5. Litar Bersepadu MOSFET

Litar Bersepadu MOSFET

Apabila transistor MOSFET dibuat sebagai sebahagian daripada litar bersepadu, pertimbangan praktikal memerlukan dua perubahan utama dalam konfigurasi litar. Pertama, kapasitor gandingan dan pemintas besar yang digunakan dalam penguat diskret tidak boleh dibuat secara praktikal dalam litar bersepadu kerana saiznya yang kecil. Kami mendapat kelemahan ini dengan membuat penguat langsung yang digabungkan.

Perubahan utama kedua adalah bahawa kita tidak boleh dengan mudah mengarang perintang yang digunakan sebagai sebahagian daripada litar bias. Sebaliknya, kita menggunakan beban aktif dan sumber semasa yang terdiri daripada transistor MOS.

Litar bersepadu menggunakan litar NMOS dan PMOS. CMOS lebih biasa dalam litar digital, manakala NMOS biasanya digunakan untuk IC densiti yang lebih tinggi (iaitu, lebih banyak fungsi bagi setiap cip).

Simulasi beban aktif mengambil kesempatan daripada cerun keluk ciri MOS. Rajah 23 menunjukkan dua jenis beban aktif. Dalam Rajah 23 (a), kami menunjukkan beban peningkatan NMOS, manakala 23 (b) menunjukkan beban pengurangan NMOS. Juga ditunjukkan dalam angka adalah lengkung ciri yang berkaitan.

Rajah 23 - Beban aktif

Untuk beban peningkatan NMOS, hubungan antara voltan dan arus diberikan oleh


(29)

Rintangan bersamaan konfigurasi ini ialah 1 /gm, di mana nilai transkonduktansi adalah yang digunakan pada titik bias.

Beban pengurangan NMOS mempunyai rintangan setaraf yang ditentukan oleh cerun ciri yang diberikan oleh persamaan berikut


(30)

5.1 Biasing Litar Bersepadu MOSFET

Sekarang kita mempunyai dua teknik untuk mensimulasikan beban aktif, kita boleh menangani isu biasing. Kami menggunakan beban aktif di tempat rintangan beban dalam mana-mana konfigurasi litar. Untuk menunjukkan teknik untuk menganalisis ini, mari kita pertimbangkan penguat NMOS menggunakan beban peningkatan, seperti ditunjukkan dalam Rajah 24.

Transistor dilabelkan Q2 menggantikan RD litar awal kami. Untuk menentukan titik operasi sepi, kami menggunakan teknik yang sama seperti yang kami lakukan dalam Bahagian 4, "Konfigurasi dan bias penguat FET" hanya menggantikan ciri grafik beban peningkatan untuk garis beban perintang. Maksudnya, kita perlu mencari penyelesaian serentak ciri transistor FET dengan persamaan untuk garis beban. Kita boleh melakukan ini secara grafik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 25.

Kurva parametrik adalah lengkung ciri untuk transistor menguatkan, Q1. Voltan berbanding ciri semasa beban aktif, Q2 adalah seperti Rajah 23. Voltan keluaran, vkeluar, adalah perbezaan antara VDD dan voltan merentasi beban aktif. Arus dalam beban aktif adalah sama dengan arus saliran dalam transistor menguatkan. Oleh itu, kami membina garisan beban dengan mengambil imej cermin beralih ciri-ciri Rajah 23. Titik operasi ialah persimpangan lengkung ini dengan keluk ciri transistor yang sesuai. Kita perlu mencari voltan gate-to-source untuk mengetahui keluk transistor yang dipilih. Seperti yang akan kita lihat seterusnya, voltan bias input sering digantikan oleh sumber arus aktif.

Penyelesaian grafik untuk titik Q

Rajah 25 - Penyelesaian grafik untuk titik Q

Sekarang kita tahu bagaimana untuk mensimulasikan beban aktif, kita mengalih perhatian kita kepada penjanaan arus rujukan untuk digunakan sebagai sebahagian daripada litar input bias. Sumber-sumber semasa ini digunakan dengan cara yang sama seperti yang kita menggunakannya untuk biasing penguat BJT.

Gambar 26 - Cermin semasa

Kami menganalisis MOSFET cermin semasa. Cermin semasa ditunjukkan dalam Rajah 26. Kedua-dua transistor diandaikan dengan sempurna. Arus keluaran adalah arus saliran Q2, dan pemacu semasa rujukan Q1. Sekiranya transistor dipadankan dengan sempurna, arus keluaran akan sama dengan arus rujukan. Ini benar kerana transistor disambungkan secara selari. Seperti halnya cermin arus BJT, arus rujukan dapat dihasilkan dengan menerapkan voltan rujukan di rintangan rujukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 26 (b).

Meletakkan pelbagai subcircuit bersama-sama (iaitu, beban aktif dan arus rujukan) menghasilkan penguat CMOS Rajah 27.

Keuntungan penguat ini diberikan oleh


(31)

Penguat CMOS

Gambar 27 - penguat CMOS

Kesan Badan 5.2

Perbincangan kami mengenai Bahagian “2. Semikonduktor logam-oksida FET (MOSFET) ”merujuk kepada substrat (atau badan) MOSFET. Substrat ini memainkan peranan penting dalam mewujudkan saluran. Dalam operasi MOSFET diskrit, badan sering disambungkan ke sumber kuasa. Dalam kes seperti itu, substrat tidak mempunyai kesan langsung terhadap operasi peranti, dan lekuk yang dikembangkan pada awal bab ini berlaku.

Keadaan berubah apabila MOSFET dibuat sebagai sebahagian daripada litar bersepadu. Dalam kes sedemikian, substrat setiap transistor individu tidak dipisahkan daripada substrat lain. Malah, substrat sering dikongsi di kalangan semua MOSFETs pada cip. Dalam IC PMOS, substrat bersama akan disambungkan ke terminal sumber yang paling positif, manakala di NMOS ia disambungkan ke tanah (atau kepada bekalan negatif jika ada). Ini menimbulkan kecenderungan terbalik antara sumber dan badan setiap transistor. Kesan kecenderungan terbalik ini adalah untuk menukar ciri-ciri operasi. Sebagai contoh, dalam n-peranti saluran, ia dengan berkesan menimbulkan ambang (VT). Amaun perubahan ambang bergantung kepada parameter fizikal dan pembinaan peranti. Untuk NMOS, perubahan ini boleh dianggarkan oleh


(32)

Dalam Persamaan (32), γ adalah parameter peranti yang berbeza-beza antara 0.3 dan 1 (V-1/2). VSB adalah voltan sumber ke badan, dan adalah Potensi Fermi. Ini adalah bahan bahan, dan nilai biasa adalah 0.3 V untuk silikon.