Post on 26-Sep-2018
1
PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS
= O MOSFET =
Prof. Dr. Hamilton Klimach hamilton.klimach@ufrgs.br UFRGS – Escola de Engenharia
Departamento de Eng. Elétrica
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2
Sumário
MOSFET: operação, modelo e layout
MOSFET: polarização
MOSFET: amplificação
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
2
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3
MOSFET - estrutura
O MOSFET pode ser analisado como a união de 2 estruturas: 2 diodos (junções) entre S-B e D-B capacitor MOS entre G-B
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4
Terminal de Referência do MOSFET
MOSFET – terminal referencial
Terminal de Referência
Natural:
Simetria Construtiva
Terminal de Referência
Histórico:
Similaridade TJB
3
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5
Junções S-B e D-B
MOSFET - junções
DSB
D
DDB
S
B
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6
MOSFET - junções
4
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7
Junções S-B e D-B com terminais aterrados
MOSFET - junções
•as regiões de dreno e fonte (N)
formam junções com o substrato P
•em cada uma das junções surgem
zonas de depleção (elétrons livres
da região N atravessam a interface e
preenchem as lacunas livres da
região P, fazendo com que não
sobrem cargas livres nessa região)
•como a concentração de dopantes
das regiões de dreno e fonte é muito
maior que a do substrato, a região de
depleção para dentro destas regiões
é muito pequena (desprezível)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 8
Junções S-B e D-B com potencial VDS aplicado
MOSFET - junções
DSB
D
DDB
S
B
VDS
5
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 9
Junções S-B e D-B e capacitor MOS com terminais aterrados
MOSFET - junções + capacitor
Capacitor MOS
Metal-Óxido-
Semicondutor
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10
metal
metal
isolante
Capacitor MOS
Capacitor usual
metal-isolante-metal
metal
semicondutor dopado
óxido
Capacitor MOS
metal-óxido-semicondutor
6
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 11
Capacitor MOS polarizado
Capacitor usual
metal-isolante-metal
E : campo elétrico
Capacitor MOS
metal-óxido-semicondutor
E : campo elétrico
metal
metal
isolante
Vc
E
metal
óxido
Vc
semicondutor dopado - p
E
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12
Capacitor MOS polarizado
Capacitor usual
metal-isolante-metal
E : campo elétrico
C = Qt/Vc
Capacitor MOS
metal-óxido-semicondutor
E : campo elétrico
Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc
metal
metal
isolante
Vc
+ + + + + + + + + + + + + + +
– – – – – – – – – – – – – – –
+Qt
–Qt
E
metal
óxido
Vc
+ + + + + + + + + + + + + + + +Qt
semicondutor dopado - p
– – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd
E
região depletada
7
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 13
Capacitor MOS polarizado
Campo elétrico E no semicondutor:
afasta cargas livres positivas (lacunas)
atrai cargas livres negativas (elétrons)
Cada lacuna afastada deixa para trás um
átomo dopante com carga negativa a
descoberto (carga fixa, que não se move). O
total de cargas fixas a descoberto resulta na
carga de depleção ‘Qd’
Mesmo o semicondutor estando dopado P,
com excesso de lacunas livres, existem
elétrons livres gerados termicamente pelo
rompimento das ligações covalentes do Si. O
total de elétrons livres atraídos resulta na
carga de inversão ‘Qi’
Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc
metal
óxido
Vc
+ + + + + + + + + + + + + + + +Qt
semicondutor dopado - p
– – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd
E
região depletada
Concentração de dopantes: 1015~1018
at/cm3
Concentração de portadores térmicos:
cerca de 1010 elétrons-lacunas/cm3 @
300K=27ºC
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 14
Junções S-B e D-B e capacitor MOS com terminais aterrados
MOSFET - junções + capacitor
8
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15
•o potencial VGS aplicado entre porta
e substrato:
• afasta lacunas livres da
interface óxido-substrato
• atrai elétrons livres para a
interface óxido-substrato
•surge uma região de depleção
entre a interface e o substrato,
ligando as regiões de depleção das
junções
•elétrons começam a se acumular
junto à interface
Pequeno potencial aplicado ao capacitor MOS (VGS < Vt)
MOSFET - depleção
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 16
MOSFET - região ativa
o comportamento elétrico do transistor é controlado na
região do capacitor MOS, que é a sua região ativa
Capacitor
MOS
Substrato p
Gate
0 x
L n+ n+
Source Drain
Bulk
9
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17
MOSFET - região ativa
o capacitor MOS é formado pelo “sanduíche” de um
eletrodo condutor (metal ou poli-silício) sobre uma
película isolante (óxido), depositados sobre o semicondutor
dopado (substrato)
isolante (dióxido de
silício) eletrodo condutor
(metal ou poli)
Substrato p
G
∆x
0 x
L
B
D S
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18
MOSFET - depleção
quando o capacitor MOS é polarizado (VGB>0), o campo
elétrico que surge na interface óxido-semicondutor afasta as
lacunas livres, criando uma região de depleção de carga
fixa negativa Q’B(x)
0<VGB<VT
e
VDS=0
carga de depleção
Q’B(x)
S
Substrato p
G
D
∆x
0 x
L
10
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 19
Pequeno potencial aplicado ao capacitor MOS (VGB < Vt)
MOSFET - depleção
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20
MOSFET - inversão fraca
este campo elétrico também atrai os elétrons livres do
substrato, que se acumulam na interface óxido-
semicondutor, formando uma carga de inversão negativa
móvel Q’I(x)
carga de
inversão
Q’I(x)
0<VGB<VT
e
VDS=0
carga de depleção
Q’B(x)
S
Substrato p
G
D
∆x
0 x
L
Obs.: Q’I(x) e Q’B(x)
são densidades
superficiais de carga
em C/cm2
11
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 21
MOSFET - inversão forte
quando o campo elétrico ultrapassa certo valor (threshold), a
densidade de elétrons livres na interface ultrapassa a de
dopantes P do substrato, fazendo com que seja induzida
uma região N na interface (ocorre a inversão de
característica P→N desta região) carga de
inversão
Q’I(x)
VGB>VT
e
VDS=0
carga de depleção
Q’B(x)
S
Substrato p
G
D
∆x
0 x
L
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 22
MOSFET - equacionamento
substrato do *Fermi de potencialln
térmicopotencial/
corpo defator 2
inversão de e depleção de carga de densidades
:
2
iAtF
t
OXASi
IB
StSOXSI
SOXSB
OX
SISBSMSOXSMSGB
nN
qkT
CNq
onde
eCQ
CQ
C
QQV
tFS
(*)Potencial de Fermi:
potencial eletrostático
devido ao contato entre
silício intrínseco (puro) e
extrínseco (dopado)
12
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 23
MOSFET - cargas de inversão e depleção
Carga de depleção
(fixa)
Carga de inversão
(móvel)
Carga total no Gate
Potencial de superfície
(potencial eletrostático
na interface óxido-
semicondutor)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 24
MOSFET - potencial de superfície
13
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 25
MOSFET - cargas de inversão
VTO: tensão de threshold segundo modelo clássico (SI)
0TGBOXI VVCQ
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 26
•em inversão há o surgimento de um
“canal” tipo N induzido entre 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
MOSFET - inversão forte
14
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 27
• vGS > Vt
• vDS pequeno (vDS << vGS – Vt’ )
• Dispositivo funciona como um
resistor controlado por vGS
• A condutância do canal é
proporcional a vGS – Vt’
• A corrente iD é proporcional a
(vGS – Vt) vDS
Operação do Canal Induzido no início da Região Ôhmica
MOSFET - região ôhmica
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 28
Operação do Canal Induzido no início da Região Ôhmica
MOSFET - região ôhmica
Rcanal(VGS)
DSB
D
DDB
S
B
VDS
ID
15
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 29
Operação do Canal Induzido no início da Região Ôhmica
MOSFET - região ôhmica
00
móveis cargasmóveis cargas
SBVTGSOXnIncanalcanal
Insub
canal
subcanal
VVCL
WQ
L
W
L
WcG
c
Q
WLc
Q
Vol
Q
Condutividade (σ) e condutância (G) iniciais do canal na região ôhmica:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 30
MOSFET - região ôhmica
Resistor linear controlado por vGS
Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS << vGS – Vt )
16
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 31
MOSFET – mobilidade de carga
2.7x
2.2x
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32
MOSFET – mobilidade de carga
17
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 33
• Aumentando vDS: o nível de
inversão varia ao longo do canal,
como resultado da diferença de
potencial entre 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
MOSFET - deformação do canal
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 34
Dependência de Rcanal em VDS
MOSFET - deformação do canal
+
VGD
+
VGS
ISID
GSDSGSGD
VVVV
18
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 35
MOSFET - deformação do canal
Rcanal(VGS,VDS)
DSB
D
DDB
S
B
VDS
ID
Dependência de Rcanal em VDS
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36
Dependência de Rcanal em VDS
MOSFET - deformação do canal
19
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 37
Saturação do canal:
1. Aumento de vDS causa redução da condutância do canal
2. Quando vGD = vGS – vDS = Vt, o canal “desinverte” próximo
ao dreno: pinch-off
3. Com vDS acima de vGS – Vt , o canal condutivo se
“descola” do dreno, fazendo com que vDS tenha pouco
efeito (corrente ID passa a ser independente de vDS )
MOSFET - deformação do canal
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 38
MOSFET - deformação do canal
quando se polariza os terminais dreno-fonte (VDS>0), ocorre
a deformação das camadas de inversão e de depleção, de
forma que a soma ΔQ’G = ΔQ’I(x)+ ΔQ’B(x) se mantenha
sempre constante ao longo do eixo ‘x’
carga de
inversão
Q’I(x)
VGB>VT
e
VDS>0
carga de depleção
Q’B(x)
S
Substrato p
G
D
∆x
0 x
L
20
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 39
MOSFET - equacionamento
x'' em inversão de carga de densidade
canal do segmento um de acondutânci
canal no dreno de corrente
TchGOXI
Ich
chchD
VxVVCxQ
xQx
WxG
xGxVIGVI
carga de
inversão
Q’I(x)
VGB>VT
e
VDS>0
carga de depleção
Q’B(x)
S
Substrato p
G
D
∆x
0 x
L
-ΔVch+ ID
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 40
MOSFET - equacionamento
0VV supondo2
BS
2
000
DDTGOXD
VV
Vchchch
VV
VTGOX
Lx
xD
chTchGOXD
TchGOXchD
VVVVCWLI
dVxVVdVVCWdxI
VVxVVCWxI
VxVVCx
WVI
Dch
ch
Dch
ch
2
2
2
1
off-pinch
:saturação de Região
2
:ôhmica Região
TGOXD
TGDDDTGOXD
VVL
WCI
VVVVVVV
L
WCI
Obs.: este equacionamento é extremamente simplificado, não levando em conta a
variação da contribuição da carga de depleção na definição do potencial do canal.
21
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 41
Curva completa iD x vDS : saturação do canal
MOSFET - saturação
vGS > Vt
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 42
Potencial ao longo do canal: triodo até saturação
MOSFET - saturação
S
D
22
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 43
NMOS: curva iD x vDS em inversão forte (SI)
MOSFET - Modelo Simples
2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV Triodo:
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV Saturação:
oxnn Ck '
k’n (W/L) = 1.0 mA/V2.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 44
MOSFET - Modelo Simples
Vt = 1 V, k’n W/L = 1.0 mA/V2
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV Saturação:
NMOS: iD x vGS em saturação e inversão forte (SI)
23
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 45
MOSFET - Modelo Simples
2'
2
1tGSoxnD VV
L
WCI
tGSDS VVV Saturação:
NMOS: iD x vGS : dependência térmica
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46
Aumentando vDS além de vDSsat causa o distanciamento do ponto
de pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivo
do canal por ΔL.→ pequena variação de iD com vDS .
Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal
em função de vDS , em saturação
MOSFET - Modelo Simples
2'
2
1tGSnD VV
LL
WkI
24
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 47
MOSFET - Modelo Simples
• O parâmetro VA depende da tecnologia de processo.
• VA é ‘proporcional’ ao comprimento do canal L.
• Quanto maior o L maior a resistência de saída.
VA: tensão de Early
DQ
Ao
I
Vr
Dependência de iD com vDS: o efeito Early
1AV
L
tech
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 48
MOSFET - Modelo Simples
DStGSnD
tGSnD
VVVL
WkI
VVL
WkI
12
1
2
1
2'
2'
DQDQ
Ao
II
Vr
1
Modelo Equação V-I
L
tech
25
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 49
MOSFET - Modelo Simples
Inclusão do Efeito de Corpo em Vt
ox
SUBSi
FSBFtot
C
qN
VVV
2
22
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 50
MOSFET - Modelo Simples
Efeito de Corpo em ID x VDS
26
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 51
MOSFET - Modelo Simples DC
PMOS
NMOS
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 52
MOSFET - Inversão Forte x Fraca
Erros no modelo aproximado em SI
27
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 53
MOSFET - Inversão Forte x Fraca
Erros no modelo aproximado em SI
Subthreshold
Current
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 54
MOSFET - Inversão Forte x Fraca
Comportamento em WI e SI
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
28
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 55
Id [A]
Vgs [V]
Vsub= 0 V Vsub= -2,5 V Vsub= -5 V
Vds= 2V
MOSFET - Inversão Fraca
Modelo em saturação e WI
t
GSDD
n
V
L
WII
exp0
tDSV 4Saturação: qkTt /
)3,1.(;6,11,1 tipn
WI
SI MC4007
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 56
MOSFET - Inversão Fraca
Comportamento iD x vDS
SI:
WI:
29
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 57
MOSFET - Inversão Fraca
comportamento iD x vDS
t
GSDD
n
V
L
WII
exp0
t
BECC
VII
exp0
MOSFET em inversão fraca: Transistor Bipolar de Junção:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 58
MOSFET - 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).
30
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 59
MOSFET - 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: “triodo” (ou ôhmica ou linear) e saturação.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 60
MOSFET - Regiões de Operação
Inversão Fraca
(WI)
Inversão Forte
(SI)
Região Triodo
(ôhmica ou
linear)
Região
Saturação
tDS
TGS
V
VV
4
0
TGSDS
tTGS
VVV
VV
10
TGSDS
tTGS
VVV
VV
10
tDS
TGS
V
VV
4
0
Nível de Inversão: controlado através de VGS
Nív
el d
e S
atura
ção
: co
ntr
ola
do
atr
avés
de
VD
S
31
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 61
Sumário
MOSFET: operação, modelo e layout
MOSFET: polarização
MOSFET : amplificação
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 62
Polarização de MOSFETs
SSDSGS VIRV
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
oxnn Ck '
tGSDS VVV
2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV
DSDSSDDDS IRRVVV
Região de Saturação:
Região de Triodo:
SSDSGS VIRV
tGSOVD VVV
Tensão de Overdrive
32
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 63
Polarização de MOSFETs
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
Região de Saturação:
GSDS VV tGSDS VVV
DDDGS VRIV
O transistor está sempre em
Saturação!
Auto-polarização:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 64
Polarização de MOSFETs
tD
GS VWk
ILV
2
22
2
21
1
1'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV
21 GSDDDSO VVVv
Região de Saturação:
33
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 65
Polarização de MOSFETs
22
'
2
2
2
2
1
'
1
1
1
2
21
2
2
tGSn
D
tGSn
D
RDDD
RDD
VVk
I
L
W
VVk
I
L
W
IVVR
III
Divisão de tensão:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 66
Polarização de MOSFETs
23
'
3
3
3
2
2
'
2
2
2
2
1
'
1
1
1
321
2
2
2
tGSn
D
tGSn
D
tGSn
D
DDD
VVk
I
L
W
VVk
I
L
W
VVk
I
L
W
III
Divisão de tensão:
34
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 67
Polarização de MOSFETs
42
2
2
'
2
2
2
41
2
1
'
1
1
1
21
2
2
VVV
VVk
I
L
W
VV
VVk
I
L
W
II
DDSG
tpGSp
D
GS
tnGSn
D
DD
Divisão de tensão:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 68
Polarização de MOSFETs
DDGS VV
DDDDDS IRVV
2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV
Região de Triodo:
VVDS 1,0
Supondo: VVt 1
DDGS VV
Forçando operação na região de Triodo:
35
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 69
Polarização de MOSFETs
21 GSGS VV 21 DD II
Desde que ambos estejam saturados!
Espelho de corrente:
Q1 idêntico a Q2
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 70
Polarização de MOSFETs
Q1 e Q4 autopolarizados:
REF
REFD
DDDGS
tpGSpD
IIIII
II
VRIV
VVL
WkI
5432
1
11
2
1
1
1'
12
1
Espelho de corrente:
36
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 71
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 72
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
37
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 73
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 74
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
38
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 75
Sumário
MOSFET: operação, modelo e layout
MOSFET: polarização
MOSFET: amplificação
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 76
MOSFET como amplificador
Amplificador Fonte Comum
Topologia Básica
Representação Gráfica da Reta de Carga
Determinação da Curva de Transferência
triodovvfi
saturadovfi
iRVvv
DSGSD
GSD
DDDDDSO
),(
)(
39
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 77
MOSFET como amplificador
Determinação da Curva de Transferência
A curva de transferência
mostra a operação como
amplificador, com o
MOST polarizado no
Ponto Q.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 78
MOSFET como amplificador
Excursão de sinal em um amplificador MOS:
40
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 79
MOSFET como amplificador
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.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 80
MOSFET como amplificador
Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais
Fonte de Polarização
Fonte de Sinal
Considerando-se que toda tensão ou corrente
pode ser representada como o somatório de
seu valor médio com uma parcela dependente
do tempo, faz-se uma ‘superposição’ de duas
situações:
1) DC: efeito unicamente das fontes que não
variam no tempo (polarização)
2) AC: efeito unicamente das fontes que variam
no tempo (sinal)
41
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 81
MOSFET como amplificador
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
OVntGSnm
GS
Dm
VL
WkVV
L
Wkg
dV
dIg
''
VOV – Tensão de overdrive
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 82
MOSFET como amplificador
42
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 83
Sumário
MOSFET: operação, modelo e layout
MOSFET: polarização
MOSFET : amplificação
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 84
MOSFET - modelo peq sinais
BSBSDSDSGSSGDSDSBSDSGSDS
BSBSDSDSGSGSDSBSDSGSDS
BSDSGSDSvBDGDBSDGD
VVVVVVIIvvvi
VVVVVVivvvi
vvvivvvivvvviS
,,,,,,,
,,,,
,,,,,,,0
43
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 85
MOSFET - modelo peq sinais
BSDSGS
BSDSGS
VBS
DSmbods
VDS
DSmdm
VGS
DSmg
bsmbdsmdgsmgds
BS
VBS
DSDS
VDS
DSGS
VGS
DSdsDS
v
igrg
v
igg
v
ig
vgvgvgi
Vv
iV
v
iV
v
iiI
1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 86
MOSFET - modelo peq sinais
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGS
D
Dn
tGSn
GS
Dm
VV
I
IL
Wk
VVL
Wk
V
Ig
2
2 '
'
Transcondutância de Porta (gate)
44
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 87
MOSFET - modelo peq sinais
DStGSnD
tGSnD
VVVL
WkI
VVL
WkI
12
1
2
1
2'
2'
Modelo Equação V-I
L
tech
Condutância de Dreno
DQDQ
Ao
II
Vr
1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 88
MOSFET - Condutância de Saída
Dependência de iD com vDS:
erros do modelo Early (λ)
45
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 89
MOSFET - Condutância de Saída
Dependência de iD com vDS:
erros do modelo Early (λ)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 90
MOSFET - modelo peq sinais
ox
SUBSi
SBF
m
BS
Dmb
C
qN
Vg
V
Ig
2
22
•O efeito de corpo pode aumentar,
reduzir ou não ter efeito sobre o ganho
total do transistor.
•Seu impacto depende da configuração
amplificadora utilizada.
Thumb rule:
gmg ≈ 3 a 5 gmb
gmg ≈ 50 a 200 gmd
Transcondutância de Substrato (back-gate)
46
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 91
MOSFET - modelo peq sinais
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 92
MOSFET - Modelo Simples
Modelo para Pequenos
Sinais em Saturação
quando efeito de corpo é
desprezível (vbs=0)
tGSDS VVV Saturação:
tGS
D
Dn
tGSn
GS
Dm
VV
I
IL
Wk
VVL
Wk
V
Ig
2
2 '
'
DtechDD
Ao
I
L
II
Vr
1
47
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 93
MOSFET - Modelo Simples
tGS
DDntGSn
GS
Dm
VV
II
L
WkVV
L
Wk
V
Ig
22 ''
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 94
MOSFET - Modelo Simples
EXEMPLO:
Considere o amplificador Fonte
Comum – FC ao lado cujo transistor
possui o seguintes características:
k’n(W/L) = 0,25 mA/V2
Vt = 1,5 V
VA = 50 V
RD = 10kΩ
VDD = 15V
Suponha que os capacitores são
praticamente curto circuitos para sinal.
Calcule:
O ganho de pequenos sinais
A resistência de entrada
O maior sinal de entrada para
operação em saturação.
48
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 95
MOSFET - Capacitâncias
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 96
MOSFET - Capacitâncias
49
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 97
MOSFET - Capacitâncias
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 98
MOSFET - Capacitâncias
50
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 99
MOSFET – Modelo AC
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 100
MOSFET – Cuidados no Layout
Um MOSFET é definido pelo cruzamento de dois
retângulos: difusão (N ou P) e poli-silício
Mas, lembre das conexões de Dreno e Fonte, e da
polarização de Substrato
E, dependendo do TIPO de transistor, do Poço
51
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 101
MOSFET – Cuidados no Layout
Implemente boas conexões com Dreno e Fonte,
através de múltiplos contatos
RUIM BOM
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 102
MOSFET – Cuidados no Layout
Com frequência, em circuitos analógicos,
precisamos de MOSFETs com alta razão de aspecto
(W/L)
As capacitâncias parasitas das junções de Dreno e
Fonte aumentam proporcionalmente às áreas destas
regiões
52
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 103
MOSFET – Cuidados no Layout
O uso de um layout seccionado mantém o W/L
efetivo, reduzindo as capacitâncias parasitas
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 104
MOSFET – Cuidados no Layout
O uso de um layout seccionado também reduz a
resistência do gate
53
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 105
MOSFET - métrica gm/ID
Métrica gm/ID para projetos MOS:
•Considerando transistores saturados
•Curvas se ‘cruzam’ quando VGS-VT ≈ 70mV
D
n
TGSD
m
TGSn
GS
Dm
TGSnD
I
LWk
VVI
g
VVL
Wk
V
Ig
VVL
WkI
SI
'
'
2'
22
2
:
KVnI
g
n
VV
L
W
n
I
V
Ig
n
VV
L
WII
WI
tD
m
t
TGS
tGS
Dm
t
TGSD
300@/301
exp
exp
:
0
0
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 106
MOSFET - métrica gm/ID
Métrica gm/ID para
projetos MOS:
•independe da polarização
•independe da geometria
•independe da tecnologia
54
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 107
MOSFET - métrica gm/ID
Métrica gm/ID para
projetos MOS:
•independe da polarização
•independe da geometria
•independe da tecnologia
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 108
MOSFET - métrica gm/ID
Métrica gm/ID para
projetos MOS:
•independe da polarização
•independe da geometria
•independe da tecnologia