Appunti di Elettronica generale - Parte XXIII

Appunti Elettronica Generale:

Libro Circuiti per la Microelettronica

di Sedra Smith

Parte XXIII

INVERTITORE PSEUDO-NMOS. CARICO = PIROS

Utilizzando un solo carico in PMOS, il sorgente e in terminale a tensione piu alta VDD; poiche' vogliamo che conduca sempre poniamo VGS = VDD, portando il terminale di gate a massa.

• caratt. del carico

VSG = VDD

ANALISI CARICA

Posso determinare le condizioni operative del circuito in condizioni stazionarie (ID, VO), individuando l'intersezione sul ramo ID-VO della caratteristica dell'NMOS M5 e quella del PMOS di carico ML.

Ce' riporto: essendo a VO, al variare di VI, ottengo la "caratteristica di trasferimento".

Vmin < Vth

VOH = VDD, VOL = VMIN.

Osservando il piano ID-Vo avro che ID = 0 (=) Vo = VDD. La corrente resta nulla fin quando il NMOS M1 e interdetto cioe VGS < Vth o meglio Vin < Vth, quando la tensione di ingresso supera la tensione di soglia VT > Vth, il punto A si sposta qui a sinistra e quindi si osserva che la tensione di uscita diminuisce Vo = Vmin. Supponendo Vin = Vth e scurriamo la caratteristiche con la sua inversa si ottengono:

• Voh = VDD
• Vol = Vmin

Se non viene Vin/Vth trova in termini di Vo, Va differenti

Non mi resta che calcolare il valore di Vol = Vmin nel caso Vin < Vth.

VGS = VDS

IDS = Khn[(VGS - Vth)VDS - VDS²/2]

Vt = - VGS = VDD

VDS = Vo = Vol

Vol << VDD in un circuito a rapporto.

=> IDN = Khn[(VDD - Vth)Vol - Vol²/2] -> NMOS in triodo.

IDP = 1/2 Kp(VSG - |Vthp|)² -> PMOS in pinchoff

VSG = VDD poiche gate e collegato a massa.

Il pmos nella regione di pinch-off, la corrente non dipende dalla tensione di uscita Vo, impone quindi una corrente costante, quindi posso affermare che il pmos in tali condizioni si comporta come un generatore di corrente a patto di trascurare l'effetto di modulazione di canale.

Khn(VDD - Vth)Vol = 1/2 Kp(VDD - |Vthp|)²

Vol = Kp/Khn (VDD - |Vthp|)²

In generale nella realizzazione di NMOS e di PMOS della stesso tipo si garantisce |Vthp| = Vthn allora:

Vol = Kp/Khn (VDD - Vthn)²/2

Questa equazione potremmo scriverla in altro modo, si osserva che

l'NMOS e in regione di forte triodo e quindi approssimabile ad una resistenza:

R_ON = 1/g_ds = 1 /(k_nV_ov) = 1 / k_n(V_GS-V_th)

Il PMOS in questo caso (V_c=V_OH) opera in regione di triode-off e la corrente che sorpassa quella del generatore di corrente, la quale corrisponde anche alla discesa corrente che R_on circolare nella rete di pull-up

I_D = 1/2 k_p (V_DD - |V_tp|)²

V_ol ≈ I_pull-up,max R_ON = k_p/k_n (V_DD - V_th)/2

nel caso in cui |V_tp| = V_th

Il funzionamento di questo invertitore nel caso in cui l'uscita è bassa, è assimilabile ad un generatore di corrente in serie con una resistenza, cioè quando l'uscita è bassa è il PMOS a fornire la corrente, mentre l'NMOS determina la tensione V_OL sulla sua resistenza. R_ON = 1/g_ds.

Regola di buon progetto

|V_tp| = V_th

Se vogliamo V_OL << V_DD => k_p/k_n (V_DD - V_th)/2 << V_DD

=> k_n/k_p >> 1

Corrs. le due correnti massime della rete di pull-up, pull-down:

I_pull-up,max = 1/2 k_p (V_DD - |V_tp|)² ← (punch-off)

I_{pull-down,max} = 1/2 k_n (V_DD - V_th)² → V_GS = V_DD

La regola di buon progetto equivale:

I_{pull-down,max} / I_pull-up,max >> 1

Ne risulta, anche in questo caso, che per avere una tensione V_OL << V_DD si deve imporre che la corrente I_max che sia in grado di fornire la rete di pull-down deve essere molto più grande della corrente max della rete di pull-up.

Kn/Kp = k'n/k'p (w/l) _m / (w/l) _p => Kn/Kp = mn/mp · wn/wp

RAPPORTO TRA LE CARATTERISTICHE DI RUOTE E DI INGRANAGGI.

2 < mn/mp < 3

Per il motivo abbiamo osservato che (n = lmin x avere un rapporto grande, lo stesso ragionamento non vale pero con il pignone, poiche lp sta al numeratore, wp al denominatore proprio se quest'ultimo lo costringiamo piccoli ottenere tempi di propagazione degradanti.