\ displaystyle A _ {\ text {v}} \ triangleq {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in}}}} \,}$ $A _ {{\ text {v}}} \ треугольник {\ frac {v _ {{\ text {out}}}} {v _ {{\ text {in}}}}} \,$	$- gm RD 1 + gm RS {\ displaystyle {\ begin { матрица} - {\ frac {g _ {\ mathrm {m}} R _ {\ text {D}}} {1 + g _ {\ mathrm {m}} R _ {\ text {S}}}} \ end {matrix} } \,}$ ${\ displaystyle {\ begin {matrix} - {\ frac {g _ {\ mathrm {m}} R _ {\ text {D}}} {1 + g _ {\ mathrm {m}} R _ {\ текст {S}}}} \ end {matrix}} \,}$
Входное сопротивление	$r in ≜ v in i in {\ displaystyle r _ {\ text {in}} \ треугольникq {\ frac {v _ {\ text {in}}} {i _ {\ text {in}}}} \,}$ $r _ {{\ text {in}}} \ треугольник {\ frac {v _ {{\ text {in}}}} {i _ {{\ text {in}}}}} \,$	$∞ {\ displaystyle \ infty \,}$ $\ infty \,$
Выходное сопротивление	$r out ≜ v out i out {\ displaystyle r _ {\ text {out}} \ треугольникq { \ frac {v _ {\ text {out}}} {i _ {\ text {out}}}}}$ $r _ {{\ text {out}}} \ треугольник {\ frac {v _ {{\ text {out}}}} {i _ {{\ text {out}}}}}$	$RD {\ displaystyle R _ {\ text {D}} \,}$ $R _ {{\ text {D}}} \,$

Пропускная способность

Рисунок 3: Базовый усилитель с общим источником N-канального MOSFET и активной нагрузкой ID.

Рисунок 4: Схема слабого сигнала для усилителя с общим источником N-канального MOSFET.

Рисунок 5: Схема слабого сигнала для N- чан nel MOSFET-усилитель с общим истоком, использующий теорему Миллера для введения емкости Миллера C M.

Полоса пропускания усилителя с общим истоком имеет тенденцию быть низкой из-за высокой емкости, являющейся результатом эффекта Миллера. Емкость затвор-сток эффективно умножается на коэффициент $1 + | A v | {\ displaystyle 1+ | A _ {\ text {v}} | \,}$ $1+ | A _ {{\ text {v}}} | \,$ , таким образом увеличивая общую входную емкость и уменьшая общую полосу пропускания.

На рисунке 3 показан усилитель с общим источником на полевых МОП-транзисторах с активной нагрузкой. На рисунке 4 показана соответствующая схема слабого сигнала, когда резистор нагрузки R L добавлен в выходной узел и драйвер Тевенина приложенного напряжения V A и последовательно сопротивление R A добавлено на входном узле. Ограничение полосы пропускания в этой схеме проистекает из связи паразитной емкости Cgdтранзистора между затвором и стоком и последовательного сопротивления истока R A. (Существуют и другие паразитные емкости, но здесь ими пренебрегают, поскольку они имеют лишь вторичное влияние на полосу пропускания.)

Используя теорему Миллера, схема на рисунке 4 преобразуется в схему на рисунке 5, на которой показана емкость Миллера C M на входной стороне схемы. Размер C M определяется путем приравнивания тока во входной цепи на фиг.5 к емкости Миллера, скажем, i M, что составляет:

i M = j ω CM v GS = j ω CM v G {\ displaystyle \ i _ {\ mathrm {M}} = j \ omega C _ {\ mathrm {M}} v _ {\ mathrm {GS}} = j \ omega C _ {\ mathrm { M}} v _ {\ mathrm {G}}}

\ i _ {{\ mathrm {M}}} = j \ omega C _ {{\ mathrm {M}}} v _ {{\ mathrm {GS}}} = j \ omega C _ {{\ mathrm {M}}} v_ { {\ mathrm {G}}}

к току, потребляемому на входе конденсатором C gd на рисунке 4, а именно jωC gdvGD. Эти два тока одинаковы, поэтому две схемы имеют одинаковое поведение входа, при условии, что емкость Миллера определяется как:

CM = C gdv GD v GS = C gd (1 - v D v G) {\ displaystyle C_ {\ mathrm {M}} = C _ {\ mathrm {gd}} {\ frac {v _ {\ mathrm {GD}}} {v _ {\ mathrm {GS}}}} = C _ {\ mathrm {gd}} \ left (1 - {\ frac {v _ {\ mathrm {D}}} {v _ {\ mathrm {G}}}} \ right)}

C _ {{\ mathrm {M}}} = C _ {{\ mathrm {gd}}} {\ frac {v _ {{ \ mathrm {GD}}}} {v _ {{\ mathrm {GS}}}}} = C _ {{\ mathrm {gd}}} \ left (1 - {\ frac {v _ {{\ mathrm {D}}) }} {v _ {{\ mathrm {G}}}} \ right)

Обычно частотная зависимость усиления v D / v G не имеет значения для частот даже несколько выше угловой частоты усилителя, что означает, что низкочастотная гибридная пи-модель точна для определения v D / v G. Эта оценка является приближением Миллера и дает оценку (просто установите для емкостей ноль на рисунке 5):

v D v G ≈ - gm (r O ‖ RL) {\ displaystyle {\ frac {v _ {\ mathrm {D }}} {v _ {\ mathrm {G}}}} \ приблизительно -g _ {\ mathrm {m}} (r _ {\ mathrm {O}} \ | R _ {\ mathrm {L}})}

{\ frac {v _ {{\ mathrm {D}}}} {v _ {{\ mathrm {G}}} }} \ приблизительно -g _ {{\ mathrm {m}}} (r _ {{\ mathrm {O}}} \ | R _ {{\ mathrm {L}}})

так Емкость Миллера составляет

CM = C gd (1 + gm (r O ‖ RL)) {\ displaystyle C _ {\ mathrm {M}} = C _ {\ mathrm {gd}} \ left (1 + g _ {\ mathrm {m}} (r _ {\ mathrm {O}} \ | R _ {\ mathrm {L}}) \ right)}

C _ {{\ mathrm {M}}} = C _ {{\ mathrm {gd }}} \ left (1 + g _ {{\ mathrm {m}}} (r _ {{\ mathrm {O}}} \ | R _ {{\ mathrm {L}}}) \ right)

Прирост g m(rO|| R L) велико для большого R L, поэтому даже небольшая паразитная емкость C gd может оказать большое влияние на частотную характеристику усилителя, и для противодействия этому эффекту используются многие схемные приемы. Один из приемов состоит в том, чтобы добавить каскад с общим вентилем (повторитель тока) для создания схемы каскодирования. Каскад токового повторителя представляет собой нагрузку на каскад с общим источником, которая очень мала, а именно входное сопротивление токового повторителя (R L ≈ 1 / g m ≈ V ov / (2I D); см. общий вентиль ). Малый R L уменьшает C M. В статье об усилителе с общим эмиттером обсуждаются другие решения этой проблемы.

Возвращаясь к рисунку 5, напряжение затвора связано с входным сигналом посредством деления напряжения следующим образом:

v G = VA 1 / (j ω CM) 1 / (j ω CM) + RA = VA 1 1 + j ω CMRA {\ displaystyle v _ {\ mathrm {G}} = V _ {\ mathrm {A}} {\ frac {1 / (j \ omega C _ {\ mathrm {M}})} {1 / (j \ omega C _ {\ mathrm {M}}) + R _ {\ mathrm {A}}}} = V _ {\ mathrm {A}} {\ frac {1} {1 + j \ omega C _ {\ mathrm {M}} R _ {\ mathrm {A}}}}}

v _ {{\ mathrm {G}}} = V _ {{\ mathrm {A}}} {\ frac {1 / (j \ omega C _ {{\ mathrm {M}}})} {1 / (j \ omega C _ {{\ mathrm {M}}}) + R _ {{\ mathrm {A}}}}} = V _ {{\ mathrm {A}}} {\ frac {1} {1 + j \ omega C _ {{\ mathrm {M}}} R _ {{\ mathrm {A}}}}}

Полоса пропускания (также называемая частотой 3 дБ) - это частота, на которой сигнал падает до 1 / √2 его низкочастотного значения. (В децибелах, дБ (√2) = 3,01 дБ). Уменьшение до 1 / √2 происходит, когда ωC MRA= 1, делая входной сигнал при этом значении ω (назовем это значение ω 3 дБ, скажем) v G = V A / (1 + j). величина числа (1 + j) = √2. В результате частота 3 дБ f 3 дБ = ω 3 дБ / (2π) равна:

f 3 d B = 1 2 π RACM = 1 2 π RA [C gd (1 + gm (r O ‖ RL)] {\ displaystyle f _ {\ mathrm {3dB}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {\ mathrm {A}} C _ {\ mathrm {M }}}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {\ mathrm {A}} [C _ {\ mathrm {gd}} (1 + g _ {\ mathrm {m}} (r _ {\ mathrm {O }} \ | R _ {\ mathrm {L}})]}}}

f _ {{\ mathrm {3dB}}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {{\ mathrm {A}}} C _ {{\ mathrm {M}}}}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {{\ mathrm {A}}} [C _ {{\ mathrm {gd}}} (1 + g _ {{\ mathrm {m}}} (r _ {{\ mathrm {O}}} \ | R _ {{ \ mathrm {L}}})]}}

Если паразитная емкость затвор-исток C gs включена в анализ, она просто параллельна C M, поэтому

f 3 d B = 1 2 π RA (CM + C gs) = 1 2 π RA [C gs + C gd (1 + gm (r O ‖ RL))] { \ displaystyle f _ {\ mathrm {3dB}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {\ mathrm {A}} (C _ {\ mathrm {M}} + C _ {\ mathrm {gs}})}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {\ mathrm {A}} [C _ {\ mathrm {gs}} + C _ {\ mathrm {gd}} (1 + g _ {\ mathrm {m}} (r_ {\ mathrm {O}} \ | R _ {\ mathrm {L}}))]}}}

f _ {{\ mathrm {3dB}} } = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {{\ mathrm {A}}} (C _ {{\ mathrm {M}}} + C _ {{\ mathrm {gs}}})}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {{\ mathrm {A}}} [C _ {{\ mathrm {gs}}} + C _ {{\ mathrm {gd}}} (1 + g _ {{\ mathrm {m }}} (r _ {{\ mathrm {O}}} \ | R _ {{\ mathrm {L}}}))]}}

Обратите внимание, что f 3 дБ становится большим, если сопротивление источника R A мала, поэтому усиление емкости по Миллеру мало влияет на полосу пропускания при малых R A. Th Это наблюдение предлагает другой трюк схемы для увеличения полосы пропускания: добавьте каскад с общим стоком (повторитель напряжения) между драйвером и каскадом с общим истоком, чтобы сопротивление Тевенина комбинированного драйвера и повторителя напряжения было меньше, чем R A исходного драйвера.

Исследование выходной стороны схемы на Рисунке 2 позволяет получить частотную зависимость коэффициента усиления v D / v G, обеспечивая проверку того, что низкочастотная оценка емкости Миллера адекватна для частот f даже больше, чем f 3 дБ. (См. Статью о разделении полюсов, чтобы узнать, как обрабатывается выходная сторона схемы.)

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Усилитель с общим истоком