¿Cómo mejora su rendimiento agregar una fuente de corriente y una resistencia adicional al seguidor de fuente?

La corriente a través de la resistencia inferior se establece mediante el voltaje de corte del FET inferior.

Esta corriente es básicamente la misma que la corriente a través del resistor superior, por lo que la caída de voltaje en el resistor superior coincide con el voltaje de corte del FET inferior.

Si el FET inferior es lo suficientemente similar al FET superior y la corriente a través del terminal Vout es pequeña, entonces se cancelará la compensación de voltaje.

En el primer circuito, cuando el voltaje de entrada cambia (digamos que aumenta), el voltaje de salida cambia (aumenta). Esto cambia (aumenta) el voltaje a través de la resistencia de 330 Ω y, por lo tanto, su corriente también aumenta. La corriente más alta en el JFET superior aumenta su VGS. Por lo tanto, para un cierto cambio en el voltaje de entrada, el VGS también cambia y, por lo tanto, el cambio en el voltaje de salida no es tan grande (porque a medida que aumenta el voltaje de entrada, el VGS también aumenta ligeramente y, por lo tanto, el cambio de salida no es tan grande).

En el segundo circuito, el FET inferior puede actuar como sumidero de corriente constante. Esto mantiene constante el VGS del FET superior, por lo que un cambio en VIN se refleja casi con precisión en VOUT.

Esto no es perfecto: ambos JFETS tienen una impedancia de salida (==> VDS tiene un ligero efecto en el VGS necesario para ejecutar cierta corriente). Además, y la carga en la salida también cambiará el VGS del FET superior. El resultado neto es que la ganancia nunca alcanzará exactamente 1,00, sino que siempre será un poco menor, tal vez 0,9 o algo así.

La respuesta a su pregunta es una combinación de las dos respuestas anteriores de @Jansen y @jp314.

En el primer diagrama, tiene un seguidor de voltaje donde la compensación de CC (Vgs) entre la entrada y la salida es una función de la corriente que fluye a través de la resistencia de 330 ohmios. Puede echar un vistazo a los gráficos en la hoja de datos del 2N4392 para ver cómo esto podría variar. Claramente, a medida que la señal de entrada aumenta en magnitud, hay más variación en el voltaje a través de la resistencia y, por lo tanto, Vgs variará a medida que cambia la corriente a través de la resistencia.

Esto podría mejorarse aumentando la resistencia de 330 ohmios a un valor mayor, es decir, variaciones más pequeñas en la corriente que conducen a cambios más pequeños en Vgs. Sin embargo, una mejor solución es reemplazar la resistencia con un sumidero de corriente constante (según el segundo diagrama) que actúa como una resistencia "muy alta/infinita", es decir, la corriente se mantiene constante en un valor fijo independientemente del voltaje en la salida. . Si la corriente es fija, entonces claramente Vgs es fijo.

La solución final para eliminar la compensación de CC, es decir, establecer Vgs en cero, se basa en la idea de programar la corriente con un segundo dispositivo idéntico (verá que este concepto se usa una y otra vez en Horowitz y Hill). Básicamente, si configuramos la corriente con una compensación específica (Vgs), cualquier otro dispositivo (idéntico) que pase la misma corriente (en serie) tendrá la misma compensación. En nuestro caso, la caída de voltaje en la resistencia superior está programada por la corriente a través de la resistencia del mismo valor en la parte inferior, lo que crea una situación en la que la caída de Vgs se compensa exactamente y se elimina la polarización de CC.

Esta técnica de programación de voltaje es particularmente poderosa en el diseño de circuitos integrados donde los transistores idénticos que experimentan un conjunto idéntico de condiciones, por ejemplo, la temperatura, están disponibles para trabajar en concierto.

Es sorprendente cómo una idea tan simple e intuitiva es difícil de entender y periódicamente plantea todas estas preguntas. Esto me hizo escribir esta respuesta detallada para revelar la filosofía detrás de la implementación específica.

Breve explicación

El voltaje de salida VOUT se "eleva" con VGS por encima del voltaje de entrada VIN... pero dado que se le resta una caída de voltaje de compensación VR1 = VGS (Fig. 1), el voltaje de salida es igual al voltaje de entrada.

Fig. 1. La idea de compensación VGS (una interpretación geométrica)

Explicación detallada

Esta ingeniosa solución de circuito es un "cóctel" de conceptos de circuitos famosos. Investiguemos qué son y cómo se implementan en el circuito del OP.

Retroalimentación negativa. El JFET M1 superior está conectado en un circuito con retroalimentación negativa conocido como seguidor de fuente . Compara (resta) su voltaje de fuente (salida del circuito) con su voltaje de compuerta (entrada del circuito) y cambia su corriente de drenaje hasta que los hace iguales. Como resultado, el voltaje de salida copia el voltaje de entrada y el circuito se comporta como una fuente de voltaje .

El JFET M2 inferior está conectado en otro circuito con retroalimentación negativa conocido como diodo de corriente constante . Crea una caída de voltaje a través de una resistencia constante RE2; luego compara este voltaje con su voltaje de umbral Vth y cambia su corriente de drenaje hasta que los iguala. Como resultado, M2 mantiene su corriente de drenaje (casi) constante y el circuito se comporta como una fuente de corriente constante (más precisamente, sumidero ).

Sistemas NFB que interactúan. Las dos "fuentes" están conectadas entre sí y actúan como sistemas de retroalimentación negativa que interactúan. Proporcionan condiciones de carga ideales entre sí: la "fuente" de tensión M1 actúa como un cortocircuito para la "fuente" de corriente M2 y la "fuente" de corriente M2 actúa como un circuito abierto para la "fuente" de tensión M1. Hablando en sentido figurado, la fuente de voltaje "ayuda" a la fuente de corriente cuando intenta cambiar la corriente y la fuente de corriente "ayuda" a la fuente de voltaje cuando intenta cambiar el voltaje. En circuitos, esta configuración se conoce como "cascode".

Sesgo actual. Por lo tanto, M1 está polarizado desde el lado de la fuente al establecer directamente su corriente de drenaje. Esto es posible debido a la retroalimentación negativa que "invierte" el comportamiento de M1 (como si su corriente de drenaje controlara el voltaje de la fuente de la puerta). Veamos cómo.

El sumidero de corriente M2 "tira hacia abajo" de la fuente M1, tratando así de extraer la corriente deseada de ella. VGS1 disminuye y M1 reacciona a esta intervención aumentando su corriente de drenaje hasta que se vuelve igual a la corriente M1 deseada. Esto crea la ilusión de que la corriente de drenaje controla el voltaje de la puerta de entrada.

Carga dinámica. Este circuito tiene una ganancia de bucle abierto extremadamente alta (gm x Rdyn) debido a la resistencia diferencial extremadamente alta de la resistencia dinámica en la fuente (también conocida como 'fuente de corriente'). Podemos ver dos etapas en cascada: un 'convertidor de voltaje a corriente' (la transconductancia gm) y un 'convertidor de corriente a voltaje' (la resistencia dinámica en el emisor, también conocida como 'carga dinámica'), que forman un 'convertidor de voltaje amplificador'. Como resultado, la ganancia de lazo cerrado es casi 1 (seguidor perfecto).

Compensación pasiva. La idea de esta antigua técnica es compensar una perturbación con una "antiperturbación" equivalente. No es solo una idea de circuito; se puede ver a nuestro alrededor. En el circuito del OP específico esto significa compensar el voltaje VGS por un "anti-voltaje" -VGS (Fig. 2).

Fig. 2. El funcionamiento del circuito se visualiza mediante barras de voltaje en rojo y bucles de corriente en verde (una interpretación geométrica).

El voltaje de entrada se obtiene mediante el potenciómetro P conectado entre los rieles de alimentación. Para simplificar, se muestra el caso cuando VIN = 0 V (el limpiaparabrisas está en el medio). Como resultado de la compensación de voltaje, el voltaje de salida es VOUT = VIN = 0 V. Veamos cómo se logra esto.

Cambio de voltaje. Lo que es especial aquí es que el voltaje de salida (fuente) se "eleva" con VGS por encima del voltaje de entrada (puerta) ... y tenemos que "bajarlo" nuevamente con VGS. En cambio, en la mayoría de los circuitos de seguidores de tensión VOUT < VIN, y ahí tenemos que "levantar" la tensión de salida con VGS.

Esta técnica se conoce como "cambio de voltaje". Widlar lo utiliza por primera vez al diseñar el amplificador operacional 702. Dado que el voltaje de "cambio" es "flotante", se crea al pasar corriente constante a través de una resistencia constante. Por lo tanto, la caída de voltaje a través de la resistencia permanece constante cuando varía el voltaje de entrada.

Para implementar esta idea, la resistencia Re1 se inserta en la fuente M1. La corriente que produje por M2 crea una caída de voltaje VRe1 = I.Re1 = VGS que se resta de VOUT (puede pensar en Re1 como una "batería" opuesta con voltaje VGS). Como resultado de esta compensación, VOUT = VIN... y el circuito actúa como un perfecto seguidor de voltaje.

Espero que mi historia sobre este sorprendente circuito de un seguidor de fuente con carga dinámica aumente su interés en circuitos analógicos aún más sofisticados...