5. מעגלים משולבים MOSFET

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 כפי שעשינו בפרק 4, "תצורות ומגבר של מגבר FET" רק להחליף את המאפיין הגרפי של העומס המשופר עבור קו העומס הנגד. כלומר, אנחנו צריכים למצוא את הפתרון בו זמנית של טרנזיסטור FET המאפיינים עם המשוואה עבור קו העומס. אנו יכולים לעשות זאת באופן גרפי 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.

פתרון גרפי עבור Q- נקודה

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 מתאימים באופן מושלם, זרם הפלט יהיה בדיוק שווה את זרם הייחוס. זה נכון שכן הטרנזיסטורים מחוברים במקביל. בדיוק כפי שקרה עם המראה הנוכחי BJT, זרם ההתייחסות יכול להיות שנוצר 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)

מגבר CMOS

איור 27 - מגבר CMOS

5.2 אפקט הגוף

הדיון שלנו בפרק "2. מתכת-תחמוצת מתכת FET (MOSFET) "התייחס אל המצע (או הגוף) של MOSFET. מצע זה ממלא תפקיד חשוב בהקמת הערוץ. בהפעלה של MOSFETs נפרדים, הגוף מחובר לעיתים קרובות למקור החשמל. במקרים כאלה, למצע אין השפעה ישירה על פעולת המכשיר, והמעגלים שפותחו קודם לכן בפרק זה חלים.

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 אל הגוף, והוא פוטנציאל פרמי. זהו מאפיין של החומר, וערך טיפוסי הוא 0.3 V עבור סיליקון.