5. Qarqet e integruara MOSFET
AKTUALE - 5. Qarqet e integruara MOSFET
PREVIOUS - 4. Konfigurimet e amplifikuesit FET dhe matja
Qarqet e integruara MOSFET
Kur transistorët MOSFET janë fabrikuar si pjesë e një qarku të integruar, konsideratat praktike kërkojnë dy ndryshime të mëdha në konfigurimin e qarkut. Së pari, kondensatorët e madhë të bashkimit dhe të anashkalimit të përdorur në amplifikuesit diskrete nuk mund të praktikisht të fabrikohen në qarqe të integruara për shkak të madhësisë së vogël. Ne arrijmë rreth kësaj të metë duke fabrikuar amplifikatorë të drejtpërdrejtë.
Ndryshimi i dytë i madh është se nuk mund të bëjmë më lehtë rezistencat e përdorura si pjesë e qarkut të paragjykimeve. Në vend të kësaj, ne përdorim ngarkesa aktive dhe burime aktuale të përbërë nga transistorë MOS.
Qarqet e integruara përdorin si qarkun NMOS dhe PMOS. CMOS është më i zakonshëm në qarkoret digjitale, ndërsa NMOS zakonisht përdoret për ICs me densitet më të lartë (dmth. Më shumë funksione për chip).
Simulimi i ngarkesave aktive shfrytëzon pjerrësinë e kthesave karakteristike MOS. Figura 23 tregon dy lloje ngarkesash aktive. Në figurën 23 (a), ne tregojmë një ngarkesë të rritjes së NMOS, ndërsa 23 (b) tregon një ngarkesë sosje të NMOS. Gjithashtu paraqitur në figurë janë kthesat karakteristike përkatëse.
Figura 23 - Ngarkesa aktive
Për ngarkesën e rritjes NMOS, marrëdhënia midis tensionit dhe rrymës jepet nga
(29)
Rezistenca ekuivalente e këtij konfigurimi është 1 /gm, ku vlera e transkonduktancës është ajo që zbatohet në pikën e paragjykimit.
Ngarkesa e zbrazjes së NMOS ka një rezistencë ekuivalente e cila përcaktohet nga pjerrësia e karakteristikës së dhënë nga ekuacioni i mëposhtëm
(30)
5.1 Biasing i qarqeve të integruara MOSFET
Tani që kemi dy teknika për të simuluar ngarkesat aktive, ne mund të trajtojmë çështjen e përparimit. Ne përdorim ngarkesën aktive në vend të rezistencës së ngarkesës në cilëndo nga konfigurimet e qarkut. Për të treguar teknikën për analizimin e këtyre, le të shqyrtojmë amplifikatorin NMOS duke përdorur një ngarkesë zgjeruese, siç tregohet në figurën 24.
Transistor i etiketuar Q2 zëvendëson RD të qarkut tonë të hershëm. Për të përcaktuar pikën e funksionimit të qetësisë, ne përdorim të njëjtat teknika si kemi bërë në Seksionin 4, "Konfigurimet dhe paragjykimet e Përforcuesit FET" duke zëvendësuar vetëm karakteristikën grafike të ngarkesës së zgjerimit për vijën e ngarkesës së rezistencës. Kjo është, ne duhet të gjejmë zgjidhjen e njëkohshme të karakteristikave të tranzitorit FET me ekuacionin për linjën e ngarkesës. Ne mund ta bëjmë këtë grafikisht siç tregohet në Figurën 25.
Kurbat parametrike janë kthesat karakteristike për transistorin amplifikues, Q1. Tensioni kundrejt karakteristikave aktuale të ngarkesës aktive, Q2 janë ato të Figura 23. Tensioni i prodhimit, vnga, është dallimi në mes VDD dhe tensionit përgjatë ngarkesës aktive. Rryma në ngarkesën aktive është e njëjtë me rrymën e kullimit në tranzistorin amplifikues. Prandaj, ne ndërtojmë linjën e ngarkesës duke marrë imazhin e zhvendosur të pasqyrës së karakteristikave të figurës 23. Pika operuese është kryqëzimi i kësaj kurbë me kurbën karakteristike të tranzicionit. Ne duhet të gjejmë tensionin porta-burim për të ditur se cila është kurba e tranzitorit për të zgjedhur. Siç do ta shohim më pas, voltazhi i hyrjes në hyrje shpesh zëvendësohet nga një burim aktual aktiv.
Figura 25 - Zgjidhje grafike për pikën Q.
Tani që ne e dimë se si të simulojmë një ngarkesë aktive, e kthejmë vëmendjen tonë në gjenerimin e një rryme reference që do të përdoret si pjesë e qarkut të paragjykimeve të hyrjes. Këto burime të tanishme përdoren në të njëjtën mënyrë siç i kemi përdorur për shtrëngimin e amplifikatorëve të BJT.
Figura 26 - Pasqyrë aktuale
Ne analizojmë MOSFET pasqyrë e tanishme. Një pasqyrë aktuale është treguar në figurën 26. Dy transistorët supozohet të përputhen në mënyrë të përkryer. Rryma e prodhimit është rryma e shkarkimit të Q2, dhe një disqet aktuale të referencës Q1. Nëse transistorët përputhen në mënyrë të përsosur, rryma e daljes do të jetë saktësisht e barabartë me rrymën referuese. Kjo është e vërtetë pasi që tranzitorët janë të lidhur paralelisht. Ashtu siç ishte rasti me pasqyrën e rrymës BJT, rryma e referencës mund të gjenerohet duke aplikuar një tension referimi në një rezistencë referimi, siç tregohet në Figurën 26 (b).
Vendosja e nën-qarkut të ndryshëm së bashku (p.sh., ngarkesa aktive dhe rryma e referencës) rezulton në përforcuesin CMOS të figurës 27.
Fitimi i këtij amplifikatori është dhënë nga
(31)
Figura 27 - Përforcues CMOS
Efekti i trupit 5.2
Diskutimi ynë i Seksionit “2. Gjysmëpërçues i oksidit metalik FET (MOSFET) ”referuar nënshtresës (ose trupit) të MOSFET. Ky substrat luan një rol të rëndësishëm në krijimin e kanalit. Në funksionimin e MOSFET diskrete, trupi shpesh është i lidhur me burimin e energjisë. Në raste të tilla, nënshtresa nuk ka efekt të drejtpërdrejtë në funksionimin e pajisjes dhe vlejnë kthesat e zhvilluara më herët në këtë kapitull.
Situata ndryshon kur MOSFETs janë fabrikuar si pjesë e qarqeve të integruara. Në raste të tilla, substrati i çdo transistor individual nuk është i izoluar nga substrate të tjera. Në të vërtetë, një substrate shpesh shpërndahet midis të gjithë MOSFET-it në një çip. Në një PMOS IC, substrati i përbashkët do të lidhej me terminalin më pozitiv të burimit, ndërsa në NMOS ajo është e lidhur me terren (ose me një furnizim negativ nëse është i pranishëm). Kjo krijon një paragjykim të kundërt ndërmjet burimit dhe trupit të secilit tranzistor. Efekti i këtij animi të kundërt është ndryshimi i karakteristikave operative. Për shembull, në një n-kanal, ajo në mënyrë efektive ngre pragun (VT). Shuma me të cilën ndryshimet e pragut varen nga parametrat fizikë dhe ndërtimi i pajisjes. Për NMOS, ky ndryshim mund të përafrohet nga
(32)
Në ekuacion (32), γ është një parametër i pajisjes që ndryshon ndërmjet rreth 0.3 dhe 1 (V-1/2). VSB është voltazhi burim në trup dhe është Fermi potencial. Kjo është një pronë e materialit dhe një vlerë tipike është 0.3 V për silikonin.