5. MOSFET geïntegreerde schakelingen
CURRENT - 5. MOSFET geïntegreerde schakelingen
VORIGE- 4. FET-versterkersconfiguraties en biasvorming
MOSFET geïntegreerde schakelingen
Wanneer MOSFET-transistors worden gefabriceerd als onderdeel van een geïntegreerde schakeling, vereisen praktische overwegingen twee belangrijke veranderingen in circuitconfiguraties. Ten eerste kunnen de grote koppelings- en bypasscondensatoren die in discrete versterkers worden gebruikt, praktisch niet in geïntegreerde schakelingen worden vervaardigd vanwege de kleine afmeting. We krijgen deze tekortkoming door het fabriceren van direct gekoppelde versterkers.
De tweede belangrijke verandering is dat we de weerstanden die worden gebruikt als onderdeel van de bias-schakeling niet gemakkelijk kunnen fabriceren. In plaats daarvan gebruiken we actieve belastingen en stroombronnen die bestaan uit MOS-transistors.
Geïntegreerde circuits gebruiken zowel NMOS- als PMOS-circuits. CMOS komt vaker voor in digitale circuits, terwijl NMOS meestal wordt gebruikt voor IC's met een hogere dichtheid (dwz meer functies per chip).
Het simuleren van actieve belastingen maakt gebruik van de helling van de MOS-karakteristieken. Afbeelding 23 toont twee soorten actieve belastingen. In figuur 23 (a) laten we een NMOS-verbeteringsbelasting zien, terwijl 23 (b) een NMOS-uitputting toont. In de figuur zijn ook de relevante karakteristieke curven weergegeven.
Figuur 23 - Actieve belastingen
Voor de NMOS-versterkingsbelasting wordt de relatie tussen spanning en stroom gegeven door
(29)
De equivalente weerstand van deze configuratie is 1 /gm, waarbij de waarde van de transconductantie die is die van toepassing is op het bias-punt.
De NMOS-depletiebelasting heeft een equivalente weerstand die wordt bepaald door de helling van de karakteristiek die wordt gegeven door de volgende vergelijking
(30)
5.1-biasvorming van MOSFET-geïntegreerde schakelingen
Nu we twee technieken hebben om actieve belastingen te simuleren, kunnen we het probleem van de biasing aanpakken. We gebruiken de actieve belasting in plaats van de belastingsweerstand in een van de circuitconfiguraties. Om de techniek voor het analyseren van deze te laten zien, beschouwen we de NMOS-versterker met behulp van een versterkingsbelasting, zoals weergegeven in figuur 24.
De transistor gelabeld Q2 vervangt RD van onze eerdere schakelingen. Om het rustende werkingspunt te bepalen, gebruiken we dezelfde technieken als in hoofdstuk 4, "FET-versterkerconfiguraties en voorspanning", waarbij alleen de grafische karakteristiek van de versterkingsbelasting wordt vervangen door de weerstandsbelastingslijn. Dat wil zeggen, we moeten de gelijktijdige oplossing van de FET-transistorkarakteristieken vinden met de vergelijking voor de belastingslijn. We kunnen dit grafisch doen, zoals weergegeven in afbeelding 25.
De parametrische krommen zijn de karakteristieke krommen voor de versterkende transistor, Q1. De spanning versus stroomkarakteristiek van de actieve belasting, Q2 zijn die van figuur 23. De uitgangsspanning, vuit, is het verschil tussen VDD en de spanning over de actieve belasting. De stroom in de actieve belasting is hetzelfde als de afvoerstroom in de versterkende transistor. We construeren daarom de laadlijn door het verschoven spiegelbeeld van de karakteristiek van figuur 23 te nemen. Het werkpunt is het snijpunt van deze curve met de juiste transistorkarakteristiek. We moeten de gate-to-source-spanning vinden om te weten welke transistorcurve moet worden gekozen. Zoals we hierna zullen zien, wordt de ingangsbiasspanning vaak vervangen door een actieve stroombron.
Figuur 25 - Grafische oplossing voor het Q-punt
Nu we weten hoe we een actieve belasting moeten simuleren, richten we onze aandacht op het genereren van een referentiestroom die kan worden gebruikt als onderdeel van de ingangsbiasschakeling. Deze stroombronnen worden op vrijwel dezelfde manier gebruikt als bij BJT-versterkeraanpassing.
Figuur 26 - Huidige spiegel
We analyseren de MOSFET huidige spiegel. Een huidige spiegel wordt getoond in figuur 26. Er wordt aangenomen dat de twee transistors perfect op elkaar zijn afgestemd. De uitgangsstroom is de afvoerstroom van Q2en een referentiestroomaandrijving Q1. Als de transistors perfect op elkaar zijn afgestemd, is de uitgangsstroom exact gelijk aan de referentiestroom. Dit is waar omdat de transistors parallel zijn geschakeld. Net zoals het geval was met de BJT-stroomspiegel, kan de referentiestroom worden gegenereerd door een referentiespanning aan te leggen over een referentieweerstand, zoals weergegeven in figuur 26 (b).
Het samenvoegen van de verschillende subcircuits (dwz de actieve belasting en de referentiestroom) resulteert in de CMOS-versterker van figuur 27.
De versterking van deze versterker wordt gegeven door
(31)
Figuur 27 - CMOS-versterker
5.2 Lichaamseffect
Onze bespreking van Sectie “2. Metal-oxide semiconductor FET (MOSFET) ”verwees naar het substraat (of lichaam) van de MOSFET. Dit substraat speelt een belangrijke rol bij het opzetten van het kanaal. Bij de werking van discrete MOSFET's is het lichaam vaak verbonden met de stroombron. In dergelijke gevallen heeft de ondergrond geen directe invloed op de werking van het apparaat en zijn de eerder in dit hoofdstuk ontwikkelde curven van toepassing.
De situatie verandert wanneer MOSFET's worden gefabriceerd als onderdeel van geïntegreerde schakelingen. In dergelijke gevallen wordt het substraat van elke individuele transistor niet geïsoleerd van andere substraten. Inderdaad, een substraat wordt vaak gedeeld tussen alle MOSFET's op een chip. In een PMOS-IC zou het gedeelde substraat zijn verbonden met de meest positieve bronterminal, terwijl het in NMOS is verbonden met aarde (of met een negatieve voeding indien aanwezig). Dit zorgt voor een omgekeerde voorspanning tussen de bron en het lichaam van elke transistor. Het effect van deze omgekeerde bias is om de bedrijfskarakteristieken te veranderen. Bijvoorbeeld in een n-kanaal apparaat, het verhoogt effectief de drempel (VT). De mate waarin de drempelwaarde verandert, is afhankelijk van fysieke parameters en de constructie van het apparaat. Voor NMOS kan deze wijziging worden geschat door
(32)
In vergelijking (32) is γ een apparaatparameter die varieert tussen ongeveer 0.3 en 1 (V-1/2). VSB is de source-to-body-spanning, en is de Fermi potentieel. Dit is een eigenschap van het materiaal en een typische waarde is 0.3 V voor silicium.