3.08. Истоковые повторители
Ввиду относительно малой крутизны ПТ часто предпочитают использовать построенный на ПТ «истоковый повторитель» (являющийся аналогом эмиттерного повторителя) в качестве входного буферного каскада для усилителя на обычных биполярных транзисторах, вместо того, чтобы пытаться прямо изготовить усилитель на ПТ с общим истоком. При этом сохраняются высокое входное сопротивление и нулевой постоянный входной ток ПТ, а большая крутизна биполярного транзистора позволяет получить большой коэффициент усиления в одном каскаде. Кроме того, у дискретных ПТ (т.е. не являющихся частью интегральной схемы) межэлектродные емкости выше, чем у биполярных транзисторов, вследствие чего в усилителях с общим истоком более сильно проявляется эффект Миллера (разд. 2.19); в схеме истокового повторителя, как и в эмиттерном повторителе, эффект Миллера отсутствует.
Повторители на ПТ с их высоким полным входным сопротивлением обычно применяются как входные каскады в осциллографах и других измерительных приборах. Во многих случаях высокое полное сопротивление бывает неотъемлемой особенностью источника сигнала. как. например, у конденсаторных микрофонов, pН-метров. детекторов заряженных частиц или микроэлектродов для снятия сигналов с живых объектов в биологии и медицине; во всех этих случаях полезен входной каскад на ПТ (дискретных или в составе интегральной схемы). В схемотехнике встречаются случаи, когда и последующий каскад должен иметь малый входной ток или вообще его не иметь. Примеры тому - схемы «слежения и хранения» и пиковые детекторы, в которых конденсатор, запоминающий уровень напряжения, «сбросится», если вход последующего усилителя проводит слишком большой ток. Во всех этих случаях пренебрежимо малый входной ток ПТ является более важной характеристикой, чем его малая крутизна, что делает истоковый повторитель (или даже усилитель с общим истоком) весьма выгодной заменой эмиттерного повторителя на биполярных транзисторах.
Рис. 3.25.
Рис. 3.26.
На рис. 3.25 показан простейший истоковый повторитель. Мы можем выразить амплитуду выходного сигнала, как делали это для эмиттерного повторителя в разд. 2.11, через крутизну. Имеем: uи = Rнiс, так как iз пренебрежимо мал; при этом, поскольку ic = gmuзи = gm(uз - uи), то uи = [Rнgm/(1 + Rнgm]uз. При Rн » 1/gm мы имеем хороший повторитель (uз ≈ uи) с коэффициентом усиления, близким к единице, хотя всегда меньше единицы.
Выходное сопротивление. Предыдущую формулу для ии можно было бы считать не приближенным, а точным выражением, если бы выходное сопротивление истокового повторителя было равно 1/gm, (попробуйте произвести соответствующие расчеты, рассматривая напряжение источника как источник, который будучи включен последовательно с 1/gm, работает на нагрузку Rн). Это точный аналог ситуации с эмиттерным повторителем, у которого выходное полное сопротивление равно rэ = 25/Iк или 1/gm. Легко показать, что истоковый повторитель имеет полное выходное сопротивление 1/gm. определив ток истока при сигнале, приложенном к выходу при заземленном затворе (рис. 3.26). Ток стока в этом случае равен ic = gmuзи = gmu, а rвых = u/ic = 1/gm. Обычно rвых составляет несколько сот ом при токах в несколько миллиампер. Как легко видеть, истоковые повторители не столь совершенны, как эмиттерные повторители.
У данной схемы два недостатка:
1. Относительно большое выходное полное сопротивление означает, что амплитуда выходного сигнала может быть значительно меньше, чем амплитуда входного, даже при высоком полном сопротивлении нагрузки, так как любое Rн образует в сочетании с выходным сопротивлением истока делитель. Кроме того, так как ток стока меняется на протяжении периода сигнала, поэтому gm и вместе с ней выходное полное сопротивление будут изменяться, внося в выходной сигнал некоторую нелинейность (искажения). Эту ситуацию можно улучшить, используя ПТ с большой крутизной, но лучшим решением является комбинированный (ПТ - биполярный транзистор) повторитель.
2. Так как величина Uзи, необходимая для задания определенного рабочего тока, - трудно контролируемый при изготовлении параметр, то истоковый повторитель имеет непредсказуемое смещение по постоянному току - серьезный минус при использовании в схемах со связями по постоянному току.
Активная нагрузка. Путем добавления нескольких элементов истоковый повторитель может быть очень сильно улучшен. Рассмотрим это поэтапно.
Во-первых, заменим Rн источником тока (отбирающим ток, рис. 3.27). Постоянный ток истока стабилизирует напряжение Uзи, а это устраняет нелинейности. Для простоты можно считать, что значение Rн становится бесконечным - эфект, создаваемый источником тока в качестве нагрузки. Схема на рис. 3.27,б имеет еще одно преимущество в виде малого выходного сопротивления при сохранении приближенного постоянства тока истока Uбэ/Rсм. По-прежнему, правда существует проблема непредсказуемого (а потому ненулевого) напряжения смещения от входа к выходу Uзи (для схемы 3.21,б - Uзи + Uбэ). Можно было бы, конечно, просто отрегулировать Iсм к значению IСнач для конкретного ПТ в схеме 3.27,а или отрегулировать также R на схеме 3.27,б. Но это решение плохо по двум причинам: а) требуется индивидуальная регулировка для каждого ПТ; б) даже и при этом Iс может сильно меняться (почти двукратно) при изменении температуры в рабочем диапазоне при данном Uзи.
В более качественных схемах применяются согласованные пары ПТ с нулевым смещением (рис. 3.28). T1 и Т2 - это согласованная пара на отдельном кремниевом кристалле. Т2 отбирает ток точно отвечающий условию Uзи = О, поэтому, так как для обоих ПТ Uзи = О, Т1 есть повторитель с нулевым смещением. Так как оба ПТ находятся в одних и тех же температурных условиях, смешение остается почти нулевым при любой температуре.
Рис. 3.28.
Обычно в предыдущей схеме добавляют небольшие истоковые резисторы (рис. 3.29). Если чуть подумать, то будет ясно, что резистор R1 необходим, а равенство R1 = R2 гарантирует, что Uвых = = Uвх, если Т1 и Т2 согласованы. Эта модификация схемы улучшает предсказуемость Ic, позволяет установить значение тока стока, отличное от IСнач и улучшает линейность, поскольку ПТ как источник тока работает лучше при значениях рабочего тока, меньших IСнач. Такой повторитель широко применяется в качестве входного каскада усилителя вертикального отклонения осциллографа.
Рис. 3.29.
Чтобы «выжать» из схемы все возможное, можно добавить в нее цепь следящей обратной связи со стока (чтобы скомпенсировать входную емкость) и выходной каскад на биполярном транзисторе для получения низкого полного выходного сопротивления. Тот же выходной сигнал можно затем использовать для запитки внутреннего «защитного» экрана, эффективно понижающего влияние емкости экранированного кабеля, которая в противном случае катастрофически ухудшила бы параметры схемы с высоким сопротивлением источника сигналов и свела бы на нет большое полное входное сопротивление, свойственное буферному усилителю.