Podręcznik

5. Przełączanie tranzystora MOS: charakterystyki i parametry

Przełączanie tranzystora MOS w konfiguracji wspólnego źródła WS (rys. 5.1) prostokątnym impulsem napięciowym jest najczęściej spotykanym przypadkiem pracy impulsowej tego tranzystora w układach cyfrowych.

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.1 Tranzystor MOS w konfiguracji wspólnego źródła

Sterowanie tranzystora MOS ma charakter napięciowy - prąd wejściowy płynie jedynie w stanie nieustalonym podczas przeładowania pojemności wejściowej tranzystora. Na rys. 5.1 pojemność obciążająca na wyjściu jest sumą pojemności warstwy zaporowej złącza dren-podłoże i pojemności wejściowej tranzystora następnego inwertera.

Przy zmianie napięcia wejściowego podawanego na bramkę tranzystora punkt pracy przesuwa się po charakterystyce obciążenia R_L. W stanie ustalonym punkt pracy wyznacza przecięcie charakterystyki obciążenia z odpowiednią charakterystyką wyjściową tranzystora: dla niskiego lub wysokiego napięcia na bramce, któremu odpowiada bardzo duża lub mała rezystancja zaindukowanego kanału.

Tranzystor i obciążenie R_L stanowią dzielnik napięciowy. Łatwo zauważyć, że napięcie wyjściowe jest odwrócone w fazie w stosunku do wejściowego, stąd układ ten nosi nazwę inwertera.

Podstawowe informacje o właściwościach tranzystora w układzie inwertera zawiera charakterystyka przenoszenia odnosząca napięcie wyjściowe do napięcia wejściowego:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.2 Charakterystyka przenoszenia inwertera MOS

W przypadku obciążenia R_L stanowiącego liniową rezystancję:

$U_{wy}=U_{DD}-I_{D}(U_{GS}=U_{we},\: \: U_{DS}=U_{wy})\cdot R_{L}.$

(5.1)

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.3 Charakterystyka obciążenia w polu charakterystyk wyjściowych tranzystora MOS

Prąd drenu zatkanego tranzystora MOS jest tak znikomy, że wysoki poziom napięcia wyjściowego U_OH jest prawie równy napięciu zasilania U_DD.

Niski poziom napięcia wyjściowego U_OL można oszacować wykorzystując charakterystykę tranzystora dla zakresu nienasycenia:

$I_{D}=I_{RL}\Rightarrow \beta [(U_{GS}-U_{T})U_{DS}-\frac{U_{DS}^{2}}{2}]=\frac{U_{DD}-U_{DS}}{R_{L}},$

(5.2)

gdzie: U_DS=U_wy=U_OL, U_GS=U_we=U_OH=U_DD. Dla małych wartości U_OL składnik kwadratowy można zaniedbać, a zatem:

$U_{OL}\approx =\frac{U_{DD}}{1+\beta R_{L}(U_{DD}-U_{T})}.$

(5.3)

Definiuje się także napięcia wejściowe wyznaczające obszar przejściowy charakterystyki przenoszenia (zakres stanu nieustalonego), jako punkty, w których wzmocnienie napięciowe wynosi:

$k_{u}=\frac{\mathrm{d} U_{wy}}{\mathrm{d} U_{we}}=\frac{\mathrm{d} I_{D}}{\mathrm{d} U_{we}}\cdot \frac{\mathrm{d} U_{wy}}{\mathrm{d} I_{D}}=-1.$

(5.4)

Napięcie U_ILstanowi najwyższe napięcie wejściowe, przy którym rezystancja kanału tranzystora pozostaje bardzo duża, prąd drenu niewielki i napięcie wyjściowe jest wysokie U_OH (bliskie U_DD). Korzystając z (5.1) i charakterystyki tranzystora w zakresie nasycenia z warunku (5.4) otrzymuje się:

$g_{msat}\cdot R_{L}=1\Rightarrow U_{IL}=U_{T}+\frac{1}{\beta R_{L}}.$

(5.5)

Napięcie U_IH jest minimalnym napięciem wejściowym zapewniającym „włączenie” tranzystora (wymuszenie stanu silnej inwersji), tj. przy którym niewielkiej rezystancji zaindukowanego kanału odpowiada niskie napięcie wyjściowe tranzystora U_OL. W tym przypadku tranzystor pracuje w stanie nienasycenia („liniowym”) i warunek (5.4) można przekształcić następująco:

$\frac{g_{mlin}}{g_{dslin}}=\frac{\beta U_{DS}}{\beta (U_{GS}-U_{T}-U_{DS})}=1\Rightarrow U_{DS}=\frac{U_{IH}-U_{T}}{2}\: \: (dla\: \: U_{IH}=U_{GS}).$

(5.6)

Podstawienie tego warunku do (5.2) prowadzi do równania kwadratowego:

$0.75\beta R_{L}(U_{IH}-U_{T})^{2}+(U_{IH}-U_{T})-2U_{DD}=0,$

(5.7)

którego rozwiązaniem jest:

$U_{IH}=U_{T}+\frac{\sqrt{1+6\beta R_{L}U_{DD}}-1}{1.5\beta R_{L}}.$

(5.8)

Z charakterystyki przenoszenia można odczytać następujące parametry inwertera:

amplitudę logiczną, stanowiącą różnicę napięć między poziomem 0 i 1 logicznej:

$U_{L}=U_{OH}-U_{OL},$

(5.9)

oraz marginesy szumowe (zakłóceniowe)

dla stanu niskiego na wejściu:

$MSL=U_{IL}-U_{OL},$

(5.10)

dla stanu wysokiego na wejściu:

$MSH=U_{OH}-U_{IH},$

(5.11)

określające maksymalne dopuszczalne wartości zakłóceń, przy których wymuszony stan inwertera pozostaje stabilny.

Wartość rezystancji obciążenia wpływa na kształt charakterystyki przejściowej inwertera:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.4 Charakterystyki przenoszenia inwertera dla różnych wartości obciążenia

Zastosowanie dużych rezystancji obciążenia pozwala uzyskać większe wzmocnienie napięciowe i węższy obszar przejściowy (przełączania) oraz zwiększyć amplitudę logiczną. Dodatkowo ogranicza wartość prądu drenu dla stanu niskiego napięcia na wyjściu (kiedy rezystancja kanału tranzystora jest mała) i tym samym zmniejsza zużycie mocy w warunkach statycznych. Wadą stosowania dużych R_L jest zmniejszenie szybkości przełączenia do stanu wysokiego na wyjściu (ładowania pojemności obciążającej C_L na rys. Rmosrl), a przede wszystkim koszt dużej powierzchni zajmowanej przez ten rezystor. Z tego względu w praktycznych realizacjach jako obciążenie wykorzystuje się tranzystor MOS.