Полевые транзисторы (окончание) : МОП (МДП) приборы

Полевые транзисторы (окончание) : МОП (МДП) приборы
Транзистор с встроенным каналом :
Транзистор с индуцированным каналом :
Достоинства - диэлектрическая изоляция затвора с малыми токами утечки
( I З ~ 1 pA ), высокие крутизны ( S ~ 5  40mA / V при I С ~ 10mA ), высокие
рабочие частоты (до f ~ 2GHz )
Недостаток - повышенные шумы (шум захвата носителей на границе Si-SiO2)
Маломощные МОП ПТ - основные элементы современных микросхем - как
цифровых, так и аналоговых
Маломощные дискретные ПТ - применение для усиления, преобразования,
генерации и коммутации сигналов
Мощные ПТ - ключевые (для работы в преобразователях напряжения) и
усилительные (для работы в выходных каскадах УНЧ и в выходных каскадах
радиопередатчиков)
Для усиления и генерации в диапазоне СВЧ - ПТ с барьером Шоттки,
изготовленные из GaAs - рабочие частоты до 5  10GHz .
Вариант применения ключевых ПТ – преобразователь напряжения
накопительным трансформатором (с накопительной индуктивностью) :
с
Уникальное свойство МОП ПТ – возможность построения почти идеальных
аналоговых коммутаторов :
- в отличие от коммутаторов на диодах и биполярных транзисторах – простота,
малые искажения сигнала, отсутствие остаточного напряжения
Аналогично – управляемые аттенюаторы на ПТ :
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Усилители постоянного тока. Операционные усилители (ОУ).
Проблема дрейфов : в усилителях переменного тока – разделение каскадов
емкостями или трансформаторами, применение реактивных нагрузок (дроссели
и колебательные контура), введение частотно-зависимых ООС.
В усилителях постоянного тока - исторически - индивидуальная подгонка и
компенсация ламповых и транзисторных усилителей, подстройка "нуля"
непосредственно перед работой.
Решение - применение дифференциальных каскадов, когда два одинаковых
элемента взаимно компенсируют друг друга :
Первоначально - применение дискретных транзисторов, подобранных в пары;
далее - изготовление двух идентичных транзисторов на одном кристалле
(дифференциальная пара); сейчас - интегральная технология - изготовление на
одном кристалле всего усилителя.
Упрощенный вариант усилителя :
1
1
1  25mV 
ST 1T 2 
 
  2mA / V
rЭ1  rЭ 2 2  0.1mA 
ST 1T 2T 3  2 3ST 1T 2  400mA / V
Ku  ST 1T 2T 3  ( RН // ri _ ОЭ 3 )
ri _ ОЭ ~ 50K  Ku _ MAX ~ 20000
при RН ~ 500
RН ~ 50K  Ku ~ 10000
rВХ  2 rЭ1, 2  2  100  250  50 K
rВЫХ  ri _ ОЭ 3 /   50 K / 100  500
- простейший операционный усилитель (ОУ)
Обозначается на схемах :
Включение :
uD  u  u - дифференциальное (противофазное) входное напряжение
1
uS  (u  u ) - синфазное входное напряжение
2
Для идеального ОУ uВЫХ  KuuD (причем в пределе Ku   , rВЫХ  0 ), но не
зависит от u S ; кроме того iВХ   iВХ   0 - нет входного тока
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Для реальных ОУ вводят
1) дифференциальный K u 
2)
синфазный
KuS 
uВЫХ
uD
uВЫХ
uS
~ 103  106
u S const
,
а
также
коэффициент
подавления
u D  const
Ku
K
~ 102  106 или (в дб) G  20 lg u ~ 40  120дб
KuS
KuS
3) из-за разброса транзисторов входного каскада и асимметрии остальной схемы
есть напряжение смещения нуля u0 - т.е. uВЫХ  0 при uD  u0
синфазного сигнала G 
Обычно u0 ~ 0.1  10mV
Особенно важна зависимость u0 от температуры - температурный дрейф
u0
~ 1  50 V / C - определяет температурную нестабильность
смещения
T
"нуля"
4) из-за наличия базового тока I ВХ  0
Обычно I ВХ ~ 10nA  10A
Кроме того, из-за зависимости I ВХ от uВХ имеется конечное входное
сопротивление :
rS  1
rD  1
I ВХ
uS
I ВХ
uD
~ 108  1012  - для синфазного сигнала
uD 0
~ 104  108 ( rS ) - для дифференциального сигнала
uS 0
Схема замещения входной цепи ОУ :
5) существенный параметр - частота единичного усиления в режиме малого
сигнала - или т.н. произведение усиление-полоса fT ~ 200KHz  2GHz
Типовой вид АЧХ ОУ (т.н. ЛАХ) :
Вводят так же f 0.7 - частота, на которой усиление падает в
2 раз
fT
K u ( 0)
, то f 0.7 
f
K u ( f  0)
1 j
f 0 .7
------------------------------------------------------------------------------------------------------
Если K u ( f ) 
Существенное улучшение входных параметров ОУ достигается при
использовании входного дифференциального каскада на ПТ :
В этом случае I ВХ ~ 10 fA  1nA , rD ~ 1012  1015 
Недостаток - несколько увеличивается уровень дрейфа нуля, ниже
быстродействие
Кроме того, сейчас активно внедряются ОУ на комплементарных ПТ (не
содержат биполярных транзисторов)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Принцип отрицательной обратной связи (ООС)
uВЫХ  u  Ku 0  (uВХ    uВЫХ )  Ku 0
uВЫХ 
K u0
Ku 0
uВХ  K u 
1    K u0
1    Ku 0
Если   Ku 0   , то Ku 
1

и не зависит от K u 0
 - возвратное отношение (какая часть сигнала с выхода поступает на вход)
g    Ku 0 - петлевое усиление
Отличие усиления усилителя с ООС от идеального, охваченного той же ООС и с
Ku 0   , будет :
1
Ku 0
1

 Ku
1
1
 1    Ku 0




1
1
1    Ku 0 g


Как следствие, частотно-независимая ООС позволяет расширить полосу
1
пропускания до уровня, когда K u 0 ( f ) 
:

если K u 0 ( f ) 
K u 0 ( 0)
K u 0 ( 0)
, то

f

1 j
1 j
f 0.7
0.7
K u 0 ( 0)
f
1 j
K u 0 ( 0)
f 0.7
Ku 0 ( f ) 


K u 0 ( 0)
f
1 
1    K u 0 ( 0)  j
f
f 0. 7
1 j
f 0.7

K u 0 ( 0)

1    K u 0 ( 0) 1  j
1
f
(1    K u 0 (0))  f 0.7
Если   Ku 0  1 , то f 0.7 _ OOC  (1    Ku 0 (0))  f 0.7    Ku 0 (0)  f 0.7    fT
и K u ( f )  K u ( 0) 
1
1 j
f
  fT
На ЛАХ'е :
Но почему 20дб/декада ?
Интегрирующие RC (и RL)-цепочки вдали от изломов АЧХ имеют спад с
N - порядок
крутизной
RC-звена (число
 N  20дб / декада , где
последовательно включенных RC-пар);
Но: одно интегрирующие RC-звено сдвигает фазу ВЧ-сигнала (при f   ) на
-90, два звена - на -180 - т.е. в пределе - обращение фазы сигнала.
Если при этом (когда ООС переходит в ПОС) сохраняется такое усиление, что
g  Ku 0 ( f )    1 , то происходит самовозбуждение усилителя (возникает
генерация) т.к. ОС начинает увеличивать сигнал на входе.
 В области спада АЧХ разомкнутого усилителя стремятся получить спад
 20дб / декада (обычно - введением в схему ОУ специальных корректирующих
конденсаторов)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------ООС и нелинейные искажения
Пусть имеем усилитель, вносящий искажения :
При наличии ООС :
uВЫХ  (uВХ    uВЫХ )  Ku 0  n(t ) 
uВЫХ 
Ku 0
1
uВХ 
n (t ) 
1    Ku 0
1    Ku 0
нелинейные искажения (как отношение их амплитуды к амплитуде входного
сигнала) падают в
1    Ku 0    Ku 0  g раз ! - важнейший способ уменьшения нелинейных
искажений
Но: ООС не уменьшает шум усилителя - поскольку важна амплитуда шума,
приведенная ко входу !
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Основные схемы ООС для ОУ :
1) неинвертирующий усилитель
R1
R1
 uВЫХ )  Ku 0   
R1  R2
R1  R2
Ku 0
1 R
1
  2 1
при K u 0  имеем K u 
1    K u 0  R1

 uR1  uВХ  o( Ku , uВХ )
uВЫХ  uD  Ku 0  (uВХ 
uS  uВХ

 
uВХ - как следствие, резко растет входное сопротивление (т.к.
uD    K
u0

обычно rS  rD )
-----------------------------------------------------------------------------------------------------2) инвертирующий усилитель
R1
R2
R1
 (uВЫХ  uВХ )  uВЫХ  (
uВХ 
uВЫХ )  K u 0
R1  R2
R1  R2
R1  R2
- отличается от ранее рассмотренной ООС; но введя
R
R2
K u 0
Ku 0  Ku 0
, можем ввести   1 и K u  
R2
R1  R2
1    K u 0
1
R
 если Ku 0   1 имеем K u     2

R1
 uD  uВХ 
- причем при этом амплитуда сигнала на инвертирующем входе мала - говорят,
что на нем находится "виртуальный ноль" или "виртуальная земля"
Входное сопротивление схемы rВХ  R1  rD , rS
Замена сопротивления R2 на конденсатор превращает усилитель в интегратор :
-----------------------------------------------------------------------------------------------------3) сумматор
-----------------------------------------------------------------------------------------------------4) дифференциальный усилитель
------------------------------------------------------------------------------------------------------