Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ Εισαγωγή στα Ολο. Κυκλ. Φυσική MOS Ενισχυτές ενός σταδίου Διαφορικοί Ενισχυτές Καθρέφτες Ρεύματος Απόκριση Συχνότητας Ηλεκτρικός Θόρυβος Ανατροφοδότηση Σχεδιασμός Τελεστικών Ενισχυτών (ΤΕ) Ευστάθεια και Αντιστάθμιση Κυκλώματα Αναφοράς Required Text: esign of Analog CMOS Integrated Circuits Behzad Razavi Copyrighted Images reproduced with kind permission of The McGraw-Hill Companies, Inc. Εισαγωγή σε Βασική Φυσική Στοιχείων MOS Αναθεώρηση :. δομής των MOSFET. βασικής φυσικής των ημιαγωγών 3. Σχετικά Μαθηματικά Μοντέλα Στόχος: Συσχέτιση μοντέλων με δομή Κατανόηση δυνατοτήτων των μοντέλων
MOSFET ως Διακόπτης Σε NMOS, ότανηπύληείναισεψηλήτάσηενώνονταιηπηγή και η υποδοχή πηγή πύλη υποδοχή Σε τι τάση ανοίγει η πύλη; Τι αντίσταση έχει; Η αντίσταση εξαρτάται από την τάση πηγής και υποδοχής; Η αντίσταση είναι πάντοτε γραμμική; Τι περιορίζει την ταχύτητα του στοιχείου αυτού; 3 Δομή MOSFET Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο πηγή πύλη υποδοχή Οξίδιο p- υπόστρωμα 4
NMOS και PMOS στο ίδιο τεμάχιο Σώμα πηγάδι 5 Σύμβολα MOS 6 3
Δημιουργία Καναλιού Γίνεται «αναστροφή» τον φορέων στο κατώφλι V 7 Τάση Κατωφλίου (Threshold Voltage) Χωρητικότητα/m V Φ MS + Φ F + Q dep / C Φ MS > διαφορά έργου μεταφοράς σε πολυκ. πυρ. & πυρ. Δυναμικό Fermi (Φ F ) (kt/q) ln( N sub /n i ) Q dep 4qε Φ Si F N SUB Eg. N sub 0 m -3, n i.4 0 6 m -3 Φορτίο (Charge) στη περιοχή kt/q 5mV απογύμνωσης (epletion region) Φ F 0.8V διηλεκτρική σταθερά 8 4
Τάση Κατωφλίου (Threshold Voltage) Η «έμφυτη» τάση κατωφλίου μπορεί να είναι πολύ χαμηλή Διορθώνεται με επιπρόσθετη εμφύτευση ιόντων στο κανάλι Δυναμικό Fermi (Φ F ) (kt/q) ln( N sub /n i ) 9 Τομή Σε Ημιαγωγό Ράβδο m Q d > πυκνότητα φορτίου (Coulombs / μέτρο) ν > ταχύτητα φορτίου (m/s) τότε: I Q. d v 0 5
Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/Ρεύματος (I/V characteristics) Τι πυκνότητα φορτίου στο κανάλι; Q CV φορτίο στο κανάλι/ μέτρο Q d C ( V ) (σε Coulombs / μέτρο) τάση στο κανάλι στο σημείο x Qd(x) C(V (x) V) (σε Coulombs / μέτρο) Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/Ρεύματος (I/V characteristics) Qd(x) C(V (x) V) (σε Coulombs / μέτρο) Απο I Q. d v I C[V V(x) V]v Ταχύτητα v μe and dv ( x) E( x) dx κινητικότητα των ηλεκτρονίων Ηλεκτρικό πεδίο I C[V V (x) V]μn dv(x) dx 6
Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/Ρεύματος (I/V characteristics) I C[V V (x) V]μn dv(x) dx I x 0 dx V V 0 C μ n[ V ( x) ] dv I μnc [(V V)V V ] Tριοδική περιοχή! 3 Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/Ρεύματος (I/V characteristics) I I μnc V [( V μnc V V ) V V [( V ) ] 0 ] Αντικαθιστούμε το V στο I και... I μnc ( V ) Περιοχή Κορεσμού! 4 7
Χαρακτηριστικές Ρεύματος/Τάσεως (I/V) Η εξισώσεις & αποτελούν την βάση για σχεδιασμό αναλογικών κυκλωμάτων! Από την βρίσκουμε ότι: I μnc [( V ) V V ] όταν V << ( V ) R ON V I μnc ( V ) 3 Γραμμική Τριοδική Περιοχή! 5 Τί Γίνεται Όταν V >V -V ; Το ρεύμα I δεν ακολουθεί την παραβολική καμπύλη της 6 8
Τί Γίνεται Όταν V >V -V ; I ' μ C ( V V ) Περιοχή Κορεσμού! n Όταν είναι μεγάλο το μήκος, και έτσι δεν αυξάνεται το ρεύμα αισθητά 7 Κορεσμένο MOS ως Πηγή Ρεύματος 8 9
Διαγωγιμότητα g m (Transconductance) n ' Διαγωγιμότητα είναι μέτρο για πόσο καλά μετατρέπεται μια τάση στην πύλη σε ρεύμα στην υποδοχή. Ορίζεται: g m I V V I μ C gm μnc I ( V V ) μnc ( V ) I V V 9 Αναγνώριση Περιοχών Λειτουργίας Κορεσμός όταν: V V - V 0 0
Δευτερεύουσες Επιδράσεις Επίδραση (της τάσης του) Σώματος (Body Effect) Διαμόρφωση στο μήκος του καναλιού (Channel ength Modulation) Υποκατωφλιακή αγωγή (Subthreshold Conduction) Επίδραση της Τάσης του Σώματος (Body Effect) Θυμηθείτε Q V ΦMS + ΦF + C dep V B Ελκύει οπές Q dep V Συντελεστής επίδρασης σώματος V V γ ( ΦF + VSB ΦF ), γ 0 + qεsin C sub
Πως Επηρεάζει το Σώμα τον Σχεδιασμό Κυκλωμάτων; No Body Effect ith Body Effect Γενικά περιπλέκει τον σχεδιασμό! Αποτελεί επιπρόσθετη είσοδο σήματος Οι τεχνολογίες σχεδιάζονται ώστε να μειωθεί το «γ» 3 Διαμόρφωση του μήκους του καναλιού (Channel length Modulation) I μnc gm μnc ( V Συντελεστής διαμόρφωσης καναλιού ) ( + λv (V V)( + λv) ) g m μ nc I( + λv) Σε σταθερό I μειώνεται η διαγωγιμότητα λόγο channel length modulation 4
Υποκατωφλιακή Αγωγή Χρήσιμη περιοχή για κυκλώματα χαμηλής ισχύος Δημιουργεί προβλήματα για ψηφιακά συστήματα Έχει μεγαλύτερη διαγωγιμότητα g m I I V exp ζ kt q kt q 0 όταν V ds 5 ( 5mV ) Υποκατωφλιακή παράμετρος / Subthreshold parameter 5 Μοντέλα Στοιχείων MOS Φυσικό Σχέδιο MOS Χωρητικότητες Στοιχείων MOS Μοντέλο Μικρού σήματος των MOS 6 3
Φυσικό Σχέδιο MOS 7 Χωρητικότητες Στοιχείων MOS C C C qε /(4Φ si N sub F C C C ov 3 C C ] j 4 j0 /[ + VR / Φ B Ανάστροφη τάση πόλωσης m ) Έμφυτο Δυναμικό Ένωσης ~0.3 8 4
Χωρητικότητες G-S & G- C. C C GB C + C C C G σε περιοχή επικάλυψης C C SB B f ( V ) R 9 Διαφορά Μοντέλων Μικρού και Μεγάλου Σήματος Όλα τα μοντέλα που καλύψαμε μέχρι στιγμής είναι μεγάλου σήματος Εάν βάλουμε ένα σήμα τύπου: v V + v gs Πόλωση σήμα το σύνολο ρεύματος στη υποδοχή ενός κορεσμένου MOSFET είναι: I μnc ( V + v ) gs 30 5
Διαφορά Μοντέλων Μικρού και Μεγάλου Σήματος ( V ) v ) I μnc + gs Μη γραμμική παραμόρφωση I μ nc n gs + μ n C ( V ) + μ C ( V ) v μ C v v gs << μ C n ( V ) v gs n gs v ( V ) gs << Συνθήκη για να ισχύει μοντέλο μικρού σήματος 3 Μοντέλο Μικρού σήματος των MOS (Χαμηλών Συχνοτήτων) μnc I ( V ) ( + λv ) gm μnc (V V)( + λv) V ro I I / V μnc ( V ) λ ro λi 3 6
Διαγωγιμότητα Σώματος, g mb (Bulk Transconductance) g mb I V Also, BS μnc gm ( V V ) V V nc η I μ ( V ) BS V + γ ( ΦF + VSB Φ ) 0 F V VBS V VSB γ (ΦF + VSB) / g mb g m γ Φ F + V SB ηg m (η<0.) 33 Αντίσταση πύλης 34 7
Μοντέλο Μικρού σήματος των MOS (Υψηλής Συχνότητας) 35 MOS έως Πυκνωτής (Χαρακτηριστικές C-V) C Απογυμνωμένο κανάλι 36 8