5. Circuiti integrati MOSFET
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Circuiti integrati MOSFET
Quando i transistor MOSFET sono fabbricati come parte di un circuito integrato, le considerazioni pratiche richiedono due importanti cambiamenti nelle configurazioni dei circuiti. Innanzitutto, i grandi condensatori di accoppiamento e bypass utilizzati negli amplificatori discreti non possono praticamente essere fabbricati in circuiti integrati a causa delle ridotte dimensioni. Abbiamo risolto questa lacuna costruendo amplificatori ad accoppiamento diretto.
Il secondo cambiamento importante è che non possiamo fabbricare facilmente i resistori usati come parte del circuito di polarizzazione. Invece, utilizziamo carichi attivi e sorgenti di corrente costituite da transistor MOS.
I circuiti integrati utilizzano entrambi i circuiti NMOS e PMOS. Il CMOS è più comune nei circuiti digitali, mentre NMOS è tipicamente utilizzato per circuiti integrati ad alta densità (cioè più funzioni per chip).
La simulazione dei carichi attivi sfrutta la pendenza delle curve caratteristiche MOS. Figura 23 mostra due tipi di carichi attivi. Nella Figura 23 (a), mostriamo un carico di miglioramento NMOS, mentre 23 (b) mostra un carico di deplezione NMOS. Anche in figura sono indicate le curve caratteristiche rilevanti.
Figura 23 - Carichi attivi
Per il carico di potenziamento NMOS, la relazione tra tensione e corrente è data da
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La resistenza equivalente di questa configurazione è 1 /gm, dove il valore della transconduttanza è quello che si applica al punto di polarizzazione.
Il carico di deplezione NMOS ha una resistenza equivalente che è determinata dalla pendenza della caratteristica data dalla seguente equazione
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Biasing 5.1 dei circuiti integrati MOSFET
Ora che abbiamo due tecniche per simulare i carichi attivi, possiamo risolvere il problema di bias. Usiamo il carico attivo al posto della resistenza di carico in qualsiasi configurazione del circuito. Per mostrare la tecnica per analizzarli, consideriamo l'amplificatore NMOS usando un carico di miglioramento, come mostrato nella Figura 24.
Il transistor etichettato Q2 sostituisce RD dei nostri circuiti precedenti. Per determinare il punto operativo di quiescenza, usiamo le stesse tecniche che abbiamo fatto nella Sezione 4, "Configurazioni e polarizzazione dell'amplificatore FET" sostituendo solo la caratteristica grafica del carico di potenziamento per la linea di carico del resistore. Cioè, dobbiamo trovare la soluzione simultanea delle caratteristiche del transistor FET con l'equazione per la linea di carico. Possiamo farlo graficamente come mostrato nella Figura 25.
Le curve parametriche sono le curve caratteristiche del transistore amplificatore, Q1. La tensione rispetto alla corrente caratteristica del carico attivo, Q2 sono quelli di Figura 23. La tensione di uscita, vsu, è la differenza tra VDD e la tensione attraverso il carico attivo. La corrente nel carico attivo è uguale alla corrente di drain nel transistor di amplificazione. Quindi costruiamo la linea di carico prendendo l'immagine speculare spostata della caratteristica di Figura 23. Il punto operativo è l'intersezione di questa curva con la curva caratteristica del transistor appropriata. Abbiamo bisogno di trovare la tensione da porta a sorgente per sapere quale curva transistor scegliere. Come vedremo in seguito, la tensione di polarizzazione in ingresso viene spesso sostituita da una sorgente di corrente attiva.
Figura 25 - Soluzione grafica per il punto Q.
Ora che sappiamo come simulare un carico attivo, rivolgiamo la nostra attenzione alla generazione di una corrente di riferimento da utilizzare come parte del circuito di polarizzazione di ingresso. Queste fonti di corrente sono utilizzate più o meno nello stesso modo in cui le abbiamo usate per la polarizzazione dell'amplificatore BJT.
Figura 26 - Specchio attuale
Analizziamo il MOSFET specchio di corrente. Uno specchio corrente è mostrato in Figura 26. Si presume che i due transistor siano perfettamente abbinati. La corrente di uscita è la corrente di scarico di Q2e una corrente di riferimento guida Q1. Se i transistor sono perfettamente abbinati, la corrente di uscita sarà esattamente uguale alla corrente di riferimento. Questo è vero poiché i transistor sono collegati in parallelo. Proprio come nel caso dello specchio di corrente BJT, la corrente di riferimento può essere generata applicando una tensione di riferimento su una resistenza di riferimento, come mostrato nella Figura 26 (b).
Mettendo insieme i vari sottocircuiti (cioè il carico attivo e la corrente di riferimento) si ottiene l'amplificatore CMOS di Figura 27.
Il guadagno di questo amplificatore è dato da
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Figura 27 - Amplificatore CMOS
5.2 Body Effect
La nostra discussione della sezione “2. Semiconduttore di ossido di metallo FET (MOSFET) ”riferito al substrato (o corpo) del MOSFET. Questo substrato gioca un ruolo importante nella creazione del canale. Nel funzionamento di MOSFET discreti, il corpo è spesso collegato alla fonte di alimentazione. In questi casi, il substrato non ha alcun effetto diretto sul funzionamento del dispositivo e si applicano le curve sviluppate in precedenza in questo capitolo.
La situazione cambia quando i MOSFET sono fabbricati come parte di circuiti integrati. In tali casi, il substrato di ogni singolo transistor non è isolato da altri substrati. Infatti, un substrato è spesso condiviso tra tutti i MOSFET su un chip. In un IC PMOS, il substrato condiviso sarebbe collegato al terminale sorgente più positivo, mentre in NMOS è collegato a massa (o a un'alimentazione negativa se presente). Questo stabilisce una polarizzazione inversa tra la sorgente e il corpo di ciascun transistor. L'effetto di questa tendenza inversa è modificare le caratteristiche operative. Ad esempio, in un n-channel device, solleva efficacemente la soglia (VT). La quantità di variazione della soglia dipende dai parametri fisici e dalla costruzione del dispositivo. Per NMOS, questo cambiamento può essere approssimato da
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In Equation (32), γ è un parametro del dispositivo che varia tra circa 0.3 e 1 (V-1/2). VSB è la tensione source-to-body ed è Potenziale di Fermi. Questa è una proprietà del materiale e un valore tipico è 0.3 V per silicio.