5. Integrované obvody MOSFET
AKTUÁLNÍ - 5. MOSFET integrované obvody
PREVIOUS- 4. Konfigurace zesilovačů FET a zkreslení
Integrované obvody MOSFET
Když jsou tranzistory MOSFET vyráběny jako součást integrovaného obvodu, praktické úvahy vyžadují dvě hlavní změny v konfiguracích obvodů. Zaprvé, velké spojovací a obtokové kondenzátory používané v diskrétních zesilovačích nemohou být prakticky vyrobeny v integrovaných obvodech kvůli malé velikosti. Dostáváme se kolem tohoto nedostatku tím, že vyrábí přímo-spojené zesilovače.
Druhou hlavní změnou je, že nemůžeme snadno vyrobit odpory používané jako součást předpětí. Místo toho používáme aktivní zátěže a zdroje proudu složené z tranzistorů MOS.
Integrované obvody používají obvody NMOS i PMOS. CMOS je běžnější v digitálních obvodech, zatímco NMOS je typicky používán pro IC s vyšší hustotou (tj. Více funkcí na čip).
Simulace aktivních zátěží využívá sklonu křivek charakteristik MOS. Obrázek 23 zobrazuje dva typy aktivních zátěží. Na obrázku 23 (a) zobrazujeme NMOS vylepšení zátěže, zatímco 23 (b) ukazuje zatížení vyčerpáním NMOS. Na obrázku jsou také uvedeny příslušné charakteristické křivky.
Obrázek 23 - Aktivní zatížení
Pro zvýšení zátěže NMOS je dán vztah mezi napětím a proudem
(29)
Ekvivalentní odpor této konfigurace je 1 /gm, kde hodnota transkonduktance je hodnota, která platí pro bod zkreslení.
Zatížení s vyčerpáním NMOS má ekvivalentní odpor, který je dán sklonem charakteristiky dané následující rovnicí
(30)
5.1 Přepínání integrovaných obvodů MOSFET
Nyní, když máme dvě metody pro simulaci aktivních zátěží, můžeme řešit problém ovlivnění. Namísto zátěžového odporu používáme aktivní zatížení v libovolné konfiguraci obvodu. Abychom ukázali techniku pro jejich analýzu, uvažujme zesilovač NMOS s použitím vylepšení zátěže, jak je znázorněno na obrázku 24.
Tranzistor je označen Q2 nahrazuje RD našich dřívějších obvodů. K určení klidového provozního bodu používáme stejné techniky jako v části 4, „Konfigurace zesilovače FET a předpětí“, pouze nahradíme grafickou charakteristiku zátěže vylepšení pro linku zátěže odporu. To znamená, že musíme najít současné řešení charakteristik tranzistoru FET s rovnicí pro linku zatížení. Můžeme to udělat graficky, jak je znázorněno na obrázku 25.
Parametrické křivky jsou charakteristické křivky pro zesilovací tranzistor Q1. Charakteristiky napětí a proudu aktivního zatížení, Q2 jsou znázorněny na obrázku 23. Výstupní napětí, vout, je rozdíl mezi VDD a napětí napříč aktivním zatížením. Proud v činné zátěži je stejný jako proud odvodu v zesilovacím tranzistoru. Z tohoto důvodu konstruujeme linku zatížení tak, že vezmeme posunutý zrcadlový obraz charakteristiky obrázku 23. Provozním bodem je průsečík této křivky s příslušnou charakteristikou křivky tranzistoru. Potřebujeme najít napětí od zdroje ke zdroji, abychom věděli, kterou křivku tranzistoru zvolit. Jak uvidíme dále, vstupní napětí je často nahrazeno aktivním zdrojem proudu.
Obrázek 25 - Grafické řešení pro Q-bod
Nyní, když víme, jak simulovat aktivní zátěž, obracíme naši pozornost na generování referenčního proudu, který bude použit jako součást vstupního předpětí. Tyto zdroje proudu se používají v podstatě stejným způsobem, jakým jsme je použili pro BJT zesilovače.
Obrázek 26 - Aktuální zrcadlo
Analyzujeme MOSFET proudové zrcadlo. Aktuální zrcadlo je znázorněno na obrázku 26. Předpokládá se, že dva tranzistory jsou dokonale sladěny. Výstupní proud je odtokový proud Q2a referenční proudové pohony Q1. Pokud jsou tranzistory dokonale sladěny, bude se výstupní proud přesně rovnat referenčnímu proudu. To je pravda, protože tranzistory jsou zapojeny paralelně. Stejně jako v případě proudového zrcadla BJT lze referenční proud generovat aplikací referenčního napětí na referenční odpor, jak je znázorněno na obrázku 26 (b).
Spojení různých dílčích obvodů dohromady (tj. Aktivní zatížení a referenční proud) vede k zesilovači CMOS z obrázku 27.
Zisk tohoto zesilovače je dán
(31)
Obrázek 27 - zesilovač CMOS
5.2 Body Effect
Naše diskuse o oddíle „2. Polovodič FET (MOSFET) z oxidu kovu se vztahuje k substrátu (nebo tělu) MOSFET. Tento substrát hraje důležitou roli při vytváření kanálu. Při provozu diskrétních MOSFETů je tělo často připojeno ke zdroji energie. V takových případech nemá substrát žádný přímý vliv na provoz zařízení a platí křivky vyvinuté dříve v této kapitole.
Situace se mění, když jsou MOSFETy vyráběny jako součást integrovaných obvodů. V takových případech není substrát každého jednotlivého tranzistoru izolován od jiných substrátů. Substrát je často sdílen mezi všemi MOSFETy na čipu. V PMOS IC by byl sdílený substrát připojen k nejpozitivnějšímu zdrojovému terminálu, zatímco v NMOS je připojen k zemi (nebo k zápornému napájení, pokud je přítomen). Tím se vytvoří reverzní zkreslení mezi zdrojem a tělem každého tranzistoru. Výsledkem této reverzní předpětí je změna provozních charakteristik. Například, v n-kanálové zařízení, efektivně zvyšuje práh (VT). Množství, o které se prahová hodnota mění, závisí na fyzikálních parametrech a konstrukci zařízení. Pro NMOS lze tuto změnu aproximovat pomocí
(32)
V rovnici (32) je γ parametr zařízení, který se liší mezi 0.3 a 1 (V-1/2). VSB je napětí mezi zdrojem a tělem a je Fermiho potenciál. Toto je vlastnost materiálu a typická hodnota je 0.3 V pro křemík.