Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Сопротивление прибора зависит от его геометрической формы. Длинные и узкие каналы (с большим отношением Ит/Ь) имеют большие сопротивления. Пусть Ъря = рая = 1'. Можно показать, что для нелинейного рези стора ток через МОП-транзистор будет (см. уравнения (9.11) и (9.10)) равен (1О.ЗО) 1 = К(~'- ~т)2 для ~' > ~т. Решив уравнение (10.30), найдем сопротивление постоянному току Вас, оно равно Ът 1 l™а ~( + для Ъ )Ут. '1) К1 110.31) Дифференцирование уравнения (10.31) дает малосигнальное сопротивление гас для любого значения тока 1 г = 1! /К1 для Ъ > Ъ'т.
110.32) 1о (мкд гоо тоо Нелинейный резистор б) а) Рис. 10.22. Обедненный р-МОП-транзистор в качестве активной нагрузки (а); нелинейное сопротивление устройства на рис. 10.20, а показано графиком при Ъсз = 0 (б) 10.6. МОП -конденсатор Ранее рассматривались МОП-структуры и образование канала (области, пРоводящей электрический ток) на границе оксидного слоя с полупроводником. Таким образом, затвор, изолирующий слой и проводящий канал образуют конденсатор с параллельными обкладками. Поскольку оксидвый слой перекрывается с другими областями транзистора, то получаются три конденсатора: между затвором и истоком Ся„между затвором и стоком С л и между затвором и подложкой Сиь Пренебрегая влияни- Наиболее широко в качестве резисторов применяются обогащенные МОП-транзисторы.
Обедненные МОП-транзисторы тоже можно использовать в качестве резистора, если соединить выводы затвора и истока. На рис. 10.22, а показано подключение обедненного МОП-транзистора для Ъбя = О, а на рис. 10.22, б — характеристики сопротивления. Таким способом можно получить большие величины сопротивления, пока МОП-транзистор работает в области насьпцения. ~~~276 Глава 10. Схемьв на полевых транзисторах ем краевого поля, сумма емкостей этих трех конденсаторов равна общей емкости затвора: С, + С в + С ь = И'ЬСою (10.33) где И' и Ь вЂ” соответственно пьирина и длина канала, а С, — емкость затвора на единицу площади диэлектрика (оксида), которую можно записать так: еоеох (10.34) ьох Здесь е — диэлектрическая проницаемость 810з (=3,9), ео — абсолютнаа диэлектРическаЯ пРоницаемость (= 8,85 х 10 и Ф/см), 1ох — толщина оксидного слоя в сантиметрах. МОП-конденсаторы часто применяются в ИС на основе МОП-структур.
У одного типа конденсаторов выводы стока и истока соединяются вместе, и используется конденсатор между затвором и истоком Сво. Существует и другой тип конденсаторов, у которых одна сторона соединена с землей. Это емкость между затвором и подложкой Свм для которой не требуется исток и сток, поэтому легирование этой области не производится, что делает схему проще.
Существуют и другие возможности применения конденсаторов на МОП-структурах. 10.7. Схемы на полевых транзисторах с МОП-нагрузкани Чистое (линейное) сопротивление в качестве нагрузки схемы (т.е. усилителя) потребляет мощность. Резистор образовывает так называемую пассивную нагрузку. Полевые транзисторы тоже могут функционировать как нагрузки, потребляя при этом нулевую или близкую к нулю мощность.
Нагрузка называется активной, когда в качестве нее выступает активный прибор — полевой или биполярный транзистор. В интегральных схемах, изготовленных по МОП-технологиям, удобно и экономично применять МОП-транзисторы в качестве нагрузки, и тогда схема содержит только определенным образом соединенные МОП-приборы.
Ниже приведены примеры. МОП-усилитель с обогащенным МОП-тпранзистороль в качестве нагрузки На рис. 10.23 показан усилитель с общим истоком (ОИ) с усилительньлн и-МОП-транзистором Ть (драйвером) и и-МОП-транзистором в качеств~ нагрузки Тз. Оба транзистора обогащенного типа. Вывод затвора Тз на прямую соединен со стоком. Пока Тз работает в области насыщения, ов функционирует как нелинейный резистор (раздел 10.5). о.7.
с* ~ е лол. Рр. 277)) Ниже будет показано, что условием для нахождения Т2 в области насьпцения является г ( (Ър11 — Ът). Если входное напряжение ис меньше, чем пороговое напряжение Ът, транзистор Т, выключен и ток по схеме не протекает. Если входное напряжение о; превысит Ъгт, транзистор Т1 включится, оба транзистора будут в области насьпцения и схема будет работать как усилитель.
ге дош П К~= Рои 1о 16= Рои доо- дг кое~ = то Рис. 10.23. Усилитель с об- щим истоком. Тс (о-МОП)— усилитель, Тг (и-МОП) — на- грузка Рис. 10.24. Наложение уравнения (10.36) на стоковые характеристики дает ток и на- прлжение рабочей точки усилительного тран- зистора Т, Теперь запишем еод2 = о.052 = ЪРВ оо (10.35) И МОЖНО СООтНЕСтИ тОК СтОКа г11 И ВЫХОДНОЕ НаПРЯжЕНИЕ Со КаК (ПО УРан- нению (10.30)): 111 = Л2(оад2 — Ът) или 1П = К2(Ъ)т — Оо — ЪТ')). Если наложить график зависимости г11 от о (= о116) из уравнения (10.36) на выходные характеристики транзистора Т1, получим рабочую точку Я транзистора Т1 (рис.
10.24). Уравнение (10.36) пересекает ось г11 = 0 при со = Ъ)211 — Ът и сг1 = = К(Ърр — Ът)2 при оо = О. Теперь заменим транзисторы в схеме рис. 10.23 их мзлосигнальными моделями. Полученная эквивалентная схема для переменного тока изображена на рис. 10.25. Суммирование токов на выходном узле дает следующие соотношения: оо оо +дтп2 ' одл2 дш1 ' одл1 — О) г 2 д г 1 оо оо — д2 о,— — — д1 сд,1 — — — — 0 (10.37) 1о2 1о1 ~~( 278 Глава 10. Схемы на полевых транзисторах (так как иряг = — и,). Коэффициент усиления при холостом ходе (Яь = оо) из уравнения (10.37) А„— (10.38) ив,1 (д~г + 1.!гв1 + 1)гвг) Таккаку 㻠— „и — „„,; 1 1 А„= А„=— (10.39) где К1 и Кг — конструктивные параметры, относящиеся к транзисторам на рис.
10.23 Т1 и Тг соответственно. Рис. 10.25. Эквивалентная схема для пе- ременного тока схемы на рис. 10.23 с тран- зисторами, замененными малосигвальнм- ми моделями С2 Практические конструктивные параметры ограничивают коэффициент усиления по напряжению в диапазоне от 10 до 20. МОП-усилитель с обедненным МОП-транзистором в качестве наерузки Электрические характеристики обедненного МОП-транзистора похожи на характеристики полевого транзистора с р-и-переходом.
При работ~ в области насьпцения у обоих высокое выходное сопротивление. Замы кал затвор и исток вместе (рис. 10.19, а), обедненный МОП-транзистор можно использовать в качестве источника тока для обеспечения высоко го сопротивления нагрузки, которое требуется, чтобы получить большов коэффициент усиления по напряжению.
На рис. 10.26, а показан усилитель с общим истоком с обогащенным и-МОП-транзистором в качестве усилителя и обедненным и-МОП-трен зистором в качестве нагрузки. Оба транзистора Т1 и Тг работают в области насьпцения. П.7. С . г р ЛОЛ. об 27ф Тз /ояя в) Рис.
10.26. Усилитель с общим истоком с активной нагрузкой Тг (обедиевиый р-МОП-траизистор) (а). Определение рабочей точки длл усилительного МОП-траизистора Т| (б). Малосигиальиая эквивалентная схема усилителя 1е) Так как ооя2 = 0 и выходное напряжение, в = 7р22 — игзц2, ток стока равен 22З ль2(ебя2 ЕТ) К2ОТ. 2 На выходные характеристики транзистора Т1 наложим график зависимости зо от о„как показано на рис. 10.26, б. Рабочие параметры (122 и и22я~) получаются на точке пересечения двух графиков. Эквивалентная схема для переменного тока дана на рис. 10.26, в.
Можно показать, что коэффициент усиления по напряжению при холостом ходе усилителя равен: А„= — д,„~ (то1 ЙГ, 2), 110.40) гДе г 1 и то2 — выхоДные сопРотивлениЯ пеРеменномУ токУ тРанзистоРов Т1 и Т2. ~~~280 Глава 10. Схемы ка полевых транзисторах ) 0.8. Схемы КМОП /р Ъ", = НИЗКИЙ = О. Следовательно, низкий сигнал на входе привел к высокому сигналу на вы- ходе.
Как и ожидалось от схемы инвертора, в обоих случаях выходной сигнал проинвертировался. К омплементарные МОП (КМОП) интегральные схемы содержат в одном кристалле как п-МОП-, так и р-МОП-транзисторы. В настоящее время КМОП-схемы очень широко применяются в цифровых схемах, потому что они более быстродействующие и рассеивают меньшую мощность, чем р-МОП- и п-МОП-схемы. Базовой схемой для всех логических схем, таких как вентили ИЛИ-НЕ, И-НЕ, является инвертор. Чтобы мы могли по достоинству оценить параметры КМОП-инвертора, сначала ознакомимся с инвертором на и-МОП транзисторе, нагруженном на резистор. Такой инвертор представлен на рис. 10.27. Входное напряжение Ц приложено меж+уоо ду затвором и стоком, а выходное напряже- ние $~, снимается между истоком и стоком.
и, Следовательно, с р = ~'ая; (10.41) $; = Ъ'рю (10.42) В цифровых схемах вход и выход бывает ур рв И= уав низким или высоким, так что для нас интересны зти два случая. Случай 1: Пусть уе = НИЗКИЙ ж О. Следовательно, рая ( Ъу, транзистор в выРис. 10.27. Инвертррнап-МОИ- КЛЮЧЕННОМ СОСтОяНИИ И тОК СтОКа 1р = 0 По закону Кирхгоффа в выходной цепи руэкой схемы на рис.
10.27 имеем: ~"ря = К = Ррр — 1рВь, (10.43) так как 1р = О, К, = Ърр. Следовательно, при низком состоянии входа выход в высоком состоянии, т. е. сигнал инвертировзлся. Случай х: Пусть Ре = ВЫСОКИЙ (оно должно быть выше, чем Ир и-МОП-транзистора). То есть, Ъря > Ът, транзистор проводит ток, и Ура > рря — Ут переводит транзистор в область насыщения. Ток стока достигает насьпцения, падение напряжения на Вь (= 1рВь) большое. Из уравнения (10.43) имеем !О.8. С КМОП 2В~) КМОХХ-и ив ертор КМОП-инвертор изображен на рис. 10.28 п- МОП-драйвером и р-МОП-нагрузкой.
Выводы затворов обоих транзисторов соединены вместе и образуют входную клемму инвертора. Аналогично, стоки обоих транзисторов соединены вместе и образуют выходную клемму. Обратите внимание, что р-МОП-транзистор требует отрицательное напряжение на стоке ( — $'пп) по отношению к истоку, и зто обеспечивается соединением +Фар к истоку р-МОП-транзистора (рис. 10.28). Таким образом, одно напряжение Урн использовано для смещения обоих транзисторов. В схеме на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
