5. الدوائر المتكاملة MOSFET
الحالية - 5. دوائر MOSFET المتكاملة
السابق - 4. التكوينات مكبر للصوت FET والانحياز
الدوائر المتكاملة MOSFET
عندما يتم تصنيع الترانزستورات MOSFET كجزء من دائرة متكاملة ، تتطلب الاعتبارات العملية تغييرين رئيسيين في تكوينات الدائرة. أولاً ، لا يمكن عملياً تكليف المكثفات الكبيرة للاقتران والتجاوز المستخدمة في مكبرات الصوت المنفصلة في دوائر متكاملة بسبب صغر حجمها. نلتف حول هذا القصور من خلال تصنيع مكبرات الصوت المزدوجة.
التغيير الرئيسي الثاني هو أنه لا يمكننا بسهولة تصنيع المقاومات المستخدمة كجزء من دوائر التحيز. بدلاً من ذلك ، نستخدم الأحمال النشطة والمصادر الحالية التي تتكون من الترانزستورات MOS.
تستخدم الدوائر المتكاملة كلاً من دارات NMOS و PMOS. CMOS هو أكثر شيوعًا في الدوائر الرقمية ، في حين يستخدم NMOS عادةً للمراكز المرحلية ذات الكثافة العالية (أي ، المزيد من الوظائف لكل رقاقة).
تستفيد محاكاة الأحمال النشطة من ميل منحنيات MOS المميزة. يوضح الشكل 23 نوعين من الأحمال النشطة. في الشكل 23 (a) ، نعرض حمولة تحسين NMOS ، بينما 23 (b) تعرض حمولة نضوب NMOS. يظهر أيضًا في الشكل المنحنيات المميزة ذات الصلة.
الشكل 23 - الأحمال النشطة
بالنسبة للتحميل المحسّن لـ NMOS ، يتم إعطاء العلاقة بين الجهد والتيار بواسطة
29
المقاومة المكافئة لهذا التكوين هي 1 /gm، حيث تكون قيمة transconductance هي التي تنطبق عند نقطة التحيز.
حمولة استنفاد NMOS لها مقاومة مكافئة تحدد بواسطة ميل الخاصية المميزة المعطاة في المعادلة التالية
30
5.1 انحياز الدوائر المتكاملة MOSFET
الآن وقد أصبح لدينا تقنيتان لمحاكاة الأحمال النشطة ، يمكننا معالجة مشكلة الانحياز. نحن نستخدم الحمل النشط بدلاً من مقاومة الحمل في أي من تكوينات الدائرة. لإظهار تقنية تحليلها ، دعونا نفكر في مضخم NMOS باستخدام حمل تعزيز ، كما هو موضح في الشكل 24.
الترانزستور المسمى Q2 يستبدل RD من دوائرنا السابقة. لتحديد نقطة التشغيل الهادئة ، نستخدم نفس الأساليب التي استخدمناها في القسم 4 ، "تكوينات FET Amplifier والانحياز" فقط لاستبدال خاصية تحميل التحسين الرسومية لخط تحميل المقاوم. أي أننا بحاجة إلى إيجاد الحل المتزامن لخصائص الترانزستور FET مع معادلة خط التحميل. يمكننا القيام بذلك بيانياً كما هو موضح في الشكل 25.
المنحنيات حدودي هي المنحنيات المميزة للترانزستور التضخيم ، Q1. الجهد مقابل السمة الحالية للحمل النشط ، Q2 هي تلك من الشكل 23. الجهد الناتج ، vخارجهو الفرق بين VDD والجهد عبر الحمل النشط. التيار في الحمل النشط هو نفسه تيار التصريف في ترانزستور التضخيم. لذلك ، نقوم ببناء خط التحميل من خلال التقاط صورة معكوسة من خاصية الشكل 23. نقطة التشغيل هي تقاطع هذا المنحنى مع منحنى خاصية الترانزستور المناسب. نحن بحاجة إلى العثور على الجهد من البوابة إلى المصدر لمعرفة أي منحنى الترانزستور للاختيار. كما سنرى بعد ذلك ، غالبًا ما يتم استبدال الجهد المتحيز للإدخال بمصدر حالي نشط.
الشكل 25 - الحل الرسومي لنقطة Q
الآن وبعد أن عرفنا كيفية محاكاة الحمل النشط ، فإننا نحول انتباهنا إلى توليد تيار مرجعي لاستخدامه كجزء من دوائر تحيز الإدخال. تستخدم هذه المصادر الحالية بنفس الطريقة التي استخدمناها في تحيز مضخم صوت BJT.
الشكل 26 - المرآة الحالية
نحن نحلل MOSFET مرآة الحالي. يظهر المرآة الحالية في الشكل 26. يفترض أن اثنين من الترانزستورات لتكون مطابقة تماما. الانتاج الحالي هو استنزاف الحالي لل Q2، ومحركات الأقراص المرجعية الحالية Q1. إذا كانت الترانزستورات متطابقة تمامًا ، فإن تيار الخرج سوف يساوي تمامًا التيار المرجعي. هذا صحيح لأن الترانزستورات متصلة بالتوازي. تمامًا كما كان الحال مع مرآة BJT الحالية ، يمكن إنشاء التيار المرجعي عن طريق تطبيق جهد مرجعي عبر مقاومة مرجعية ، كما هو موضح في الشكل 26 (ب).
يؤدي تجميع الدوائر الفرعية المختلفة (أي الحمل النشط والتيار المرجعي) إلى مضخم CMOS من الشكل 27.
وتعطى مكاسب هذا مكبر للصوت من قبل
31
الشكل 27 - مكبر للصوت CMOS
تأثير الجسم 5.2
مناقشتنا للقسم "2. أشباه الموصلات من أكسيد المعادن (MOSFET) "تشير إلى الركيزة (أو الجسم) من MOSFET. تلعب هذه الركيزة دورًا مهمًا في إنشاء القناة. عند تشغيل وحدات الترانزستورات الفلورية المتقطعة ، غالبًا ما يكون الجسم متصلاً بمصدر الطاقة. في مثل هذه الحالات ، لا يكون للركيزة تأثير مباشر على تشغيل الجهاز ، ويتم تطبيق المنحنيات التي تم تطويرها مسبقًا في هذا الفصل.
يتغير الموقف عندما يتم تصنيع ملفات MOSFET كجزء من الدوائر المتكاملة. في مثل هذه الحالات ، لا يتم عزل الركيزة لكل ترانزستور فردي عن ركائز أخرى. في الواقع ، غالبا ما يتم مشاركة الركيزة بين جميع MOSFETs على رقاقة. في PMOS IC ، سيتم توصيل الركيزة المشتركة بمحطة المصدر الأكثر إيجابية ، بينما في NMOS يكون متصلاً بالأرض (أو بمصدر سلبي إن وجد). هذا يؤسس تحيز عكسي بين المصدر والجسم لكل ترانزستور. تأثير هذا الانحياز العكسي هو تغيير خصائص التشغيل. على سبيل المثال ، في nالقناة ، فإنه يرفع بفعالية العتبة (VT). يعتمد مقدار تغيير العتبة على المعلمات المادية وبناء الجهاز. بالنسبة إلى NMOS ، يمكن تقريب هذا التغيير بواسطة
32
في المعادلة (32) ، γ هي معلمة جهاز والتي تتراوح بين حوالي 0.3 و 1 (V-1/2). VSB هو الجهد من المصدر إلى الجسم ، وهو إمكانات فيرمي. هذه خاصية للمادة ، والقيمة النموذجية هي 0.3 V للسيليكون.