СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2015

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2015 0 0 0 OUT INP I D C D B1 Z1 V CC T A C F 0 0 0 OUT INP I D C D DA1 + – R A V B J1 V CC C F 0 0 0 OUT INP DA1 + – R1 R2 V B J1 J2 V CC C F ёмкость, соединённая с входом ЗЧУ, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, q – заряд электрона, g M – крутизна ПТП. Анализ соотношений (7) и (8) пока- зывает, что уровень шумов можно уменьшить следующим образом. 1. При увеличении крутизны ПТП путём увеличения отношения шири- ны затвора к длине W/L одновременно увеличивается ёмкость C SG , и поэтому существует локальный минимум ENC SJ (второго слагаемого в выражении (7)), имеющий место при выполнении усло- вия так называемого «ёмкостного согла- сования головного ПТП и датчика»: . (9) 2. Увеличение сопротивления рези- стора R F и уменьшение постоянного входного тока способствуют уменьше- нию ENC PJ . Кроме того, при этом воз- можно значительное увеличение вре- мени пика T M для уменьшения ENC SJ . Однако при выборе параметров R F , I INPDC и T M целесообразно учитывать следую- щие факторы: высокоомные резисторы обладают паразитной ёмкостью, кото- рая вызывает изменение формы выход- ного импульсного сигнала, а большие значения времени пика T M могут при- вести к появлению «микрофонного» эффекта. 3. Увеличение крутизны ПТП повы- шением тока стока I D приводит к сла- бому уменьшению последователь- ной составляющей шумового заряда, поскольку , (10) где g MMAX – максимальная крутизна ПТП при максимальном токе стока I SDMAX при V GS = 0, V SD  V TH . V GS , V SD , V TH – напряже- ние затвор-исток, сток-исток и отсеч- ки ПТП, соответственно, I D – ток сто- ка. При этом существенно возрастает потребляемая мощность. У СИЛИТЕЛИ С ОХЛАЖДАЕМЫМ « ГОЛОВНЫМ » ТРАНЗИСТОРОМ Наиболее распространённым видом криогенных аналоговых микросхем для датчиков является малошумящий усилитель с охлаждаемым «головным» элементом, упрощённая схема которо- го показана на рисунке 2 [2]. Он содер- жит преобразователь напряжение- ток (T) на биполярном или полевом транзисторе, нагрузку (Z1) и буфер- ный каскад (B1). Каскад T преобразу- ет входное напряжение малой величи- ны в ток, который, протекая по нагруз- ке Z1, создаёт на ней большое падение напряжения. Буферный каскад B 1 (чаще всего, повторитель напряжения) обе- спечивает работу усилителя с внешней нагрузкой и управляет цепьюОС (кон- денсатором C F ). Коэффициент усиления напряжения на низкой частоте при разомкнутой цепи ОС определяется произведением крутизны «головного» элемента на сум- марное сопротивление всех параллель- ных цепей, соединённых с высокоим- педансным узлом (A на рис. 2). Поэтому при проектировании усилителя необ- ходимо максимально увеличивать кру- тизну «головного» элемента, сопротив- ление нагрузки Z1, а также обеспечи- вать высокое входное сопротивление буферного каскада. Для усилителей, работающих с высо- коимпедансным источником входного сигнала, в качестве «головного» элемен- та обычно используют малошумящий ПТП. При этом максимальный коэф- фициент усиления напряжения K MAX , в предположении бесконечно боль- шого Z1 и с учётом g SD ≈ λ I D , составит [1]: , (11) где g SD – малосигнальная выходная про- водимость ПТП, λ – коэффициент моду- ляции длины канала напряжением V SD , BETA – коэффициент пропорциональ- ности (удельная крутизна). При максимальном токе стока ПТП, обеспечивающем максимальную кру- тизну, K MAX уменьшится до величины, определяемой выражением: . (12) В современных ПТП для увеличе- ния крутизны уменьшают длину кана- ла, но при этом возрастает коэффици- ент l и уменьшается усиление. Напри- мер, для DMILL p-ПТП K MAX = 20 [3]. Для увеличения коэффициента уси- ления с разомкнутой ОС обычно при- меняют следующие схемотехнические решения. 1. Добавляют усилительный каскад (см. рис. 3). Однако при этом усложня- ется частотная коррекция, так как необ- ходимо обеспечить большой разнос по частоте для трёх полюсов: допол- нительного усилителя (DA1 на рис. 3), высокоимпедансного узла (A на рис. 3) и входа INP, на частоту полюса которо- го влияет ёмкость p–n-перехода затвор- сток C GD , усиленная в (1+K) раз благода- ря эффекту Миллера, где K – коэффи- циент усиления входного напряжения на стоке J1. 2. Каскодное включение «головного» транзистора с дополнительным токо- задающим резистором (R2, см. рис. 4). В таком включении один из транзисто- ров с высоким выходным сопротивлени- ем соединён со вторым транзистором, имеющим низкое входное и высокое выходное сопротивления. Например, каскодными являются соединения типа общий эмиттер (ОЭ) и общая база (ОБ), ОЭ и общий затвор (ОЗ), общий исток (ОИ) иОБ, ОИиОЗ (см. рис. 4). Каскоды обладают рядом преимуществ, а имен- Рис. 2. Упрощённая схема малошумящего усилителя Рис. 3. Упрощённая схема малошумящего усилителя с дополнительным ОУ Рис. 4. Упрощённая схема малошумящего усилителя с «головным» транзистором в каскодном включении