N - iscte
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Fundamentos de Electrónica Transístores de Efeito de Campo Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET Roteiro Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos Modelo de alta-frequência Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2 Transístor de efeito de campo de reforço Gate SourceS G Oxide Layers D Drain W N L Drain – Dreno Source – Fonte Gate - Gate N Channel P Body (substrate) B Transistor NMOS de enriquecimento Valores típicos: L=1 to 10 m W=2 to 500 m Oxid layer = 0.02 to 0.1 m Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 3 Funcionamento Vds Vgs S D G N P Região de depleção N Em funcionamento normal as junções (S e D) estão ao corte Channel B Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Notar que o dispositivo é simétrico se não contarmos com a ligação S-B 4 Criação do canal Canal S D G N P N NMOS B Vgs > Vt Diz que se forma o Canal A gate e o canal formão as placas de um condensador Channel Canal tipo N A aplicação de uma tensão positiva na gate atrai electrões de forma a se formar uma região tipo N (inversão de população) Vt -> Tensão Formação de canal de Limiar Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 5 FET NMOS FET – Canal N PMOS FET – Canal P FET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado -> Vt > 0 FET Depleção – O canal é pré implementado. Este é removido aplicando uma tensão negativa na gate. Vt < 0 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 6 Funcionamento na zona de tríodo iD Vds Vgs Vgs=Vt+3V Canal S D G N Vgs=Vt+2V Vgs=Vt+1V N ID P Vgs<Vt Channel B vds Para Vds pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7 Saturação Vgs Vds Canal S G N Canal D N Saturado P tríodo B Quando Vds aumenta a tensão Vgd diminui até se tornar inferior a Vt. O canal fecha-se do lado do dreno (pinch-off), e o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona de Saturação. Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 8 Curvas características Zona de tríodo Vgs<2V Vgs<1.8V Zona de saturação Vt=1V Vgs<1.6V Vgs=1.4V Vgs<Vt M1 Vds Vgs Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 9 Equações Região de tríodo W 1 2 iD k n vGS VT vDS vDS L 2 Valores típicos n 580 cm2 / Vs tox 0.02 to 0.1m Constante dieléctrica kn nCox Região de saturação ox 3.5 1013 F / cm Cox 0.35 fF / m2 para t ox 0.1m Cox 1.75 fF / m 2 para t ox 0.02m W 2 iD k n vGS VT L kn 100A / V 2 para t ox 0.03m kn 20A / V 2 para t ox 0.1m Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 10 PMOS Canal S D G Vt -> Tensão de Limiar Vt < 0 P P Vgs < Vt N Channel Formação de canal B Canal tipo P Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 11 CMOS Oxido isolante S N G D S P N P G D P N Poço N (N Well) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 12 Símbolos PMOS NMOS D S ID G G ID D S S D G G ID ID S Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 D 13 Equações PMOS Região de tríodo W 1 2 iD k n vSG VT vSD vSD L 2 kn nCox Região de saturação Vgs W 2 iD k n vSD VT L Vds S G D Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 14 Modelação de canal 1 W 2 k vGS VT 1 vDS 2 L VA 1/ VA 200 a 300V 1 rO I D VA Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15 Modelação de canal N N L P O aumento de VDS faz diminuir a largura efectiva do canal (L), resultando num aumento da corrente no dreno. Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 16 NMOS de depleção Canal já está implantado. Conduz com VGS=0 VT 0 6,0E-05 Id (A) 4,0E-05 reforço 2,0E-05 depleção 0,0E+00 -2,0E-05 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Vgs (V) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 17 PMOS de depleção Canal já está implantado. Conduz com VGS=0 VT 0 6,0E-05 Id (A) 4,0E-05 reforço 2,0E-05 depleção 0,0E+00 -2,0E-05 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Vgs (V) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 18 Exercícios Pagina 12 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 19 Efeito da temperatura Vt diminui cerca de 2mV por ºC K diminui com a temperatura (efeito dominante) k C n n ox Corrente diminui com a temperatura Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 20 Efeito de corpo Nivel de fermi (parametro físico) VT depende de VSB VT VT 0 2q NA S Cox VT VT 0 2 2 f 2 f 0.6V 2 f VSB 2 f tipico 0.5V 1/ 2 VSB VT 0 0.32VSB Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 21 Disrupção Disrupção Punch Through Pode dar-se a disrupção da junção Drain-Boby para valores de Vds elevados. (50 a 100V) Quando a tensão Vds atinge valores (20V) tais que a região de depleção da junção Drain-body se estende través do canal até à source. Disrupção do Oxido Vgs atinge valores de cerca de 50V. Destrutiva. Diodos limitadores. Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 22 MOSFET como amplificador Montagem para analise do MOSFET como um amplificador A variação do pequeno sinal vgs vai provocar a variação da corrente id que por sua vez irá provocar a variação de vo. VDD Analise para pequenos sinas: Temos, vGS=VGS+vgs R1 1kohm Vo M1 vgs Vgs vGS vGS VGS vgs Sinal total (mM) Grande sinal ou componente DC (MM) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 pequeno sinal ou componen te AC (mm) 23 Analise de pequenos sinais VDD R1 1kohm Vo vgs M1 Vgs Pequenas variações em Vgs produzem variações em Vo. Desde que estas variações sejam pequenas a relação é linear. Temos: vo AV v gs vGS VGS vgs vO VO vo AV Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 - Ganho de tensão 24 Analise de pequenos sinais iD 1 W 1 W 2 2 k n vGS Vt k n VGS vgs Vt 2 L 2 L 1 W W 1 W 2 2 k n VGS Vt k n VGS Vt vgs k n vgs 2 L L 2 L Para vgs 2VGS Vt iD I D id id k n Podemos desprezar o ultimo termo e fica: com W gm k n VGS VT L W VGS VT vgs gm.vgs L O ganho de tensão será: Av vo gm RD vgs Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 25 Modelo de pequenos sinais Modelo Modelo T D G v gs r D iC gm . v gs iC gm . v gs G 1 / gm S gm k n W VGS VT L ou W gm 2kn I D L 2I D gm VGS VT S Por separação da fonte de corrente em duas fontes ou gm menor do que dos BJT Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 26 Incorporando o efeito de Early Modelo aumentado D G v gs rO ro modela o efeito de modelação de canal. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. S VA rO ID Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 27 Transcondutância de corpo D G + vGS S gm.vGS B ro gmB.vBS - + vBS - iD gmB gm vBS 2 2 f VSB Para Vsb=0 0.5 0.322 2 0.6 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 28 Técnicas de polarização Circuitos discretos: VDD VDD VDD VDD VDD Rd Rg1 Rd Rd Rd Rg Rg Rs Rg Rg2 Rs VSS Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 29 Técnicas de polarização Circuitos integrados: VDD VDD Espelho de corrente Rd Andar de amplificação Rp Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 30 Circuitos de viragem de corrente Com uma sucessão de espelhos de corrente pode alterar o sentido da corrente Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 31 Configurações básicas amplificadoras de um único andar Implementação em circuito integrado, com cargas activas (transístores) em vez de resistências. VDD VDD VDD Vo Vo Vi Vo Vi Vi Fonte comum: Ganho de tensão elevado Gate comum: Boa resposta em frequência Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Dreno comum: Ganho de corrente elevado 32 Fonte comum (source) VDD VDD Ganho de tensão: Q2 AV gm(ro1 // ro2 ) vo I1 + vi - Q1 RI RO ro1 // ro2 Modelo de pequenos sinais: + vGS gm.vGS ro1 ro2 - Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 33 Fonte comum Curva de transferência Região de funcionamento Q1 I II III Q2 I off II Sat Triu III Sat Sat IV Triu Sat IV É utilizada realimentação para garantir o funcionamento na zona III. Não é influenciada pelo efeito de corpo Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 34 Gate comum VDD VDD Q3 AV ( gm1 gmB1 1 / ro1 )(ro1 // ro2 ) Q2 vi vo v ( gm1 gmb1 )vi O ro1 rO 2 vo 1 vi gm1 gmb1 (ro1 // ro2 ) ro1 Vbias Q1 + vi - ro1 1 1 Ri gm1 gmB1 ro2 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 ro1 ( gm1 gmB1 )vi ro2 35 Andar Dreno Comum (Source Follower) Vdd G I1 vi Q1 v gs1 gm.v gs1 - Vo S Q3 + Vo ro1 ro2 Q2 G + vGS1 S Vss gm RS gm vI vI 1 gm RS 1 ro1 1 ro2 gm gmB vO 1 AV vI 1 - gm vGS1 Vo ro2 // ro1 // vO (vI vO ) gm RS vO gmB .vO 1 gmB RO ro1 // ro2 // 1 gm // 1 gmB 1 RO gm(1 ) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 36 Tecnologia NMOS VDD VDD 5V AV 5V (W / L)1 1 (W / L) 2 1 2 AV Q2 OUT IN (W / L)1 1 (W / L) 2 OUT IN Q1 Q1 OFF Vdd-Vt2 A Com transístor de depleção Q1 Saturação B Q1 Tríodo Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 37 Inversor CMOS VDD iD QP vGSN VON VDD vI VDD vSGP 0 Vo Vi P – Zona Saturação N – Zona Tríodo Operação vOL 0 QN vO vGSP VON VDD vI 0 N – Zona Saturação P – Zona Tríodo vSGN 0 vOH VDD Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 38 Característica de transferência Qn OFF Qn Saturação Qp tríodo Declive -1 Vdd/2 +Vt Qp e Qn na Saturação Vdd/2 -Vt Qp Saturação Qn tríodo Declive -1 VOL OL Qp OFF VIL VIH Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 39 Margens de Ruído - Cálculo de VIL Zona triúdo Zona saturação vI VT vO 1 vO 2 1 VDD vI VT 2 2 2 vO 1 v I vO vO vO (vI VT ) vO VDD vI VT vI vI Derivando vO vI VT vO VDD vI VT vO Assume-se que o dispositivo é simétrico: WP N WN P k N N COX VDD V vI VOL VIH DD 2 2 k P P COX Substituindo em cima resulta 1 5VDD 2VT 8 1 VIL 3VDD 2VT 8 VIH E 1 NM H VOH VIH (3VDD 2VT ) 8 1 NM L VIL VOL (3VDD 2VT ) 8 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 40 Operação dinâmica Vo Vi Vdd Região tríodo Região saturação t Vdd Vdd/2 t PHL Resulta para o tempo de propagação: t PHL Vt 1 3V 4Vt ln DD V V 2 VDD W k n VDD Vt DD t L n 2C t PLH Vt 0.2VDD Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 t 1.6 C t PHL W kn VDD L n 41 Fluxo de corrente e dissipação de potência I VtN VDD/2 VDD VtN A carga fornecida será Q C VDD VDD VI E a energia E Q VDD C VDD 2 A potencia será P f C VDD 2 Para uma dada tecnologia é conhecido o produto atraso potência: DP PD t P PD / f CVDD Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2 42 Modelo de alta frequência Capacidade da gate Tríodo C gs C gd Saturação 1 W L COX 2 2 C gs W L COX 3 C gd 0 C gs C gs W LOV COX Corte C gs C gd 0 C gb W L COX C gd C gd W LOV COX Capacidade das junções Csb0 Csb V 1 SB VO Cdb0 Cdb V 1 DB VO Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 43 Modelo de alta frequência Cgd G D gm.v gs gm.vbs ro Cgs Cdb S Csb B Modelo simplificado Cgd G D gm.v gs Produto ganho largura de banda: ro Cgs S Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 fT gm 2 (Cgs Cgd ) 44 O MOSFET com um interruptor Para tensões vds pequenas o MOS comporta-se como uma resistência da valor: rD id vds kn W L vds0 1 2 ( v V ) v gs T ds 2 vds W k n vgs VT vds L VDD 5V 5V 7V -5V -3V 1 2 |Vt|=2V Vt=2V vo 5V 1000Hz 0Deg Rl Cl vo Rl Cl 5V 1000Hz 0Deg VDD -5V VDD 5V Entre -3V e 3V ambos conduzem >3V Qp conduz, <3V Qn conduz Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 45 Porta de Transmissão Vdd -5V C C IN OUT C OUT -5V Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 C 46 Parâmetros Tensão de limiar Vt 0 VT0 V 0 KP A/V^2 2E-5 Efeito de corpo kn k p GAMMA V^(1/2) 0 Modelação de canal LAMBDA V^-1 0 t ox Lov 2 f TOX m 0 LD m 0 PHI V 0.6 N A ND NSUB cm^-3 U0 cm^2/Vs 600 RS 0 Transcondutância do processo Espessura do oxido Difusão lateral Dopagem Mobilidade Resistência da fonte RS Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 47 Parâmetros Resistência do dreno RD Capacidade da junção de corpo com polarização nula C j0 Coeficiente de gradação m Capacidade de sobreposição gate fonte Cov “ ” gate fonte Tensão interna da junção RD 0 CJ F/m^2 0 MJ 0.5 CGSO F/m 0 Cov CGDO F/m 0 Vo PB V Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 48 Dedução das equações v(x) é o potêncial no canal vgx vgs v(x) Cox ox tox dq(x) é a carga por unidade de compriment o dq( x) CoxW dx vgs v( x) VT E ( x) dv( x) dx dvx i n dq( x) E n CoxW (vgs vx VT ) dx Integrando de 0 a L ou o que é equivalente de 0 a Vds vDS L i dx d 0 0 n CoxW (vgs vx VT )dvx id n CoxW / L (vgs VT )vds v 2ds / 2 Na zona de saturação podemos fazer vDS vG VT donde resulta 1 W 2 iD nCox vgs VT 2 L Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 49
