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ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada
MOSFET - Revisão
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Tipicamente:
• L = 0,065 até 10 µm,
• W = 0,1 atéo 100 µm
• Espessura da camada de óxido (tox) é na faixa
de 2 a 50 nm.
NMOS: estrutura física
• NMOS → substrato tipo P
• Dispositivo simétrico
• Dispositivo de 4 terminais
– Porta, Dreno, Fonte e Substrato (gate, drain, sourcee Bulk)
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TERMINAIS
G: porta (gate)
S: fonte (source)
D: dreno (drain)
B: substrato (bulk)
Simbologia e terminais do MOSFET
Símbolos MOS
Símbolos PMOS
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•as regiões de dreno e fonte (tipo N) formam junções (diodos) com a região de substrato (tipo P)
•envolvendo cada uma das junçõessurgem zonas de depleção(elétrons livres da região N atravessam a interface e preenchemas lacunas livres da região P, fazendo com que não sobrem cargaslivres nessa região)
•como a concentração de dopantesdas regiões de dreno e fonte é muitomaior que a do substrato, a regiãode depleção para dentro de dreno e fonte é muito pequena
Sem potenciais aplicados (VGS = 0)
Funcionamento
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•o potencial VGS aplicado entre porta e substrato atrai elétrons livres e afasta lacunas livres da interface óxido-substrato: surge uma região de depleção entre a interface e o substrato, ligando as regiões de depleção das junções
Pequeno potencial aplicado (VGS < Vt)
Funcionamento - depleção
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•se o potencial VGS aumentar, a concentração de elétrons livres aumenta na interface óx-subs
•quando a concentração de elétrons livres for maior que a de lacunas fixas (dopantes) ocorre a condição de INVERSÃO
•em inversão há o surgimento de um “canal” de material tipo N induzidoentre dreno e fonte
•o valor de VGS em que ocorre a inversão é chamado de potencial de threshold (Vt)
Aumento do potencial aplicado (VGS > Vt): condição de inversão
Funcionamento - inversão
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Polarização de MOSFETs
• Regiões de operação:– Nível de inversão: tem relação com a densidade de carga de inversão (portadores) que é formada na superfície do substrato e que compõe o “canal” entre dreno e fonte. Esta carga é induzida devido ao efeito “capacitor MOS”, estando relacionada à polarização VGS (ou VGB). Divide-se em 3 níveis: fraca (WI), moderada e forte (SI).
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Polarização de MOSFETs
• Regiões de operação:– Condição de saturação: tem relação com a deformação do canal, provocada pela diferença de potencial aplicada entre dreno e fonte. Em SI, quando o potencial VDS for superior a VGS-VT, ocorre o estrangulamento do canal, o que provoca o aumento súbito da impedância entre dreno e fonte. Divide-se em 2 regiões: “linear” (ou ôhmica ou triodo) e saturação.
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• vGS > Vt
• vDS pequeno (vDS < vGS – Vt’ )
• Dispositivo funciona comoum resistor controlado por vGS
• A condutância do canal é proporcional a vGS – Vt’
• A corrente iD é proporcionala (vGS – Vt) vDS
Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica
Funcionamento – região ôhmica
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Região ôhmica – iD x vDS
Resistor linear controlado por vGS
Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS << vGS – Vt )
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• Aumentando vDS:o nível de inversão varia ao longo do canal, como resultado da diferença de potencialentre a posição no canal e o terminal de porta
• O canal assume uma forma gradual.
• A resistência do canal aumenta com o aumento de vDS.
•o comportamento iD x vDS passa a ser não-linear
(vGS é mantido constante em um valor tal que vGS – vDS > Vt ))
Dependência de Rcanal em VDS
Região ôhmica – canal gradual
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Dependência de Rcanal em VDS
Região ôhmica – canal gradual
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Saturação do canal:• Redução da condutividade local em função de vDS• Quando vDS = vGS – Vt, o canal “descola-se” do dreno (pinch-off)• Aumento vDS acima de vGS – Vt tem pouco efeito na forma do canal (corrente passa a ser independente de vGS )
Saturação do canal
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Curva completa iD x vDS : saturação do canal
Saturação - iD x vDS
vGS > Vt
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Polarização de MOSFETsMOS: comportamento iD x vDS
SI:
WI:
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Polarização de MOSFETs
MOS: iD x vGS em saturação e inversão fraca (WI)
Id [A]
Vgs [V]
Vsub= 0 V Vsub= -2,5 V Vsub= -5 V
Vds= 2V
=
t
GSDD
n
V
L
WII
φexp0
tDSV φ4≥Saturação: qkTt /=φ
)3,1.(;6,11,1 tipn →≅
WI
SI
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Polarização de MOSFETs
MOS: iD x vGS erros nas aproximações de WI e SI
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MOSFETModelos
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Modelagem de Dispositivos MOS
Comportamento Físico versus Modelo Analítico :– o conhecimento do comportamento físico de um dispositivo é essencial no desenvolvimento de circuitos
– modelo é uma representação matemática que se comporta de forma parcialmente análoga a um sistema físico real
– o comportamento físico é relacionado ao modelo através de parâmetros elétricos extraídos experimentalmente
– o projeto de circuitos eletrônicos depende do modelo dos dispositivos utilizados:• modelos simples (e imprecisos) para cálculo analítico (à mão)
• modelos complexos (e precisos) para simulação elétrica
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Modelagem de Dispositivos MOS
O modelo de um dispositivo consiste de equações, circuitos equivalentes e parâmetros que representam seu comportamento elétrico.– Modelo de grandes sinais:
• Modelos não-lineares (dispositivos não-lineares)• Modelos estáticos: comportamento DC• Modelos dinâmicos: comportamento AC (Capacitâncias)• Efeitos de segunda ordem: efeito de corpo, modulação do comprimento de canal, efeitos de canal curto, subthreshold...
• Componentes parasitas externos: L, R e C.
– Modelo de pequenos sinais: modelo linearizado(incremental)
– Modelo de ruído– Efeito da temperatura (modelo térmico)– Outros...
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k’n (W/L) = 1.0 mA/V2.
NMOS: curva completa iD x vDS
Modelo Analítico Simples
( )
−−= 2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV −<Triodo:
( )2'
2
1tGSnD VV
L
WkI −=
tGSDS VVV −≥Saturação:
oxnn Ck µ='
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Vt = 1 V, k’nW/L = 1.0 mA/V2
NMOS: curva iD x vGS em saturação
NMOS em Saturação
( )2'
2
1tGSnD VV
L
WkI −=
tGSDS VVV −≥Saturação:
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Transistor NMOSModelo para grandes sinais em saturação
Modelo para Grandes Sinais
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Transistor MOS
Níveis relativos de tensão entre os terminais
Tensões nos Terminais
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Aumentando vDS além de vDSsat causa o distanciamento do pontode pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivodo canal por ∆L.→ pequena variação de iD com vDS .
Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal
em função de vDS
, em saturação
Condutância de Saída
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• O parâmetro VA depende da tecnologia de processo.
• VA é proporcional ao comprimento do canal L.
• Quanto maior o L maior a impedância de saída.
VA: tensão de Early
DQ
Ao
I
Vr ≅
Dependência de iD com vDS: o efeito Early
Condutância de Saída
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NMOS: modelo para grandes sinais em saturação,incluindo o efeito Early
Condutância de Saída
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PMOS: símbolos e polarização
Transistor PMOS
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PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais
Transistor PMOS
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Resumo
NMOS
PMOS
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MOSFETPolarização
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Modelos Grandes Sinais
MOS
PMOS
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SSDSGS VIRV =+
( )2'
2
1tGSnD VV
L
WkI −=
oxnn Ck µ='
tGSDS VVV −≥
( )
−−= 2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV −<
( ) DSDSSDDDS IRRVVV +−+=
Região de Saturação:
Região de Triodo:
SSDSGS VIRV =+
Polarização
tGSOVD VVV −=
Tensão de Overdrive
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( )2'
2
1tGSnD VV
L
WkI −=
Região de Saturação:
GSDS VV = tGSDS VVV −>
DDDGS VRIV =+
Autopolarização
O transistor está sempre em
Saturação!
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12 GSGS VV = 12 DD II ≅
Desde que ambos estejam saturados!
Espelho de corrente
Necessita transistores IDÊNTICOS!!!
A corrente de dreno de Q2 é resultado da corrente de dreno de Q1.
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DDGS VV =
DDDDDS IRVV −=
( )
−−= 2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV −<
Região de Triodo:
VVDS 1,0=
Supondo: VVt 1=
DDGS VV =
Polarização na região de triodo
Dados:
Calcular ID e RD . Estime rds.
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Estabilidade de ponto Q
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Estabilidade de ponto Q – Rs
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O inversor CMOS – push-pull
ível lógico “1” na entrada
ível lógico “0” na entrada
Tensão intermediária na entrada
PMOS – O
MOS – OFF
PMOS – OFF
MOS – O
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Modelos Simplificados
• Os modelos utilizados para o projeto e compreensão do funcionamento do circuito são simples
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Modelos Elétricos - SPICE
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O MOSFET comoAmplificador
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Amplificador Básico
Amplificador Fonte Comum
Topologia Básica
Representação Gráfica da Reta de Carga
Determinação da Curva de Transferência
triodovvfi
saturadovfi
iRVvv
DSGSD
GSD
DDDDDSO
→=
→=
−==
),(
)(
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Curva de Transferência
Determinação da Curva de Transferência
A curva de transferência
mostra a operação como
amplificador, com o
MOST polarizado no
Ponto Q.
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Reta de Carga
Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal
Ponto Q1 não deixa espaço
suficiente para excursão
positiva do sinal, muito
próximo de VDD
Ponto Q2 não deixa
espaço suficiente para
excursão negativa do
sinal, muito próximo
da região de Triodo.
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Pequenos Sinais
Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais
Fonte de Polarização
Fonte de Sinal
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Pequenos Sinais
Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp
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Pequenos Sinais
( )2'
2
1tGSnD VV
L
WkI −=
( ) OVntGSnm
GS
Dm
VL
WkVV
L
Wkg
dV
dIg
'' =−=
=
VOV – Tensão de overdrive
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Pequenos Sinais
Resposta de saída do amplificador Fonte Comum
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Tensões instantâneas vGS
e vD
no
circuito abaixo.
Pequenos Sinais
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Modelo para Pequenos Sinais
Modelo Simplificado Modelo Extendido
Considerando o efeito de modulação do
comprimento do canal (EARLY) que é
modelado por ro = |VA| /ID
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