Cặp vi sai MOSFET tích cực tải: Đo Lambda, Dự đoán tăng

ĐIỆN TỬ CƠ BẢN - PHÂN CỰC CHO BJT (Tháng Sáu 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Cặp vi sai MOSFET tích cực tải: Đo Lambda, Dự đoán tăng


Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét phương trình để có được sự khác biệt và sử dụng LTspice để tìm giá trị của tham số điều chế độ dài kênh được gọi là lambda (λ).

Thông tin hỗ trợ

  • Mạch bán dẫn rời rạc: Bộ khuếch đại vi sai
  • Mạch bán dẫn rời rạc: Op-Amp đơn giản
  • Bóng bán dẫn hiệu ứng trường cách điện (MOSFET)
  • Nguồn liên tục MOSFET cơ bản
  • Cặp vi sai MOSFET cơ bản
  • Mô hình SPICE cho MOSFET 0.35 µm

Bài viết trước

  • Cặp vi sai MOSFET với tải hoạt động
  • Ưu điểm của cặp vi sai MOSFET tích cực tải
  • Cặp vi sai MOSFET tích cực tải trọng: Kháng đầu ra

Cặp Diff với kháng đầu ra

Trong bài viết trước, chúng tôi đã thảo luận về MOSFET tín hiệu đầu ra nhỏ (r o ): tại sao nó tồn tại, nó ảnh hưởng như thế nào đến mạch khuếch đại và cách tính toán nó. Bây giờ chúng tôi sẽ sử dụng chuyên môn mới này để kiểm tra độ lợi của cặp vi sai tích cực được tải. Hãy bắt đầu với mạch sau:

Vì vậy, bây giờ chúng tôi có điện trở cống cho FETs khuếch đại của chúng tôi, mà làm cho các cấu hình tích cực nạp giống với phiên bản cống-điện trở được trình bày trong The Basic MOSFET Differential Pair. Một phân tích phân tích độ lợi đầy đủ cho mạch này là không chính xác đơn giản, và tôi không muốn bị sa lầy trong sự phức tạp của tất cả. Thay vào đó, chúng tôi sẽ có một cách tiếp cận khái niệm, trực quan.

Cách dễ nhất để tiến hành là giả định rằng mạch đối xứng và sau đó chỉ phân tích phía bên phải của cặp khác (vì đầu ra được lấy từ phía bên tay phải). Kỹ thuật này sẽ ổn với cặp diff-resistor diff vì mạch đó thực sự là đối xứng nếu chúng ta giả định kết hợp hoàn hảo. Tuy nhiên, cặp diff tích cực tải, không may, không đối xứng.

Tuy nhiên, nó chỉ ra rằng chúng ta có thể giả vờ rằng mạch là đối xứng và sau đó thực hiện một phân tích trực quan ở phía bên tay phải của cặp. Trong khi làm như vậy, chúng ta có thể đến một biểu hiện chính xác cho sự khác biệt. (Tôi nói " một biểu thức chính xác" thay vì "biểu thức đúng" bởi vì ngay cả các phân tích chính thức hơn dẫn đến biểu thức này liên quan đến việc đơn giản hóa.)

Có lẽ bạn không thích loại bỏ liều lĩnh liều lĩnh này cho lý thuyết mạch nghiêm ngặt, nhưng tôi chỉ vui vì tôi có thể kiểm tra và (ít nhất một phần) hiểu được tình hình mà không bị lạc vào chi tiết.

Phân tích "Trực quan"

Vì vậy, chúng ta hãy chia mạch trong một nửa và giả sử một mặt đất ảo kết nối với nguồn của Q 2 .

Chúng ta có thể thấy rằng mạch tương tự với phía bên tay phải của phiên bản điện trở xả. Như đã nêu trong cặp vi sai MOSFET cơ bản, độ lớn của độ chênh lệch vi sai của cặp khuyếch tán đầy đủ điện trở là (g m × R D ), và điều này có nghĩa là độ lợi của một bên của cặp khác biệt của ống xả điện trở (A V, OS ) là biểu thức tương tự này chia cho hai:

$$ A_ {V, OS} = \ frac {g_m \ lần R_D} {2} $$

Chúng ta có thể áp dụng cùng một biểu thức này cho cặp được kích hoạt tích cực, trong đó điện trở xả bây giờ là điện trở đầu ra tín hiệu nhỏ của Q 4 . Tuy nhiên, đừng quên rằng cặp diff chuyển đổi kết quả đầu ra từ vi phân sang single-end mà không làm mất lợi ích —các từ khác, sự giảm hai yếu tố xảy ra khi chúng ta chia cặp diff-resistor diff không áp dụng với cấu hình tải hoạt động.

Vì vậy, chúng ta có thể kết luận rằng lợi ích của cặp vi sai tích cực được nạp (A V, AL ) là như sau:

$$ A_ {V, AL} = g_m \ lần r_ {o4} $$

Nhưng điều này sẽ sai! Đó là sai bởi vì chúng tôi đang quên về sức đề kháng đầu ra của Q 2 . Với cặp khuyếch tán điện trở thoát nước, nó là đáng tin cậy hơn để bỏ qua điện trở đầu ra của Q 2 bởi vì nó có lẽ lớn hơn nhiều so với điện trở xả. Như chúng ta đã thấy với bộ khuếch đại nguồn chung được thảo luận trong bài trước, phân tích tín hiệu nhỏ đặt điện trở đầu ra song song với điện trở xả.

Nếu r o lớn hơn nhiều so với R D, kết hợp song song sẽ không khác nhiều so với R D. Nhưng chúng ta có một tình huống hoàn toàn mới với mạch tích cực nạp: r o của Q 4 có thể khá giống với r o của Q 2, và do đó chúng ta không thể bỏ qua r o của Q 2 .

Vì vậy, chúng ta cần một sơ đồ mạch mới:

Bây giờ điện trở đầu ra tổng thể là r o2 || r o4, và chúng tôi kết luận đúng rằng lợi ích của cặp vi sai tích cực được nạp như sau:

$$ A_ {V, AL} = g_m \ lần \ trái (r_ {o4} \ song song r_ {o2} \ bên phải) $$

trong đó g m đề cập đến transconductance của các bóng bán dẫn khuếch đại (Q 1 và Q 2 ), không phải của các bóng bán dẫn gương hiện tại (Q 3 và Q 4 ).

Đo Lambda

Tại thời điểm này, chúng tôi muốn dự đoán độ lợi của cặp diff tích cực của chúng tôi - nhưng chúng ta không thể, bởi vì chúng ta cần biết giá trị của r o4 và r o2.

Vì điều này, chúng ta cần biết lambda, vì

$$ r_o = \ frac {1} {\ lambda \ lần I_D} $$

Tôi biết những gì bạn đang suy nghĩ: Chỉ cần nhìn vào mô hình Spice!

Than ôi, nó không phải lúc nào cũng đơn giản. Các mô hình MOSFET mà chúng ta đang sử dụng trong các mô phỏng của chúng ta là sự đa dạng của "BSIM3", có nghĩa là chúng quá phức tạp đối với phương pháp dựa trên lambda để điều chế độ dài kênh. Nói cách khác, bạn sẽ không tìm thấy lambda trong mô hình Spice vì nó đã được thay thế bởi các tham số khác cho phép mô phỏng chính xác hơn.

Vì vậy, chúng ta có cơ hội tốt để xác định lambda theo kinh nghiệm. Làm thế nào để chúng ta đi về "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/ALRG_diagram9.jpg" />

Đầu tiên, chúng tôi áp dụng một điện áp cổng tới nguồn đủ cao để mang FET ra khỏi ngưỡng. Sau đó, giữ hằng số V GS, chúng tôi tăng điện áp từ nguồn tới nguồn. Khi V DS trở nên đủ cao để chụm kênh, FET đi vào trạng thái bão hòa. Nếu chúng ta bỏ qua điều chế độ dài kênh, đường cong sẽ hoàn toàn bằng phẳng (như được hiển thị ở trên), bởi vì sự gia tăng trong V DS không ảnh hưởng đến dòng xả.

Đường cong sau, ngược lại, không phẳng trong vùng bão hòa vì nó kết hợp điều chế độ dài kênh:

Sự gia tăng dần dần trong dòng thoát nước bão hòa khu vực tương ứng với dòng bổ sung chảy qua điện trở đầu ra khi điện áp từ nguồn tới nguồn tăng. Nếu chúng ta mở rộng dòng này trở lại trục x, chúng ta có lambda:

Như được chỉ ra trong cốt truyện, bạn cũng có thể đo độ dốc và chuyển đổi trực tiếp thành r o .

Mô phỏng Lambda

Đây là mạch LTspice mà tôi đã sử dụng để tìm lambda: