5. מעגלים משולבים MOSFET
זרם - 5. מעגלים משולבים MOSFET
קודם - 4. מגבר FET תצורות ותעדוף
מעגלים משולבים MOSFET
כאשר טרנזיסטורי MOSFET מפוברקים כחלק ממעגל משולב, שיקולים מעשיים דורשים שני שינויים משמעותיים בתצורות מעגל. ראשית, צימוד גדול וקבלים לעקוף המשמש מגברים בדידים לא יכול להיות מפוברק למעשה במעגלים משולבים בגלל גודל קטן. אנחנו מסתובבים זה מחסור ידי בודה מגברים ישיר מצמידים.
השינוי העיקרי השני הוא שאנחנו לא יכולים בקלות לפברק את נגדים המשמשים במעגל הטיה. במקום זאת, אנו משתמשים בעומסים פעילים ובמקורות עכשוויים המורכבים מרדיסטורי MOS.
מעגלים משולבים משתמשים במעגל ה- NMOS ו- PMOS. CMOS נפוץ יותר במעגלים דיגיטליים, בעוד NMOS משמש בדרך כלל עבור ICs צפיפות גבוהה יותר (כלומר, יותר פונקציות לכל שבב).
הדמיית עומסים פעילים מנצלת את השיפוע של העקומות האופייניות של MOS. איור 23 מציג שני סוגים של עומסים פעילים. באיור 23 (א), אנו מראים עומס שיפור NMOS, בעוד 23 (ב) מראה עומס NMOS דלדול. כמו כן מוצגים באיור הם עקומות אופייניות הרלוונטיים.
איור 23 - עומסים פעילים
עבור עומס ההעברה של NMOS, הקשר בין המתח לבין הזרם ניתן על ידי
(29)
ההתנגדות המקבילה של תצורה זו היא 1 /gm, שבו הערך של מוליכות הוא זה חל על נקודת ההטיה.
עומס ה - NMOS דלדול יש התנגדות מקבילה אשר נקבעת על ידי המדרון של המאפיין שניתן על ידי המשוואה הבאה
(30)
5.1 תעדוף של מעגלים משולבים MOSFET
עכשיו שיש לנו שתי טכניקות לדמות עומסים פעילים, אנו יכולים לטפל בבעיית הטיית. אנו משתמשים בעומס הפעיל במקום התנגדות העומס בכל אחת מהתצורות המעגליות. כדי להראות את הטכניקה לניתוח אלה, הבה נבחן את המגבר NMOS באמצעות עומס שיפור, כפי שמוצג באיור 24.
הטרנזיסטור מתויג Q2 מחליף RD של המעגלים הקודמים שלנו. כדי לקבוע את נקודת ההפעלה השקטה, אנו משתמשים באותן טכניקות כמו שעשינו בסעיף 4, "תצורות מגבר FET והטייה", רק מחליפות את המאפיין הגרפי של עומס השיפור עבור קו עומס הנגד. כלומר, עלינו למצוא את הפתרון בו זמנית של מאפייני הטרנזיסטור FET עם המשוואה לקו העומס. אנו יכולים לעשות זאת בצורה גרפית כפי שמוצג באיור 25.
העקומות הפרמטריות הן עקומות אופייניות עבור הטרנזיסטור המגביר, Q1. המאפיין המתח לעומת הזרם הנוכחי של העומס הפעיל, Q2 הם אלה של איור 23. מתח המוצא, vהַחוּצָה, הוא ההבדל בין VDD ואת המתח על פני העומס הפעיל. הזרם בעומס הפעיל זהה לזרם הניקוז של הטרנזיסטור המגביר. לכן אנו בונים את קו העומס על ידי לקיחת תמונת המראה המשופרת של המאפיין של איור 23. נקודת ההפעלה היא הצומת של עקומה זו עם עקומת הטרנזיסטור המתאים. אנחנו צריכים למצוא את השער אל מקור המקור כדי לדעת איזה עקומת טרנזיסטור לבחור. כפי שנראה בהמשך, מתח הטיה קלט מוחלף לעתים קרובות על ידי מקור זרם פעיל.
איור 25 - פתרון גרפי עבור Q- נקודה
עכשיו שאנחנו יודעים איך לדמות עומס פעיל, אנו מפנים את תשומת הלב שלנו לדור של זרם התייחסות לשמש כחלק מעגל קלט הטיה. אלה מקורות הנוכחי משמשים הרבה באותו אופן שבו השתמשנו בהם עבור BJT מגבר הטיית.
איור 26 - מראה נוכחית
אנו מנתחים את ה- MOSFET מראה נוכחי. מראה הנוכחית מוצגת באיור 26. שני הטרנזיסטורים מניחים שהם מתאימים לחלוטין. זרם המוצא הוא זרם הניקוז של Q2, ואת הכוננים הנוכחי התייחסות Q1. אם הטרנזיסטורים מותאמים באופן מושלם, זרם המוצא יהיה שווה בדיוק לזרם הייחוס. זה נכון מכיוון שהטרנזיסטורים מחוברים במקביל. בדיוק כפי שהיה במקרה של מראה BJT הנוכחי, ניתן לייצר את זרם הייחוס על ידי הפעלת מתח התייחסות על פני התנגדות התייחסות, כפי שמוצג באיור 26 (ב).
הצבת המעגלים המשולבים השונים (כלומר, העומס הפעיל והזרם הפניה) מגביר את מגבר CMOS של איור 27.
הרווח של מגבר זה ניתן על ידי
(31)
איור 27 - מגבר CMOS
5.2 אפקט הגוף
הדיון שלנו בסעיף "2. מוליך למחצה מתכת-תחמוצת FET (MOSFET) ”התייחס למצע (או לגוף) של ה- MOSFET. למצע זה תפקיד חשוב בהקמת הערוץ. בתפעול של MOSFET בדידים, הגוף מחובר לרוב למקור החשמל. במקרים כאלה אין למצע השפעה ישירה על פעולת המכשיר, והעקומות שפותחו קודם בפרק זה חלות.
המצב משתנה כאשר MOSFETs מפוברקות כחלק מעגלים משולבים. במקרים כאלה, המצע של כל טרנזיסטור בודד אינו מבודד מצעים אחרים. ואכן, מצע משותף לעתים קרובות בין כל MOSFETs על שבב. ב - PMOS IC, המצע המשותף יהיה מחובר למסוף המקור החיובי ביותר, בעוד שב - NMOS הוא מחובר לקרקע (או לאספקה שלילית אם קיימת). זה יוצר הטיה הפוכה בין המקור לבין הגוף של כל טרנזיסטור. ההשפעה של הטיה הפוכה זו היא לשנות את המאפיינים התפעוליים. לדוגמה, ב n-אנל המכשיר, זה למעשה מעלה את הסף (VT). הסכום שבו השינויים סף תלוי פרמטרים פיזיים בניית המכשיר. עבור NMOS, שינוי זה יכול להיות בקירוב על ידי
(32)
במשוואה (32), γ הוא פרמטר התקן המשתנה בין 0.3 לבין 1 (V-1/2). VSB הוא מתח המקור לגוף, והוא ה פוטנציאל פרמי. זהו מאפיין של החומר, וערך טיפוסי הוא 0.3 V עבור סיליקון.