¿Por qué usamos una fuente de corriente para relajar la compensación entre la ganancia de voltaje y el margen de tensión?

El amplificador de fuente común tiene una ganancia de voltaje de $$ A_v = -g_m (R _ {\ text {L}} \ parallel r_o) $$

donde \ $ R _ {\ text {L}} \ $ es la resistencia de carga, y \ $ r_o \ $ es la pequeña resistencia de salida de señal del MOSFET que generalmente es alta (generalmente \ $ R _ {\ text {L }} \ ll r_o \ $ para valores razonables de \ $ R _ {\ text {L}} \ $). El aumento de \ $ R _ {\ text {L}} \ $ aumenta la ganancia del circuito.

Sin embargo, aumentar \ $ R _ {\ text {L}} \ $ también reduce el margen de voltaje para el voltaje de salida debido a la Ley de Ohm. El voltaje de salida en términos de \ $ R _ {\ text {L}} \ $ es

$$ v _ {\ text {out}} = V _ {\ text {DD}} - i _ {\ text {D}} R _ {\ text {L}} $$

Sin embargo, \ $ v _ {\ text {out}} \ $ está limitado al rango de 0V a \ $ V _ {\ text {DD}} \ $ (el "espacio de cabeza"). El aumento de \ $ R _ {\ text {L}} \ $ significa que \ $ v _ {\ text {out}} \ $ llegará a la línea 0V antes. Usted podría reducir \ $ I _ {\ text {D}} \ $ para mejorar el margen, pero eso también reduce la ganancia porque \ $ g_m \ $ es proporcional a \ $ I _ {\ text {D}} \ $ : $$ g_m = \ sqrt {2 \ mu C_ {ox} \ frac {W} {L} I _ {\ text {D}}} $$

La única forma de aumentar tanto el espacio libre como la ganancia con un amplificador de fuente común con carga resistiva es aumentar \ $ V _ {\ text {DD}} \ $, lo que generalmente no es deseable y / o no es una opción.

Una fuente actual soluciona este problema. Una fuente de corriente ideal tiene una resistencia de salida infinita, lo que daría como resultado una ganancia infinita para la fuente común. Una fuente de corriente ideal también suministra una corriente constante independientemente del voltaje que la atraviese (no obedece a la Ley de Ohm). Una fuente de corriente real tiene una resistencia de salida finita pero alta y no es totalmente independiente del voltaje que la atraviesa, pero no obstante, relaja esta compensación entre ganancia y altura.

Haré el análisis para BJT, pero los mismos principios se aplican a otros transistores.

Considere la situación con una carga pasiva, es decir, un resistor, en lugar de la fuente actual. La ganancia es: $$ A = \ dfrac {R} {r_e} $$ Puede estar pensando que todo lo que necesita hacer para aumentar la ganancia es aumentar la resistencia. Sin embargo, ese no es el caso, siempre que mantengas el punto Q igual.

Deje que el voltaje del punto Q, en el colector, sea \ $ V_Q \ $. La corriente de reposo es entonces: $$ I_Q = \ frac {V_ {CC} - V_Q} {R} $$ La transconductancia se puede utilizar aquí: $$ g_m = \ frac {1} {r_e} = \ frac {I_Q} {V_T} = \ frac {V_ {CC} - V_Q} {R V_T} $$ La ganancia entonces se convierte en: $$ A = \ frac {V_ {CC} - V_Q} {V_T} $$

Entonces, la única manera de aumentar la ganancia es mover el punto Q. Si aumenta la resistencia del colector, la resistencia del emisor aumenta en consecuencia. Pero puede mover el punto Q solo mucho, antes de que la señal de salida comience a recortarse, o llegue a los límites establecidos por los rieles. Esto es lo que se entiende por espacio de cabeza.

Las fuentes actuales, por otro lado, pueden sortear eso. Puede tener una resistencia de colector muy alta, debido a la fuente de corriente, y aún tener un punto Q en el centro de los rieles de suministro. La fuente de corriente simplemente cambiará su voltaje para compensar.

Con una fuente actual puede lograr ganancias que superan lo que puede lograr con componentes pasivos. A 5 V, la ganancia máxima teórica que puede alcanzar con solo una resistencia a temperatura ambiente es 200, cuando establece el punto Q a 0 V. Un BJT cargado activamente con una fuente de corriente BJT puede lograr fácilmente una ganancia de alrededor de 2000.