5. Circuitos Integrados MOSFET
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Circuitos Integrados MOSFET
Quando os transistores MOSFET são fabricados como parte de um circuito integrado, considerações práticas exigem duas grandes mudanças nas configurações do circuito. Primeiro, os capacitores de acoplamento e derivação grandes usados em amplificadores discretos não podem ser fabricados praticamente em circuitos integrados devido ao pequeno tamanho. Nós contornamos essa falha fabricando amplificadores de acoplamento direto.
A segunda grande mudança é que não podemos fabricar facilmente os resistores usados como parte do circuito de polarização. Em vez disso, usamos cargas ativas e fontes de corrente compostas de transistores MOS.
Os circuitos integrados usam circuitos NMOS e PMOS. O CMOS é mais comum em circuitos digitais, enquanto o NMOS é normalmente usado para ICs de maior densidade (ou seja, mais funções por chip).
A simulação de cargas ativas aproveita a inclinação das curvas características MOS. A figura 23 mostra dois tipos de cargas ativas. Na Figura 23 (a), mostramos uma carga de aprimoramento de NMOS, enquanto 23 (b) mostra uma carga de esgotamento de NMOS. Também são mostradas na figura as curvas características relevantes.
Figura 23 - cargas ativas
Para a carga de melhoria NMOS, a relação entre tensão e corrente é dada por
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A resistência equivalente desta configuração é 1 /gm, onde o valor da transcondutância é aquele que se aplica no ponto de polarização.
A carga de esgotamento do NMOS tem uma resistência equivalente que é determinada pela inclinação da característica dada pela seguinte equação
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Polarização 5.1 de circuitos integrados MOSFET
Agora que temos duas técnicas para simular cargas ativas, podemos resolver o problema de polarização. Usamos a carga ativa no lugar da resistência de carga em qualquer uma das configurações do circuito. Para mostrar a técnica para analisá-los, vamos considerar o amplificador NMOS usando uma carga de melhoria, como mostrado na Figura 24.
O transistor rotulado Q2 substitui RD de nosso circuito anterior. Para determinar o ponto de operação quiescente, usamos as mesmas técnicas que usamos na Seção 4, “Configurações e polarização do amplificador FET” substituindo apenas a característica gráfica de carga de realce para a linha de carga do resistor. Ou seja, precisamos encontrar a solução simultânea das características do transistor FET com a equação para a linha de carga. Podemos fazer isso graficamente, conforme mostrado na Figura 25.
As curvas paramétricas são as curvas características do transistor amplificador, Q1. A tensão versus característica atual da carga ativa, Q2 são os da Figura 23. A tensão de saída, vForaé a diferença entre VDD e a voltagem através da carga ativa. A corrente na carga ativa é a mesma que a corrente de dreno no transistor de amplificação. Portanto, construímos a linha de carga tomando a imagem espelhada deslocada da característica da Figura 23. O ponto de operação é a interseção dessa curva com a curva característica do transistor apropriada. Precisamos encontrar a voltagem de porta a fonte para saber qual curva de transistor escolher. Como veremos a seguir, a tensão de polarização de entrada é freqüentemente substituída por uma fonte de corrente ativa.
Figura 25 - Solução gráfica para o ponto Q
Agora que sabemos como simular uma carga ativa, voltamos nossa atenção para a geração de uma corrente de referência a ser usada como parte do circuito de polarização de entrada. Essas fontes atuais são usadas da mesma maneira que as usamos para a polarização do amplificador BJT.
Figura 26 - espelho atual
Nós analisamos o MOSFET espelho de corrente. Um espelho de corrente é mostrado na Figura 26. Os dois transistores são considerados perfeitamente compatíveis. A corrente de saída é a corrente de dreno Q2e uma corrente de referência Q1. Se os transistores forem perfeitamente combinados, a corrente de saída será exatamente igual à corrente de referência. Isso é verdade, pois os transistores estão conectados em paralelo. Assim como no caso do espelho de corrente BJT, a corrente de referência pode ser gerada aplicando-se uma tensão de referência em uma resistência de referência, conforme mostrado na Figura 26 (b).
Colocar os vários subcircuitos juntos (isto é, a carga ativa e a corrente de referência) resulta no amplificador CMOS da Figura 27.
O ganho deste amplificador é dado por
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Figura 27 - amplificador CMOS
5.2 Body Effect
Nossa discussão da Seção “2. FET semicondutor de óxido metálico (MOSFET) ”referido ao substrato (ou corpo) do MOSFET. Este substrato desempenha um papel importante no estabelecimento do canal. Na operação de MOSFETs discretos, o corpo geralmente é conectado à fonte de alimentação. Nesses casos, o substrato não tem efeito direto sobre a operação do dispositivo e as curvas desenvolvidas anteriormente neste capítulo se aplicam.
A situação muda quando os MOSFETs são fabricados como parte de circuitos integrados. Em tais casos, o substrato de cada transistor individual não é isolado de outros substratos. De fato, um substrato é frequentemente compartilhado entre todos os MOSFETs em um chip. Em um PMOS IC, o substrato compartilhado seria conectado ao terminal de fonte mais positivo, enquanto no NMOS ele é conectado ao terra (ou a um suprimento negativo se presente). Isso estabelece uma polarização reversa entre a fonte e o corpo de cada transistor. O efeito desse viés reverso é alterar as características operacionais. Por exemplo, em um ndispositivo de canal, efetivamente aumenta o limite (VT). O valor pelo qual o limite muda depende dos parâmetros físicos e da construção do dispositivo. Para NMOS, esta alteração pode ser aproximada por
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Na Equação (32), γ é um parâmetro de dispositivo que varia entre cerca de 0.3 e 1 (V-1/2). VSB é a tensão da fonte para o corpo, e é o Potencial de Fermi. Esta é uma propriedade do material, e um valor típico é 0.3 V para silício.