Föreläsning 8 MOS transistorn Förstärkare med MOS transistorn Exempel, enkel förstärkare med MOS 1
Varför MOS transistorn Förstå en grundläggande komponent för både digitala och analoga kretsar Är idag dominerande när det gäller integrerade konstruktioner för mixed signal, dvs. kretsar som innehåller både digital och analog teknik 2
MOSFET MOS = Metal Oxide Semiconductor FET = Field Effect Transistor U GS U DS W I DS I DS Gate Source L t ox oxid Drain n n L pdopat substrat U BS MOS transistorn har fyra anslutningar: G= Gate S= Source D= Drain B= Body 3
MOS tre driftlägen ON/OFF ON U GS >U T U T = threshold voltage OFF U GS <U T Digital tillämpning Spänningsstyrd resistans för små U DS styrs av spänningen på Gate Spänningsstyrd strömgenerator för högre U DS styrs av spänningen på Gate 4
NMOS ON/OFF läget NMOS anrikningstyp Positiv spänning på Gate Source U GS Gate Kanal pdopat substrat Drain n n Utarmningsområde En positiv spänning på Gate drar till sig laddningar (anrikning, enhancement) i skiktet under gate så att det blir inversion och en N kanal mellan D och S bildas En kanal mellan D och S bildas om U GS >U T (U T = threshold voltage) 5
NMOS små U DS Positiv spänning på Gate Med vertikalt fält skapas laddningar med inversion. Source U GS Gate Kanal Drain U DS Med horisontellt fält kan laddningar transporteras genom transistorn n n Utarmningsområde pdopat substrat Kanalen beter sig som en resistans för små värden på U DS I D Högre U GS ger högre G, dvs. lägre R 1 I D = G UDS Konduktans = Resistans U DS 6
NMOS ökande U DS U GD = U GS U SD = U GS U DS U DS = U GS U T S G D U DS > U GS U T S G D Inversion Pinch off Pinch off Utarmningsområde Om U DS ökar kommer kanalen att smalna av mot drainsidan. Avsmalnande kanal medför att laddning/längdenhet blir lägre närmare drain. Detta måste kompenseras med högre hastighet närmare drain om strömmen skall vara densamma. Hög hastighet ( vid pinch off, hastighetsmättnad inträffar!) Strömmen stannar på konstant nivå (mättnad, saturation) 7
Pinch off, vad är det? S G oxid D n n V(x) Pinchoff Spärrskikt U DS 0 L U Dsat = U GS U T x Pinch off, när kanalen vid drain försvinner och hastighetsmättnad inträffar Detta sker då U DS = U GS U T, dvs. då U GD = U GS U DS = U T 8
I D U DS karakteristik Linjär Aktivt område U I DS =U GS U T D (pinchoff) Linjärt område Mättat område U GS styr strömmen U DS 9
I D U GS karakteristik Mättat område I D kw ID = UGS U 2 L ( ) 2 T Processberoende k transkonduktansparameter U T tröskelspänning U T U GS Geometri W kanalens bredd (width) L kanalens längd (length) 10
Ett enkelt exempel G M1 D RD 1k W = 50u VDD V_DD 5Vdc Vad händer om vi sveper likspänningen på ingången (gate) från 0 V till 5 V? V_in mosn L = 1u 0 0 0 MOS SPICE modell.model mosn NMOS Level=1 VTO=0.8 KP=200u LAMBDA=0.00 GAMMA=0.5 PHI=0.6 Tröskelspänning U T = 0.8 V Transkonduktansparameter k = 200 µa/v 2 11
Överföringskarakteristik Utspänning Var finns det förstärkning? Vad blir förstärkningen? I vilket område arbetar transistorn? On/Off? Linjärt? Mättnad? Inspänning 12
Småsignalmodell (Small signal model) Gate U gs g m U gs 1 Source Transkonduktans g m Utresistans r o I d g o = r o Drain U ds En linjär modell som gäller för små variationer kring vilopunkten (Q= quiescent point, bias point) Parametrarna g m och r o är beroende av transistorns DC värden (vilopunkt) 13
Transkonduktans g m I D k W I = U U 2 L ( ) 2 D GS T Grafiskt g m ΔI D = ΔU GS Q U T Q ΔU GS ΔI D U GS Matematiskt W W 2ID gm = k ( UGS UT ) = 2k ID = L L U U g GS m di D = du GS Transkonduktansen anger hur strömmen på utgången av transistorn ändras när vi ändrar spänningen på ingången av transistorn T Q 14
Utresistans r o I D Earlyspänning U A U GS U A Kanallängdsmodulation 1 λ L U A 1 = λ kw ' I = U U λu 2 L 2 ( ) ( 1 ) D GS T DS λ g = I λi 1 λu r o DQ DQ DSQ o U I A = = DQ 1 λi DQ U DS 15
Bodyeffekten Om substratet (body) ligger på annan potential än source kommer tröskelspänningen att ändras och substratet fungerar som en andra gate ( ) U = U γ 2Φ U 2 Φ 0 T T f SB f G U gs g mb γ = g 2 2Φ U B f SBQ m g m U gs g mb U 1 U bs bs S g o I d D U ds 16