5. MOSFET Интегральные схемы

MOSFET Интегральные схемы

Когда МОП-транзисторы изготавливаются как часть интегральной схемы, практические соображения требуют двух основных изменений в конфигурации схемы. Во-первых, большие конденсаторы связи и байпаса, используемые в дискретных усилителях, практически не могут быть изготовлены в интегральных схемах из-за небольшого размера. Мы обошли этот недостаток, изготовив усилители с прямой связью.

Второе важное изменение заключается в том, что мы не можем легко изготовить резисторы, используемые как часть схемы смещения. Вместо этого мы используем активные нагрузки и источники тока, состоящие из МОП-транзисторов.

Интегральные схемы используют схемы как NMOS, так и PMOS. CMOS чаще встречается в цифровых схемах, в то время как NMOS обычно используется для интегральных микросхем с более высокой плотностью (т. Е. Большее количество функций на чип)

При моделировании активных нагрузок используется наклон характеристических кривых MOS. На рисунке 23 показаны два типа активных нагрузок. На рисунке 23 (a) мы показываем нагрузку улучшения NMOS, в то время как 23 (b) показывает нагрузку истощения NMOS. На рисунке также показаны соответствующие характеристические кривые.

Рисунок 23 - Активные нагрузки

Для усиления нагрузки NMOS соотношение между напряжением и током определяется как


(29)

Эквивалентное сопротивление этой конфигурации 1 /gmгде значение коэффициента трансдуктивности является значением, которое применяется в точке смещения.

Истощающая нагрузка NMOS имеет эквивалентное сопротивление, которое определяется наклоном характеристики, определяемой следующим уравнением


(30)

5.1 смещение интегральных схем MOSFET

Теперь, когда у нас есть два метода для моделирования активных нагрузок, мы можем решить проблему смещения. Мы используем активную нагрузку вместо сопротивления нагрузки в любой конфигурации цепи. Чтобы показать методику их анализа, давайте рассмотрим усилитель NMOS с использованием улучшенной нагрузки, как показано на рисунке 24.

Транзистор с надписью Q2 заменяет RD нашей предыдущей схемы. Чтобы определить рабочую точку покоя, мы используем те же методы, что и в Разделе 4, «Конфигурации усилителя на полевых транзисторах и смещение», только заменяя графическую характеристику нагрузки расширения для линии нагрузки резистора. То есть нам нужно найти одновременное решение характеристики полевого транзистора с уравнением для линии нагрузки. Мы можем сделать это графически, как показано на рисунке 25.

Параметрические кривые являются характеристическими кривыми для усилительного транзистора, Q1, Вольт-амперная характеристика активной нагрузки, Q2 те из рисунка 23. Выходное напряжение, vвнешнийразница между VDD и напряжение на активной нагрузке. Ток в активной нагрузке такой же, как ток стока в усилительном транзисторе. Поэтому мы строим линию нагрузки, беря смещенное зеркальное отображение характеристики рисунка 23. Рабочая точка - это пересечение этой кривой с соответствующей характеристической кривой транзистора. Нам нужно найти напряжение затвор-источник, чтобы узнать, какую кривую транзистора выбрать. Как мы увидим далее, входное напряжение смещения часто заменяется источником активного тока.

Графическое решение для Q-point

Рисунок 25 - Графическое решение для Q-точки

Теперь, когда мы знаем, как моделировать активную нагрузку, мы обратим наше внимание к генерации опорного тока для использования в качестве части схемы входного смещения. Эти источники тока используются практически так же, как мы использовали их для смещения усилителя BJT.

Рисунок 26 - Текущее зеркало

Мы анализируем MOSFET текущее зеркало, Текущее зеркало показано на рисунке 26. Предполагается, что два транзистора идеально согласованы. Выходной ток представляет собой ток стока Q2и эталонный ток приводов Q1. Если транзисторы идеально подходит, выходной ток будет точно равен эталонным ток. Это действительно так, поскольку транзисторы включены параллельно. Как и в случае с токовым зеркалом BJT, эталонный ток может быть сгенерирован путем приложения эталонного напряжения к эталонному сопротивлению, как показано на рисунке 26 (b).

Ввод различной подсхемы вместе (т.е., активная нагрузка и опорный ток) приводит к усилителю КМОПА рис 27.

Коэффициент усиления этого усилителя


(31)

КМОП-усилитель

Рисунок 27 - КМОП-усилитель

5.2 Body Effect

Наше обсуждение раздела «2. Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) »относится к подложке (или корпусу) полевого МОП-транзистора. Этот субстрат играет важную роль в установлении канала. При работе дискретных полевых МОП-транзисторов корпус часто подключается к источнику питания. В таких случаях подложка не оказывает прямого влияния на работу устройства, и применяются кривые, разработанные ранее в этой главе.

Ситуация меняется, когда MOSFET изготавливаются как часть интегральных микросхем. В таких случаях подложка каждого отдельного транзистора не изолирована от других подложек. Действительно, подложка часто используется всеми MOSFET на чипе. В микросхеме PMOS общая подложка будет подключена к наиболее положительной клемме источника, в то время как в NMOS она подключена к земле (или к отрицательному источнику питания, если имеется). Это устанавливает обратное смещение между источником и корпусом каждого транзистора. Эффект этого обратного смещения заключается в изменении рабочих характеристик. Например, в n-канальное устройство, оно эффективно поднимает порог (VT). Количество, на которое изменяется порог, зависит от физических параметров и конструкции устройства. Для NMOS это изменение может быть аппроксимировано


(32)

В уравнении (32) γ - это параметр устройства, который изменяется между 0.3 и 1 (V).-1/2). VSB напряжение между источником и телом, а Потенциал Ферми, Это свойство материала, и типичным значением для кремния является 0.3 V.