5. Ενσωματωμένα κυκλώματα MOSFET
ΤΡΕΧΟΝ - 5. Ολοκληρωμένα κυκλώματα MOSFET
ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΟ- 4. Ρυθμίσεις και ενισχυτές ενισχυτή FET
Ενσωματωμένα κυκλώματα MOSFET
Όταν τα τρανζίστορ MOSFET κατασκευάζονται ως μέρος ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος, οι πρακτικές εκτιμήσεις απαιτούν δύο σημαντικές αλλαγές στις διαμορφώσεις κυκλωμάτων. Πρώτον, οι μεγάλοι πυκνωτές ζεύξης και παράκαμψης που χρησιμοποιούνται σε διακριτούς ενισχυτές δεν μπορούν πρακτικά να κατασκευαστούν σε ολοκληρωμένα κυκλώματα λόγω του μικρού μεγέθους τους. Αυτό το κενό αντιμετωπίζουμε κατασκευάζοντας ενισχυτές με απευθείας σύνδεση.
Η δεύτερη σημαντική αλλαγή είναι ότι δεν μπορούμε εύκολα να κατασκευάσουμε τις αντιστάσεις που χρησιμοποιούνται ως μέρος του κυκλώματος προκατάληψης. Αντίθετα, χρησιμοποιούμε ενεργά φορτία και πηγές ρεύματος που αποτελούνται από τρανζίστορ MOS.
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα χρησιμοποιούν τόσο το κύκλωμα NMOS όσο και το PMOS. Το CMOS είναι πιο συνηθισμένο σε ψηφιακά κυκλώματα, ενώ το NMOS χρησιμοποιείται συνήθως για ICs μεγαλύτερης πυκνότητας (δηλαδή περισσότερες λειτουργίες ανά τσιπ).
Η προσομοίωση ενεργών φορτίων εκμεταλλεύεται την κλίση των χαρακτηριστικών καμπυλών MOS. Το σχήμα 23 δείχνει δύο τύπους ενεργών φορτίων. Στο σχήμα 23 (a), παρουσιάζουμε ένα φορτίο αύξησης NMOS, ενώ το 23 (b) δείχνει φορτίο εξάντλησης NMOS. Επίσης, στο σχήμα φαίνονται οι σχετικές χαρακτηριστικές καμπύλες.
Εικόνα 23 - Ενεργά φορτία
Για το φορτίο ενίσχυσης NMOS, η σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος δίνεται από
(29)
Η ισοδύναμη αντίσταση αυτής της διαμόρφωσης είναι η τιμή 1 /gm, όπου η τιμή της διαδιαπερατότητας είναι εκείνη που ισχύει στο σημείο μεροληψίας.
Το φορτίο εξάντλησης NMOS έχει ισοδύναμη αντίσταση που καθορίζεται από την κλίση του χαρακτηριστικού που δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση
(30)
5.1 Επίδειξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων MOSFET
Τώρα που έχουμε δύο τεχνικές για την προσομοίωση των ενεργών φορτίων, μπορούμε να αντιμετωπίσουμε το ζήτημα της πόλωσης. Χρησιμοποιούμε το ενεργό φορτίο στη θέση της αντίστασης φορτίου σε οποιαδήποτε από τις διαμορφώσεις του κυκλώματος. Για να δείξουμε την τεχνική για την ανάλυση αυτών, ας θεωρήσουμε τον ενισχυτή NMOS χρησιμοποιώντας ένα φορτίο ενίσχυσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 24.
Το τρανζίστορ είναι επισημασμένο Q2 αντικαθιστά RD των προηγούμενων κυκλωμάτων μας. Για τον προσδιορισμό του ηρεμίου σημείου λειτουργίας, χρησιμοποιούμε τις ίδιες τεχνικές που κάναμε στην Ενότητα 4, «Διαμορφώσεις ενισχυτή FET και πόλωση» αντικαθιστώντας μόνο το γραφικό χαρακτηριστικό του φορτίου ενίσχυσης για τη γραμμή φόρτωσης αντίστασης. Δηλαδή, πρέπει να βρούμε την ταυτόχρονη λύση των χαρακτηριστικών τρανζίστορ FET με την εξίσωση για τη γραμμή φόρτωσης. Μπορούμε να το κάνουμε γραφικά όπως φαίνεται στο Σχήμα 25.
Οι παραμετρικές καμπύλες είναι οι χαρακτηριστικές καμπύλες για το ενισχυτικό τρανζίστορ, Q1. Το χαρακτηριστικό τάσης έναντι ρεύματος του ενεργού φορτίου, Q2 είναι εκείνες του Σχήματος 23. Η τάση εξόδου, vέξω, είναι η διαφορά μεταξύ VDD και την τάση κατά μήκος του ενεργού φορτίου. Το ρεύμα στο ενεργό φορτίο είναι το ίδιο με το ρεύμα αποστράγγισης στο ενισχυτικό τρανζίστορ. Επομένως, κατασκευάζουμε τη γραμμή φορτίου παίρνοντας την μετατοπισμένη εικόνα καθρέφτη του χαρακτηριστικού του Σχήματος 23. Το σημείο λειτουργίας είναι η τομή αυτής της καμπύλης με την κατάλληλη χαρακτηριστική καμπύλη του τρανζίστορ. Πρέπει να βρούμε την τάση πύλης προς πηγή για να γνωρίζουμε ποια τρανζίστορ καμπύλη να επιλέξει. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, η τάση πόλωσης εισόδου αντικαθίσταται συχνά από ενεργή πηγή ρεύματος.
Εικόνα 25 - Γραφική λύση για το σημείο Q
Τώρα που γνωρίζουμε πώς να προσομοιώνουμε ένα ενεργό φορτίο, στρέφουμε την προσοχή μας στη δημιουργία ενός ρεύματος αναφοράς που θα χρησιμοποιηθεί ως μέρος του κυκλώματος πόλωσης εισόδου. Αυτές οι πηγές ρεύματος χρησιμοποιούνται με τον ίδιο τρόπο που τους χρησιμοποιήσαμε για την πόλωση του ενισχυτή BJT.
Εικόνα 26 - Τρέχων καθρέπτης
Αναλύουμε το MOSFET καθρέπτη ρεύματος. Ένας καθρέφτης ρεύματος φαίνεται στο σχήμα 26. Τα δύο τρανζίστορ θεωρείται ότι ταιριάζουν απόλυτα. Το ρεύμα εξόδου είναι το ρεύμα αποστράγγισης του Q2, και ένα ρεύμα αναφοράς αναφοράς Q1. Εάν τα τρανζίστορ ταιριάζουν απόλυτα, το ρεύμα εξόδου θα είναι ακριβώς ίσο με το ρεύμα αναφοράς. Αυτό ισχύει αφού τα τρανζίστορ συνδέονται παράλληλα. Όπως συνέβη με τον καθρέφτη ρεύματος BJT, το ρεύμα αναφοράς μπορεί να δημιουργηθεί εφαρμόζοντας μια τάση αναφοράς σε μια αντίσταση αναφοράς, όπως φαίνεται στο Σχήμα 26 (b).
Η τοποθέτηση των διάφορων υποκυκλωμάτων μαζί (δηλαδή το ενεργό φορτίο και το ρεύμα αναφοράς) οδηγεί στον ενισχυτή CMOS του Σχήματος 27.
Το κέρδος αυτού του ενισχυτή δίνεται από
(31)
Εικόνα 27 - ενισχυτής CMOS
5.2 Body Effect
Η συζήτησή μας για το Τμήμα «2. Ημιαγωγός FET μετάλλου-οξειδίου (MOSFET) »αναφέρεται στο υπόστρωμα (ή σώμα) του MOSFET. Αυτό το υπόστρωμα παίζει σημαντικό ρόλο στη δημιουργία του καναλιού. Κατά τη λειτουργία διακριτών MOSFET, το σώμα συνδέεται συχνά με την πηγή τροφοδοσίας. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το υπόστρωμα δεν έχει άμεση επίδραση στη λειτουργία της συσκευής και ισχύουν οι καμπύλες που αναπτύχθηκαν νωρίτερα σε αυτό το κεφάλαιο.
Η κατάσταση αλλάζει όταν τα MOSFET κατασκευάζονται ως μέρος ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το υπόστρωμα κάθε μεμονωμένου τρανζίστορ δεν απομονώνεται από άλλα υποστρώματα. Πράγματι, ένα υπόστρωμα συχνά μοιράζεται μεταξύ όλων των MOSFET σε ένα τσιπ. Σε ένα PMOS IC, το κοινό υπόστρωμα θα συνδεθεί με το πιο θετικό τερματικό πηγή, ενώ στο NMOS συνδέεται με το έδαφος (ή με αρνητική παροχή εάν υπάρχει). Αυτό δημιουργεί αντίστροφη απόκλιση μεταξύ της πηγής και του σώματος κάθε τρανζίστορ. Η επίδραση αυτής της αντίστροφης προκατάληψης είναι η αλλαγή των λειτουργικών χαρακτηριστικών. Για παράδειγμα, σε ένα n-καναλιού, αυξάνει αποτελεσματικά το όριο (VT). Το ποσό με το οποίο αλλάζει το όριο εξαρτάται από τις φυσικές παραμέτρους και την κατασκευή της συσκευής. Για το NMOS, αυτή η αλλαγή μπορεί να προσεγγιστεί από το
(32)
Στην εξίσωση (32), γ είναι μια παράμετρος συσκευής η οποία ποικίλλει μεταξύ περίπου 0.3 και 1 (V-1 / 2). VSB είναι η τάση πηγής-προς-σώμα, και είναι η Δυναμικό Fermi. Αυτή είναι μια ιδιότητα του υλικού και μια τυπική τιμή είναι το 0.3 V για το πυρίτιο.