Общий источник

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

Рисунок 2. Базовая схема N-канального JFET с общим истоком и вырождением истока.

В электронике усилитель с общим истоком — это одна из трех основных топологий однокаскадного усилителя на полевом транзисторе (FET), обычно используемая в качестве 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. Оставшийся терминал известен как «общий». В этом примере сигнал поступает 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. классификацию усилителей ). В усилителе крутизны входное напряжение модулирует ток, идущий на нагрузку. 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 приемлемого усилителя крутизны ( в идеале бесконечное ), и не достаточно низкое для приличного усилителя напряжения ( в идеале ноль ). Как видно из формулы ниже, коэффициент усиления напряжения зависит от сопротивления нагрузки, поэтому его нельзя применять для управления низкоомными устройствами, например динамиком (имеющим сопротивление 8 Ом). Еще одним существенным недостатком является ограниченный диапазон высоких частот усилителя. Поэтому на практике выходной сигнал часто направляется либо через повторитель напряжения ( стадия с общим стоком или каскад CD), либо через повторитель тока ( стадия с общим затвором или каскад CG), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Комбинация CS-CG называется каскодным усилителем.

Характеристики

На низких частотах и ​​с использованием упрощенной модели гибридного пи следующие характеристики малого сигнала (где не учитывается выходное сопротивление из-за модуляции длины канала) можно получить с обратной связью.

	Определение	Выражение
Текущий выигрыш	$A_{\text{i}}\triangleq {\frac {i_{\text{out}}}{i_{\text{in}}}}\,$	$\infty \,$
Усиление напряжения	$A_{\text{v}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\,$	${\begin{matrix}-{\frac {g_{\mathrm {m} }R_{\text{D}}}{1+g_{\mathrm {m} }R_{\text{S}}}}\end{matrix}}\,$
Входное сопротивление	$r_{\text{in}}\triangleq {\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}\,$	$\infty \,$
Выходное сопротивление	$r_{\text{out}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}$	$R_{\text{D}}\,$

Пропускная способность

Рисунок 3: Базовый N-канальный усилитель с общим истоком на МОП-транзисторе с активной нагрузкой I _D .

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

Рисунок 5: Схема слабого сигнала для N-канального усилителя с общим истоком на МОП-транзисторе, в которой используется теорема Миллера для введения емкости Миллера C _M .

Полоса пропускания усилителя с общим истоком имеет тенденцию быть низкой из-за высокой емкости, возникающей в результате эффекта Миллера . Емкость затвор-сток эффективно умножается на коэффициент $1+|A_{\text{v}}|\,$, тем самым увеличивая общую входную емкость и уменьшая общую полосу пропускания.

На рисунке 3 показан усилитель с общим истоком на МОП-транзисторе с активной нагрузкой . На рисунке 4 показана соответствующая схема слабого сигнала, когда нагрузочный резистор в _{добавлен} выходной узел, а драйвер Тевенена с приложенным напряжением и _VA последовательным сопротивлением RA _RL добавлен во входном узле. Ограничение полосы пропускания в этой схеме обусловлено связью паразитной емкости транзистора C _gd между затвором и стоком и последовательным сопротивлением истока R _A . (Существуют и другие паразитные емкости, но ими здесь пренебрегают, поскольку они оказывают лишь вторичное влияние на полосу пропускания.)

С помощью теоремы Миллера схема на рис. 4 преобразуется в схему на рис. 5, на которой показана емкость Миллера C _M на входной стороне схемы. Размер C _M определяется путем приравнивания тока во входной цепи на рисунке 5 к емкости Миллера, скажем, i _M , которая равна:

$\ i_{\mathrm {M} }=j\omega C_{\mathrm {M} }v_{\mathrm {GS} }=j\omega C_{\mathrm {M} }v_{\mathrm {G} }$ ,

току, потребляемому со входа конденсатора C _gd на рисунке 4, а именно jωC _gd v _GD . Эти два тока одинаковы, поэтому две цепи имеют одинаковое входное поведение, при условии, что емкость Миллера определяется выражением:

$C_{\mathrm {M} }=C_{\mathrm {gd} }{\frac {v_{\mathrm {GD} }}{v_{\mathrm {GS} }}}=C_{\mathrm {gd} }\left(1-{\frac {v_{\mathrm {D} }}{v_{\mathrm {G} }}}\right)$ .

Обычно частотная зависимость коэффициента усиления v _D / v _G что низкочастотная гибридная пи-модель точна для определения v _D / v _G. не имеет значения для частот даже несколько выше угловой частоты усилителя, а это означает , Эта оценка является приближением Миллера. и дает оценку (просто установите емкости равными нулю на рисунке 5):

${\frac {v_{\mathrm {D} }}{v_{\mathrm {G} }}}\approx -g_{\mathrm {m} }(r_{\mathrm {O} }\parallel R_{\mathrm {L} })$ ,

поэтому емкость Миллера равна

$C_{\mathrm {M} }=C_{\mathrm {gd} }\left(1+g_{\mathrm {m} }(r_{\mathrm {O} }\parallel R_{\mathrm {L} })\right)$ .

Коэффициент усиления g _m ( r _O || R _L ) велик для больших R _L , поэтому даже небольшая паразитная емкость C _gd может оказывать большое влияние на частотную характеристику усилителя, и для противодействия этому эффекту используется множество схемных уловок. . Один из трюков заключается в добавлении каскада с общим затвором (повторителя тока) для создания каскодной схемы. именно входное сопротивление повторителя тока ( RL _{Стадия повторителя тока представляет собой очень небольшую нагрузку для каскада с общим истоком, а} ≈ 1 / g _m ≈ V _ov / (2 I _D ); см. общий затвор ). Малый R _L уменьшает C _M . В статье об усилителе с общим эмиттером рассматриваются и другие решения этой проблемы.

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

$v_{\mathrm {G} }=V_{\mathrm {A} }{\frac {1/(j\omega C_{\mathrm {M} })}{1/(j\omega C_{\mathrm {M} })+R_{\mathrm {A} }}}=V_{\mathrm {A} }{\frac {1}{1+j\omega C_{\mathrm {M} }R_{\mathrm {A} }}}$ .

Полоса пропускания (также называемая частотой 3 дБ) — это частота, на которой сигнал падает до 1/ √ 2 от своего низкочастотного значения. (В децибелах , дБ( √ 2 ) = 3,01 дБ). Снижение до 1/ √ 2 происходит, когда ωC _M R _A = 1, в результате чего входной сигнал имеет это значение ω (назовем это значение ω _{, скажем, 3 дБ} ) v _G = V _A / (1+j). Величина = (1+j) √ 2 . В результате частота 3 дБ f _{3 дБ} = ω _{3 дБ} /(2π) равна:

$f_{\mathrm {3dB} }={\frac {1}{2\pi R_{\mathrm {A} }C_{\mathrm {M} }}}={\frac {1}{2\pi R_{\mathrm {A} }[C_{\mathrm {gd} }(1+g_{\mathrm {m} }(r_{\mathrm {O} }\parallel R_{\mathrm {L} })]}}$ .

в анализ включена паразитная емкость затвор-исток C _gs , она просто параллельна CM _Если , поэтому

$f_{\mathrm {3dB} }={\frac {1}{2\pi R_{\mathrm {A} }(C_{\mathrm {M} }+C_{\mathrm {gs} })}}={\frac {1}{2\pi R_{\mathrm {A} }[C_{\mathrm {gs} }+C_{\mathrm {gd} }(1+g_{\mathrm {m} }(r_{\mathrm {O} }\parallel R_{\mathrm {L} }))]}}$ .

Обратите внимание, что f _{3 дБ} становится большим, если сопротивление источника R _A мало, поэтому миллеровское усиление емкости мало влияет на полосу пропускания при малых R _A . Это наблюдение предполагает еще один схемный прием для увеличения полосы пропускания: добавьте каскад с общим стоком (повторитель напряжения) между драйвером и каскадом с общим истоком, чтобы сопротивление Тевенена комбинированного драйвера и повторителя напряжения было меньше, чем R _A исходного. водитель.

Исследование выходной стороны схемы на рисунке 2 позволяет найти 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 цепи.)

См. также

• Эффект Миллера
• Расщепление полюсов
• Общие ворота
• Общий сток
• Общая база
• Общий эмиттер
• Общий коллектор

Внешние ссылки

• Стадия усилителя с общим истоком