5. MOSFET-integrerade kretsar
STRÖM - 5. MOSFET-integrerade kretsar
TIDLIGARE - 4. FET-förstärkarkonfigurationer och biasing
MOSFET-integrerade kretsar
När MOSFET-transistorer tillverkas som en del av en integrerad krets kräver praktiska överväganden två stora förändringar i kretskonfigurationer. För det första kan de stora kopplings- och förbikopplingskondensatorerna som används i diskreta förstärkare inte praktiskt tillverkas i integrerade kretsar på grund av den lilla storleken. Vi undanröjer denna brist genom att tillverka direktkopplade förstärkare.
Den andra stora förändringen är att vi inte enkelt kan tillverka de motstånd som används som en del av biaskretsen. I stället använder vi aktiva laddningar och aktuella källor som består av MOS-transistorer.
Integrerade kretsar använder både NMOS och PMOS kretsar. CMOS är vanligare i digitala kretsar, medan NMOS används vanligtvis för IC med högre densitet (dvs fler funktioner per chip).
Simulering av aktiva laster utnyttjar lutningen av MOS-karaktäristiska kurvor. Figur 23 visar två typer av aktiva belastningar. I Figur 23 (a) visar vi en NMOS-förbättringsbelastning, medan 23 (b) visar en NMOS-uttömningsbelastning. Också i figuren visas de relevanta karaktäristiska kurvorna.
Figur 23 - Aktiva belastningar
För NMOS-förbättringsbelastningen ges förhållandet mellan spänning och ström av
(29)
Ekvivalent motstånd av denna konfiguration är 1 /gm, där värdet av transkonduktansen är det som gäller vid biaspunkten.
NMOS-uttömningsbelastningen har ett ekvivalent motstånd som bestäms av lutningen av karaktäristiken som ges av följande ekvation
(30)
5.1 Biasing of MOSFET Integrated Circuits
Nu när vi har två tekniker för att simulera aktiva belastningar, kan vi ta itu med förspänningsfrågan. Vi använder den aktiva belastningen i stället för lastmotståndet i någon av kretskonfigurationerna. För att visa tekniken för att analysera dessa, låt oss överväga NMOS-förstärkaren med en förbättringsbelastning, som visas i Figur 24.
Transistorn märkt Q2 ersätter RD av våra tidigare kretsar. För att bestämma den vilande arbetspunkten använder vi samma tekniker som vi gjorde i avsnitt 4, "FET-förstärkarkonfigurationer och förspänning", och ersätter endast den grafiska karakteristiken för förstärkningsbelastningen för motståndsbelastningslinjen. Vi måste hitta den samtidiga lösningen av FET-transistoregenskaperna med ekvationen för lastlinjen. Vi kan göra detta grafiskt som visas i figur 25.
De parametriska kurvorna är karaktäristiska kurvor för förstärkande transistorn Q1. Spänningen vs. aktuell egenskap hos den aktiva belastningen, Q2 är de i figur 23. Utgångsspänningen, vut, är skillnaden mellan VDD och spänningen över den aktiva belastningen. Strömmen i den aktiva belastningen är densamma som avloppsströmmen i förstärkande transistorn. Vi konstruerar därför lastlinjen genom att ta den skiftade spegelbilden av karaktäristiken i Figur 23. Operationspunkten är skärningspunkten för denna kurva med lämplig transistorspecifik kurva. Vi behöver hitta gate-to-source-spänningen för att veta vilken transistorkurva som ska väljas. Som vi kommer att se nästa ersätts inmatningsspänningsspänningen ofta av en aktiv strömkälla.
Figur 25 - Grafisk lösning för Q-punkten
Nu när vi vet hur man simulerar en aktiv last, uppmärksammar vi genereringen av en referensström som ska användas som en del av ingångskretsen. Dessa nuvarande källor används på ungefär samma sätt som vi använde dem för BJT förstärkare förspänning.
Figur 26 - Aktuell spegel
Vi analyserar MOSFET strömspegel. En aktuell spegel visas i Figur 26. De två transistorerna antas vara perfekt matchade. Utgångsströmmen är dräneringsströmmen av Q2, och en referensströmstationer Q1. Om transistorerna är perfekt matchade kommer utströmmen exakt att vara lika med referensströmmen. Detta är sant eftersom transistorerna är anslutna parallellt. Precis som var fallet med BJT-strömspegeln kan referensströmmen genereras genom att applicera en referensspänning över ett referensmotstånd, som visas i figur 26 (b).
Att sätta de olika delkretsen samman (dvs den aktiva belastningen och referensströmmen) resulterar i CMOS-förstärkaren i Figur 27.
Förstärkaren av denna förstärkare ges av
(31)
Figur 27 - CMOS förstärkare
5.2 kroppseffekt
Vår diskussion om avsnitt 2. Metalloxid halvledare FET (MOSFET) ”hänvisade till substratet (eller kroppen) av MOSFET. Detta substrat spelar en viktig roll för att etablera kanalen. Vid drift av diskreta MOSFET: er är kroppen ofta ansluten till strömkällan. I sådana fall har substratet ingen direkt effekt på enhetens funktion och de kurvor som utvecklats tidigare i detta kapitel gäller.
Situationen förändras när MOSFET är tillverkade som en del av integrerade kretsar. I sådana fall isoleras inte substratet för varje enskilt transistor från andra substrat. Faktum är att ett substrat ofta delas bland alla MOSFET på ett chip. I en PMOS IC skulle det delade substratet kopplas till den mest positiva källterminalen, medan det i NMOS är anslutet till marken (eller till en negativ tillförsel om det finns närvarande). Detta skapar en motsatt förspänning mellan källan och kroppen hos varje transistor. Effekten av denna omvända förspänning är att ändra driftsegenskaperna. Till exempel i en n-kanalanordningen höjer det effektivt tröskelvärdet (VT). Den mängd som tröskeln ändras beror på fysiska parametrar och enhetens konstruktion. För NMOS kan denna förändring approximeras av
(32)
I ekvation (32) är y en enhetsparameter som varierar mellan omkring 0.3 och 1 (V-1/2). VSB är käll-till-kroppsspänningen, och är Fermi potential. Detta är en egenskap hos materialet, och ett typiskt värde är 0.3 V för kisel.