5. MOSFET Integrated Circuits
AKTUEL - 5. MOSFET integrerede kredsløb
TIDLIGERE - 4. FET Forstærker Konfigurationer og Biasing
MOSFET Integrated Circuits
Når MOSFET-transistorer fremstilles som en del af et integreret kredsløb, kræver praktiske overvejelser to store ændringer i kredsløbskonfigurationer. For det første kan de store koblings- og bypass-kondensatorer anvendt i diskrete forstærkere ikke praktisk talt fremstilles i integrerede kredsløb på grund af den lille størrelse. Vi løser denne mangel ved at fremstille direkte koblede forstærkere.
Den anden store ændring er, at vi ikke nemt kan fremstille de anvendte modstande som led i bias kredsløbet. I stedet bruger vi aktive belastninger og aktuelle kilder bestående af MOS transistorer.
Integrerede kredsløb bruger både NMOS og PMOS kredsløb. CMOS er mere almindelig i digitale kredsløb, mens NMOS typisk bruges til IC'er med højere densitet (dvs. flere funktioner pr. Chip).
Simulering af aktive belastninger udnytter hældningen af MOS karakteristiske kurver. Figur 23 viser to typer aktive belastninger. I figur 23 (a) viser vi en NMOS ekstraudstyrsbelastning, mens 23 (b) viser en NMOS-udtømningsbelastning. Også vist i figuren er de relevante karakteristiske kurver.
Figur 23 - Aktive belastninger
For NMOS enhancement load er forholdet mellem spænding og strøm givet af
(29)
Den tilsvarende modstand i denne konfiguration er 1 /gm, hvor værdien af transconductancen er den, der gælder ved forspændingspunktet.
NMOS-udtømningsbelastningen har en ækvivalent modstand, der bestemmes af hældningen af karakteristikken givet ved den følgende ligning
(30)
5.1 Biasing of MOSFET Integrated Circuits
Nu hvor vi har to teknikker til at simulere aktive belastninger, kan vi løse problemet med forspænding. Vi bruger den aktive belastning i stedet for belastningsmodstanden i nogen af kredsløbskonfigurationerne. For at vise teknikken til analyse af disse, lad os overveje NMOS forstærkeren ved hjælp af en ekstraudstyrsbelastning, som vist i Figur 24.
Transisten mærket Q2 erstatter RD af vores tidligere kredsløb. For at bestemme det hvilende betjeningspunkt bruger vi de samme teknikker som vi gjorde i afsnit 4, "FET-forstærkerkonfigurationer og forspænding", der kun erstatter modstandsbelastningslinjens forstærkningsbelastning. Det vil sige, at vi skal finde den samtidige løsning af FET-transistoregenskaberne med ligningen for belastningslinjen. Vi kan gøre dette grafisk som vist i figur 25.
De parametriske kurver er de karakteristiske kurver for forstærkende transistor, Q1. Spændingen vs. nuværende karakteristika for den aktive belastning, Q2 er dem i figur 23. Udgangsspændingen, vud, er forskellen mellem VDD og spændingen over den aktive belastning. Strømmen i den aktive belastning er den samme som afløbsstrømmen i forstærkende transistor. Vi konstruerer derfor lastlinjen ved at tage det skiftede spejlbillede af karakteristikken i figur 23. Driftspunktet er skæringspunktet for denne kurve med den relevante transistorkarakteristikskurve. Vi skal finde gate-to-source spændingen for at vide, hvilken transistorkurve der skal vælges. Som vi ser næste, erstattes input-biaspændingen ofte med en aktiv strømkilde.
Figur 25 - Grafisk løsning til Q-punktet
Nu hvor vi ved, hvordan vi simulerer en aktiv belastning, gør vi os opmærksom på genereringen af en referencestrøm, som skal bruges som led i input bias kredsløb. Disse nuværende kilder bruges på meget samme måde som vi brugte dem til BJT forstærker forspænding.
Figur 26 - Aktuel spejl
Vi analyserer MOSFET nuværende spejl. Et nuværende spejl er vist i figur 26. De to transistorer antages at være perfekt matchede. Udgangsstrømmen er afløbsstrømmen for Q2, og en reference nuværende drev Q1. Hvis transistorer er perfekt matchede, vil udgangsstrømmen nøjagtigt svare til referencestrømmen. Dette gælder, da transistorer er forbundet parallelt. Ligesom tilfældet var med BJT-strømspejlet, kan referencestrømmen genereres ved at anvende en referencespænding over en referencemodstand, som vist i figur 26 (b).
At sætte de forskellige underkredsløb sammen (dvs. den aktive belastning og referencestrømmen) resulterer i CMOS forstærkeren i figur 27.
Gevinsten af denne forstærker er givet af
(31)
Figur 27 - CMOS forstærker
5.2 Body Effect
Vores diskussion af afsnit “2. Metaloxid halvleder FET (MOSFET) ”henvist til substratet (eller kroppen) af MOSFET. Dette substrat spiller en vigtig rolle i etableringen af kanalen. Under driften af diskrete MOSFET'er er kroppen ofte forbundet til strømkilden. I sådanne tilfælde har substratet ingen direkte virkning på apparatets funktion, og de kurver, der er udviklet tidligere i dette kapitel, gælder.
Situationen ændres, når MOSFET'er fremstilles som en del af integrerede kredsløb. I sådanne tilfælde isoleres substratet af hver enkelt transistor ikke fra andre substrater. Faktisk deles et substrat ofte blandt alle MOSFET'erne på en chip. I et PMOS IC vil det delte substrat blive forbundet til den mest positive kildeterminal, mens det i NMOS er forbundet til jorden (eller til en negativ forsyning, hvis den er til stede). Dette etablerer en omvendt forspænding mellem kilden og kroppen af hver transistor. Effekten af denne omvendte forspænding er at ændre driftsegenskaberne. For eksempel i en n-kanalsenhed, hæver den rent faktisk tærskelen (VT). Den mængde, som tærsklen ændrer, afhænger af fysiske parametre og enhedens konstruktion. For NMOS kan denne ændring tilnærmes af
(32)
I ligning (32) er y en enhedsparameter, der varierer mellem omkring 0.3 og 1 (V-1 / 2). VSB er kilde-til-krop-spænding, og er Fermi potentiale. Dette er en egenskab af materialet, og en typisk værdi er 0.3 V for silicium.