Podręcznik

Omówiony wyżej układ wtórnika w praktyce wystarcza, jeśli rezystancja obciążenia jest rzędu kiloomów lub większa. Dla mniejszych rezystancji obciążających (lub gdy układ obciążony jest znaczną pojemnością) potrzebne są inne układy. Stosowane są wtedy stopnie w układzie szeregowo-przeciwsobnym. Zasadę budowy takiego układu, w wersji CMOS, pokazuje rysunek 3-36: 

Rysunek 3‑36. Zasada budowy układu szeregowo-przeciwsobnego

W tym układzie przy dodatnim półokresie sygnału sterującego prąd tranzystora T2 wzrasta, a T1 - maleje. Różnica tych prądów stanowi prąd wyjściowy płynący przez zewnętrzną rezystancję $R_L$. Przy ujemnym półokresie wzrasta prąd T1, a maleje - T2. Oba tranzystory pracują jako wtórniki, których rezystancją obciążającą jest $R_L$. Należy zwrócić uwagę na to, że w tym układzie umownym węzłem odniesienia dla wzmacnianego sygnału jest węzeł łączący dwa źródła zasilania, a nie – jak to zwykle bywa – „minus” zasilania, czyli podłoże układu. Taki sam stopień można zbudować z tranzystorów bipolarnych, zastępując tranzystor nMOS tranzystorem n-p-n, a tranzystor pMOS - tranzystorem p-n-p. Działanie układu będzie analogiczne.

Układ zbudowany tak, jak na rysunku 3-36, ma poważną wadę - jego charakterystyka przejściowa wykazuje silną nieliniowość dla napięć wejściowych w okolicy zera. Wynika to z faktu, że aby przez tranzystor T1 płynął prąd, napięcie na jego bramce musi być wyższe od jego napięcia progowego, a aby płynął prąd przez tranzystor T2, napięcie na jego bramce musi spaść poniżej jego napięcia progowego. Istnieje więc taki (dość szeroki!) zakres napięć wejściowych, dla których żaden tranzystor nie przewodzi, a więc prąd przez rezystancję obciążenia nie płynie i napięcie na niej wynosi zero. Jakościowo charakterystykę przejściową układu ilustrującą to zjawisko pokazuje rysunek 3-37.

Rysunek 3‑37. Charakterystyka przejściowa układu pokazanego na rysunku 3-36

Tę wadę można usunąć wprowadzając dodatkowe źródła napięcia wstępnie polaryzujące bramki tranzystorów (rysunek 3-38). Napięcia te sumują się z napięciem wejściowym. Na charakterystyce odpowiada to przesunięciu górnej połówki charakterystyki w lewo, a dolnej w prawo i w rezultacie otrzymuje się wypadkową charakterystykę przejściową, która jest liniowa lub bardzo bliska liniowej - jak na rysunku 3-39.

Rysunek 3‑38. Układ szeregowo-przeciwsobny, zasada wstępnej polaryzacji bramek tranzystorów

Rysunek 3‑39. Charakterystyka przejściowa (czerwona linia) układu pokazanego na rysunku 3-38

Zwróćmy uwagę, że w obwodzie złożonym z obu źródeł zasilania oraz połączonych szeregowo tranzystorów T1 i T2 płynie pewien stały prąd (zwany prądem spoczynkowym) niezależnie od tego, czy układ jest wysterowany jakimkolwiek sygnałem wejściowym. Gdyby napięcia $V_{Pn}$ i $V_{Pp}$ miały wartości niezależne od temperatury, to prąd spoczynkowy zmieniałby się z temperaturą: malał w przypadku tranzystorów MOS, rósł (i to bardzo szybko) w przypadku tranzystorów bipolarnych. Zatem istotne jest, w jaki sposób wytworzone zostaną napięcia $V_{Pn}$ i $V_{Pp}$. Zależy od tego stabilność pracy układu przy zmianach temperatury. Pokażemy to na praktycznych przykładach. Oto praktyczny układ szeregowo-przeciwsobny w wersji CMOS, w którym napięciami $V_{Pn}$ i $V_{Pp}$ są napięcia $V_{GS}$  tranzystorów T4 i T5:

W tym układzie sygnał z wejścia steruje bezpośrednio bramką T2, zaś tranzystor T1 jest sterowany z wyjścia wtórnika, jaki tworzy tranzystor T5 wraz ze źródłem prądowym (T3-T6). Dodatkowo tranzystor T5 wraz z tranzystorem T4 (w połączeniu diodowym) stanowią układ przesuwania poziomu składowej stałej zapewniający odpowiednią wartość składowej stałej napięcia na bramce tranzystora T1.

Wartość napięcia stałego $V_P$ decyduje o wartości prądu spoczynkowego I2 tranzystorów wyjściowych T1 i T2. Napięcie to jest sumą $V_{GST5}$ i  $V_{GST4}$, a tym samym  $V_{GST1}$ i  $V_{GST2}$. Zakładając, że wszystkie tranzystory pracują w zakresie nasycenia, i rozpisując odpowiednie wyrażenia dla napięć można pokazać, że jeśli spełnione są warunki

to prąd I₂ ma wartość

Można pokazać, że przy właściwie dobranym napięciu $V_P$ charakterystyka przejściowa układu jest liniowa, jeśli dodatkowo spełniony jest warunek jednakowych wydajności prądowych obu tranzystorów, czyli

Charakterystyka ta jest jednak liniowa tylko tak długo, jak długo oba tranzystory przewodzą. Gdy jeden z nich zostaje wyłączony, prąd do obciążenia dostarcza tylko drugi, a to oznacza, że charakterystyka staje się nieliniowa (zależność prądu drenu od napięcia bramki jest, jak pamiętamy, w stanie nasycenia funkcją kwadratową).

Konduktancja wyjściowa układu wynosi

W praktyce rezystancja wyjściowa $r_{wy}$ ma zwykle wartość rzędu kilkuset omów. To oznacza, że jeśli potrzebny jest stopień wyjściowy sterujący małą rezystancję i dostarczający prąd wyjściowy rzędu setek miliamperów lub kilku amperów, to zwykłe układy CMOS nie są przydatne. Dzieje się tak dlatego, że dla osiągnięcia dużej wartości transkonduktancji $g_m$ i dostarczania dużego prądu do obciążenia dużą wartość musi mieć prąd drenu (wzór 3-20). Ale tranzystory MOS, aby dostarczać prądy rzędu amperów, musiałyby mieć olbrzymie wartości stosunku W/L. Takie tranzystory MOS, jakie można wytworzyć w standardowych technologiach CMOS (również tych najbardziej zaawansowanych), musiałyby zajmować olbrzymie powierzchnie krzemu. Nie miałoby to technicznego i ekonomicznego sensu.

Istnieją jednak konstrukcje tranzystorów MOS dużej mocy, które pozwalają osiągnąć duże wartości stosunku W/L przy umiarkowanej powierzchni zajmowanej przez tranzystor. Kanały tych tranzystorów znajdują się w głębi płytki krzemowej, ukośnie lub pionowo w stosunku do powierzchni. Produkcja układów z takimi tranzystorami jest technologicznie dużo bardziej skomplikowana niż w przypadku standardowych technologii CMOS, i nie będziemy jej omawiać. Układy z tranzystorami dużej mocy MOS znajdują zastosowanie m.in. w elektronice motoryzacyjnej, ze względu na to, że tranzystory MOS są mniej narażone na uszkodzenia przy pracy w wysokiej temperaturze. Dlaczego? O tym będzie mowa dalej.

Prostszym i od dawna stosowanym sposobem budowy układów scalonych dostarczających duży prąd do obciążenia jest zastosowanie układów na tranzystorach bipolarnych. O tym także będzie mowa dalej.