5. Circuits integrats MOSFET

Circuits integrats MOSFET

Quan els transistors MOSFET es fabriquen com a part d'un circuit integrat, les consideracions pràctiques requereixen dos canvis importants en les configuracions del circuit. En primer lloc, els condensadors grans d’acoblament i bypass utilitzats en amplificadors discrets pràcticament no es poden fabricar en circuits integrats a causa de la petita grandària. Ens movem per aquest defecte fabricant amplificadors acoblats directament.

El segon canvi important és que no podem fabricar fàcilment les resistències utilitzades com a part del circuit de biaix. En canvi, fem servir càrregues actives i fonts actuals formades per transistors MOS.

Els circuits integrats utilitzen tant els circuits NMOS com els PMOS. El CMOS és més freqüent en els circuits digitals, mentre que NMOS s’utilitza normalment per a circuits integrats de densitat més alta (és a dir, més funcions per xip).

La simulació de càrregues actives aprofita el pendent de les corbes de característiques MOS. La figura 23 mostra dos tipus de càrregues actives. A la figura 23 (a), mostrem una càrrega de millora de NMOS, mentre que 23 (b) mostra una càrrega d'esgotament de NMOS. També es mostren a la figura les corbes característiques rellevants.

Figura 23: càrregues actives

Per a la càrrega de millora NMOS, es dóna la relació entre tensió i corrent


(29)

La resistència equivalent d'aquesta configuració és 1 /gm, on el valor de la transconductància és el que s'aplica al punt de biaix.

La càrrega d'esgotament de NMOS té una resistència equivalent que es determina pel pendent de la característica donada per la següent equació


(30)

Polarització 5.1 de circuits integrats MOSFET

Ara que tenim dues tècniques per simular càrregues actives, podem abordar el problema de polarització. Utilitzem la càrrega activa en lloc de la resistència de la càrrega en qualsevol configuració del circuit. Per mostrar la tècnica per analitzar-los, considerem l’amplificador NMOS utilitzant una càrrega de millora, com es mostra a la figura 24.

El transistor etiquetat Q2 reemplaça RD dels nostres circuits anteriors. Per determinar el punt de funcionament en repòs, fem servir les mateixes tècniques que hem fet a la secció 4, "Configuracions i polarització de l'amplificador FET", només substituint la característica gràfica de la càrrega de millora per la línia de càrrega de la resistència. És a dir, hem de trobar la solució simultània de les característiques del transistor FET amb l’equació de la línia de càrrega. Ho podem fer gràficament tal com es mostra a la figura 25.

Les corbes paramètriques són les corbes característiques del transistor amplificador, Q1. La característica de tensió vs. corrent de la càrrega activa, Q2 són les de la figura 23. La tensió de sortida, vfora, és la diferència entre VDD i la tensió a través de la càrrega activa. El corrent de la càrrega activa és el mateix que el corrent de drenatge del transistor amplificador. Per tant, construirem la línia de càrrega prenent la imatge mirall desplaçada de la característica de la figura 23. El punt operatiu és la intersecció d'aquesta corba amb la corba característica adequada del transistor. Hem de trobar el voltatge de la porta a la font per saber quina corba de transistor ha de triar. Com veurem a continuació, la tensió de biaix d’entrada sovint és substituïda per una font de corrent activa.

Solució gràfica per al punt Q

Figura 25: solució gràfica per al punt Q

Ara que sabem simular una càrrega activa, atenem a la generació d’un corrent de referència que s’utilitzarà com a part del circuit de biaix d’entrada. Aquestes fonts actuals s’utilitzen de la mateixa manera que les vam utilitzar per a la polarització de l’amplificador BJT.

Figura 26 - Mirall actual

Analitzem el MOSFET mirall de corrent. A la figura 26 es mostra un mirall actual. Se suposa que els dos transistors són perfectament compatibles. El corrent de sortida és el corrent de drenatge de Q2i unitats de referència actuals Q1. Si els transistors estan perfectament igualats, el corrent de sortida serà exactament igual al corrent de referència. Això és cert, ja que els transistors estan connectats en paral·lel. Tal com va passar amb el mirall de corrent BJT, el corrent de referència es pot generar aplicant una tensió de referència a través d’una resistència de referència, tal com es mostra a la figura 26 (b).

Posar els diferents subcircuits junts (és a dir, la càrrega activa i el corrent de referència) provoca l’amplificador CMOS de la figura 27.

El guany d’aquest amplificador es dóna per


(31)

Amplificador CMOS

Figura 27 - amplificador CMOS

Efecte corporal 5.2

La nostra discussió sobre la secció “2. FET semiconductor òxid metàl·lic (MOSFET) ”referit al substrat (o cos) del MOSFET. Aquest substrat té un paper important en l'establiment del canal. En el funcionament de MOSFET discrets, el cos sovint està connectat a la font d’energia. En aquests casos, el substrat no té cap efecte directe sobre el funcionament del dispositiu i s'apliquen les corbes desenvolupades anteriorment en aquest capítol.

La situació canvia quan els MOSFET es fabriquen com a part dels circuits integrats. En aquests casos, el substrat de cada transistor individual no està aïllat d'altres substrats. De fet, un substrat sovint es comparteix entre tots els MOSFET en un xip. En un IC PMOS, el substrat compartit es connectaria al terminal de fonts més positiu, mentre que a NMOS es connecta a terra (o a un subministrament negatiu si està present). Això estableix un biaix invers entre la font i el cos de cada transistor. L’efecte d’aquest biaix invers és canviar les característiques de funcionament. Per exemple, en un ndispositiu de canal, augmenta efectivament el llindar (VT). La quantitat que canvia el llindar depèn dels paràmetres físics i de la construcció del dispositiu. Per a NMOS, aquest canvi es pot aproximar


(32)

A Equació (32), γ és un paràmetre de dispositiu que varia entre aproximadament 0.3 i 1 (V)-1/2). VSB és la tensió font-cos, i és la Potencial de Fermi. Aquesta és una propietat del material i un valor típic és 0.3 V per al silici.