tema6EB

Tema Tema 66. . El transistor MOSEl transistor MOS

BibliografíaBibliografíaBibliografíaBibliografía

• A S Sedra K C Smith Circuitos Microelectrónicos• A.S. Sedra, K.C. Smith, Circuitos Microelectrónicos,Oxford University Press, 2004.

• S. Hambley, Electrónica, Prentice Hall, 2001.

2

ÍÍÍndice Índice del Tema del Tema 66

ESTRUCTURA FÍSICA

REGIONES DE OPERACIÓNREGIONES DE OPERACIÓN

POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR

MODELOS DE PEQUEÑA SEÑALMODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL

3

Tema 6Tema 6

ESTRUCTURA FÍSICA




4

MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

fuente

puerta

poly

NMOS

drenador

poly

substrato

Estructura física del transistor NMOS deacumulación: (a) vista en perspectiva; (b) cortetransversal. Para L = 0.15 μm, tox = 5 nm. Valorestí i W 0 15 100

5

típicos W = 0.15 - 100 μm.

TRANSISTOR NMOS

DD

G B

S

TRANSISTOR PMOS

DD

G B

6

S

Tema 6Tema 6

ESTRUCTURA FÍSICA




7

THGS VV ≤REGIÓN DE CORTE: transistor

0=DI

THGS

NMOS

0>THV

DSTHGSoxnD VVVW

CI )( −= μ

REGIÓN LINEAL: THGSDSTHGS VVVVV −<<> ;ID de drenador a fuente (D S)

DSTHGSoxnD L)(μ

REGIÓN DE TRIODO: THGSDSTHGS VVVVV −≤> ;

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−= 2

2

1)( DSDSTHGSoxnD VVVV

L

WCI μ

THGSDSTHGS

REGIÓN DE SATURACIÓN: THGSDSTHGS VVVVV −≥> ;

8

2)(21

THGSoxnD VVLW

CI −= μ

TRANSISTOR NMOS – Curva Característica

2)(2

1THGSoxnD VV

L

WCI −= μ

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−= 2

2

1)( DSDSTHGSoxnD VVVV

L

WCI μ ⎥⎦⎢⎣ 2L

VGS>VTH

VVVW

CI )( −= μ

9

DSTHGSoxnD VVVL

CI )(= μ

TRANSISTOR NMOS I VTRANSISTOR NMOS: ID-VDS

Transistor NMOS de acumulación VTHn>0

Característica iD–vDS de un dispositivo con kn’ (W/L) = 1.0 mA/V2

oxnn Ck μ='

10

TRANSISTOR NMOS I VTRANSISTOR NMOS: ID-VGS

iD (mA)

2)(2

1THnGSoxnD VV

L

WCI −= μ

THnGSDS VVV −≥

vGS (V)

Característica iD–vGS de un transistor NMOS de acumulación en Ó 2

vGS (V)

VTHn

11

SATURACIÓN (VTHn = 1 V, kn’ W/L = 1.0 mA/V2)

THSG VV ≤REGIÓN DE CORTE: transistor

0=DI

THSG

PMOS

0<THV

SDTHSGoxnD VVVW

CI )( −= μ

REGIÓN LINEAL: THSGSDTHSG VVVVV −<<> ;ID de fuente a drenador (S D)

SDTHSGoxnD L)(μ

REGIÓN DE TRIODO: THSGSDTHSG VVVVV −≤> ;

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−= 2

2

1)( SDSDTHSGoxnD VVVV

L

WCI μ

THSGSDTHSG

REGIÓN DE SATURACIÓN: THSGSDTHSG VVVVV −≥> ;

12

2)(2

1THSGoxnD VV

L

WCI −= μ

TRANSISTOR PMOS I |V |TRANSISTOR PMOS: ID-|VDS|

vSD ≤ vSG-|VTH| vSD ≥ vSG-|VTH|

vSG = |VTH|+2.0

vSG = |VTH|+1.5

vSD = vSG-|VTH|

Transistor PMOS de acumulación (VTHp<0) vSG = |VTH|+1.0

vSG = |VTH|+0.5

vSG≤|VTH| (cutoff)vSD (V)

Característica iD–vSD de un dispositivo conCaracterística iD vSD de un dispositivo con kp’ (W/L) = 1.0 mA/V2

oxpp Ck μ='13

TRANSISTOR PMOS I VTRANSISTOR PMOS: ID-VSG

iD (mA)

2)(2

1THpSGoxnD VV

L

WCI −= μ

THpSGSD VVV −≥

vSG (V)

Característica iD–vSG de un transistor PMOS de acumulación en Ó 2

vSG (V)

|VTHp |

14

SATURACIÓN (VTHp = 1 V, kp’ W/L = 1.0 mA/V2)

Parámetro de modulación de canal λ

THGSsatDSDSDSTHGSOXnD VVVVdondeVVVCI −=≥+−= )(2 )1()(

2

1 λμ

e o de odu c ó de c λSATURACIÓN:

2

10 −=−−−− Vλ

175.0_____ −= Vλ

)

[ ]11 −VL

αλ

I D(m

A

[ ]L

15

Modelo de gran señal en saturación (I)Modelo de gran señal en saturación (I)

2)(1

VVW

CIVVVVV >> 2)(2 THGSoxnD VV

LCI −= μTHGSDSTHGS VVVVV −>> ;

NMOS

16

Modelo de gran señal en saturación (II)Modelo de gran señal en saturación (II)

1/r

I D(m

A)

1/ro

)1()(21 2

DSTHGSoxnD VVVLW

CI λμ +−=

la resistencia de salida ro

modela la dependencia li l d ilineal de iD con vDS

17

Modelo de gran señal en saturación (II)Modelo de gran señal en saturación (II)

1/r

I D(m

A)

1/ro

)1()(21 2

DSTHGSoxnD VVVLW

CI λμ +−=

DDS

Do IV

Ir

λ1

1

≈⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=−

18

⎠⎝

NMOSNMOS

DD

S

G B

PMOS

S

PMOS

D

S

G B

19

Tema 6Tema 6

ESTRUCTURA FÍSICA




20

Polari aciónPolarización

Polarización: Establecimiento de un punto de operación en dc apropiado,Q(ID,VDS). Este punto de operación está caracterizado por una corriente dedrenador ID estable y predecible, y por un voltaje de drenador a fuente VDS

que asegure que el transistor se encuentra en la región de operaciónd d (R ió d S t ió l A lifi d ) t d ladecuada (Región de Saturación para los Amplificadores) para todos los

niveles esperados de la señal de entrada.

Objetivo: Establecer el punto estático del amplificador y hacer que sea loObjetivo: Establecer el punto estático del amplificador y hacer que sea lomenos sensible posible a variaciones de los dispositivos que lo componen(variaciones de los parámetros de los transistores, de las resistencias depolarización de la temperatura )polarización, de la temperatura…).

Problema: Seleccionar el circuito adecuado para estabilizar el punto deoperaciónoperación.

Configuración en Fuente Comúng

vi −

Common Source

DSD vi

oDD vVi −=

DDD RR

i =

22Punto de operación del transistor: Q(ID,VDS)

Common Source

DDDDo RiVv −=

d

DTHIoxnDDo RVvLW

CVv 2)(21

−−≈ μ

SATURACIÓN:IQI VvI

ov dv

dvA

=

≡

23

L2

Polarización con una fuente VGS

Inconveniente: Grandes variaciones en el valor de ID para dispositivos delmismo tipo con la misma V

Polarización con una fuente VGS

mismo tipo con la misma VGS.

Causas:

-Variaciones de los valores de VTH,Cox y W/L, incluso para dispositivossupuestamente diseñados con lassupuestamente diseñados con lasmismas dimensiones y del mismotipo, debido a variaciones en elproceso de fabricación.p

-Variaciones con la temperatura dedeterminados parámetros (VTH, µn).

24

Polarización con resistencia R (I)Polarización con resistencia RS (I)

GSG VVI

−

S

GSGD R

I =

Se reduce la posible variación en el valor de ID para dispositivosdel mismo tipo con la misma polarización, gracias a larealimentación negativa.

25

Polarización con resistencia R (II)Polarización con resistencia RS (II)

fuente de alimentación única

fuente de alimentación doble

26

Polarización con resistencia R (III)Polarización con resistencia RS (III)

acoplo de la fuente de señalmediante el capacitor CC1

27

Polarización de Circuitos Integrados (CIs)

Elementos pasivos de circuitos discretos { {- Resistores

Capacitores de acoplo

-No adecuados para CIs-No económico fabricar circuitos discretos { {- Capacitores de acoplo elementos de valor grande

- Se basa en la utilización de transistores solamente

Diseño de CIs

Se basa en la utilización de transistores solamente

- Uso de fuentes de corriente constante

- La reproducción de corrientes a partir de la generación de laLa reproducción de corrientes a partir de la generación de lacorriente constante en un solo punto tiene la ventaja de que las Ide polarización de las diversas etapas se aparean (sufren losmismos cambios) en caso de variaciones de VDD y T.

{Generadores -Fuentes de corriente (Utilizadas como polarización y carga activa){de corriente -Repetidores de corriente (Current-steering circuits)

Polarización con fuente de corriente

RG: establece el valor de dc de la puerta a 0V.¿Cuál ha de ser su valor?

RD: establece un valor apropiado de dc en eldrenador que permita obtener la excursión dela señal de salida requerida manteniendo elqtransistor en la zona de saturación.

29

Implementación de la fuente de corrientep

RVVV

II GSSSDDREFD

−+==1

11 GSDS VV = THGSDS VVV −> 11

R

2

11 )(

21

THGSoxnD VVLW

CI −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= μ

Si Q2 trabaja en saturación:

1 W ⎞⎛ 2

22 )(

21

THGSoxnD VVLW

CI −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= μ

2)/( LWIIIESPEJO DE CORRIENTE

301

22 )/(

)(LW

III REFDO ==ESPEJO DE CORRIENTE

Tema 6Tema 6

ESTRUCTURA FÍSICA




31

El t i t MOS lifi dEl transistor MOS como amplificador

l i ió lpolarización en la zona de saturación

( )22 TGSoxnD Vv

L

WCi −= μ

t d t i

QGS

Dm v

ig

∂∂

=

transconductancia

32

Q

Modelo de pequeña señalModelo de pequeña señal

Objetivo: encontrar un equivalente circuital que interrelacionelos cambios incrementales en iD, vGS, vDS, etc. Puesto que losD, GS, DS, qcambios son pequeños, el circuito equivalente de pequeñaseñal sólo tiene elementos lineales (capacitores, resistores,fuentes controladas )fuentes controladas...)

33

Modelo de pequeña señalModelo de pequeña señal

Obtención: considérese la variación en la corriente dedrenador debido a la variación del voltaje puerta-fuente cuandoel MOSFET está en saturación, si todos los demás voltajespermanecen constantes.permanecen constantes.

)()(: tvVtvInput gsGSGS +=

)()(: tiItiOutput dDD +=

gsd vi (?)=

34

Modelo de pequeña señal

( )2TGSD VvW

Ci −= μ

Modelo de pequeña señal

)()(: tvVtvInput gsGSGS +=

( )2 TGSoxnD Vv

LCi μ

g

)()(: tiItiOutput dDD +=

i gsmd vgi =

i∂transconductancia linealización

QGS

Dm v

ig

∂∂

=

35

Transconductancia

Evaluando la derivada parcial:

Transconductancia

( )THnGSoxn

VIQGS

Dm VV

L

WC

v

ig

GSD

−=∂∂

= μ),(

La transconductanciaes función del punto

Doxnm IL

WCg μ2=

pde operación.

THGS

Dm VV

Ig

−=

2

Para valores típicos (W/L)=10, ID=100μA y μnCox=50μA/V2 resultag 320 A/V 0 32mS

THnGS VV

36

gm=320μA/V=0.32mS

M d l d ñ ñ l á illModelo de pequeña señal más sencillo

¿Qué circuito corresponde a la expresión i =g v ?¿Qué circuito corresponde a la expresión id=gmvgs?

- Una fuente de intensidad controlada por voltaje.

37

¿Qué es pequeña señal?¿Qué es pequeña señal?

( ) ( )22

2

1

2

1THngsGSoxnTHnGSoxnD VvV

L

WCVv

L

WCi −+=−= μμ

22 LL

( ) ( ) 22

2

12

2

1

2

1gsoxngsTHnGSoxnTHnGSoxnD v

L

WCvVV

L

WCVV

L

WCi μμμ +−+−=

1 W

( )VVv << 2pequeña señal:

2

2

1gsoxngsmDD v

L

WCvgIi μ++=

38

( )THnGSgs VVv −<< 2pequeña señal:

Resistencia de salidaResistencia de salida

La variación de la intensidad de drenador debido a cambios en el voltajedrenador-fuente viene dada por:drenador fuente viene dada por:

( ) DnnTHnGSoxnDS

Do IVV

L

WC

v

ig λλμ ≅−=

∂∂

= 2

2

1

QDS Lv∂ 2

La resistencia de salida ro es la inversa de la conductancia de salida:

11

Dnoo Ig

rλ

11==

dsogsmd vrvgi )/1(+=

Añadiendo ro al modelo de pequeña señal la intensidad de drenador vienedada por:

39

M d l d ñ ñ lModelo de pequeña señal con ro

dsogsmd vrvgi )/1(+=

40

Transconductancia de substratoTransconductancia de substrato

El terminal B del substrato no siempre está conectado al terminal defuente S. Para los transistores NMOS se ha de cumplir siemprefuente S. Para los transistores NMOS se ha de cumplir siempreVBS≤0, mientras que para los PMOS VBS≥0.

Un aumento en |VSB| resulta en un aumento en el valor del voltajeUn aumento en |VSB| resulta en un aumento en el valor del voltajeumbral |Vth| y, por tanto, en una reducción en el valor de la corrientede drenador ID.

La variación de la intensidad de drenador debido a cambios en elvoltaje |VSB| se representa en el modelo de pequeña señal mediantela transconductancia de substrato g

THDDmb

V

V

iig

∂∂

∂∂

=∂∂

=

la transconductancia de substrato gmb.

41

QBSQTHQBS vVv ∂∂∂

Modelo de pequeña señal para baja frecuencia

bsmbdsogsmd vgvrvgi ++= )/1(

42

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