DETERMINAREA CARACTERISTICILOR DE REGIM STATIC PENTRU INVERSOARELE REALIZATE CU TRANZISTOARE NMOS I. Analiza regimului static Toate informaţiile vor fi obţinute prin vizualizarea caracteristicii statice de transfer (CST) obţinută printr-o analiză de cc (DC Sweep) ale unor variante de inversoare NMOS având ieşirea în gol. Variantele analizate vor fi: inversorul cu sarcină rezistivă (IR), inversoarele cu sarcină activă (tranzistor NMOS): IAI sarcina este tranzistor NMOS varianta cu canal indus (cu îmbogăţire - enhancement) şi respectiv IAS unde sarcina este tranzistor NMOS varianta cu canal iniţial (cu sărăcire - depletion). Se va determina tensiunea de prag VP a inversorului, nivelele logice de intrare/ieşire şi se va mai vizualiza evoluţia curentului de alimentare IDD pentru a pune în evidenţă dependenţa acestuia de nivelele logice ale ieşirii. Se vor modifica unele din proprietăţile circuitului pentru a pune în evidenţă dependenţa unora din caracteristicile anterioare de aceste proprietăţi (valori). Etapele de lucru sunt următoarele: I.1. Se va construi circuitul din figura alăturată (IR). Procedurile utilizate sunt cele din exemplele anterioare. Se stabilesc proprietăţile dispozitivelor (valori, nume). Tranzistorul MOSFET cu canal n, M1 (model MBREAKN3 din biblioteca BREAKOUT, al cărui simbol care are implicit legat substratul cu drena!) are toate proprietăţile modelului implicit, acesta fiind utilizat pentru analiza iniţială. Se creaza un nou profil de simulare si se configurează analiza de cc (DC Sweep): pentru obținerea CST sursa din intrare VIN îşi va modifica valoarea între 0 şi 5V (=VDD) cu pasul de 0.1V, prin configurarea corespunzătoare a analizei de cc (DC Sweep..). Parametrii analizei de cc nu se vor mai modifica în continuare. I.2. Se lansează analiza (PSpice -> Run). SPICE va lansa automat fereastra de vizualizare rezultate ("Probe window"). Pentru afişarea graficul care reprezintă imaginea CST, din meniul "Trace" se alege opţiunea "Add Trace..."; din lista de variabile din partea stângă se selectează (Click) V(VOUT). Se vor identifica nivelele logice de intrare VIL, VIH (delimitare zone de stabilitate 0..VIL max şi VIH min..vcc) respectiv ieşire VOL, VOH (valori unice în acest caz ). Alternativ si mai simplu, utilizaţi markerii de tensiune! I.3. Se va determina tensiunea de prag a inversorului ca fiind valoarea tensiunii de intrare pentru care VOUT=VIN (dată de intersecţia dreptei de ecuaţie Vout=Vin cu CST ). 1
Pentru aceasta cel mai simplu este să facem vizibilă pe grafic şi evoluţia potenţialului nodului de intrare - borna pozitivă a sursei de intrare (Trace -> Add Trace...-> V(VIN:+)). Punctul de intersecţie se proiectează pe axa orizontală, rezultând tensiunea de prag VP. I.4. Se va vizualiza evoluţia curentului de alimentare IDD =f(vin) Pentru aceasta cu: Trace, Add Trace..., se introduce în linia de comandă a dialogului expresia: -I(VDD). Semnul minus este necesar pentru a da sensul real al curentului prin raportare la nodul de alimentare al inversorului. Se vor identifica cei doi curenţi de alimentare în cele două stări logice ale ieşirii: IDDL şi IDDH. Observaţie: Spre deosebire de circuitele bipolare evoluţia curentului de intrare Iin nu este relevantă pentru analiza de cc el având valori nesemnificative, de ordinul pa la temperatura de 27 C (este curentul de grilă pentru MOSFET). I.5. Se vor pune în evidenţă o serie de mărimi caracteristice ale circuitului care condiţionează CST. I.5.1. Valoarea rezistenței de sarcină/drenă RD Se păstrează caracteristicile modelului implicit al tranzistorului şi se modifică RD=20K. Se repetă analiza; se modifică RD=200K şi se repetă analiza; pentru fiecare din cele două situaţii determinaţi VOL şi VP. Comentaţi efectul asupra CST. I.5.2 Parametrii tranzistorului (modelul MOSFET) Se vor modifica parametrii modelului implicit Spice pentru tranzistorul unipolar MOSFET, astfel încât modelul să fie asemănător tranzistoarelor utilizate, în tehnologie monolitică, la realizarea circuitelor digitale. În Anexă sunt prezentaţi parametrii tranzistorului MOSFET (37 la număr) şi valorile lor implicite. Din fericire numai o mică parte din aceşti parametrii sunt relevanţi (pentru scopurile noastre) într-o o analiză de cc, acelaşi lucru putându-se spune şi despre analiza de tranzitoriu. Restul parametrilor pot rămâne la valorile modelului implicit. Se selectează tranzistorul (Click pe tranzistor), iar din meniul "Edit" se alege opţiunea "PSpice model" care se va lansa utilitarul PSpice Model Editor Lite. Sintaxa care defineşte proprietăţile modelului implicit MbreakN este:.model MbreakN NMOS Pentru început se modifică doar tensiunea de prag a tranzistorului la VTO=1.5V (valoarea implicită fiind 0V o variantă "neutră" de tranzistor); prin intermediul acestui parametru tranzistorul poate fi configurat ca fiind unul cu sărăcire (canal iniţial) pentru VTO < 0 sau unul cu îmbogăţire (canal indus) cu VTO > 0. Atenție, nu există simboluri diferite pentru cele două variante de tranzistoare! Pentru a diferenția noul model de modelul implicit se va modifica şi numele modelului in MBreakN-I!!!. Noul model al tranzistorului va avea sintaxa:.model MbreakN-I NMOS VTO=1.5 - După modificarea parametrilor se salvează noul model (File -> Save) şi se părăsește programul "PSpice Model Editor Lite ". - Se revine la RD=100K. Se repetă simularea cu vizualizarea doar a CST (VOUT) şi se determină din nou mărimile: VIL max, VIH min, VOL, VOH, VP. Observaţii: a. Este acum evident (deoarece VT0=0V) de ce zona de stabilitate a CST obţinută anterior, corespunzătoare ieşirii în "1" este practic punctiformă (la VOH=5V). b. Practic tranzistorul inversor este întotdeauna în varianta cu canal indus pentru asigurarea compatibilităţii intrare/ieşire (VGS şi VDS au acelaşi semn). În continuare se va modifica parametrul KP numit parametru transconductanţă şi care este o măsură a conductanţei gm a tranzistorului MOSFET. Unitatea de măsură este A/V 2, 2
valoarea implicită fiind de 20uA/V 2 (2E-5 ua/v 2 ). Se măreşte la KP = 8E-5, modelul tranzistorul având acum sintaxa:.model MbreakN-I NMOS VTO=1.5 KP=8E-5 Se repetă simularea şi se determină aceleaşi mărimi observându-se efectul asupra CST. Se revine la valoarea implicită a lui KP=2E-5 şi acum se modifică acum (se măreşte) raportul W/L, unde: W(idth) - lăţimea canalului şi L(ength) - lungimea canalului, cu valorile implicite de 100um; Se păstrează W=100um şi se face L=25um (W/L=4 ), deci am mărit raportul de atâtea ori de cât, anterior, am mărit pe KP. Sintaxa modelului tranzistorului este:.model MbreakN-I NMOS VTO=1.5 KP=2E-5 W=100 L=25 Se repetă simularea şi se determină aceleaşi mărimi observându-se efectul asupra CST. I.6. Se construieşte (se poate modifica şi circuitul anterior) circuitul din figura alăturată: inversorul cu sarcină activă cu îmbogăţire (IAI) - sau cu canal indus. Pentru tranzistorul inversor M1 sintaxa modelului va fi:.model MbreakN-I NMOS VTO=1.5 KP=8E-5 W=100 L=25 Tranzistorul de sarcină M2 va avea modificata doar tensiunea de pragvt0 = 1.5V şi se va utiliza si salva modelul sub numele MbreakN-L!! (obţinut prin editarea modelului implicit):.model MbreakN-L NMOS VTO=1.5 Se repetă analiza şi se determină mărimile de interes. Care este principala diferenţă prin raportare la CST vizualizată anterior? I.7. Se modifică circuitul anterior pentru a obţine un inversor cu sarcină activă cu sărăcire IAS - sau cu canal iniţial (vezi figura următoare). Se păstrează modelul tranzistorului inversor M1, dar pentru tranzistorul de sarcină M2 se modifică doar tensiunea de prag la VT0 = -1.5V astfel încât să devină un tranzistor cu sărăcire. Noul model va avea sintaxa:.model MbreakN-L2 NMOS VTO = -1.5 Se repetă analiza şi se determină mărimile de interes. 3
Sinteza mărimilor determinate si a vizualizărilor I.2., I.3 Caracteristica statică de transfer, valori VIL, VIH,VOL, VOH, tensiune de prag VP I.4. Caracteristica de alimentare IDD = f(vin), valori IDDL şi IDDH I.5.1. Caracteristica statică de transfer si valori VOL şi VP pentru cele 2 valori ale RL; comentariu I.5.2 Caracteristica statică de transfer, valori VIL, VIH,VOL, VOH, tensiune de prag VP doar pentru KP=8E-5. I.6. Caracteristica statică de transfer, valori VIL, VIH,VOL, VOH, tensiune de prag VP ; răspuns întrebare. I.7. Caracteristica statică de transfer, valori VIL, VIH,VOL, VOH, tensiune de prag VP TEMA DE CASA Punctul I.6 se va repeta pentru următorul circuit, in care grila tranzistorului de sarcină este polarizată prin sursa auxiliara VGL=7V. Parametrii modelelor pentru cele două tranzistoare sunt aceiaşi (I.6). Ce se obţine? 4
Anexă Lista parametrilor care pot fi definiţi în sintaxa.model MOSFET. Parametrii Nume MOS pentru un tranzistor unipolar LEVEL Numărul modelului (1 este cel mai simplu). 1 VTO Tensiunea de prag. 0V Valoare Implicită/UM KP Parametru transconductanţă. 2.0x10-5 AV -2 GAMMA Factorul de substrat. 0 V 1/2 PHI Potenţialul de suprafaţă. 0.6 V LAMBDA Parametru de modulare a lungimii canalului 0 V -1 RD Rezistenţa serie a drenei. 0 Ω RS Rezistenţa serie a sursei. 0 Ω RSH Pătratul rezistenţei de difuziune D/S. 0 Ω/ CBD Capacitatea joncţiunii BD la polarizare nulă. 0 F CBS Capacitatea joncţiunii BS la polarizare nulă. 0 F CJ Capacitatea joncţiunii D/S la polarizare nulă. 0 F MJ Coeficientul de "gradare" al joncţiunii DB/SBC. 0.5 CJSW Capacitatea laterală a joncţiunii DB/SB la polarizare nulă 0 F MJSW Coeficientul de "gradare" al joncţiunii de laterale DB/SB. 0.33 PB Diferenţa internă de potenţial a joncţiunii DB/SB. 1 V IS Curentul de saturaţie al joncţiunii DB/SB. 10-14 A JS Densitatea curentul de saturaţie al joncţiunii DB/SB. 0 A/m 2 CGDO Capacitatea de suprapunere GD pe unitatea de lăţime a canalului. 0 Fm -1 CGSO Capacitatea de suprapunere GS, pe unitatea de lăţime a canalului. 0 Fm -1 CGBO Capacitatea de suprapunere GB pe unitatea de lăţime a canalului. 0 Fm -1 NSUB Doparea substratului. 0 cm -3 NSS Densitatea stărilor de suprafaţă. 0 cm -2 NFS Densitatea stărilor de suprafaţă rapide. 0 cm -2 TOX Grosimea oxidului subţire infinit m TPG Tipul de conductivitate al porţii: +1 opus cel al substratului; 1-1 la fel ca cel al substratului. XJ Adâncimea joncţiunii metalurgice. 0 m LD Difuzia laterală 0 m UO Mobilitatea la suprafaţă 600 cm 2 /Vs UCRIT Câmpul critic pentru degradarea mobilităţii (LEVEL=2) 1x10-1 V/cm UEXP Exponentul câmpului critic pentru degradarea mobilităţii 0 VMAX Viteza de drift maximă. 0 m/s NEFF Coeficientul sarcinii totale (fixe şi mobile) din canal (LEVEL=2) 1 XQC Indicator al modelului capacităţii oxidului subţire şi coeficientul de alocare 1 către drenă a sarcinii din canal (0-0.5) DELTA Efectul lăţimii canalului asupra tensiunii de prag. 0 THETA Modularea mobilităţii (LEVEL = 3) 0 V -1 ETA Coeficientul de reacţie static (LEVEL = 3) 0 KAPPA Factorul câmpului de saturaţie (LEVEL = 3) 0.2 B-Base (baza) S-Substrate (substrat) 5