5. Integrierte MOSFET-Schaltungen
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PREVIOUS-4. FET-Verstärkerkonfigurationen und Vorspannungen
Integrierte MOSFET-Schaltungen
Wenn MOSFET-Transistoren als Teil einer integrierten Schaltung hergestellt werden, erfordern praktische Überlegungen zwei Hauptänderungen in den Schaltungskonfigurationen. Erstens können die großen Kopplungs- und Bypass-Kondensatoren, die in diskreten Verstärkern verwendet werden, aufgrund der geringen Größe praktisch nicht in integrierten Schaltungen hergestellt werden. Wir umgehen dieses Manko, indem wir direkt gekoppelte Verstärker herstellen.
Die zweite große Änderung ist, dass wir die Widerstände, die als Teil der Vorspannungsschaltung verwendet werden, nicht einfach herstellen können. Stattdessen verwenden wir aktive Lasten und Stromquellen, die aus MOS-Transistoren bestehen.
Integrierte Schaltungen verwenden sowohl NMOS- als auch PMOS-Schaltungen. CMOS ist in digitalen Schaltkreisen üblicher, während NMOS typischerweise für ICs mit höherer Dichte verwendet wird (dh mehr Funktionen pro Chip).
Die Simulation aktiver Lasten nutzt die Steigung der MOS-Kennlinien. Abbildung 23 zeigt zwei Arten von aktiven Lasten. In Abbildung 23 (a) zeigen wir eine NMOS-Verbesserungslast, während 23 (b) eine NMOS-Verarmungslast zeigt. In der Abbildung sind auch die relevanten Kennlinien dargestellt.
Abbildung 23 - Aktive Lasten
Für die NMOS-Verstärkungslast ist die Beziehung zwischen Spannung und Strom durch angegeben
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Der äquivalente Widerstand dieser Konfiguration ist 1 /gm, wobei der Wert der Transkonduktanz derjenige ist, der am Vorspannungspunkt gilt.
Die NMOS-Verarmungslast hat einen äquivalenten Widerstand, der durch die Steigung der durch die folgende Gleichung gegebenen Charakteristik bestimmt wird
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5.1-Vorspannung von integrierten MOSFET-Schaltungen
Jetzt, da wir zwei Techniken zum Simulieren aktiver Lasten haben, können wir das Problem der Verzerrung angehen. Wir verwenden die aktive Last anstelle des Lastwiderstands in einer der Schaltungskonfigurationen. Um die Technik für diese Analyse zu zeigen, betrachten wir den NMOS-Verstärker mit einer Verstärkungslast, wie in Abbildung 24 gezeigt.
Der Transistor bezeichnet Q2 ersetzt RD unserer früheren Schaltung. Um den Ruhebetriebspunkt zu bestimmen, verwenden wir die gleichen Techniken wie in Abschnitt 4, „FET-Verstärkerkonfigurationen und Vorspannung“, wobei nur die grafische Charakteristik der Verbesserungslast für die Widerstandslastlinie ersetzt wird. Das heißt, wir müssen die gleichzeitige Lösung der FET-Transistoreigenschaften mit der Gleichung für die Lastleitung finden. Wir können dies grafisch tun, wie in Abbildung 25 gezeigt.
Die Parameterkurven sind die Kennlinien für den Verstärkungstransistor Q1. Die Spannung gegenüber dem Stromverlauf der aktiven Last, Q2 sind die von Abbildung 23. Die Ausgangsspannung v ist der Unterschied zwischen VDD und die Spannung über der aktiven Last. Der Strom in der aktiven Last ist derselbe wie der Drainstrom im Verstärkungstransistor. Wir konstruieren daher die Ladelinie, indem wir das verschobene Spiegelbild der Charakteristik von Abbildung 23 nehmen. Der Arbeitspunkt ist der Schnittpunkt dieser Kurve mit der entsprechenden Transistorkennlinie. Wir müssen die Gate-Source-Spannung finden, um zu wissen, welche Transistorkurve gewählt werden soll. Wie wir als nächstes sehen werden, wird die Eingangsvorspannung oft durch eine aktive Stromquelle ersetzt.
Abbildung 25 - Grafische Lösung für den Q-Punkt
Da wir nun wissen, wie man eine aktive Last simuliert, richten wir unsere Aufmerksamkeit auf die Erzeugung eines Referenzstroms, der als Teil der Eingangsvorspannungsschaltung verwendet werden soll. Diese Stromquellen werden auf die gleiche Weise verwendet, wie wir sie zum Vorspannen von BJT-Verstärkern verwendet haben.
Abbildung 26 - Aktueller Spiegel
Wir analysieren den MOSFET Stromspiegel. Ein Stromspiegel ist in Abbildung 26 dargestellt. Es wird angenommen, dass die beiden Transistoren perfekt aufeinander abgestimmt sind. Der Ausgangsstrom ist der Drainstrom von Q2und ein Referenzstrom fährt Q1. Wenn die Transistoren perfekt aufeinander abgestimmt sind, entspricht der Ausgangsstrom genau dem Referenzstrom. Dies gilt, da die Transistoren parallel geschaltet sind. Genau wie beim BJT-Stromspiegel kann der Referenzstrom durch Anlegen einer Referenzspannung an einen Referenzwiderstand erzeugt werden, wie in Abbildung 26 (b) dargestellt.
Das Zusammenfügen der verschiedenen Teilschaltungen (dh der aktiven Last und des Referenzstroms) führt zu dem CMOS-Verstärker von Fig. 27.
Die Verstärkung dieses Verstärkers ist gegeben durch
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Abbildung 27 - CMOS-Verstärker
5.2-Body-Effekt
Unsere Diskussion zu Abschnitt „2. Metalloxid-Halbleiter-FET (MOSFET) “bezogen auf das Substrat (oder den Körper) des MOSFET. Dieses Substrat spielt eine wichtige Rolle beim Aufbau des Kanals. Beim Betrieb von diskreten MOSFETs ist der Körper häufig mit der Stromquelle verbunden. In solchen Fällen hat das Substrat keinen direkten Einfluss auf den Betrieb des Geräts, und es gelten die weiter oben in diesem Kapitel entwickelten Kurven.
Die Situation ändert sich, wenn MOSFETs als Teil integrierter Schaltungen hergestellt werden. In solchen Fällen ist das Substrat jedes einzelnen Transistors nicht von anderen Substraten isoliert. In der Tat wird ein Substrat häufig von allen MOSFETs auf einem Chip gemeinsam genutzt. In einem PMOS-IC wäre das gemeinsam genutzte Substrat mit dem positivsten Source-Anschluss verbunden, während es in NMOS mit Masse (oder mit einer negativen Versorgung, falls vorhanden) verbunden ist. Dies schafft eine Sperrvorspannung zwischen der Source und dem Körper jedes Transistors. Diese umgekehrte Vorspannung bewirkt die Änderung der Betriebseigenschaften. Zum Beispiel in einer n-Kanalgerät, es erhöht effektiv die Schwelle (VT). Der Betrag, um den sich der Schwellenwert ändert, hängt von den physikalischen Parametern und der Gerätekonstruktion ab. Für NMOS kann diese Änderung durch angenähert werden
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In der Gleichung (32) ist γ ein Geräteparameter, der zwischen etwa 0.3 und 1 (V) variiert-1/2). VSB ist die Source-to-Body-Spannung und ist die Fermi-Potenzial. Dies ist eine Eigenschaft des Materials und ein typischer Wert ist 0.3 V für Silizium.