Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 48
Текст из файла (страница 48)
10.28 входное напряже Рис. И).ва. КМОП-ЯлвеРтоР ние равно: (10.44) р = раин = рвп — ~Ъа.г Обозначение нижним индексом п и р относятся соответственно к и-МОП- и р-МОП-транзистору. И выходное напряжение р' = рЪаа = рвп — ~Ъпл (10.45) Случай Х: )~ = НИЗКИЙ = О. Для и-МОП-транзистора имеем Ъ'дну = Ц = 0 ( Ъу,д, и-МОП-транзистор находится в состоянии отсечки, ток стока равен нулю Хп,н(оЯ = О.
Для р-МОП-травзистора уравнение (10А4) можно записать как рЪал = рва — р* при $; = 0 (10.46) рЪа.г = ~Ъп > — ~т.г. Следовательно, р-МОП-транзистор находится в проводящем состоянии. Однако, Хор = Хп.и (так как оба транзистора включены последовательно) и Хор = О, а зто переводит р-МОП-травзистор в линейную (омическую) область. Приравняв Хп р~ „,„„я) = О, получим Хп.О1оямическия) = К ~( Бс.Р + 1'т.Р) рБО.Р рйнг1 2 0'РР + гт.н) рРЯ.Р— ' = 0 2 (по'гому что У~с,г = " пп) ~~~282 Глава 10. Схемы на полевых транзисторах Решение этого уравнения Ъвр,р = О.
Подставив Ъ'пир = 0 в уравнение (10.45), имеем Ъ' = Ъ'пп Приравнивая лр г( н„„„„а) = Хр г(во) = О, получим уравнение для тока стока в омической области в виде: г 1п.к = Кв (Ъаи и + Ът.к) Ъвп.в— Ъвп.в1 2 так как Ъ; = Ъ'рр, 1п.к = Кк (Ъпр + ~т.м) Ъвп.к+ ' ~ = О. Ъвр.к 1 2 Решение этого уравнения Ъ'рв и = 0 и Ъв Ърво 0 (10.48) Это показывает, что выход инвертора в состоянии НИЗКИИ.
Высокий входной сигнал превратился в низкий выходной сигнал. Эти два результата, выраженные уравнениями (10.47) и (10.48), подтверждают, что КМОП-схема работает инвертором. Рассеиеаеллал ллощность е КМОП ИС В КМОП-схемах различают статическое рассеивание мощности и динамическое. Статическая мощность рассеивается, когда транзисторы не меняют свое состояние. Мы выше видели, что при состоянии выхода ВЫСОКИИ, и-МОП-транзистор выключен и ток стока через транзисторы равен нулю. Аналогично, при состоянии выхода НИЗКИЙ, р-МОП-транзистор выключен, и ток стока через транзисторы опять равен нулю.
Следовательно, средняя статическая рассеиваемая мощность Рр(вввнв) = (7п(высокими выход) + Гп(низкий выход)) Ъпп~2 или Рп(мвнв) = О. В действительности, токи утечки существуют и равны примерно 10 1е А. При изменении состояния КМОП-схемы, скажем, из состояния с низким выходом в состояние с высоким выходом (или наоборот), в момент перехода оба транзистора оказываются проводящими и в течение ко роткого времени протекает небольшой ток стока. Эта потеря мощности (10.47) Это означает, что выход инвертора в состоянии ВЫСОКИЙ.
Низкий входной сигнал превращается в высокий на выходе. Случай й Ъ; = ВЫСОКИЙ = Ъ'пп. При Ц; = Ъпр (и Ъ'пп ) Ът) п-МОП-транзистор работает в линейном (омическом) режиме. А р МОП-трен зистор в состоянии отсечки, потому что в уравнении (10.44) Ъяо,Р = Ърп — Ъ) = Ърр — Ъпп = О. ма с кмоп Ъвф называется динамической мощностью рассеяния. Для КМОП-схемы (или в действительности, для любых МОП-приборов) можно показать, что 2 Рп(яупапвс) со~ оп~ где Сь — емкость нагрузки, и — частота переключения. Практически, у КМОП-приборов наблюдается динамическая мощность рассеяния в несколько десяток микроватт. Пример 10.3. В схеме на рис. 10.29 у МОП-транзистора К = 500 мкА/Вз н Ът = 2 В.
Найти сопротивление резистора Вю при котором Ъ;„с будет равным 5 В. Решение. Ток стока 1л и ток истока 1, равны между собой. В области стабиль- ного тока имеем 1. = К(Ъоя — Ъ'т) = К(Ъа — Ъя — Ът)' = К(Ъа — Ъ; — Ът)' потому что Ъя = Ъ;. Также Х, = ~ в. Следовательно, — = 500 х 10 е(12 — 5 — 2)з = 125 х 10 4 Вя В, = 5/(125 х 10 4) = 400 Ом. Пример 10.4.
Чему равен коэффициент усиления по напряжению схемы на рис. 10.30? Крутизна характеристики прямой передачи равна 4000 мкСм. Каким будет коэффициент усиления по напряжению, если резистор в цепи истока 500 Ом эашунтировать конденсатором достаточной емкости? Решение. Так как В, не ээземлен по переменному току, коэффициент усиления по напряжению вычисляется по формуле (10.21); А„= (1+9 ") В этой схеме Вп = 10 кОм)(10 кОм = 5 кОм, г, = 500 кОм. Следовательно, 4 х 10 3 х 5 х 10з А„= (1+4 х 10-з х 500 Ом) = 6,6. Ксли В,(=500) заземлить по переменному току, то г, = О. Следовательно, А„= у„,то = 4 х 10 э х 5 х 10з или А„= 20.
~~~284 Глава 10. Схемы на полевых транзисторах в18 В Кю л!2 В л15 В Рис. 10.31 Рис. 10.30 Рис. 10.29 Пример 10.5. У полевого транзистора с р-и-переходом в схеме рис. 10.31 Ър — — — 4 В и Хпзз = 12 мА. До какого максимального сопротивления резистора В схему можно применять как источник стабильного тока? Решение. Полевой транзистор с р-и-переходом работает как источник стабильного тока в области насьпцеиия (отсечки). Условие отсечки для полевых транзисторов с р-и-переходом Тпз! ) М вЂ” 11'аМ. Так как в этой схеме затвор и исток соединены вместе, то Ъпл = О.
Тогда условие отсечки сокращается до )1'пз~ >!5,1. Суммирование напряжений в выходной цепи дает Ъпп = 1'пз + 1пЯ или В = 0'пп — 1пя)(1п, 1п<„„) = 1пья = 12 мА, В( .*) = Мт — М з< .*) И1п = Р— ~М,/1п = = (15 — 4)/12 мА = 916 Ом = 0,91 кОм. 10.9. Заключение Смещение полевых транзисторов проще, чем биполярных. Часто для по. левых транзисторов с р-и-переходом достаточно применить схему автоматического смещения, хотя существуют и другие схемы.
В большинстве схемных реализаций параметры обедненных МОП-транзнсторов близки к параметрам полевых транзисторов с р-п-переходом. Усилители на полевых транзисторах с р-и-перщюдом и МОП-транзисторах анализируются на основе крутизны характеристики прямой пе редачи дт. Эквивалентные схемы этих приборов просты. В дополнение в. р. гви) Дополнительная литература по теме 1.
ВазЬЫ М. Н. М1сгое1ес1гоп1с С1гсп11в: Апа1ув1з апб Рев1яп, РЪ\~Я РиЬ11вЬ1пя Сошрапу (1999). 2. Ногевя1еш М. Ы. М1сгое1есФгоп1с С1гсш1в аш1 Печ1сев, Епя1ев оса С11пз, ХЛ Ргенпсе На11 1пс. (1996). 3. ТЬошзя А., ПеМазва аль 2а1с С1ссопе, П1611а1 1п1еяга1еб С1гсш1в, ЛоЬп ЧЧ11еу зс вопя (1996). Вопросы 10.1.
10.2. Что такое автоматическое смещение? Нарисуйте схему автоматического смещения полевого транзистора с ив-пе- реходом н объясните, как она работает. 10,З Смещение полевых транзисторов проще, чем биполярных. Прокомменти- руйте. Объясните, почему схемы на полевых транзисторах предпочтительно ана- лизировать на основе у„,? 10.4. к простоте модели и проектировании схемы, у них, особенно у МОП-транзисторов, чрезвычайно высокий входной импеданс (десятки и сотни мегаом). Возможность применения обогащенных МОП-транзисторов в качестве резистора прямым соединением затвора к стоку (или истоку, в случае обедненного МОП-транзистора) также добавляет им универсальности при проектировании схем.
На промежуточных этапах технологического цикла производства ИС можно сформировать МОП-конденсаторы. Эти конденсаторы чрезвычайно распространены и широко применяются в цифровых схемах. МОП-транзисторы часто применяются в качестве нагрузки (активной) вместо резистора (пассивной нагрузки), полностью вытесняя из интегральных схем обычные резисторы. Такие решения обеспечивают большие преимущества, потому что проще и дешевле сделать много одинаковых элементов на кристалле, чем формировать много разных. КМОП-технология применяет и и-МОП- и р-МОП-приборы в одной схеме, так как их легко можно изготовить в одном кристалле. КМОП-схемы рассеивают (потребляют) энергии меньше, чем схемы, изготовленные по любой другой известной в настоящее время технологии.
Статические потери близки к нулю, а динамические потери (т.е. потери при переключении состояний) также низкие (микроватты) — это повышает срок службы батарей в системах с батарейным питанием. ~286 Г1ава 10. Схемы иа полевых тра зисторах Как получить значение о полевого транзистора? 10.5.
Нарисуйте простую мзлосигнальную эквивалентную схему (модель) по. левого транзистора. 10.6. Какой порядок входного импеданса у полевого транзистора с р-и-перехо- дом? 10.7. Как полевой транзистор с и-и-переходом использовать в качествеисточ- ника стабильного тока? Нарисуйте схему и его зквивалент.
10.8. Как подключить обогащенный МОП-транзистор, чтобы он работал как резистор? 10.9. 10.10. Как подключить обедненный МОП-транзистор, чтобы он работал как резистор? 10.11. Какие емкости присущи полевому транзистору? 10.13. Какие факторы ограничивают козффициент усиления по напряжению усилителей на МОП-транзисторе? 10.14. Какие основные параметры у усилителей с ОИ? 10.15. Какие основные параметры у стоковых повторителей? 10.16. Как работает п-МОП-инвертор с резистивной нагрузкой? 10.17. Нарисуйте и кратко объясните работу КМОП-инвертора. 10.18. Объясните, почему у КМОП-приборов динамическая мощность рассеяния выше, чем статическая мощность рассеяния.
Задачи У р-канзльного полевого транзистора с р-и-переходом в схеме на рис. 10.32 Грвз = 2 мА. Чему равно Ъря0 в середине рабочего режима? Чему рав- но роя? 10.1. Ответ: Равд = 6 В, Ъов = +5 В. У п-МОП-транзистора в схеме на рис. 10.33 конструктивная константа К = 200 мкА/Вз и Ът = 2 В. Найти уровень 1рю 10.2. Ответ: 'еов ез 7 В. У полевого транзистора с р-и-перюсодом в схеме на рис. 10.34 Ър — — 5 В и Гр.чч = 10 мА.
При каком максимальном сопротивлении В схема будет действовать как источник стабильного тока? 10.3. Ответ: В<,Ю = 1,5 кОм. 10.12. Нарисуйте схему усилителя с ОИ с п-МОП-драйвером и р-МОП-нагрузкой и объясните его работу. 3 д 2В7)) -!8 В +!8 В -20 В 2,2 кОм !~ов !оком Рис. 10.34 Рис. 10.32 Рис. 10.33 Полевой транзистор с р-и-переходом на рис.
10.35 начинает пробиваться при напряжении Ъдод = 18 В. Если Ъд = — 3 В и 1ндд = 10 мА, какой диапазон сопротивлений В позволяет надежно использовать схему как источник стабильного тока? 10.4. Отвепдд 700 Ом < Я < 2,2 кОм, 10.5. При изменении напряжения затвора от — 3,2 В до — 2,8 В в схеме 10.36 ток стока меняется от 4 до 6 мА. Чему равна д транзистора? Вычислите коэффициент усиления по напряжению этого усилителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
