Osnove mikroelektronike Z. Prijić T. Pešić Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektroniku Predavanja 2006.
Sadržaj 1 MOSFET - model za male signale 2 Struja kroz i disipacija snage
Model za male signale Aproksimacija malih signala podrazumeva da se veličine koje karakterišu male signale superponiraju na DC vrednosti. Na primer, ukupna struja drejna i D jednaka je zbiru DC stuje I D i struje malih signala i d. Ukupni napon na drejnu je υ D = V D + υ d. Analiza i projektovanje kola mogu se značajno pojednostaviti odvajanjem proračunavanja za polarizacije DC i malim signalima. Dakle, najpre se postavi radna tačka i izračunaju sve DC veličine, a zatim se može izvršiti analiza kola za male signale zanemarujući DC veličine.
Model za male signale Aproksimacija malih signala podrazumeva da se veličine koje karakterišu male signale superponiraju na DC vrednosti. Na primer, ukupna struja drejna i D jednaka je zbiru DC stuje I D i struje malih signala i d. Ukupni napon na drejnu je υ D = V D + υ d. Analiza i projektovanje kola mogu se značajno pojednostaviti odvajanjem proračunavanja za polarizacije DC i malim signalima. Dakle, najpre se postavi radna tačka i izračunaju sve DC veličine, a zatim se može izvršiti analiza kola za male signale zanemarujući DC veličine.
Model za male signale Aproksimacija malih signala podrazumeva da se veličine koje karakterišu male signale superponiraju na DC vrednosti. Na primer, ukupna struja drejna i D jednaka je zbiru DC stuje I D i struje malih signala i d. Ukupni napon na drejnu je υ D = V D + υ d. Analiza i projektovanje kola mogu se značajno pojednostaviti odvajanjem proračunavanja za polarizacije DC i malim signalima. Dakle, najpre se postavi radna tačka i izračunaju sve DC veličine, a zatim se može izvršiti analiza kola za male signale zanemarujući DC veličine.
Model za male signale Aproksimacija malih signala podrazumeva da se veličine koje karakterišu male signale superponiraju na DC vrednosti. Na primer, ukupna struja drejna i D jednaka je zbiru DC stuje I D i struje malih signala i d. Ukupni napon na drejnu je υ D = V D + υ d. Analiza i projektovanje kola mogu se značajno pojednostaviti odvajanjem proračunavanja za polarizacije DC i malim signalima. Dakle, najpre se postavi radna tačka i izračunaju sve DC veličine, a zatim se može izvršiti analiza kola za male signale zanemarujući DC veličine.
Model za male signale Aproksimacija malih signala podrazumeva da se veličine koje karakterišu male signale superponiraju na DC vrednosti. Na primer, ukupna struja drejna i D jednaka je zbiru DC stuje I D i struje malih signala i d. Ukupni napon na drejnu je υ D = V D + υ d. Analiza i projektovanje kola mogu se značajno pojednostaviti odvajanjem proračunavanja za polarizacije DC i malim signalima. Dakle, najpre se postavi radna tačka i izračunaju sve DC veličine, a zatim se može izvršiti analiza kola za male signale zanemarujući DC veličine.
Model za male signale Zanemaren efekat modulacije dužine kanala MOSFET se ponaša kao naponom kontrolisani strujni izvor: on prihvata napon υ gs izmedju gejta i sorsa i obezbedjuje struju g m υ gs na izvodu drejna. Ulazna otpornost ovog kontrolisanog izvora je veoma velika (beskonačna). Izlazna otpornost se takodje, za sada, može smatrati beskonačnom.
Model za male signale Ostali elementi kola pojačavača sa MOS tranzistorima kod analize malih signala Kod analize malih signala, tranzistor se zamenjuje modelom za male signale, a ostali elementi u kolu ostaju nepromenjeni osim što: idealni naponski DC izvori su kratkospojeni; idealni strujni DC izvori su zamenjeni otvorenom granom.
Model za male signale Uključen efekat modulacije dužine kanala Najveći nedostatak opisanog modela je pretpostavka da struja drejna u saturaciji ne zavisi od napona na drejnu. Struja drejna ima linearnu zavisnost od napona υ DS, koja se može modelirati konačnom otpornošću r 0 izmedju drejna i sorsa: r 0 = V A I D Uobičajene vrednosti za r 0 su izmedju 10kΩ i 1MΩ.
Model za male signale Uključen efekat modulacije dužine kanala Parametri modela za male signale g m i r 0 zavise od DC polarizacije MOSFET-a.
Model za male signale Primer pojačavača i ekvivalentnog kola za male signale
Sadržaj MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage 1 MOSFET - model za male signale 2 Struja kroz i disipacija snage
Struja kroz i disipacija snage CMOS logička kola su se pojavila kao standardna pakovanja za korišćenje u konvencionalnim digitalnim sistemima još početkom 70-tih (SSI i MSI kola). Kasnih 70-tih korišćena su logička kola sa samo NMOS tranzistorima (LSI i VLSI), jer je tadašnja CMOS tehnologija bila previše složena da ekonomski bude isplativa za čipove sa visokim stepenom integracije. Sa poboljšanjem tehnoloških procesa, CMOS tehnologija je u potpunosti zamenila NMOS tehnologiju na svim nivoima integracije, kako za analogne tako i za digitalne primene.
Struja kroz i disipacija snage CMOS logička kola su se pojavila kao standardna pakovanja za korišćenje u konvencionalnim digitalnim sistemima još početkom 70-tih (SSI i MSI kola). Kasnih 70-tih korišćena su logička kola sa samo NMOS tranzistorima (LSI i VLSI), jer je tadašnja CMOS tehnologija bila previše složena da ekonomski bude isplativa za čipove sa visokim stepenom integracije. Sa poboljšanjem tehnoloških procesa, CMOS tehnologija je u potpunosti zamenila NMOS tehnologiju na svim nivoima integracije, kako za analogne tako i za digitalne primene.
Struja kroz i disipacija snage CMOS logička kola su se pojavila kao standardna pakovanja za korišćenje u konvencionalnim digitalnim sistemima još početkom 70-tih (SSI i MSI kola). Kasnih 70-tih korišćena su logička kola sa samo NMOS tranzistorima (LSI i VLSI), jer je tadašnja CMOS tehnologija bila previše složena da ekonomski bude isplativa za čipove sa visokim stepenom integracije. Sa poboljšanjem tehnoloških procesa, CMOS tehnologija je u potpunosti zamenila NMOS tehnologiju na svim nivoima integracije, kako za analogne tako i za digitalne primene.
- osnovno kolo Struja kroz i disipacija snage Sastoji se od dva uparena tranzistora: Q N sa n tipom kanala; Q P sa p tipom kanala; Supstrati tranzistora vezani su za odgovarajuće izvode sorsa.
Ulaz invertora na logičkoj jedinici (υ I = V DD ) Struja kroz i disipacija snage
Ulaz invertora na logičkoj jedinici (υ I = V DD ) Struja kroz i disipacija snage Izlazni napon je blizu 0 (manji od 10mV), struja kroz tranzistore je skoro 0. Disipacija snage u kolu je vrlo mala (manja od µw). Q N obezbedjuje niskootporni put izmedju izlaza i mase: 1 r DSN = [ ( k W n L )n (V DD V tn ) ]
Ulaz invertora na logičkoj nuli (υ I = 0) Struja kroz i disipacija snage
Ulaz invertora na logičkoj nuli (υ I = 0) Struja kroz i disipacija snage Izlazni napon je skoro jednak V DD (manji od njega za oko 10mV), struja kroz tranzistore je skoro 0. Disipacija snage u kolu je i u ovom slučaju vrlo mala. Q P obezbedjuje niskootporni put izmedju izlaza i DC napajanja V DD : 1 r DSP = [ ( k p W ) ] L p (V DD V tp )
MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage Osnovni se ponaša kao idealni invertor. 1 Nivoi izlaznih napona su 0 i V DD, što obezbedjuje odličnu izmenu signala i velike margine šuma. 2 Disipacija snage je skoro jednaka nuli (zanemarujući disipaciju usled struja curenja) za oba logička stanja. 3 Postoji niskootporni put izmedju izlaza i mase ili V DD, što obezbedjuje da je izlazni napon 0 ili V DD, nezavisno od odnosa W /L ili drugih parametara tranzistora. 4 Ulazna otpornost invertora je beskonačna (I G = 0), što znači da se na izlaz invertora može vezati veći broj sličnih invertora bez gubitka u nivou signala.
Fan-in i Fan-out MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage Fan-in: Maksimalni broj logičkih gejtova koji se mogu priključiti na ulazni gejt nekog logičkog kola. Fan-out: Maksimalni broj logičkih gejtova koji se mogu priključiti na izlazni gejt nekog logičkog kola.
Sadržaj MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage 1 MOSFET - model za male signale 2 Struja kroz i disipacija snage
Struja kroz i disipacija snage Potpuna prenosna karakteristika može se dobiti ponavljanjem grafičke procedure opisane za dva prethodna ekstremna slučaja napona υ I :
Struja kroz i disipacija snage V IL niži ulazni napon pri kome je strmina prenosne karakteristike jednaka -1; V IH viši ulazni napon pri kome je strmina prenosne karakteristike jednaka -1; V OH - izlazni napon koji odgovara naponu V IL ; V OL - izlazni napon koji odgovara naponu V IH ; V M - napon pri kome su naponi na ulazu i izlazu invertora jednaki.
Struja kroz i disipacija snage se obično projektuje tako da tranzistori imaju iste vrednosti napona praga (V tn = V tp =V t ); Tranzistori najčešće imaju jednake dužine kanala, ali za dobijanje simetrične prelazne karakteristike širina tranzistora Q P je 2 do 3 puta veća nego kod tranzistora Q N, tako da bude zadovoljen uslov: W p W n = µ n µ p
Struja kroz i disipacija snage Simetrična naponska karakteristika sa naznačenim oblastima rada pojedinih tranzistora
Margine šuma MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage Ako se izlaz jednog logičkog kola optereti drugim logičkim kolima, potrebno je obezbediti da se naponski nivoi sa izlaza prethodnog kola uvek pravilno interpretiraju na ulazu narednog kola. U tom smislu se definišu margine šuma: NM H = V OH V IH NM L = V IL V OL Margina šuma NM H obezbedjuje da se logička jedinica sa izlaza prvog invertora interpretira kao logička jedinica na ulazu drugog invertora. Margina šuma NM L obezbedjuje da se logička nula sa izlaza prvog invertora interpretira kao logička nula na ulazu drugog invertora.
Sadržaj MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage 1 MOSFET - model za male signale 2 Struja kroz i disipacija snage
Struja kroz i disipacija snage Ekvivalentna kapacitivnost C na izlazu invertora uključuje: ulaznu kapacitivnost logičkih kola koja se vezuju na izlaz invertora; parazitnu kapacitivnost veza izmedju kola; parazitnu kapacitivnost osiromašenih oblasti spoja drejn-supstrat tranzistora unutar invertora.
Propagaciono kašnjenje Struja kroz i disipacija snage Brzina rada digitalnog sistema odredjena je propagacionim kašnjenjem logičkih gejtova koji su korišćeni pri projektovanju i realizaciji sistema. Pretpostavka: promene napona na ulazu su trenutne; Ako su tranzistori upareni, kako je kolo simetrično, vremena porasta i opadanja izlaznog signala bi trebalo da budu jednaka.
Na ulaz se dovodi logička jedinica... Struja kroz i disipacija snage Za odredjivanje vremena opadanja izlaznog signala:
Vremena kašnjanja Struja kroz i disipacija snage Vreme pražnjenje kondenzatora t PHL (High-to-Low output prelaz), za uobičajen slučaj V t 0.2V DD : 1.6C t PHL = k n (W /L) n V DD Vreme punjenja kondenzatora t PLH (Low-to-High output prelaz): 1.6C t PLH = k p (W /L) p V DD Propagaciono kašnjenje je: t p = t PHL + t PLH 2
Model za male signale MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage
Sadržaj MOSFET - model za male signale Struja kroz i disipacija snage 1 MOSFET - model za male signale 2 Struja kroz i disipacija snage
Struja kroz i disipacija snage Struja kroz i disipacija snage Struja kroz Kod a struja protiče samo u prelaznom režimu, odnosno pri promeni logičkih stanja invertora. To je i osnovni razlog zbog koga se za kola visokog stepena integracije (VLSI i ULSI) koristi isključivo CMOS tehnologija.
Struja kroz i disipacija snage Struja kroz i disipacija snage Struja kroz Kod a struja protiče samo u prelaznom režimu, odnosno pri promeni logičkih stanja invertora. To je i osnovni razlog zbog koga se za kola visokog stepena integracije (VLSI i ULSI) koristi isključivo CMOS tehnologija.
Struja kroz i disipacija snage Struja kroz i disipacija snage Disipacija snage Energija na kondenzatoru je CVDD 2 /2, što znači da je PMOS tranzistor da bi napunio kondenzator C naelektrisanjem koje obezbedjuje napon na njegovim krajevima V DD disipirao energiju CVDD 2 /2. Slična analiza važi i za pražnjenje kondenzatora. Ukoliko menja stanje f puta u sekundi, onda je dinamička snaga disipacije na njemu: P D = fcv 2 DD Druga komponenta disipacije snage odnosi se na prelazni režim a. U tom slučaju su oba tranzistora uključena i kroz kolo teče struja od izvora V DD do mase.