5 วงจรรวมของ MOSFET
ปัจจุบัน - 5. วงจรรวม MOSFET
ก่อนหน้า - 4 การกำหนดค่าเครื่องขยายเสียง FET และการให้น้ำหนัก
วงจรรวมของ MOSFET
เมื่อทรานซิสเตอร์ MOSFET ถูกประดิษฐ์เป็นส่วนหนึ่งของวงจรรวมการพิจารณาในทางปฏิบัติต้องมีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญสองประการในการกำหนดค่าวงจร ประการแรกตัวเก็บประจุแบบคลัปและบายพาสขนาดใหญ่ที่ใช้ในแอมพลิฟายเออร์ไม่ต่อเนื่องไม่สามารถประดิษฐ์ได้ในวงจรรวมเนื่องจากขนาดเล็ก เราแก้ไขข้อบกพร่องนี้ได้ด้วยการสร้างแอมป์คู่โดยตรง
การเปลี่ยนแปลงครั้งที่สองที่สำคัญคือเราไม่สามารถสร้างตัวต้านทานที่ใช้เป็นส่วนหนึ่งของวงจรไบแอสได้อย่างง่ายดาย เราใช้โหลดที่แอคทีฟและแหล่งจ่ายกระแสในปัจจุบันซึ่งประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ MOS
วงจรรวมใช้ทั้งวงจร NMOS และ PMOS CMOS เป็นเรื่องธรรมดามากในวงจรดิจิตอลในขณะที่ NMOS มักใช้สำหรับไอซีที่มีความหนาแน่นสูงกว่า (เช่นฟังก์ชั่นเพิ่มเติมต่อชิป)
การจำลองโหลดแบบแอคทีฟใช้ประโยชน์จากความลาดชันของเส้นโค้งลักษณะ MOS รูปที่ 23 แสดงโหลดแอคทีฟสองประเภท ในรูปที่ 23 (a) เราจะแสดงโหลดการปรับปรุง NMOS ในขณะที่ 23 (b) จะแสดงการโหลดพร่อง NMOS นอกจากนี้ยังแสดงในรูปเป็นเส้นโค้งลักษณะที่เกี่ยวข้อง
รูปที่ 23 - โหลดที่แอ็คทีฟ
สำหรับโหลดการปรับปรุง NMOS ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสจะถูกกำหนดโดย
(29)
ความต้านทานเทียบเท่าของการกำหนดค่านี้คือ 1 /gmซึ่งค่าของการถ่ายโอนคือสิ่งที่ใช้ที่จุดอคติ
โหลดพร่อง NMOS มีความต้านทานเทียบเท่าซึ่งจะถูกกำหนดโดยความลาดชันของลักษณะที่กำหนดโดยสมการต่อไปนี้
(30)
5.1 การให้น้ำหนักของวงจรรวมของ MOSFET
ตอนนี้เรามีเทคนิคสองวิธีในการจำลองการโหลดแบบแอคทีฟเราสามารถแก้ไขปัญหาการให้น้ำหนักได้ เราใช้โหลดที่ใช้งานแทนความต้านทานโหลดในการกำหนดค่าวงจรใด ๆ เพื่อแสดงเทคนิคสำหรับการวิเคราะห์สิ่งเหล่านี้ให้เราพิจารณาแอมพลิฟายเออร์ NMOS โดยใช้โหลดการปรับปรุงตามที่แสดงในรูปที่ 24
ทรานซิสเตอร์ที่มีข้อความ Q2 แทนที่ RD ของวงจรก่อนหน้านี้ของเรา ในการตรวจสอบจุดปฏิบัติการที่หยุดนิ่งเราใช้เทคนิคเดียวกับที่เราทำในส่วนที่ 4“ การกำหนดค่า FET Amplifier และการให้น้ำหนัก” เฉพาะการแทนที่คุณลักษณะกราฟิกของโหลดการปรับปรุงสำหรับโหลดไลน์ตัวต้านทาน นั่นคือเราต้องหาคำตอบพร้อมกันของคุณสมบัติทรานซิสเตอร์ FET ด้วยสมการสำหรับสายโหลด เราสามารถทำได้ในรูปแบบกราฟิกดังแสดงในรูปที่ 25
พารามิเตอร์โค้งเป็นเส้นโค้งลักษณะเฉพาะสำหรับทรานซิสเตอร์ขยายสัญญาณ Q1. แรงดันไฟฟ้ากับลักษณะกระแสของโหลดที่แอ็คทีฟ Q2 เป็นของรูปที่ 23 แรงดันขาออก vออกคือความแตกต่างระหว่าง VDD และแรงดันไฟฟ้าข้ามโหลดที่ใช้งาน กระแสในโหลดที่แอ็คทีฟจะเหมือนกับกระแสระบายในทรานซิสเตอร์ขยาย ดังนั้นเราจึงสร้างสายโหลดโดยการถ่ายภาพกระจกเงาที่เลื่อนของคุณสมบัติของรูปที่ 23 จุดปฏิบัติการคือจุดตัดของเส้นโค้งนี้กับเส้นโค้งลักษณะทรานซิสเตอร์ที่เหมาะสม เราจำเป็นต้องค้นหาแรงดันไฟฟ้าระหว่างแหล่งกำเนิดเพื่อทราบว่าจะเลือกทรานซิสเตอร์ชนิดใด ดังที่เราจะเห็นต่อไปแรงดันไบอัสอินพุตมักจะถูกแทนที่ด้วยแหล่งจ่ายกระแสที่ใช้งานอยู่
รูปที่ 25 - โซลูชั่นกราฟิกสำหรับจุด Q
ตอนนี้เรารู้วิธีจำลองการโหลดที่แอ็คทีฟเราหันความสนใจไปที่การสร้างกระแสอ้างอิงเพื่อใช้เป็นส่วนหนึ่งของวงจรไบอัสอินพุต แหล่งที่มาในปัจจุบันเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในลักษณะเดียวกับที่เราใช้พวกมันสำหรับการให้น้ำหนักด้วย BJT
รูปที่ 26 - มิเรอร์ปัจจุบัน
เราวิเคราะห์ MOSFET กระจกในปัจจุบัน. มิเรอร์ปัจจุบันจะแสดงในรูปที่ 26 ทรานซิสเตอร์สองตัวนั้นถือว่าเข้ากันอย่างสมบูรณ์แบบ กระแสไฟขาออกเป็นกระแสไหลออกของ Q2และไดรฟ์ปัจจุบันอ้างอิง Q1. หากทรานซิสเตอร์จับคู่กันอย่างสมบูรณ์กระแสเอาต์พุตจะเท่ากับกระแสอ้างอิงทุกประการ นี่เป็นความจริงเนื่องจากทรานซิสเตอร์เชื่อมต่อแบบขนาน เช่นเดียวกับกรณีของกระจกเงากระแส BJT กระแสอ้างอิงสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้าอ้างอิงกับความต้านทานอ้างอิงดังแสดงในรูปที่ 26 (b)
การรวมวงจรย่อยต่างๆเข้าด้วยกัน (เช่นโหลดที่ใช้งานและกระแสอ้างอิง) ส่งผลให้เครื่องขยายสัญญาณ CMOS ของรูปที่ 27
กำไรของแอมพลิฟายเออร์นี้ได้รับจาก
(31)
รูปที่ 27 - แอมพลิฟายเออร์ CMOS
5.2 Body Effect
การอภิปรายของเราในหัวข้อ“ 2. สารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ FET (MOSFET)” อ้างถึงวัสดุพิมพ์ (หรือตัว) ของ MOSFET วัสดุพิมพ์นี้มีบทบาทสำคัญในการสร้างช่อง ในการทำงานของ MOSFET แบบไม่ต่อเนื่องร่างกายมักเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ ในกรณีเช่นนี้วัสดุพิมพ์จะไม่มีผลโดยตรงต่อการทำงานของอุปกรณ์และใช้เส้นโค้งที่พัฒนาก่อนหน้านี้ในบทนี้
สถานการณ์เปลี่ยนไปเมื่อ MOSFET ถูกประดิษฐ์ขึ้นเป็นส่วนหนึ่งของวงจรรวม ในกรณีเช่นนี้สารตั้งต้นของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะไม่ถูกแยกออกจากวัสดุอื่น แท้จริงแล้วสารตั้งต้นมักจะถูกใช้ร่วมกันระหว่าง MOSFET ทั้งหมดบนชิป ใน PMOS IC สารตั้งต้นที่ใช้ร่วมกันจะเชื่อมต่อกับเทอร์มินัลแหล่งที่เป็นบวกมากที่สุดในขณะที่อยู่ใน NMOS นั้นจะเชื่อมต่อกับกราวด์ สิ่งนี้สร้างอคติย้อนกลับระหว่างแหล่งกำเนิดและร่างกายของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ผลกระทบของอคติย้อนกลับนี้คือการเปลี่ยนลักษณะการทำงาน ตัวอย่างเช่นใน n- ช่องอุปกรณ์มันได้อย่างมีประสิทธิภาพเพิ่มเกณฑ์ (VT) จำนวนเงินที่เกณฑ์เปลี่ยนไปขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ทางกายภาพและการสร้างอุปกรณ์ สำหรับ NMOS การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถประมาณได้
(32)
ในสมการ (32) γเป็นพารามิเตอร์อุปกรณ์ซึ่งแตกต่างกันระหว่างประมาณ 0.3 และ 1 (V-1/2). VSB คือแรงดันไฟฟ้าจากต้นทางสู่ร่างกายและคือ ศักยภาพของแฟร์. นี่คือคุณสมบัติของวัสดุและค่าทั่วไปคือ 0.3 V สำหรับซิลิกอน