Appunti di Elettronica generale - Parte XXII

Appunti Elettronica Generale:

Libro Circuiti per la Microelettronica

di Sedra Smith

Parte XXII

Esempio progettuale:

Specie richieste:

tp = 100 ps    t = 100 fF

VOH = 0,2V

VDD = 2,5V

VTH = 0,6V

K'n = 100 uA/V²

Lmin = 0,25 um

tp = tpLH = 0,35RC

R = 2,86 K ohm

PD = VDD² / 2R = 1,1 uW

VOH approx VDD / (Rk * Kn(VDD - VTH)) => Kn = 2,3 uA/V²

Kn = K'n W/L    L = Lmin    => W = Kn Lmin / K'n = 5,8 um

Abbiamo progettato un invertitore a rapporto con le specifiche richieste.

Un circuito integrato tra cui dissa molte tensione di watt a mezzo resistenze; quindi se consideriamo un circuito integrato che dissa 1W, la nostra PD e 1000 volte inferiore, cio' vuol dire che nel nostro caso possiamo avere 1000 invertitori. I circuiti moderni sono costruiti da milioni di invertitori e questa PD = 1,1 uW e un valore grande per un solo invertitore.

Carico resistivo: i problemi

In un circuito integrato, usare resistenze di diversa K ohm, permetterebbe realizzare invertitori con tale logica su aree molto grandi, per cui si utilizzano altri dispositivi mossi al posto della resistenza R. L'ulteriore applicazione del carico resistivo e' relativo al caso in cui la resistenza R e' esterna al chip: open-drain.

INVESTIGATORE CON CARICO NMOS.

Considereremo un nmos come elemento di switching, quest'ultimo a differenza della resistenza possiede tre terminali (gate). Il terminale di gate, collegato desideriamo avere una Vdd sempre attiva (tenendo quindi conto sempre), devo necessariamente collegare alla Vdd per fare in modo che il mio nmos di carico carica sempre. Il fatto di collegare il terminale di gate con quello di drain, riduce il nmos da tre terminali a due, cioe si dice che il nmos e stato "pontato a diodo".

Studio il dispositivo:

• Determinimo la caratteristica nell'elemento di pull-down I_D-V_o. Prima pero' devo necessariamente riportare la curva del carico della rete di pull-up I_D-V_LOAD sul piano I_D-V_o.
• Vautiamo la caratteristica del carico.

Nel carico nmos il terminale di source e quello a pot. + basso => necessariamente e quello inferiore, poiche' gate e drain sono collegati a Vdd. Si noti dunque che V_LOAD = Vdd - V_s = V_DS, ma essa risulta essere anche la tensione tra gate e source, poiche' gate e drain, V_LOAD = V_GS => V_DS = V_GS = V_LOAD.

V_LOAD = 0 => V_GS = 0 => nmos interdittore

V_LOAD = V_GS < V_th interdizione I_D = 0

V_LOAD = V_GS > V_th

Triodo o pinet-off?

Nel nostro caso il dispositivo sicuramente e' in condizioni di pinet-off poiche' portiamo la V_DS con quella di overdrive per capire la regione di funzionamento, si nota che V_DS > V_ov.

V_ov = V_GS - V_th < V_DS, poiche' V_DS = V_GS. Necessariamente avro' una condanza sempre piu' piccola di V_DS. Dal punto di vista fisico il canale del drain e' piu' acceso, ma se cortocircuito gate e drain il canale non puo' essere quello soltanto.

Allora bisogna di una tensione aovero usiamo in questo di soglia => il canale si espande dal lato del drain, ora avro' due possibilita': se anche dall'altra parte il canale e' spento sara' l'interdizione di interazione, oppure se il canale acceso dal lato del source sara' in condizione di pinet-off.

Entrambe queste considerazioni, ci portano a dire che il carico in uscita in condizioni di pinet-off; allora la corrente in tale condizione e:

I_D = 1/2 K_n [V_GS - V_th]² = 1/2 K_n [V_LOAD - V_th]²     V_GS = V_LOAD.

n.b.

Un nmos risulta a luogo prestinta quella trans-caratteristica I_D-V_GS(V_LOAD)

2) riportiamo la curva nel piano I_D-V_O

noto che V_LOAD = V_DD - V_O ,

drain source

Riporto la curva di uscita rispetto a I_D e la traslo di V_DD.

3) Schemiamo le curve caratteristiche della rete di pull-down con la curva di carico ribaltata.

Ricorda: mentre la rete di pull-up nelle logiche a rapporto non e controalimentata, la rete di pull-down e controalimentata, di fatto si collega una tensione di ingresso al terminale di gate dell'nmos della rete di pull-down, ergo per quest'ultimo considero una famiglia di caratteristiche.

Posso determinare le condizioni operative del circuito in condizioni stazionarie a intersezione delle due curve, al variare della tensione di ingresso, studiando il variare dell'uscita si ottiene la "caratteristica di trasferimento"

• V_I = 0 -> V_GS = 0   regione di interdizione => I_D = 0

La curva caratteristica della rete di pull-down coincide con l'asse V_O = V_DD ed interseca la curva caratteristica della rete di pull-up. Nel seguito indico, in un segmento in cui, esso significa che qualitativamente esiste una dissipazione infinita dovuta alla presenza del nodo intermedio, ma si dimostrer che il punto di stationarieta sara:

V_O = V_DD - V_th = V_OH

Questo comportamento rimane inalterato fin quando l'elemento di pull-down rimane interdetto -> V_I < V_th. Quando V_I aumenta superando V_th la rete di pull-down inizia a condurre, il punto di lavoro si sposta verso sx, cioe riduce la tensione d'uscita all'aumentare della tensione di ingresso.

VOGLIAMO TROVARE I LIVELLI LOGICI, DISEGNO LA CARATTERISTICA DI TRASFERIMENTO DELL'INVERTITORE, ABBASSANDO E SOLLEVANDO L'INGRESSO.

VOH = VDD - VTH      VI < VTH

VOL = VMIN      VI > VTH

PER VI < VTH IL N MOS DELLA RETA DI PULL-DOWN E' INTERDETTO, MA IN REALTA' UNA PICCOLA CORRENTE CIRCOLA COMUNQUE NELL'N S PENDENTE SOLO PRESENTI I DUE DIODI PARASSITARI (D-B, S-B). IL DISPOSITIVO DI CARICO E' QUINDI A COMPORTARSI E' QUELLO CHE NELLA FORMARE DELLA CORRENTE, IS, DI INVECCHIAMENTO APPARE NEL CARICO DI PULL-UP, CORRENTE NUOVA ESCE VIA DAIN DI BASSA, E CHE IL MC ABBIA UNA VGS(MC) UN POCHINO + ALTA DELLA TENSIONE DI SOGLIA, PERCHE' SE VGS < VTH NON CONDURREBBE.

VGS_ML ≃ VTH

VOUT = VDD - VGS(ML) ≃ VDD - VTH.

IN AGGIUNTA ML NON HA IL TERMINALE DI SOURCE COLLEGATO A MASSA, E QUINDI NON E' COLLEGATO ALLO STESSO POTENZIALE DI BODY. QUANDO QUESTO ACCADE SI E' VISTO CHE ESISTE IL FENOMENO DELL'EFFECT BODY CHE DETERMINA UN INCREMENTO DEL VALORE DELLA TENSIONE DI SOGLIA, ORA POTREI VGS = VOUT = VO (BODY A MASSA) + AUMENTA VTH + SI RIDUCE VOUT.

• VOH ≠ 0
• VOL ≠ VSS
• EFFECT BODY VTH > VTH0.

SCARTATO QUESTO TPO DI CARICO.