Курс 9
Курс 9. Режими транзисторів MOS Автор: Димитрій Галайко Елець-інформаційний навчальний блок для майстра ACSI на UPMC жовтень-грудень 005 У цьому документі транзистор MOS розглядається як електронний компонент. Вважається, що зчитувач має знання про структуру та принцип роботи MOS-транзистора. Короткий зміст статичних характеристик MOS-транзистора MOS-транзистор з n каналом (nmos) у режимі збагачення представлений на електричній діаграмі одним із символів на малюнку. Перший символ позначає транзистор, доступний чотирма точками (дренаж, джерело, затвор і підкладка (насипний)). Транзистор MOS є симетричною структурою щодо стоку та джерела: його символом також є. Другий символ позначає транзистор MOS, в якому джерело підключено до основи всередині компонента. Отже, основа і джерело недоступні як незалежні термінали. Отже, ця структура не є симетричною; біля джерела проведена стрілка. Він вказує на реальний напрям струму в каналі. Рівняння, що описує роботу MOS-транзистора в статичних умовах, записується наступним чином:
G D B G D a) S b) S Рис. Символи для збагаченого транзистора nmos: a) транзистор MOS, доступний за допомогою цих чотирьох терміналів; b) транзистор MOS, джерело якого підключений до основи (основна маса). 0, U GS U th I D = f (u GS, U DS) = (W L µ nc ox (U GS U th) U DS) U DS, < UDS U th. () W L µnc < ox (U GS U th ) UDS U GS U th U GS >U-й Транзистор може бути представлений у вигляді квадруполя, вхідними терміналами якого є затвор і джерело, вихідними - джерело та сток (рисунок). Таким чином, на вході ми маємо напругу джерела затвора U GS і струм IG, на виході напругу стоку джерела U DS і струм стоку I D. I = IDI = IGU = U DS U = U GS Рис. . Транзистор як квадруполь. У статичному режимі струм затвора дорівнює нулю, оскільки затвор електрично ізольований від каналу: I G = 0. ()
5 I D = f (U DS) (4) ПСГ = const. Щоб усвідомити важливість цього другого графіка, слід розуміти, що MOS-транзистор - це нелінійний диполь, характеристика струму та напруги якого контролюється напругою. Диполь утворюється каналом, і саме напруга джерела затвора встановлює його струмовольтну характеристику. Таким чином, вихідна характеристика транзистора - це струмовольтна характеристика диполя, яку транзистор представляє на виході, тобто між стоком і джерелом. Зазвичай візуалізується сімейство характерних графіків струмової напруги диполя стоку-джерела для різних напруг U GS (рис. 5). Характеристика передачі транзистора в режимі насичення Сімейство вихідних характеристик транзистора U GS = 7 V.5.5 U GS = 6 VID, AID, AU GS = 5 V 0.5 0.5 U GS = 4 V 0 0 3 4 5 6 7 8 U GS, VU GS = 3 VU GS = V 0 0 5 0 5 0 U DS, V Рис. 5 Характеристика передачі та вихідна характеристика MOS-транзистора. Транзистор в режимі малого сигналу У режимі малого сигналу нелінійний елемент безперервно працює в одному режимі, використовуючи області його характеристик
7 шукає свій диференціал. Диференціал функції двох змінних виражається як: df (x, y) = f (x, y) dx + xf (x, y) dy (5) y Таким чином, якщо ми наближаємо диференціали невеликими кроками (( f (x, y), x та y), а знаючи, що f (x, y) x = df (x, y) dx, (6) y = const маємо: f (x, y) df (x, y) dx x + y = const df (x, y) dy y. (7) x = const У випадку транзистора невеликі зміни вихідного струму виражаються як: ID = f (U GS, U DS) di D з GS UDS = const U GS + di D з DS UGS = const U DS. (8) Пам'ятайте, що малі компоненти сигналу позначаються малими літерами, а величини, що виражають робочу точку буквами, ми переписуємо (8): i D di D GS UDS = const u GS + di D DS UGS = const u DS. (9) Дві похідні розраховані для значень постійного струму напруг, тобто у виразі (9) константи - малі параметри сигналу. Легко зрозуміти їх фізичний зміст. Параметр gm = di D GS UDS = const ( 0)
0 I Dsat = W L µnc ox (U GS U th), (6), отже, вираз для I D записується так: I D = I Dsat (U DS U GS + U th U X). (7) Малий вихідний опір сигналу в режимі насичення, який зазвичай позначається символом ro (як вихід), визначається як: ro = (di D з GS UDS = const) = UX = UX (8) I Dsat I Dsat And, оскільки в режимі насичення IDI Dsat можна сказати, що: ro = UXID (9) Отже, в режимі насичення диполь стоку-джерела моделюється джерелом струму паралельно опору r o. Це джерело генерує струм інтенсивності, керований напругою затвор-джерело; провідність цього контрольованого джерела становить g m (фігура 7). i g = 0 G D u GS g m u GS r o S Рис. 7 Модель малого сигналу MOS-транзистора в режимі насичення. Транспровідність транзистора в режимі насичення, м м, є найважливішим параметром МОП-транзистора: будучи параметром передачі, саме він визначає коефіцієнт підсилення лінійного підсилювача, виготовленого на основі транзистора.
3 U DD U DD RU out RU out = R DSon (U in) R DSon (U in) + RU DD IDIDU in U in R DSon a) b) U DD RU out = U DD RI D (U in) IDU in ID (U в) в) Рис. 8 Транзистор як підсилювач: а) повна схема, б) модель лінійного режиму, в) модель режиму насичення.
5 Для цього скористаємося графічним методом, який був представлений на уроці 8. Давайте побудуємо вольт-амперні характеристики двох диполів (рисунок 9) із умовами струмів та напруг, таких як I = I, U = U. U вихід IR UDD IUUIDU в IG = 0 RS u в UG = u в генераторі RS Рис. 9 Відображення виходу каскаду двома диполями, з'єднаними паралельно і послідовно. Вольт-амперна характеристика вихідного диполя транзистора змінюється залежно від напруги U GS, отже, доцільно скласти сімейство характеристик (фігура 0). Вольтамперна характеристика диполя "джерела живлення заряду R"-
6 Характеристика передачі транзистора в режимі насичення Сімейство вихідних характеристик транзистора U GS = 7 VID, A.5 4 ID, A.5 6 5 4 U GS = 6 VU GS = 5 V 0.5 3 0 0 3 4 5 6 7 8 U GS, V 0,5 3 U GS = 4 VU GS = 3 VU GS = V 0 0 5 0 5 0 U DS, V 0 U DS, V Зона I Транзистор заблокований 5 Зона II 3 0 Транзистор насичений режим посилення 4 лінійний 5 Транзистор у лінійному 5 режимі 6 Зона III 0 0 4 6 8 0 U GS, V Рис. 0 Графічний метод розрахунку характеристики передачі загального каскаду джерела з резистивним навантаженням.
9 U DD R U out R u out I D i D U in0 u in u in b) a) R u out i D u in g m u in r o c) Рис. Загальний каскад джерела в динамічному режимі: а) діаграма каскаду, б) усі незалежні джерела постійного струму скасовуються (перший крок синтезу діаграми малого сигналу), в) нелінійні елементи замінюються на їхні еквівалентні малі сигнали.