5. Integrirani sklopovi MOSFET
STRUJA - 5. MOSFET integrirani krugovi
PRETHODNA- 4. Konfiguracije i pomicanje FET pojačala
Integrirani sklopovi MOSFET
Kada su MOSFET tranzistori proizvedeni kao dio integriranog kruga, praktična razmatranja zahtijevaju dvije velike promjene u konfiguracijama kruga. Prvo, veliki spojevi i premosni kondenzatori koji se koriste u diskretnim pojačalima ne mogu se praktički proizvesti u integriranim krugovima zbog male veličine. Ovu manu zaobilazimo tako što proizvodimo izravna pojačala.
Druga velika promjena je da ne možemo lako izraditi otpornike koji se koriste kao dio prednaponskih krugova. Umjesto toga koristimo aktivna opterećenja i strujne izvore sastavljene od MOS tranzistora.
Integrirani sklopovi koriste i NMOS i PMOS sklopove. CMOS je češći u digitalnim krugovima, dok se NMOS obično koristi za ICs veće gustoće (tj. Više funkcija po čipu).
Simuliranje aktivnih opterećenja koristi nagib MOS karakterističnih krivulja. Slika 23 prikazuje dvije vrste aktivnih opterećenja. Na slici 23 (a) prikazano je NMOS pojačalo, dok 23 (b) pokazuje opterećenje osiromašenim NMOS-om. Na slici su također prikazane relevantne karakteristične krivulje.
Slika 23 - Aktivna opterećenja
Za NMOS pojačalo opterećenje, odnos između napona i struje je dao
(29)
Ekvivalentni otpor ove konfiguracije je 1 /gm, gdje je vrijednost provodljivosti ona koja se primjenjuje na točci pristranosti.
Opterećenje s osiromašenim NMOS ima ekvivalentni otpor koji se određuje nagibom karakteristike danom sljedećom jednadžbom
(30)
5.1 Mijenjanje MOSFET integriranih krugova
Sada kada imamo dvije tehnike za simulaciju aktivnih opterećenja, možemo riješiti problem s pomicanjem. Koristimo aktivno opterećenje umjesto otpora opterećenja u bilo kojoj konfiguraciji kruga. Da bismo pokazali tehniku za analizu ovih, razmotrimo NMOS pojačalo koristeći poboljšano opterećenje, kao što je prikazano na slici 24.
Tranzistor je označen Q2 zamjenjuje RD naših ranijih sklopova. Da bismo odredili mirnu radnu točku, koristimo iste tehnike kao i u odjeljku 4, „Konfiguracije FET pojačala i pristranost“, samo zamjenjujući grafičku karakteristiku pojačanja opterećenja za liniju opterećenja otpornika. Odnosno, moramo pronaći simultano rješenje karakteristika FET tranzistora s jednadžbom za teretni vod. To možemo učiniti grafički kao što je prikazano na slici 25.
Parametarske krivulje su karakteristične krivulje za pojačivački tranzistor, Q1, Karakteristika napona i struje aktivnog opterećenja, Q2 su one na slici 23. Izlazni napon, vvan, je razlika između VDD i napon na aktivnom opterećenju. Struja u aktivnom opterećenju jednaka je struji odvoda u pojačavajućem tranzistoru. Stoga konstruiramo liniju opterećenja uzimajući pomaknutu zrcalnu sliku karakteristike slike 23. Radna točka je sjecište ove krivulje s odgovarajućom karakterističnom krivuljom tranzistora. Moramo pronaći napon od vrata do izvora da bismo znali koju tranzistorsku krivulju odabrati. Kao što ćemo vidjeti, napon ulazne pristranosti često se zamjenjuje aktivnim izvorom struje.
Slika 25 - Grafičko rješenje za Q-točku
Sada kada znamo kako simulirati aktivno opterećenje, skrećemo pozornost na generiranje referentne struje koja će se koristiti kao dio strujnog kruga ulaznih pristranosti. Ovi trenutni izvori se koriste na isti način na koji smo ih koristili za pojačanje BJT pojačala.
Slika 26 - Tekuće zrcalo
Analiziramo MOSFET trenutni ogledalo, Tekuće zrcalo prikazano je na slici 26. Pretpostavlja se da su dva tranzistora savršeno usklađena. Izlazna struja je odvodna struja Q2i referentni strujni pogoni Q1. Ako se tranzistori savršeno podudaraju, izlazna struja točno će biti jednaka referentnoj struji. To je točno jer su tranzistori spojeni paralelno. Baš kao što je bio slučaj s BJT strujnim zrcalom, referentna struja može se generirati primjenom referentnog napona na referentnom otporu, kao što je prikazano na slici 26 (b).
Stavljanje različitih subcircuits zajedno (tj., Aktivno opterećenje i referentne struje) rezultate u CMOS pojačalo na slici 27.
Dobitak ovog pojačala daje se pomoću
(31)
Slika 27 - CMOS pojačalo
5.2 učinak tijela
Naša rasprava o odjeljku „2. Metal-oksidni poluvodič FET (MOSFET) ”odnosi se na podlogu (ili tijelo) MOSFET-a. Ovaj supstrat igra važnu ulogu u uspostavljanju kanala. Tijekom rada diskretnih MOSFET-ova, tijelo je često povezano s izvorom napajanja. U takvim slučajevima podloga nema izravan utjecaj na rad uređaja, a primjenjuju se krivulje razvijene ranije u ovom poglavlju.
Situacija se mijenja kada se MOSFET-i izrađuju kao dio integriranih krugova. U takvim slučajevima, supstrat svakog pojedinog tranzistora nije izoliran od drugih podloga. Doista, supstrat se često dijeli između svih MOSFET-ova na čipu. U PMOS IC, zajednički supstrat će biti spojen na većinu pozitivnih izvora terminal, dok je u NMOS je spojen na tlo (ili na negativan opskrbu ako je prisutan). Time se uspostavlja obratna pristranost između izvora i tijela svakog tranzistora. Učinak ove obrnute pristranosti je promjena radnih karakteristika. Na primjer, u n-kanalni uređaj, učinkovito povećava prag (VT). Iznos kojim se prag mijenja ovisi o fizičkim parametrima i konstrukciji uređaja. Za NMOS se ova promjena može aproksimirati pomoću
(32)
U jednadžbi (32), γ je parametar uređaja koji varira između 0.3 i 1 (V-1/2). VSB je napon od izvora do tijela, a je Fermijev potencijal, To je svojstvo materijala, a tipična vrijednost je 0.3 V za silicij.