5. MOSFET Integrated Circuits
STRØM - 5. MOSFET integrerte kretser
TIDLIGERE - 4. FET forsterker konfigurasjoner og biasing
MOSFET Integrated Circuits
Når MOSFET-transistorer er produsert som en del av en integrert krets, krever praktiske hensyn to store endringer i kretskonfigurasjoner. For det første kan de store koblings- og bypass kondensatorene som brukes i diskrete forsterkere ikke praktisk talt fremstilles i integrerte kretser på grunn av den lille størrelsen. Vi tar oss av denne mangelen ved å produsere direktekoblede forsterkere.
Den andre store forandringen er at vi ikke enkelt kan fremstille motstandene som brukes som en del av biaskretsen. I stedet bruker vi aktive belastninger og nåværende kilder bestående av MOS transistorer.
Integrerte kretser bruker både NMOS og PMOS kretser. CMOS er mer vanlig i digitale kretser, mens NMOS vanligvis brukes til høyere tetthets-IC (dvs. flere funksjoner per chip).
Simulering av aktive belastninger utnytter hellingen til MOS karakteristiske kurver. Figur 23 viser to typer aktive belastninger. I figur 23 (a) viser vi en NMOS-forbedringsbelastning, mens 23 (b) viser en NMOS-depletjonsbelastning. Også vist i figuren er de relevante karakteristiske kurver.
Figur 23 - Aktive belastninger
For NMOS ekstrautstyr belastning, er forholdet mellom spenning og strøm gitt av
(29)
Den tilsvarende motstanden til denne konfigurasjonen er 1 /gm, hvor verdien av transconductance er den som gjelder ved forspenningspunktet.
NMOS-uttømningsbelastningen har en ekvivalent motstand som bestemmes av hellingen av karakteristikken gitt av følgende ligning
(30)
5.1 Biasing of MOSFET Integrated Circuits
Nå som vi har to teknikker for å simulere aktive belastninger, kan vi ta opp forspørringsproblemet. Vi bruker den aktive belastningen i stedet for lastmotstanden i noen av kretskonfigurasjonene. For å vise teknikken for å analysere disse, la oss vurdere NMOS-forsterkeren ved hjelp av en ekstrautstyrsbelastning, som vist i Figur 24.
Transistoren er merket Q2 erstatter RD av våre tidligere kretsløp. For å bestemme det hvilende driftspunktet, bruker vi de samme teknikkene som vi gjorde i seksjon 4, "FET-forsterkerkonfigurasjoner og forspenning", og erstatter bare den grafiske karakteristikken for forsterkningsbelastningen for motstandslastelinjen. Det vil si at vi må finne den samme løsningen av FET-transistorfunksjonene med ligningen for lastelinjen. Vi kan gjøre dette grafisk som vist i figur 25.
De parametriske kurver er karakteristiske kurver for forsterkende transistor, Q1. Spenningen vs. nåværende karakteristikk av den aktive belastningen, Q2 er de i figur 23. Utgangsspenningen, vut, er forskjellen mellom VDD og spenningen over aktiv belastning. Strømmen i den aktive belastningen er den samme som avløpsstrømmen i forsterkende transistoren. Vi konstruerer derfor lastelinjen ved å ta det skiftede speilbildet av karakteristikken i figur 23. Operasjonspunktet er skjæringspunktet for denne kurven med riktig transistorkarakteristisk kurve. Vi må finne gate-to-source spenningen for å vite hvilken transistor kurve å velge. Som vi vil se neste, blir innspenningsspenningen ofte erstattet av en aktiv strømkilde.
Figur 25 - Grafisk løsning for Q-punktet
Nå som vi vet hvordan vi skal simulere en aktiv belastning, gjør vi oppmerksomheten mot genereringen av en referansestrøm som skal brukes som en del av inngangsforspenningskretsen. Disse nåværende kildene brukes på omtrent samme måte som vi brukte dem for BJT forsterkerforspenning.
Figur 26 - Nåværende speil
Vi analyserer MOSFET gjeldende speil. Et nåværende speil er vist i figur 26. De to transistorene antas å være perfekt tilpasset. Utgangsstrømmen er avløpsstrømmen av Q2, og en referanse strøm stasjoner Q1. Hvis transistorene samsvarer perfekt, vil utgangsstrømmen nøyaktig være lik referansestrømmen. Dette er sant siden transistorene er koblet parallelt. Akkurat som tilfellet var med BJT-strømspeilet, kan referansestrømmen genereres ved å påføre en referansespenning over en referansemotstand, som vist i figur 26 (b).
Å sette de forskjellige underkretsene sammen (dvs. den aktive belastningen og referansestrømmen) resulterer i CMOS-forsterkeren i figur 27.
Gevinsten til denne forsterkeren er gitt av
(31)
Figur 27 - CMOS forsterker
5.2 kroppseffekt
Vår diskusjon om seksjon “2. Metalloksyd halvleder FET (MOSFET) ”referert til substratet (eller kroppen) til MOSFET. Dette underlaget spiller en viktig rolle i å etablere kanalen. Ved drift av diskrete MOSFET er kroppen ofte koblet til strømkilden. I slike tilfeller har substratet ingen direkte effekt på driften av enheten, og kurvene som ble utviklet tidligere i dette kapittelet gjelder.
Situasjonen endres når MOSFET er produsert som en del av integrerte kretser. I slike tilfeller er substratet til hver enkelt transistor ikke isolert fra andre substrater. Faktisk deles et underlag ofte mellom alle MOSFETene på en brikke. I en PMOS IC vil det delte substratet være koblet til den mest positive kildeterminalen, mens det i NMOS er koblet til jord (eller til en negativ forsyning hvis tilstede). Dette etablerer en motsatt forspenning mellom kilden og kroppen til hver transistor. Effekten av denne omvendte forstyrrelsen er å endre driftsegenskapene. For eksempel i en n-kanalsenhet, øker det effektivt terskelen (VT). Mengden som terskelen endrer avhenger av fysiske parametere og enhetens konstruksjon. For NMOS, kan denne endringen tilnærmet av
(32)
I ligning (32) er y en enhetsparameter som varierer mellom omtrent 0.3 og 1 (V-1/2). VSB er kilde-til-kroppsspenningen, og er Fermi potensial. Dette er en egenskap av materialet, og en typisk verdi er 0.3 V for silisium.