5. Circuitos integrados MOSFET
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Circuitos integrados MOSFET
Cuando los transistores MOSFET se fabrican como parte de un circuito integrado, las consideraciones prácticas requieren dos cambios importantes en las configuraciones del circuito. En primer lugar, los grandes condensadores de acoplamiento y derivación utilizados en amplificadores discretos prácticamente no pueden fabricarse en circuitos integrados debido al pequeño tamaño. Superamos esta deficiencia mediante la fabricación de amplificadores de acoplamiento directo.
El segundo cambio importante es que no podemos fabricar fácilmente las resistencias utilizadas como parte de los circuitos de polarización. En su lugar, utilizamos cargas activas y fuentes de corriente compuestas de transistores MOS.
Los circuitos integrados utilizan circuitos NMOS y PMOS. El CMOS es más común en los circuitos digitales, mientras que el NMOS se usa normalmente para circuitos integrados de mayor densidad (es decir, más funciones por chip).
La simulación de cargas activas aprovecha la pendiente de las curvas características de MOS. La figura 23 muestra dos tipos de cargas activas. En la Figura 23 (a), mostramos una carga de mejora de NMOS, mientras que 23 (b) muestra una carga de agotamiento de NMOS. También se muestran en la figura las curvas características relevantes.
Figura 23 - Cargas activas
Para la carga de mejora NMOS, la relación entre voltaje y corriente viene dada por
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La resistencia equivalente de esta configuración es 1 /gm, donde el valor de la transconductancia es el que se aplica en el punto de sesgo.
La carga de agotamiento de NMOS tiene una resistencia equivalente que está determinada por la pendiente de la característica dada por la siguiente ecuación
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5.1 polarización de circuitos integrados MOSFET
Ahora que tenemos dos técnicas para simular cargas activas, podemos abordar el problema de sesgo. Utilizamos la carga activa en lugar de la resistencia de carga en cualquiera de las configuraciones del circuito. Para mostrar la técnica para analizarlos, consideremos el amplificador NMOS utilizando una carga de mejora, como se muestra en la Figura 24.
El transistor etiquetado Q2 reemplaza RD de nuestro circuito anterior. Para determinar el punto de funcionamiento inactivo, usamos las mismas técnicas que usamos en la Sección 4, “Configuraciones y polarización del amplificador FET”, solo sustituyendo la característica gráfica de carga de mejora por la línea de carga del resistor. Es decir, necesitamos encontrar la solución simultánea de las características del transistor FET con la ecuación de la línea de carga. Podemos hacer esto gráficamente como se muestra en la Figura 25.
Las curvas paramétricas son las curvas características del transistor amplificador, Q1. La tensión frente a la característica de corriente de la carga activa, Q2 Son los de la figura 23. La tensión de salida, vsalir, es la diferencia entre VDD y la tensión a través de la carga activa. La corriente en la carga activa es la misma que la corriente de drenaje en el transistor de amplificación. Por lo tanto, construimos la línea de carga tomando la imagen reflejada desplazada de la característica de la Figura 23. El punto de operación es la intersección de esta curva con la curva característica del transistor apropiada. Necesitamos encontrar el voltaje de la puerta a la fuente para saber qué curva de transistor elegir. Como veremos a continuación, el voltaje de polarización de entrada a menudo se reemplaza por una fuente de corriente activa.
Figura 25 - Solución gráfica para el punto Q
Ahora que sabemos cómo simular una carga activa, prestamos atención a la generación de una corriente de referencia que se utilizará como parte del circuito de polarización de entrada. Estas fuentes de corriente se usan de la misma manera que las usamos para la polarización del amplificador BJT.
Figura 26 - Espejo actual
Analizamos el MOSFET. espejo de corriente. En la Figura 26 se muestra un espejo actual. Se supone que los dos transistores están perfectamente emparejados. La corriente de salida es la corriente de drenaje de Q2, y una unidad de corriente de referencia. Q1. Si los transistores están perfectamente adaptados, la corriente de salida será exactamente igual a la corriente de referencia. Esto es cierto ya que los transistores están conectados en paralelo. Al igual que en el caso del espejo de corriente BJT, la corriente de referencia se puede generar aplicando un voltaje de referencia a través de una resistencia de referencia, como se muestra en la Figura 26 (b).
Al juntar los diversos subcircuitos (es decir, la carga activa y la corriente de referencia), se obtiene el amplificador CMOS de la Figura 27.
La ganancia de este amplificador viene dada por
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Figura 27 - Amplificador CMOS
5.2 efecto corporal
Nuestra discusión de la Sección “2. FET semiconductor de óxido de metal (MOSFET) ”se refiere al sustrato (o cuerpo) del MOSFET. Este sustrato juega un papel importante en el establecimiento del canal. En el funcionamiento de MOSFET discretos, el cuerpo a menudo está conectado a la fuente de alimentación. En tales casos, el sustrato no tiene ningún efecto directo sobre el funcionamiento del dispositivo y se aplican las curvas desarrolladas anteriormente en este capítulo.
La situación cambia cuando los MOSFET se fabrican como parte de circuitos integrados. En tales casos, el sustrato de cada transistor individual no está aislado de otros sustratos. De hecho, un sustrato a menudo se comparte entre todos los MOSFET en un chip. En un IC PMOS, el sustrato compartido se conectaría al terminal de origen más positivo, mientras que en NMOS se conectará a tierra (o a una fuente negativa si está presente). Esto establece una polarización inversa entre la fuente y el cuerpo de cada transistor. El efecto de este sesgo inverso es cambiar las características operativas. Por ejemplo, en una ndispositivo de canal, efectivamente eleva el umbral (VT). La cantidad en que el umbral cambia depende de los parámetros físicos y de la construcción del dispositivo. Para NMOS, este cambio puede ser aproximado por
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En la ecuación (32), γ es un parámetro del dispositivo que varía entre 0.3 y 1 (V-1/2). VSB es el voltaje fuente-cuerpo, y es el Potencial fermi. Esta es una propiedad del material, y un valor típico es 0.3 V para silicio.