5. MOSFET-integroidut piirit
NYKYINEN - 5. MOSFET-integroidut piirit
PREVIOUS- 4. FET-vahvistimen kokoonpanot ja painotus
MOSFET-integroidut piirit
Kun MOSFET-transistorit valmistetaan osana integroitua piiriä, käytännön näkökohdat edellyttävät kahta suurta muutosta piirin kokoonpanoissa. Ensinnäkin suurissa kytkentä- ja ohitus kondensaattoreissa, joita käytetään erillisissä vahvistimissa, ei ole käytännössä mahdollista valmistaa integroituja piirejä pienen koon vuoksi. Puuttuamme tähän puutteeseen valmistamalla suoraan kytkettyjä vahvistimia.
Toinen suuri muutos on se, että emme voi helposti valmistaa vastuksia, joita käytetään bias-piirinä. Sen sijaan käytämme aktiivisia kuormia ja virtalähteitä, jotka koostuvat MOS-transistoreista.
Integroidut piirit käyttävät sekä NMOS- että PMOS-piirejä. CMOS on yleisempää digitaalipiirissä, kun taas NMOS: ia käytetään tyypillisesti suurempien tiheyspiirien (eli enemmän funktioita kohti sirua) kohdalla.
Aktiivisten kuormien simulointi hyödyntää MOS-ominaisuuskäyrien kaltevuutta. Kuva 23 näyttää kahden tyyppisiä aktiivisia kuormia. Kuvassa 23 (a) näytetään NMOS-parannuskuorma, kun taas 23 (b) näyttää NMOS-tyhjennyskuorman. Kuvassa on myös merkittävät ominaispiirteet.
Kuva 23 - Aktiiviset kuormat
NMOS-tehon kuormituksen osalta jännitteen ja virran välinen suhde on
(29)
Tämän konfiguraation vastaava vastus on 1 /gm, jossa transkonduktanssin arvo on se, joka koskee bias-pistettä.
NMOS-tyhjennyskuormituksella on vastaava vastus, joka määräytyy seuraavan yhtälön antaman ominaisuuden kaltevuuden mukaan
(30)
5.1 MOSFET-integroitujen piirien painotus
Nyt kun meillä on kaksi tekniikkaa aktiivisten kuormien simuloimiseksi, voimme käsitellä esijännitysongelman. Käytämme aktiivista kuormitusta kuorman vastuksen sijasta missä tahansa piirin kokoonpanossa. Näiden tekniikoiden näyttämiseksi tarkastelkaa NMOS-vahvistinta käyttämällä lisäkuormaa, kuten kuvassa 24 on esitetty.
Transistori leimattiin Q2 korvaa RD aikaisemmasta piiristämme. Määritettäessä lepotilassa olevaa toimintapistettä käytämme samoja tekniikoita kuin osiossa 4, ”FET-vahvistimen kokoonpanot ja esijännitys”, korvataan vain vastuksen kuormitusjohdon parannuksen kuormituksen graafinen ominaisuus. Eli meidän on löydettävä FET-transistorin ominaisuuksien samanaikainen ratkaisu kuormituslinjan yhtälöllä. Voimme tehdä tämän graafisesti kuvan 25 mukaisesti.
Parametriset käyrät ovat vahvistavan transistorin, Q, ominaiskäyrät1. Aktiivisen kuorman jännite vs. nykyinen ominaisuus, Q2 ovat ne, jotka on esitetty kuviossa 23. Lähtöjännite, vulos, on ero VDD ja jännite aktiivisen kuorman yli. Aktiivisen kuorman virta on sama kuin vahvistavan transistorin tyhjennysvirta. Siksi rakennamme kuormituslinjan ottamalla kuvan 23 ominaispiirteen siirtymän peilikuvaksi. Toimintapiste on tämän käyrän ja sopivan transistorin ominaiskäyrän leikkauspiste. Meidän on löydettävä portti-lähde -jännite tietämään, mikä transistorin käyrä valita. Kuten seuraavaksi näemme, tulopanoksen jännite korvataan usein aktiivisella virtalähteellä.
Kuva 25 - Q-pisteen graafinen ratkaisu
Nyt kun tiedämme, miten simuloida aktiivista kuormitusta, kiinnitämme huomiomme referenssivirran muodostamiseen, jota käytetään osana tulo-bias-piiriä. Näitä nykyisiä lähteitä käytetään paljon samalla tavalla kuin käytimme niitä BJT-vahvistimen esijännitykseen.
Kuva 26 - Nykyinen peili
Analysoimme MOSFETia nykyinen peili. Nykyinen peili on esitetty kuvassa 26. Kahden transistorin oletetaan olevan täysin sovitettuja. Lähtövirta on Q2ja referenssivirta-asemat Q1. Jos transistorit ovat täydellisesti sovitettuja, lähtövirta on täsmälleen sama kuin vertailuvirta. Tämä on totta, koska transistorit on kytketty rinnakkain. Aivan kuten BJT-virtapeilin tapauksessa, vertailuvirta voidaan tuottaa soveltamalla referenssijännitettä vertailuvastuksen yli, kuten kuvassa 26 (b) on esitetty.
Eri alapiirien yhdistäminen (eli aktiivinen kuormitus ja referenssivirta) johtaa kuvion 27 CMOS-vahvistimeen.
Tämän vahvistimen vahvistuksen antaa
(31)
Kuva 27 - CMOS-vahvistin
5.2 Body Effect
Keskustelumme osiosta “2. Metallioksidipuolijohde FET (MOSFET) ”viittaa MOSFETin alustaan (tai runkoon). Tällä substraatilla on tärkeä rooli kanavan muodostamisessa. Erillisten MOSFET-laitteiden toiminnassa runko on usein kytketty virtalähteeseen. Tällaisissa tapauksissa alustalla ei ole suoraa vaikutusta laitteen toimintaan, ja aiemmin tässä luvussa kehitetyt käyrät pätevät.
Tilanne muuttuu, kun MOSFETit valmistetaan osana integroituja piirejä. Tällaisissa tapauksissa kunkin yksittäisen transistorin substraattia ei eristetä muista substraateista. Itse asiassa substraatti jaetaan usein kaikkien sirun MOSFET-laitteiden kesken. PMOS IC: ssä yhteinen substraatti liitetään kaikkein positiivisimpaan lähdepäätelaitteeseen, kun taas NMOS: ssa se on kytketty maahan (tai negatiiviseen tarjontaan, jos sellainen on). Tämä muodostaa käänteisen biasin kunkin transistorin lähteen ja rungon välillä. Tämän käänteisen suuntauksen vaikutus on muuttaa käyttöominaisuuksia. Esimerkiksi vuonna n-kanavaista laitetta, se nostaa tehokkaasti kynnystä (VT). Määrä, jolla kynnyksen muutokset riippuvat fyysisistä parametreista ja laitteen rakenteesta. NMOS: lle tämä muutos voidaan lähentää
(32)
Yhtälössä (32) γ on laitteen parametri, joka vaihtelee välillä 0.3 ja 1 (V-1/2). VSB on lähteen ja kehon välinen jännite ja se on Fermin potentiaali. Tämä on materiaalin ominaisuus, ja tyypillinen arvo on 0.3 V piille.