5. Circuits intégrés MOSFET
COURANT - 5. Circuits intégrés MOSFET
PRÉCÉDENT-4. Configurations d'amplificateur FET et polarisation
Circuits intégrés MOSFET
Lorsque les transistors MOSFET sont fabriqués dans le cadre d'un circuit intégré, des considérations pratiques nécessitent deux changements majeurs dans la configuration du circuit. Premièrement, les grands condensateurs de couplage et de dérivation utilisés dans les amplificateurs discrets ne peuvent pratiquement pas être fabriqués dans des circuits intégrés en raison de leur petite taille. Nous pallions cette lacune en fabriquant des amplificateurs à couplage direct.
Le deuxième changement majeur est que nous ne pouvons pas facilement fabriquer les résistances utilisées dans les circuits de polarisation. Au lieu de cela, nous utilisons des charges actives et des sources de courant constituées de transistors MOS.
Les circuits intégrés utilisent à la fois les circuits NMOS et PMOS. Le CMOS est plus courant dans les circuits numériques, tandis que le NMOS est généralement utilisé pour les circuits intégrés de densité supérieure (plus de fonctions par puce).
La simulation de charges actives tire parti de la pente des courbes caractéristiques MOS. La figure 23 montre deux types de charges actives. Sur la figure 23 (a), nous montrons une charge d’amélioration NMOS, alors que 23 (b) indique une charge d’appauvrissement NMOS. La figure présente également les courbes caractéristiques correspondantes.
Figure 23 - Charges actives
Pour la charge d’amélioration NMOS, la relation entre tension et courant est donnée par
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La résistance équivalente de cette configuration est 1 /gm, où la valeur de la transconductance est celle qui s’applique au point de polarisation.
La charge d’appauvrissement NMOS a une résistance équivalente qui est déterminée par la pente de la caractéristique donnée par l’équation suivante
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Polarisation 5.1 des circuits intégrés MOSFET
Maintenant que nous disposons de deux techniques pour simuler des charges actives, nous pouvons résoudre le problème de la polarisation. Nous utilisons la charge active à la place de la résistance de charge dans toutes les configurations de circuit. Pour montrer la technique d’analyse de ceux-ci, considérons l’amplificateur NMOS en utilisant une charge d’amélioration, comme le montre la figure 24.
Le transistor étiqueté Q2 remplace RD de nos circuits précédents. Pour déterminer le point de fonctionnement au repos, nous utilisons les mêmes techniques que nous l'avons fait dans la section 4, «Configurations d'amplificateur FET et polarisation» en remplaçant uniquement la caractéristique graphique de charge d'amélioration pour la ligne de charge de la résistance. Autrement dit, nous devons trouver la solution simultanée des caractéristiques du transistor FET avec l'équation de la ligne de charge. Nous pouvons le faire graphiquement comme le montre la figure 25.
Les courbes paramétriques sont les courbes caractéristiques du transistor amplificateur, Q1. La caractéristique tension / courant de la charge active, Q2 sont ceux de la figure 23. La tension de sortie, vande, est la différence entre VDD et la tension aux bornes de la charge active. Le courant dans la charge active est identique au courant de drain dans le transistor amplificateur. Nous construisons donc la ligne de charge en prenant l’image miroir décalée de la caractéristique de la figure 23. Le point de fonctionnement est l'intersection de cette courbe avec la courbe caractéristique du transistor appropriée. Nous devons trouver la tension grille à source pour savoir quelle courbe à transistors choisir. Comme nous le verrons plus loin, la tension de polarisation d'entrée est souvent remplacée par une source de courant active.
Figure 25 - Solution graphique pour le point Q
Maintenant que nous savons simuler une charge active, nous nous intéressons maintenant à la génération d’un courant de référence à utiliser dans le circuit de polarisation d’entrée. Ces sources de courant sont utilisées de la même manière que nous les avons utilisées pour la polarisation d'amplificateur BJT.
Figure 26 - Miroir de courant
Nous analysons le MOSFET miroir de courant. Un miroir de courant est présenté à la figure 26. Les deux transistors sont supposés parfaitement adaptés. Le courant de sortie est le courant de drain de Q2, et un courant de référence Q1. Si les transistors sont parfaitement adaptés, le courant de sortie sera exactement égal au courant de référence. Cela est vrai puisque les transistors sont connectés en parallèle. Tout comme ce fut le cas avec le miroir de courant BJT, le courant de référence peut être généré en appliquant une tension de référence à travers une résistance de référence, comme le montre la figure 26 (b).
L'assemblage des différents sous-circuits (c'est-à-dire la charge active et le courant de référence) donne l'amplificateur CMOS de la figure 27.
Le gain de cet amplificateur est donné par
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Figure 27 - Amplificateur CMOS
Effet corporel 5.2
Notre discussion de la section «2. FET à semi-conducteur à oxyde de métal (MOSFET) »fait référence au substrat (ou corps) du MOSFET. Ce substrat joue un rôle important dans l'établissement du canal. Dans le fonctionnement des MOSFET discrets, le corps est souvent connecté à la source d'alimentation. Dans de tels cas, le substrat n'a pas d'effet direct sur le fonctionnement de l'appareil et les courbes développées plus haut dans ce chapitre s'appliquent.
La situation change lorsque les MOSFET sont fabriqués dans le cadre de circuits intégrés. Dans de tels cas, le substrat de chaque transistor individuel n'est pas isolé des autres substrats. En effet, un substrat est souvent partagé entre tous les MOSFET d'une puce. Dans un circuit intégré PMOS, le substrat partagé serait connecté à la borne de source la plus positive, tandis que dans NMOS, il serait connecté à la terre (ou à une alimentation négative, le cas échéant). Ceci établit une polarisation inverse entre la source et le corps de chaque transistor. Cette polarisation inverse a pour effet de modifier les caractéristiques de fonctionnement. Par exemple, dans un npériphérique à canal, il augmente effectivement le seuil (VT). L'ampleur de la modification du seuil dépend des paramètres physiques et de la construction de l'appareil. Pour NMOS, ce changement peut être approximé par
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Dans l’équation (32), γ est un paramètre de périphérique variant entre environ 0.3 et 1 (V-1/2). VSB est la tension source-corps, et est le Potentiel de Fermi. Ceci est une propriété du matériau et une valeur typique est 0.3 V pour le silicium.