S. Hambley, Electrónica, Prentice Hall, 2001.

Transcripción

1 Tema 6. El transistor MOS Bibliografía A.S. Sedra, K.C. Smith, Circuitos Microelectrónicos, Oxford University Press, 004. S. Hambley, Electrónica, Prentice Hall, 00.

2 Índice del Tema 6 ESTRUCTURA FÍSCA REGONES E OPERACÓN POARZACÓN E TRANSSTOR MOEOS E PEQUEÑA SEÑA 3 Tema 6 ESTRUCTURA FÍSCA REGONES E OPERACÓN POARZACÓN E TRANSSTOR MOEOS E PEQUEÑA SEÑA 4

3 MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor fuente poly puerta drenador NMOS poly substrato Estructura física del transistor NMOS de acumulación: (a vista en perspectiva; (b corte transversal. Para 0.5 μm, t 5 nm. alores típicos μm. 5 TRANSSTOR NMOS G B S TRANSSTOR PMOS G B S 6

4 Tema 6 ESTRUCTURA FÍSCA REGONES E OPERACÓN POARZACÓN E TRANSSTOR MOEOS E PEQUEÑA SEÑA 7 REGÓN E CORTE: 0 REGÓN NEA: > ; μ nc ( S S << transistor NMOS > 0 de drenador a fuente ( S REGÓN E TROO: > ; S μ C n ( S S REGÓN E SATURACÓN: > ; S μnc ( 8

5 TRANSSTOR NMOS Curva Característica μnc ( S S μnc ( > μn C ( S 9 TRANSSTOR NMOS: - S Transistor NMOS de acumulación n >0 Característica i v S de un dispositivo con k n (/.0 ma/ ' k μ C n n 0

6 TRANSSTOR NMOS: - i (ma S n μnc ( n v ( n Característica i v de un transistor NMOS de acumulación en SATURACÓN ( n, k n /.0 ma/ REGÓN E CORTE: 0 REGÓN NEA: > ; μ nc ( S S << transistor PMOS < 0 de fuente a drenador (S REGÓN E TROO: > ; S μ C n ( S S REGÓN E SATURACÓN: > ; S μnc (

7 TRANSSTOR PMOS: - S v S v - v S v - v +.0 v S v - v +.5 Transistor PMOS de acumulación ( p <0 v +.0 v +0.5 v (cutoff v S ( Característica i vv S de un dispositivo con k p (/.0 ma/ ' k μ C p p 3 TRANSSTOR PMOS: - i (ma S p μnc ( p p v ( Característica i v de un transistor PMOS de acumulación en SATURACÓN ( p, k p /.0 ma/ 4

8 SATURACÓN: μ nc Parámetro ode modulación de canal λ OX ( ( + λ S donde S S ( sat λ 0 (ma λ 0.75 λ α [ ] 5 Modelo de gran señal en saturación ( > ; > S μn C ( NMOS 6

9 Modelo de gran señal en saturación ( μ nc ( ( + λ S (ma /r o la resistencia de salida r o modela la dependencia lineal l de i con v S 7 Modelo de gran señal en saturación ( μ nc ( ( + λ S (ma /r o r o S λ 8

10 NMOS G B S PMOS G B S 9 Tema 6 ESTRUCTURA FÍSCA REGONES E OPERACÓN POARZACÓN E TRANSSTOR MOEOS E PEQUEÑA SEÑA 0

11 Polarizaciónación Polarización: Establecimiento de un punto de operación en dc apropiado, Q(, S. Este punto de operación está caracterizado por una corriente de drenador estable y predecible, y por un voltaje de drenador a fuente S que asegure que el transistor se encuentra en la región de operación adecuada d (Región de Saturación para los Amplificadores para todos los niveles esperados de la señal de entrada. Objetivo: Establecer el punto estático del amplificador y hacer que sea lo menos sensible posible a variaciones de los dispositivos que lo componen (variaciones de los parámetros de los transistores, de las resistencias de polarización, de la temperatura. Problema: Seleccionar el circuito adecuado para estabilizar el punto de operación. Configuración en Fuente Común Common Source i v S v i o R R Punto de operación del transistor: Q(, S

12 Common Source v o i R SATURACÓN: vo μnc ( v R A v dv dv o v Q 3 Polarización con una fuente nconveniente: Grandes variaciones en el valor de para dispositivos del mismo tipo con la misma. Causas: -ariaciones de los valores de, C y /, incluso para dispositivos supuestamente diseñados con las mismas dimensiones y del mismo tipo, debido a variaciones en el proceso de fabricación. -ariaciones con la temperatura de determinados parámetros (,µ n. 4

13 Polarización con resistencia R S ( G R S Se reduce la posible variación en el valor de para dispositivos del mismo tipo con la misma polarización, gracias a la realimentación negativa. 5 Polarización con resistencia R S ( fuente de alimentación única fuente de alimentación doble 6

14 Polarización con resistencia R S ( acoplo de la fuente de señal mediante el capacitor C C 7 Polarización de Circuitos ntegrados (Cs Elementos pasivos de { - Resistores { circuitos discretos - Capacitores de acoplo -No adecuados para Cs -No económico fabricar elementos de valor grande iseño de Cs - Se basa en la utilización de transistores solamente - Uso de fuentes de corriente constante - a reproducción de corrientes a partir de la generación de la corriente constante en un solo punto tiene la ventaja de que las de polarización de las diversas etapas se aparean (sufren los mismos cambios en caso de variaciones de yt. Generadores de corriente { -Fuentes de corriente (Utilizadas como polarización y carga activa -Repetidores de corriente (Current-steering circuits

15 Polarización con fuente de corriente R G : establece el valor de dc de la puerta a 0. Cuál ha de ser su valor? R : establece un valor apropiado de dc en el drenador que permita obtener la excursión de la señal de salida requerida manteniendo el transistor en la zona de saturación. 9 mplementación de la fuente de corriente REF + R SS S S > μ ( nc Si Q trabaja en saturación: μnc ( ESPEJO E CORRENTE O REF ( / ( / 30

16 Tema 6 ESTRUCTURA FÍSCA REGONES E OPERACÓN POARZACÓN E TRANSSTOR MOEOS E PEQUEÑA SEÑA 3 El transistor t MOS como amplificador polarización ió en la zona de saturación i μ C n ( v T transconductancia t g m i v Q 3

17 Modelo de pequeña señal Objetivo: encontrar un equivalente circuital que interrelacione los cambios incrementales en i, v,, v S,, etc. Puesto que los cambios son pequeños, el circuito equivalente de pequeña señal sólo tiene elementos lineales (capacitores, resistores, fuentes controladas Modelo de pequeña señal Obtención: considérese la variación en la corriente de drenador debido a la variación del voltaje puerta-fuente cuando el MOSFET está en saturación, si todos los demás voltajes permanecen constantes. nput : v ( t v ( t + gs Output : i ( t i ( t + d i d (? v gs 34

18 Modelo de pequeña señal i μ C n ( v T nput : v ( t + vgs ( t Output : i ( t i ( t + d transconductancia g m i i v Q i d g m v gs linealización 35 Evaluando la derivada parcial: Transconductancia g m i μ n v Q (, C ( n g g m m μ C n n a transconductancia es función del punto de operación. Para valores típicos (/0, 00μA yμ n C 50μA/ resulta g m 30μA/0.3mS 0 3mS 36

19 Modelo de pequeña señal más sencillo Qué circuito corresponde a la expresión i d g m v gs? - Una fuente de intensidad controlada por voltaje. 37 Qué es pequeña señal? i i i μ nc n μ n ( v C ( + v μ nc n n n gs + + g m v gs ( + μ C ( v μ C v + μ nc v pequeña señal: gs v << gs ( n gs n n gs 38

20 Resistencia de salida a variación de la intensidad de drenador debido a cambios en el voltaje drenador-fuente viene dada por: g o i μ nc v S S Q ( n λn λn a resistencia de salida r o es la inversa de la conductancia de salida: d r o g λ m o Añadiendo r o al modelo de pequeña señal la intensidad de drenador viene dada por: i g v + (/ r v gs n o ds 39 Modelo de pequeña señal con r o i g v + (/ r v d m gs o ds 40

21 Transconductancia de substrato El terminal B del substrato no siempre está conectado al terminal de fuente S. Para los transistores NMOS se ha de cumplir siempre BS 0, mientras que para los PMOS BS 0. Un aumento en SB resulta en un aumento en el valor del voltaje umbral th y, por tanto, en una reducción en el valor de la corriente de drenador. a variación de la intensidad de drenador debido a cambios en el voltaje SB se representa en el modelo de pequeña señal mediante la transconductancia de substrato g mb. g mb i v BS Q i Q v BS Q 4 Modelo de pequeña señal para baja frecuencia i g v + (/ r v + d m gs o ds g mb v bs 4