MNAI – one stage amplifier by Roman Prokop

MOS transistor basic equations All MOSes should work in saturation region – then their parameters are following: NA – substrate doping ~ X .1016 cm-3

MOS transistor basic equations

BJT basic equations VE => Eearly voltage VT => thermal voltage k => Boltzmann constant q => charge of electron Jestliže Rout zdroje = ∞ 

BJT basic equations

Jednoduchý MOS zesilovač zatížený zdrojem proudu Zesilovač je zatížen DC proudovým zdrojem. V této konfiguraci je zesílení maximální, protože malosignálový odpor této zátěže je nekonečný (z tohoto důvodu není také viditelný v malosignálovém náhradním obvodu). Pracovní bod jednoduchého MOS zesilovače je nastaven pomocí zdroje napětí VIN, na nějž je superponován malosignálový signál vin. 6

Jednoduchý MOS/BJT zesilovač zatížený zdrojem proudu Z rovnice vyplývá: pro velké zesílení AV musíme zvolit VGS-VTH co nejmenší naopak délka kanálu musí být co největší U bipolárních tranzistorů je zesílení napětí nepřímo úměrné kT/q v porovnání s unipolárními (VGS-VTH)/2 Důsledek: v analogových zesilovačích není nikdy využívána minimální délka kanálu MOST, obvykle volíme délku kanálu L nejméně 4–5 násobek minimální hodnoty typická hodnota pro VGS-VTH je mezi 0,15-0,2 V (menší hodnoty by se mohli dostat do oblasti, kde končí slabá inverze, absolutní hodnoty proudu jsou v této části charakteristiky příliš malé a šumový signál proto působí problémy) 7

Jednoduchý MOS zesilovač zatížený zdrojem proudu Malosignálové zesílení MOST Proud ID z rovnice vypadne, protože oba parametry, gm i rDS, jsou na něm závislé 8

Jednoduchý MOS zesilovač zatížený zdrojem proudu

Jednoduchý MOS zesilovač s R zatěží. Zesilovač je zatížen rezistorem. V této konfiguraci je zesílení minimální, protože malosignálový odpor této zátěže je relativně malý. (pokud použijeme velký R, bude na něm pro určitý pracovní proud obrovský (nereálný) úbytek napětí). Pracovní bod jednoduchého MOS zesilovače je nastaven pomocí zdroje napětí VIN, na nějž je superponován malosignálový signál vin. Obvykle platí  10

Jednoduchý MOS zesilovač s R zatěží.

Jednoduchý MOS zesilovač s aktivní zatěží. Zesilovač je zatížen MOS transistorem. V této konfiguraci je zesílení velké (maximální reálné, protože malosignálový odpor této zátěže je relativně velký. (přitom díky nelinearitě charakteristiky zatěžovacího PMOS stačí nízké napájecí napětí). Pracovní bod jednoduchého MOS zesilovače je nastaven pomocí zdroje napětí VIN, na nějž je superponován malosignálový signál vin. 12

Jednoduchý MOS zesilovač s aktivní zatěží.

Jednoduchý MOS zesilovač s aktivní zatěží. 14

Jednoduchý MOS zesilovač s aktivní zatěží. Nejjednodušším blokem, o kterém lze prohlásit, že plní úlohu zesilovače, je invertor s aktivní zátěží. Na Obr. 69 vidíme jeho obvodové zapojení pro variantu s a) nmos vstupním tranzistorem a b) s pmos vstupním tranzistorem. Na rozdíl od verze invertoru pro logické obvody je vstupní signál připojen pouze na gate jednoho tranzistoru. Tranzistor tvořící aktivní zátěž má pracovní bod nastaven pomocným referenčním napětím Vbias. Referenční napětí vytváří tranzistor MB, který je zapojen v tzv. diodovém uspořádání (drain a gate tranzistoru je propojen) a protéká jím proud Ibias. V následujících kapitolách bude ukázáno, že toto uspořádání je stejné jaké je použito u jednoduchého proudového zrcadla. Napětí mezi G a S (VGS) tranzistoru aktivní zátěže je konstantní a tudíž stejnosměrná (dc) napěťovo-proudová charakteristika je tímto určena. Pokud bude vstupní napětí Vin menší než je prahové napětí VTH tranzistoru M1, potom tranzistorem nepoteče téměř žádný proud a výstupní napětí bude v tomto případě velmi blízké napájecímu napětí VDD. V tomto případě pracuje tranzistor M1 v podprahovém („subthreshold“) režimu a tranzistor M2 v režimu lineárním (odporovém, „triode“). Při zvyšování vstupního napětí Vin začneme postupně opouštět podprahový režim a tranzistor se stává vodivým. Nicméně výstupní napětí stále zůstává blízké VDD až do okamžiku kdy proud tranzistorem M1 dosáhne hodnoty saturačního proudu (tranzistor M1 vstoupí do oblasti saturace). V tomto bodě má stejnosměrná převodní charakteristika poměrně prudký (a záporný) sklon (Obr. 2 a). V této oblasti pracují oba tranzistory v saturačním režimu. Pokud nadále zvyšujeme vstupní napětí, proud tranzistorem M1 má snahu se zvyšovat a začíná být větší než proud tranzistorem M2. To není možné a dochází k vyrovnávání proudů zmenšováním výstupního napětí až do okamžiku kdy se tranzistor M1 dostane do lineárního režimu a napětí na výstupu se přiblíží ke gnd. 15

Jednoduchý MOS zesilovač s aktivní zatěží. Sklon převodní charakteristiky invertoru je v přímé souvislosti s malosignálovým zesílením. Obr. 2 b) ukazuje, že největšího zesílení, jak je známo, dosahuje invertor v oblasti, kde oba tranzistory pracují v saturaci. Z toho samozřejmě plyne, že pokud chceme tohoto obvodu použít jako zesilovače, je potřeba nastavit pracovní bod obvodu právě tak, aby se pohyboval v této oblasti. Naopak připomeňme, že v digitálních obvodech se snažíme, aby invertor pracoval v oblastech kdy je výstup buď blízko napájecího napětí (VDD, log 1) nebo naopak zemi (gnd, log 0). 16