5. Sirkuit Terpadu MOSFET
SAAT INI - 5. Sirkuit Terpadu MOSFET
SEBELUMNYA- 4. Konfigurasi dan Biasing Amplifier FET
Sirkuit Terpadu MOSFET
Ketika transistor MOSFET dibuat sebagai bagian dari rangkaian terpadu, pertimbangan praktis memerlukan dua perubahan besar dalam konfigurasi rangkaian. Pertama, kapasitor kopling dan bypass besar yang digunakan dalam amplifier diskrit tidak dapat secara praktis dibuat dalam sirkuit terintegrasi karena ukurannya yang kecil. Kami mengatasi kekurangan ini dengan membuat amplifier yang dipasangkan langsung.
Perubahan besar kedua adalah bahwa kita tidak dapat dengan mudah membuat resistor yang digunakan sebagai bagian dari rangkaian bias. Sebagai gantinya, kami menggunakan beban aktif dan sumber arus yang terdiri dari transistor MOS.
Sirkuit terpadu menggunakan sirkuit NMOS dan PMOS. CMOS lebih umum di sirkuit digital, sedangkan NMOS biasanya digunakan untuk IC dengan kepadatan lebih tinggi (yaitu, lebih banyak fungsi per chip).
Simulasi beban aktif memanfaatkan kemiringan kurva karakteristik MOS. Gambar 23 menunjukkan dua jenis beban aktif. Pada Gambar 23 (a), kami menunjukkan beban peningkatan NMOS, sedangkan 23 (b) menunjukkan beban penipisan NMOS. Juga ditunjukkan pada gambar adalah kurva karakteristik yang relevan.
Gambar 23 - Beban aktif
Untuk beban peningkatan NMOS, hubungan antara tegangan dan arus diberikan oleh
(29)
Resistansi yang setara dari konfigurasi ini adalah 1 /gm, di mana nilai transkonduktansi adalah yang berlaku pada titik bias.
Beban deplesi NMOS memiliki resistansi setara yang ditentukan oleh kemiringan karakteristik yang diberikan oleh persamaan berikut
(30)
Biasing 5.1 dari Sirkuit Terpadu MOSFET
Sekarang kami memiliki dua teknik untuk mensimulasikan beban aktif, kami dapat mengatasi masalah bias. Kami menggunakan beban aktif sebagai pengganti tahanan beban dalam konfigurasi sirkuit apa pun. Untuk menunjukkan teknik untuk menganalisis ini, mari kita pertimbangkan penguat NMOS menggunakan beban tambahan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 24.
Transistor berlabel Q2 menggantikan RD sirkuit kita sebelumnya. Untuk menentukan titik operasi diam, kami menggunakan teknik yang sama seperti yang kami lakukan di Bagian 4, "Konfigurasi dan bias penguat FET" hanya menggantikan karakteristik grafis beban tambahan untuk garis beban resistor. Artinya, kita perlu mencari solusi simultan dari karakteristik transistor FET dengan persamaan untuk garis beban. Kami dapat melakukan ini secara grafis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 25.
Kurva parametrik adalah kurva karakteristik untuk transistor penguat, Q1. Karakteristik tegangan vs. arus dari beban aktif, Q2 adalah Gambar 23. Tegangan output, vdi luar, adalah perbedaan antara VDD dan tegangan melintasi beban aktif. Arus dalam beban aktif sama dengan arus tiriskan dalam transistor yang menguatkan. Oleh karena itu kami membangun garis beban dengan mengambil gambar cermin bergeser dari karakteristik Gambar 23. Titik operasi adalah persimpangan kurva ini dengan kurva karakteristik transistor yang sesuai. Kita perlu menemukan tegangan gerbang-ke-sumber untuk mengetahui kurva transistor mana yang harus dipilih. Seperti yang akan kita lihat selanjutnya, tegangan bias input sering diganti oleh sumber arus aktif.
Gambar 25 - Solusi grafis untuk titik-Q
Sekarang kita tahu bagaimana mensimulasikan beban aktif, kita mengalihkan perhatian kita ke generasi arus referensi untuk digunakan sebagai bagian dari rangkaian bias input. Sumber arus ini digunakan dengan cara yang sama seperti yang kami gunakan untuk biasing penguat BJT.
Gambar 26 - Cermin saat ini
Kami menganalisis MOSFET cermin saat ini. Cermin saat ini ditunjukkan pada Gambar 26. Kedua transistor diasumsikan sangat cocok. Arus keluaran adalah arus pembuangan Q2, dan referensi drive saat ini Q1. Jika transistor benar-benar cocok, arus keluaran akan sama persis dengan arus referensi. Ini benar karena transistor dihubungkan secara paralel. Seperti halnya dengan cermin arus BJT, arus referensi dapat dibangkitkan dengan menerapkan tegangan referensi pada resistansi referensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 26 (b).
Menyatukan berbagai subcircuits bersama-sama (yaitu, beban aktif dan arus referensi) menghasilkan penguat CMOS pada Gambar 27.
Gain dari penguat ini diberikan oleh
(31)
Gambar 27 - penguat CMOS
5.2 Efek Tubuh
Diskusi kita tentang Bagian “2. Metal-oxide semiconductor FET (MOSFET) ”mengacu pada substrat (atau badan) MOSFET. Substrat ini berperan penting dalam pembentukan saluran. Dalam pengoperasian MOSFET diskrit, badan sering dihubungkan ke sumber daya. Dalam kasus seperti itu, media tidak berpengaruh langsung pada pengoperasian perangkat, dan kurva yang dikembangkan sebelumnya dalam bab ini berlaku.
Situasi berubah ketika MOSFET dibuat sebagai bagian dari sirkuit terpadu. Dalam kasus tersebut, substrat dari masing-masing transistor individu tidak diisolasi dari substrat lain. Memang, substrat sering dibagi di antara semua MOSFET pada sebuah chip. Dalam IC PMOS, substrat bersama akan terhubung ke terminal sumber paling positif, sementara di NMOS terhubung ke ground (atau ke suplai negatif jika ada). Ini membentuk bias balik antara sumber dan tubuh masing-masing transistor. Efek dari bias balik ini adalah untuk mengubah karakteristik operasi. Misalnya, dalam n-perangkat saluran, secara efektif meningkatkan ambang (VT). Jumlah perubahan ambang tergantung pada parameter fisik dan konstruksi perangkat. Untuk NMOS, perubahan ini dapat diperkirakan oleh
(32)
Dalam Persamaan (32), γ adalah parameter perangkat yang bervariasi antara sekitar 0.3 dan 1 (V-1 / 2). VSB adalah tegangan sumber-ke-tubuh, dan merupakan tegangan Potensi Fermi. Ini adalah properti material, dan nilai khasnya adalah 0.3 V untuk silikon.