5. MOSFET integrált áramkörök

MOSFET integrált áramkörök

Amikor a MOSFET tranzisztorok integrált áramkör részeként készülnek, a gyakorlati megfontolások két nagy változást igényelnek az áramkör konfigurációiban. Először is a diszkrét erősítőkben használt nagy kapcsoló- és bypass-kondenzátorok gyakorlatilag nem lehetnek integrált áramkörökben gyártva a kis méret miatt. Ezt a hiányosságot közvetlen összekapcsolt erősítők gyártásával érjük el.

A második nagy változás az, hogy nem tudjuk könnyen előállítani az előfeszítő áramkör részeként használt ellenállásokat. Ehelyett aktív terheléseket és áramforrásokat használunk az MOS tranzisztorokból.

Az integrált áramkörök NMOS és PMOS áramköröket is használnak. A CMOS gyakrabban fordul elő a digitális áramkörökben, míg az NMOS-t általában nagyobb sűrűségű IC-khez használják (azaz több funkciót használnak chipenként).

Az aktív terhelések szimulálása kihasználja az MOS jelleggörbék lejtését. Az 23 ábra két aktív terhelés típusát mutatja. Az 23 (a) ábrán egy NMOS-bővítményterhelést mutatunk, míg az 23 (b) NMOS kimerülési terhelést mutat. Az ábrán látható a megfelelő jelleggörbék is.

23 ábra - Aktív terhelések

Az NMOS javítási terhelés esetén a feszültség és az áram közötti kapcsolatot a


(29)

Ennek a konfigurációnak az egyenértékű ellenállása 1 /gm, ahol a transzconduktivitás értéke az, ami a torzítási pontnál érvényes.

Az NMOS kimerülési terhelése egyenértékű ellenállással rendelkezik, amelyet a következő egyenlet által adott jellemző meredeksége határoz meg


(30)

5.1 integrált áramkörök előfeszítése

Most, hogy két módszerünk van az aktív terhelések szimulálására, meg tudjuk oldani az elfogultságot. A terhelésállóság helyett az áramköri konfigurációk bármelyikében használjuk az aktív terhelést. Ahhoz, hogy bemutassuk ezeket az elemzéseket, vizsgáljuk meg az NMOS erősítőt egy javítási terheléssel, amint az az 24 ábrán látható.

A tranzisztor megjelölte Q2 helyettesíti RD korábbi áramköreink. A nyugalmi üzemi pont meghatározásához ugyanazokat a technikákat alkalmazzuk, mint a 4. szakaszban, „FET erősítő konfigurációk és előfeszítés”, csak az erősítő terhelés grafikus jellemzőit helyettesítve az ellenállás terhelési vonalával. Vagyis meg kell találnunk a FET tranzisztor jellemzőinek egyidejű megoldását a terhelési vonal egyenletével. Ezt grafikusan megtehetjük a 25. ábra szerint.

A paraméteres görbék az erősítő tranzisztor Q jellemző jelleggörbéi1. Az aktív terhelés és az aktuális terhelés feszültsége, Q2 az 23. A kimeneti feszültség, vki, a különbség VDD és az aktív terhelésen belüli feszültség. Az aktív terhelésben lévő áram megegyezik az erősítő tranzisztorban lévő leeresztő árammal. Ezért a terhelési vonalat az 23. A működési pont a görbe metszéspontja a megfelelő tranzisztor jelleggörbével. Meg kell találnunk a kapu-forrás feszültséget, hogy megtudjuk, melyik tranzisztor görbét válasszuk. Amint azt látjuk majd, a bemeneti előfeszítő feszültséget gyakran egy aktív áramforrás helyettesíti.

Grafikus megoldás a Q-pontra

25 ábra - Grafikus megoldás a Q-ponthoz

Most, hogy tudjuk, hogyan kell szimulálni egy aktív terhelést, felhívjuk a figyelmet egy referenciaáram előállítására, amelyet a bemeneti előfeszítő áramkör részeként kell használni. Ezeket az áramforrásokat ugyanúgy használjuk, mint a BJT erősítő torzításhoz.

26 ábra - Áramtükör

Elemezzük a MOSFET-et jelenlegi tükör. Az 26 ábrán egy aktuális tükör látható. A két tranzisztort feltételezzük, hogy tökéletesen illeszkednek. A kimeneti áram a. \ T Q2és egy referenciaáram-meghajtó Q1. Ha a tranzisztorok tökéletesen illeszkednek egymáshoz, a kimeneti áram pontosan megegyezik a referenciaárammal. Ez igaz, mivel a tranzisztorok párhuzamosan vannak összekötve. Csakúgy, mint a BJT áramtükör esetében, a referenciaáram úgy is előállítható, hogy referenciafeszültséget alkalmazunk egy referenciaellenálláson, amint azt a 26. (b) ábra mutatja.

A különböző alkörzetek együttes elhelyezése (azaz az aktív terhelés és a referenciaáram) az 27 ábra CMOS-erősítőjét eredményezi.

Ennek az erősítőnek a nyereségét a


(31)

CMOS erősítő

27 - CMOS erősítő

5.2 testhatás

A „2. Szakasz tárgyalása Fém-oxid félvezető FET (MOSFET) ”a MOSFET aljzatára (vagy testére) utal. Ez a hordozó fontos szerepet játszik a csatorna létrehozásában. A diszkrét MOSFET-ek működése során a test gyakran csatlakozik az áramforráshoz. Ilyen esetekben az aljzatnak nincs közvetlen hatása a készülék működésére, és az ebben a fejezetben korábban kidolgozott görbék érvényesek.

A helyzet akkor változik, amikor a MOSFET-ek az integrált áramkörök részeként készülnek. Ilyen esetekben az egyes tranzisztorok szubsztrátja nem elkülönül más szubsztrátoktól. Valójában, egy szubsztrátot gyakran megosztanak a chip összes MOSFET-je között. A PMOS IC-ben a megosztott szubsztrátot a leginkább pozitív forráshoz csatlakoztatják, míg az NMOS-ban a földre van csatlakoztatva (vagy ha van ilyen, negatív ellátás). Ez fordított torzítást eredményez az egyes tranzisztorok forrása és teste között. E fordított torzítás hatása a működési jellemzők megváltoztatása. Például egy n-csatornás eszköz, hatékonyan emeli a küszöböt (VT). A küszöbértékek változása a fizikai paraméterektől és az eszköz felépítésétől függ. Az NMOS esetében ez a változás megközelíthető


(32)

Az (32) egyenletben γ egy eszközparaméter, amely az 0.3 és az 1 (V-1/2). VSB a forrás-test feszültség, és a Fermi potenciál. Ez az anyag tulajdonsága, és tipikus értéke az 0.3 V a szilícium esetében.