MOSFET微分对有功负载

了解一个非常简单但非常有益的修改drain-resistor-based版本的MOSFET微分。

支持信息

• 离散半导体电路:差分放大器
• 离散半导体电路:简单的运算放大器
• 绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)
• 基本的MOSFET恒流源
• 基本的MOSFET微分

第一,一个被动的负载

主动加载高性能放大器设计中至关重要。虽然涉及到的电路简单,整体的概念,在我看来,有些深奥。所以我们要把我们的时间与这个主题,与主要目标(像往常一样)是一个彻底的,直观的理解。

让我们首先看一个被动加载,non-differential MOSFET放大器:

场效应晶体管的电流源的偏见,这样就可以在饱和区。超速档电压(V_机汇),即:gate-to-source电压(V_GS)-阈值电压(V_TH)——将会是任何值对应于我的漏极电流_偏见。我们假定输入信号将会是一个小振幅没有直流偏置的正弦信号,因此源电压等于(0 - V_机汇)。

这个电路的基本的放大机制是什么?当饱和地区偏见,场效应晶体管的行为像一个压控电流源,与漏极电流(如果我们忽略通道长度调制)由以下方程:

\ [I_D = \压裂{1}{2}\ mu_nC_{牛}\压裂{W} {1} (V_ {GS} -V_ {TH}) ^ 2 \]

因此,我们的小振幅输入信号将创建小振幅漏极电流的变化。之间的比例小改变输入电压和漏电流的微小变化是跨导,用g_米:

\ [\ I_D = \δV_ {GS} \ * g_m \]

但跨导不一样的增益放大器,因为我们仍然需要这个漏极电流转换成电压。这是R的目的_D:它将漏极电流的变化转化为漏极电压变化。从欧姆定律,我们知道电流和电压变化和变化之间的比例是电阻R_D,因此漏极电压变化的振幅等于振幅变化的栅电压乘以g_米乘以R_D。如果我们回想一下,门口是输入节点和漏极输出节点,我们可以说,电压增益的大小(一个_V)如下:

\[\压裂{\三角洲V_{出来}}{\三角洲V_{在}}= A_V = g_m \ * R_D \]

所以我们看到一个非常简单的方法来增加收益是增加漏电阻的值。为什么要使用有功负载?如果我们想要更多的获得,我们只使用更多的漏电阻!

Drain-Resistor问题

more-drain-resistance方法有一个主要的问题:,阻力不仅适用于小信号漏极电流的变化也较大的稳态所需的漏极电流偏置。考虑下面的图:

所以下水道电阻器创建一个偏压问题:更多的抵抗意味着更多的电压降,这意味着较低的bias-point排水节点电压。这可能似乎不是一个严重的问题,如果你考虑±15 V的供应,但在±3.3 V供应,我们需要小心些而已。如果漏电压太低,晶体管将饱和度和进入线性区域,这不是我们能够tolerate-MOSFET放大器需要呆在饱和。即使偏压本身不够低导致的问题,太多的负面信号摇摆可能会推动场效应晶体管到三极管的地区。在这两种情况下,我们的放大器是妥协。

所以使用大量外流阻力是不切实际的,特别是在现代低压系统。我们如何能提供更多的小信号电阻不引入bias-point问题?

考虑一个电流源

电阻器是一种电流-电压转换器。记住单位电阻,欧姆,可以被定义为伏特/安培:你把我安培,你离开我×R伏特。

现在,让我们考虑一个电流源在同一current-to-voltage-converter上下文。当前由一个理想的电流源永远不会改变,即使的端电压电流源是非常高的。所以,即使是最轻微的电流对应于一个无限变化的电压变化,在这个意义上,电流源相当于无限阻力;这不是太奇怪,当我们回想一下,直流网络定理要求你替换一个电流源开路。

无限的可以分散注意力,所以我们现在good-but-not-perfect电流源的过渡。等效电阻非常高,这意味着小电流的变化导致非常大的电压的变化。如果我们可以使用这个good-but-not-perfect电流源代替排电阻器,我们会有很高的增益,因为小栅电压的变化会产生相应的漏极电流的变化和这些,反过来,会产生大的漏极电压的变化。Furthermore-and这是关键时刻,电流源不会影响偏差的状况一样电阻器,因为这是一个源当前,不只是一个障碍当前。

前面的讨论相当抽象,但所涉及的概念应有助于播种的种子的理解。我们现在从理论领域过渡到电路领域。

两个场效应晶体管和一个电流镜

这是电路:

底部一半的微分对我们所期望的一样drain-resistor版本。但是现在,而不是消耗电阻、PMOS电流镜。(我们可以看到只要看栅电压的电路将低于源电压,并得到的场效应晶体管截止gate-to-source电压调整为负面,我们需要管理办公室)。

如果你读过基本的MOSFET恒流源(或如果你否则熟悉当前的镜子),你知道“输出”晶体管(右边)生成一个相对稳定的电流成正比”输入“晶体管的漏极电流(左边),称为参考电流,我_裁判。参考电流,反过来,是由一个电阻(即。、电流调节电阻R_集)。

所以在哪里R_集这面镜子吗?

在这种情况下我_裁判确定不是有功负载电阻的镜子,而是我吗_偏见电流源(在现实生活中,将会是一个电流镜的电流调节电阻)。同样,如果我们假设完美的匹配,偏置电流将平均分割两部分之间的电路(如drain-resistor-based微分对)。这意味着我参考电流_偏见/ 2。因此,输入晶体管有功负载镜子的参考电流等于我_偏见/ 2,因此产生的电流输出晶体管将我_偏见/ 2(假设问₃和问₄有相同的width-to-length比率)。

结论

我们就到此为止了。本文提供了一个概念性的基础上,介绍了主动加载微分,和提出了基本的偏置条件与有功负载电流镜。在下一篇文章中,我们将继续我们的分析这一重要的电路。

下一篇文章系列:的优势积极MOSFET微分对加载