Το ενεργό φορτισμένο ζεύγος MOSFET: Αντίσταση εξόδου

The Great Gildersleeve: Investigating the City Jail / School Pranks / A Visit from Oliver (Ενδέχεται 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Το ενεργό φορτισμένο ζεύγος MOSFET: Αντίσταση εξόδου


Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσουμε την αντίσταση εξόδου μικρού σήματος MOSFET καθώς κάνουμε το δρόμο μας προς την πρόβλεψη του κέρδους του ενεργού φορτωμένου διαφορικού ζεύγους.

βοηθητικές πληροφορίες

  • Διακριτά κυκλώματα ημιαγωγών: Διαφορικός ενισχυτής
  • Διακριτά κυκλώματα ημιαγωγών: Απλός οπτικός ενισχυτής
  • Τρανζίστορ επιφανειακής ισχύος με μόνωση-πύλη (MOSFET)
  • Η βασική πηγή συνεχούς ρεύματος MOSFET
  • Το βασικό διαφορικό ζεύγος MOSFET
  • SPICE μοντέλα για MOSFETs 0, 35 μm

Προηγούμενα άρθρα

  • Το διαφορικό ζεύγος MOSFET με ενεργό φορτίο
  • Πλεονεκτήματα του ενεργού φορτωμένου διαφορικού ζεύγους MOSFET

Το αποτέλεσμα της διαφοροποίησης καναλιού-μήκους

Στα δύο προηγούμενα άρθρα, παρουσιάσαμε το ενεργό φορτωμένο διαφορικό ζεύγος MOSFET και συζητήσαμε δύο σημαντικά πλεονεκτήματα αυτής της διαμόρφωσης - συγκεκριμένα, βελτιωμένη πόλωση (σε σύγκριση με τη χρήση αντιστάσεων αποστράγγισης) και μετατροπή διαφορικού προς ένα μονό άκρο χωρίς απώλεια κέρδους.

Τώρα είναι καιρός να αναλύσουμε το διαφορικό κέρδος αυτού του κυκλώματος. πριν μπορέσουμε να προσδιορίσουμε το κέρδος, πρέπει να κατανοήσουμε την έννοια της αντιστάσεως εξόδου μικρού σήματος και πώς ενσωματώνουμε αυτή την αντίσταση στην ανάλυση μας. (Εάν δεν είστε σίγουροι τι εννοώ με το "μικρό σήμα", ρίξτε μια ματιά στην ενότητα "Two Outputs or One" σε αυτό το άρθρο.)

Το πρώτο πράγμα που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι η αντίσταση εξόδου μικρού σήματος δεν είναι εγγενής, ακριβής ιδιότητα ενός πραγματικού MOSFET. Αντίθετα, είναι ένα μοντέλο που χρησιμοποιούμε για να υπολογίσουμε την επίδραση της διαμόρφωσης μήκους καναλιού στη συμπεριφορά μικρού σήματος του MOSFET. Υπενθυμίζουμε ότι τα MOSFET που χρησιμοποιούνται για γραμμική ενίσχυση είναι τυπικά προκατειλημμένα στην περιοχή κορεσμού, η οποία αντιστοιχεί στο πότε το κανάλι του FET "σβήνει" στο άκρο αποστράγγισης.

Σε μια απλοποιημένη ανάλυση, χρησιμοποιούμε την ακόλουθη εξίσωση για το ρεύμα αποστράγγισης σε κατάσταση κορεσμού:

$$ {1} {2} \ mu_nC_ {ox} \ frac {W} {L} (V_ {GS} -V_ {TH}} ^ 2 $$

Αυτή η εξίσωση μεταφέρει την παραδοχή ότι το ρεύμα αποστράγγισης δεν επηρεάζεται από την τάση αποστράγγισης προς πηγή. Το MOSFET λειτουργεί ως μια εξαρτώμενη πηγή ρεύματος που ελέγχεται από την τάση overdrive V OV, όπου V OV = V GS - V TH . Αυτή η υπόθεση βασίζεται στην ιδέα ότι η αύξηση της τάσης αποστράγγισης προς πηγή δεν μεταβάλλει το κανάλι όταν έχει αποκοπεί.

Όπως ίσως έχετε παρατηρήσει, όμως, ο πραγματικός κόσμος δεν είναι ιδιαίτερα ευνοϊκός για εξιδανικευμένες καταστάσεις όπως αυτό.

Η πραγματικότητα είναι ότι η αύξηση της τάσης αποστράγγισης στην πηγή έχει μη θιγόμενο αποτέλεσμα στο κανάλι: το σημείο αποκοπής κινείται προς την πηγή και το αποτέλεσμα είναι περισσότερο ρεύμα αποστράγγισης προς πηγή ως τάση αποστράγγισης προς πηγή αυξάνεται. Αυτό σημαίνει ότι χρειαζόμαστε ένα επιπλέον στοιχείο κυκλώματος για να υπολογίσουμε αυτό το πρόσθετο ρεύμα και μέχρι τώρα πιθανότατα έχετε υποθέσει ότι το στοιχείο που ψάχνουμε είναι μια αντίσταση - δηλαδή η αντίσταση εξόδου μικρού σήματος r o .

Έτσι τώρα έχουμε ένα MOSFET, το οποίο εξακολουθεί να θεωρείται ότι είναι ανοσοποιητικό στην αυξανόμενη τάση αποστράγγισης προς πηγή, σε συνδυασμό με μια συνηθισμένη αντίσταση, η οποία (όπως οποιοσδήποτε αντιστάτης) έχει μια ροή ρεύματος ίση με την τάση σε όλη την αντίσταση διαιρούμενη από αντίσταση. Καθώς αυξάνεται η τάση αποστράγγισης προς πηγή, περισσότερο ρεύμα ρέει μέσω του αντιστάτη και αυτό το ρεύμα αντισταθμίζει την έλλειψη αλλαγής στο ρεύμα αποστράγγισης του ιδανικοποιημένου MOSFET. Συνδυάζοντας αυτά τα δύο ρεύματα - ρεύμα αποστράγγισης του εξιδανικευμένου FET και του ρεύματος μέσω της αντίστασης - μπορούμε να βρούμε το συνολικό ρεύμα αποστράγγισης για ένα πραγματικό MOSFET.

Η παρατήρηση της διαμόρφωσης μήκους καναλιού είναι ισοδύναμη με την υπόθεση ότι η αντίσταση εξόδου μικρού σήματος του FET είναι άπειρη. Συνεπώς, είναι επιθυμητή η υψηλότερη αντίσταση εξόδου εάν θέλουμε ένα MOSFET να συμπεριφέρεται περισσότερο σαν το εξιδανικευμένο στοιχείο στο οποίο το ρεύμα αποστράγγισης δεν επηρεάζεται από την τάση αποστράγγισης προς πηγή. Όπως θα δούμε αργότερα, η αντίσταση εξόδου μικρού σήματος καθορίζεται εν μέρει από το ρεύμα της τάσης DC του FET, οπότε έχουμε κάποια ικανότητα να αυξήσουμε την αντίσταση εξόδου μιας συγκεκριμένης συσκευής.

Μια τελευταία σημείωση πριν προχωρήσουμε: Η αντοχή στην παραγωγή είναι η ίδια απλοποίηση της πραγματικής συμπεριφοράς MOSFET. Η υποατομική δράση που λαμβάνει χώρα στο κανάλι του MOSFET δεν είναι ακριβώς απλή και δεν μου προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η απλή γραμμική σχέση που αντιπροσωπεύει μια αντίσταση αποστράγγισης προς πηγή δεν είναι όλη η ιστορία.

Μείωση κέρδους

Πώς η αντίσταση εξόδου πεπερασμένου μικρού σήματος επηρεάζει την απόδοση ενός ενισχυτή MOSFET; Εξετάστε το ακόλουθο κύκλωμα:

Αυτός είναι ένας βασικός ενισχυτής κοινής πηγής. Μας απασχολεί μόνο η συμπεριφορά μικρού σήματος εδώ, πράγμα που σημαίνει ότι 1) παραλείπεται το κύκλωμα πόλωσης και 2) μπορείτε να υποθέσετε ότι ο FET είναι κορεσμένος. Όπως αναλύεται στην πρώτη ενότητα του διαφορικού ζεύγους MOSFET με ενεργό φορτίο, το μέγεθος του κέρδους αυτού του ενισχυτή είναι η διαδιαγωγιμότητα του MOSFET πολλαπλασιασμένη με την αντίσταση αποστράγγισης:

$$ A_V = g_m \ φορές R_D $$

Τώρα ας ενσωματώσουμε την αντίσταση εξόδου πεπερασμένης:

Και στη συνέχεια θυμόμαστε ότι η τεχνική ανάλυσης μικρού σήματος μας επιτρέπει να αντικαταστήσουμε σταθερές πηγές τάσης DC με βραχυκύκλωμα. Το αποτέλεσμα είναι το ακόλουθο:

Τώρα το αποτέλεσμα της αντίστασης εξόδου είναι ξεκάθαρο - είναι παράλληλο με την αντίσταση αποστράγγισης, και έτσι το μέγεθος του κέρδους τάσης γίνεται το εξής:

$$ A_V = g_m \ φορές \ αριστερά (R_D \ παράλληλη r_o \ δεξιά) $$

Έτσι, η αντίσταση πεπερασμένης εξόδου μειώνει το κέρδος, επειδή η ισοδύναμη αντίσταση των δύο αντιστάσεων παράλληλα είναι πάντα μικρότερη από αυτή της μεμονωμένης αντιστάσεως. Αυτό καταδεικνύει την επιθυμία για υψηλότερη αντίσταση εξόδου μικρού σήματος: αν το r o είναι πολύ μεγαλύτερο από το R, η μείωση του κέρδους θα είναι αμελητέα. Παρατηρήστε επίσης ότι η αντίσταση εξόδου τοποθετεί ένα ανώτερο όριο στο A V. ανεξάρτητα από την αντίσταση αποστράγγισης που έχετε, η ισοδύναμη αντίσταση R D || r o δεν θα είναι ποτέ υψηλότερη από r o . Αυτό σημαίνει ότι το A V δεν μπορεί να υπερβεί (g m × r o ), το οποίο αναφέρεται ως εγγενές κέρδος του MOSFET.

Λάμδα

Εντάξει, πώς υπολογίζουμε την αντίσταση εξόδου μικρού σήματος; Χρειάζεστε δύο πράγματα: ρεύμα μεροληψίας και λάμπα (ή λ, για εκείνους που είναι λίγο ομιχλώδες στο ελληνικό αλφάβητο).

$$ r_o = \ frac {1} {\ lambda \ times I_D} $$

Το Λάμδα εξαρτάται από τα φυσικά χαρακτηριστικά του FET και από τις συνθήκες προκατάληψης της συσκευής, αλλά για να κάνουμε την ζωή ανομοιογενώς απλή, αγνοούμε την εξάρτηση από τις συνθήκες προκατάληψης και υποθέτουμε ότι το λάμδα είναι μια σταθερά για μια συγκεκριμένη τεχνολογία επεξεργασίας.

Θα πρέπει να γνωρίζετε, ωστόσο, ότι το λάμδα αυξάνεται όσο μειώνεται το μήκος του φυσικού καναλιού. Το I D (ευτυχώς πιο απλό από το λάμδα) είναι το ρεύμα αποστράγγισης DC του FET - δηλαδή το ρεύμα αποστράγγισης που αγνοείτε κατά την ανάλυση μικρού σήματος.

Κοίταξα μερικά μοντέλα NMOS SPICE και έβλεπα τιμές λάμδα στην περιοχή, για παράδειγμα, 0, 01 έως 0, 1 V -1 . Με ρεύμα προκατάμενης τάσης 500 μΑ, αυτή η περιοχή αντιστοιχεί σε αντίσταση εξόδου μικρού σήματος 200 kΩ έως 20 kΩ.

Αυτό σας δίνει μια ιδέα για τα υψηλά κέρδη που μπορούμε να επιτύχουμε φορτώνοντας έναν ενισχυτή με αντίσταση εξόδου μικρού σήματος ενός τρανζίστορ αντί για μια συνηθισμένη αντίσταση αποστράγγισης (αν βρείτε αυτή τη δήλωση σύγχυση, ανατρέξτε στο "The Drain-Resistor Problem" και " Thinking About a Current Source "σε αυτό το άρθρο). Λάβετε υπόψη, ωστόσο, ότι τα state-of-the-art MOSFETs βραχέων καναλιών θα έχουν υψηλότερο λάμδα (και έτσι χαμηλότερο κέρδος).

συμπέρασμα

Τώρα που έχουμε διερευνήσει την αντίσταση εξόδου μικρού σήματος, είμαστε έτοιμοι να αναλύσουμε το διαφορικό κέρδος του ενεργού φορτωμένου διαφορικού ζεύγους MOSFET. Θα το κάνουμε αυτό στο επόμενο άρθρο και επίσης εμπειρικά (δηλαδή μέσω προσομοίωσης) θα μετρήσουμε τη λάμδα ώστε να μπορούμε να προβλέψουμε το κέρδος ενός διαφορικού ενισχυτή LTspice.

Επόμενο άρθρο στη Σειρά: Το ενεργό φορτωμένο διαφορικό ζεύγος MOSFET: Μέτρηση Lambda, Πρόβλεψη κέρδους