Усилитель с общим истом (IGFET): проектирование, смещение и производительность

Усилитель с общим истом (IGFET)

Ступень с общим истом (CS) — рабочая лошадка проектирования усилителей на MOSFET (IGFET). Она доставляет наивысшее напряженное усиление среди трех базовых MOSFET топологий, делая её идеальной для аудио, РЧ и смешанно-сигнальных приложений.

Ключевые характеристики

• Напряженное усиление (A_v) ≈ –g_m·R_вых (типично 20–50 В/В)
• Входное сопротивление — очень высокое (мегаомы до гигаомов)
• Выходное сопротивление — низкое (сотни ом до нескольких килом)
• Полоса пропускания — ограничена эффектом Миллера и паразитными емкостями

Смещение и DC рабочая точка

Правильное смещение обеспечивает работу в области насыщения, где MOSFET ведет себя как напряжение-управляемый источник тока. Распространенные схемы смещения включают:

• Резистивный делитель с резистором дегенерации источника для линейности и стабильности смещения.
• Самосмещение через диодно-связанный MOSFET для автоматической установки V_GS.
• Напряжение-режим смещение с опорным напряжением и токовым зеркалом нагрузки для точности.

Выбор нагрузки

Три типичные конфигурации нагрузки используются для компромисса усиления, выходного размаха и линейности:

• Резистивная нагрузка — простая, но ограниченная рассеиваемой мощностью.
• Токовое зеркало нагрузки — удваивает эффективное нагрузочное сопротивление, повышая усиление.
• CMOS нагрузка (p-MOS + n-MOS) — обеспечивает высокий выходной размах и низкие искажения.

Частотная характеристика

Миллеровская емкость (C_gs·(1 – A_v)) драматически снижает высокочастотную полосу пропускания. Техники смягчения включают:

• Использование низкоемкостного транзистора (напр., JFET или низко-C_gs CMOS).
• Добавление резистора обратной связи между стоком и источником.
• Применение каскодной ступени для изоляции C_gs от выхода.

Практический пример проектирования

 # Параметры
VDD = 5.0 V
Rsource = 1 kΩ
Rd = 10 kΩ
M1 = N-канальный MOSFET (Vth = 1.5 V)
# Расчет смещения
VGS = VDD – ID·(Rd + Rsource)
# Выбор ID = 2 mA → VGS ≈ 3.0 V
# Усиление
gm = 2·ID / (VGS – Vth) ≈ 1.33 mS
Av ≈ –gm·(Rd || ro) ≈ –12 V/V 

Применения

• Аудио предусилители — высокое усиление, умеренная полоса.
• РЧ смесители — линейность и низкий шумовой коэффициент.
• Цифровое смещение уровней — высокое входное сопротивление.

Осваивая смещение, выбор нагрузки и смягчение эффекта Миллера, проектировщики могут использовать полный потенциал усилителя с общим истом для широкого спектра электронных схем.