1. Одиночные каскады

Настоящий этап базисных структур необходим для создания обобщенных структур, анализ которых позволяет установить базовые (фундаментальные) ограничения, характерные для микросхемотехники на компонентном уровне. В зависимости от типа полупроводникового прибора (транзистора) различаются группы малосигнальных параметров, которые определяют их основные свойства. Однако всегда такие каскады делятся на инвертирующие, неинвертирующие и повторители напряжения (рис. 1, 2 и 3).

а) б)

Рис. 1. Инвертирующие каскады с общим эмиттером (а) и общим истоком (б)

а) б)

Рис. 2. Неинвертирующие каскады с общей базой (а) и общим затвором (б)

а) б)

Рис. 3. Повторители напряжения:

а) эмиттерный; б) истоковый

Анализ свойств таких каскадов приводит к следующим основным результатам. Во-первых, коэффициенты передачи инвентирующих и неинвертирующих способов подключения источника входного сигнала совпадают и отличаются только знаком (свойство инверсии фазы активного элемента).

Для каскадов на биполярных транзисторах:

; (1)

- для каскадов на полевых транзисторах:

. (2)

Во-вторых, для повторителей напряжения:

- для каскада с общим коллектором:

; (3)

- для каскада с общим стоком:

. (4)

Независимо от способа включения транзистора в широком диапазоне частот передаточную функцию каскада можно представить в следующем приемлемом для практики виде

, (5)

где - коэффициент передачи каскада, определяемый одним из соотношений (1-4); - постоянная времени каскада, которая в зависимости от типа транзистора определяется одним из соотношений:

,(6)

, (7)

где - коэффициент передачи эмиттерного тока; , - дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов; - объемное (эквивалентное) сопротивление области базы; - граничная частота передачи тока эмиттера; - емкость коллекторного перехода - для биполярных транзисторов; S - крутизна стоко-затворной характеристики; R_и - дифференциальное сопротивление участка цепи сток-исток; , - выходная и проходная емкости - для полевых транзисторов.

Из методических соображений отметим, что в этом случае уменьшается коэффициент передачи любой из схем, но также и увеличивается диапазон рабочих частот. Этот качественный вывод входит в структуру языка аналоговой схемотехники. Достаточно часто с целью упрощения и унификации математических соотношений используется понятие эквивалентной крутизны

или (8)

и эквивалентного сопротивления нагрузки

или . (9)

Тогда

.(10)

В каскадах с разделенной нагрузкой (рис. 4)

а) б)

Рис. 4. Каскады с разделенной нагрузкой:

а) на биполярном и б) полевом транзисторах

Существует достаточно простая связь между соответствующими коэффициентами усиления которая практически всегда упрощает математические преобразования в обобщенных структурах.

, (11)

Отметим достаточно важные для формирования критериев синтеза структур следующие из приведенных соотношений свойства простейших каскадов. Во-первых, независимо от способа увеличения коэффициента передачи инвертирующего или неинвертирующего каскада пропорционально уменьшается его диапазон рабочих частот. Во-вторых, уменьшение постоянной времени () и, следовательно, расширение диапазона рабочих частот за счет увеличения рабочего тока и напряжения имеет определенный и достаточно часто технологический предел. Наконец, каскады с разделенной нагрузкой даже при равенстве соответствующих коэффициентов передачи не могут обеспечивать одинаковые частотные свойства.