Il comportamento del MOSFET nella zona ohmica

GS Tpiù ricco di portatori mobili; fintanto che Source e Drain rimangono equipotenziali (V =0) il canale ha unDSprofilo uniforme rettangolare.Per poter fare fluire della corrente nel canale appena creato è necessario applicare una differenza dipotenziale ai suoi lati, alzando la tensione V tra Drain e Source e mantenendo costante V > V , cheDS GS Taveva permesso di creare il canale. La corrente inizia a circolare nel canale e progressivamente cresceall'aumentare di V .DSLa corrente nel dispositivo varia secondo una famiglia di curve esponenziali e l'intervallo di tensioni V doveDSil dispositivo si comporta in questo modo è detto zona ohmica del MOSFET.Per piccoli valori della tensione la corrente cresce linearmente con la tensione, poi inizia a crescere meno acausa del restringimento del canale lato Drain, fino a saturare ad un valore massimo.Infatti, al crescere della tensione V applicata, il canale indotto sotto il Gate si assottiglia.

progressivamenteDSlato Drain, mentre il canale lato Source rimane costante e dipendente solo dalla V applicata.

GSQuando la differenza di potenziale tra Gate e Drain non è più sufficiente a mantenere il canale, ovvero diventa proprio pari alla tensione di soglia V, il canale si chiude (pinch-off) in prossimità Tndella giunzione di Drain, finendo con l'assumere un profilotriangolare.

Questo accade quando V = V, ovvero quando la tensione alGD TDrain è diventata troppo alta; la condizione di pinch-off si avrà per la tensione di saturazione V = V - V.

DS GS TIl pinch-off del canale conduttivo non determina un brusco annullamento della corrente. Infatti, nonostante il canale lato Drain non ci sia più, gli elettroni del Source vedono comunque una tensione crescente lungo il canale e quindi un campo elettrico che li trasporta (per drift) verso il Drain; Arrivati nel punto di strozzatura, questi elettroni saltano nel Drain.

L'unica cosa che è

cambiata dalla situazione con V = 0, è che il canale è diventato via via più stretto verso ilDSDrain, quindi sempre più resistivo all'aumentare della V .DSSostituendo quindi a V variabile il valore costante V = V - V , si ottiene la corrente che fluisce nelDS DS GS Tcanale quando si oltrepassa il pinch-off.Quando il transistor supera la soglia (V >V ) ma con il canale chiuso lato Drain (V > V - V ) si dice cheGS T DS GS Topera in zona di saturazione, in quanto la corrente rimane costante all'aumentare di V .DSLOGICA cMOSLa famiglia logica cMOS è caratterizzata dalla presenza contemporanea di MOSFET complementari, cioè ditipo p e di tipo n.I circuiti logici cMOS presentano il notevole vantaggio di avere una bassissima dissipazione di potenza, edinoltre offrono caratteristiche ottime dal punto di vista del margine di rumore (capacità di funzionarecorrettamente anche in presenza di disturbi) e dello swing logico (differenza

1. INVERTER cMOS

L'invertitore cMOS è costituito da una coppia di MOSFET complementari. Possiamo osservare che, mentre la tensione di gate V di Tn è data da Vin, quella V di Tp è data da Vin-Vdd; quindi un aumento della tensione Vin porta contemporaneamente in maggiore conduzione Tn ed in minore conduzione Tp.

I due casi limite corrispondono ad una tensione Vin > Vdd - |V|, per cui il transistore Tp è spento e Tn conduce (acceso), e una tensione Vin < V, per la quale il transistore Tp è in conduzione mentre Tn è spento; in entrambi i casi la corrente circolante nell'invertitore è nulla, e non vi è caduta di tensione sul transistore acceso in conduzione.

Vin = Vdd

Sovrapposta alla caratteristica di funzionamento di Tn, viene riportata anche quella di Tp, che, essendo in interdizione, ha una corrente quasi nulla; il

Il punto di lavoro del circuito si trova all'intersezione delle due curve, ossia nell'origine degli assi.

• Vin = 0V

Il transistor Tn si trova ora in interdizione, avendo tensione nulla tra gate e source, mentre Tp è acceso. Il nuovo punto di lavoro del circuito, dato dall'intersezione delle due curve, coincide con il punto Vout = Vdd. Anche in questo caso la tensione circolante è quasi nulla, e ciò comporta una dissipazione di potenza circa uguale a zero.

• Caratteristica di trasferimento

TnTp2. DISSIPAZIONE DI POTENZA

• Potenza dinamica

Questo contributo è dovuto alla commutazione alternativa del transistore p e di quello n dell'inverter che, rispettivamente, carica e scarica la capacità di carico del nodo di uscita. Questa potenza dissipata dai transistor dipende dalla frequenza di commutazione dell'inverter, dalla tensione di alimentazione e dalla capacità di uscita.

• Cross-conduzione

La corrente di

La cross-conduzione circola per un brevissimo periodo di tempo ogni volta che avviene una transizione di livello logico. La corrente comincia a circolare per Vin>Vtn, raggiunge un massimo per Vin = Vdd/2 ed infine si annulla per Vin > Vdd - |Vtp|.

AMPLIFICATORI

Nell'elettronica analogica è importante prelevare i segnali provenienti dai sensori ed amplificarli opportunamente, in modo da far loro raggiungere intensità sufficienti per essere trattate dai blocchi di filtraggio e processamento analogico o di conversione analogico/digitale posti a valle.

La caratteristica fondamentale degli amplificatori deve essere solitamente quella di possedere un guadagno G tra ingresso ed uscita il più costante e lineare possibile.

Consideriamo la connessione tra un generatore di segnale ed un amplificatore di tensione tramite Rs, la resistenza serie della sorgente, ed Rin, la resistenza di ingresso dell'amplificatore.

Il segnale che giunge effettivamente

all'ingresso dell'amplificatore è pari a V_in. Ossia, il segnale V_in si avvicina tanto più al V_s erogato dal generatore di segnale, quanto più R_in è grande rispetto a R_s. Ne consegue che un buon amplificatore di tensione deve presentare una resistenza di ingresso molto grande rispetto alla resistenza della sorgente di segnale. Un amplificatore di tensione non deve solo leggere senza significativa partizione il segnale da amplificare, ma deve anche erogare internamente il segnale amplificato ai capi del carico. La tensione che si sviluppa ai capi della resistenza di carico R è data da V_out = A * V_in. Quindi per massimizzare il trasferimento di tensione al carico, si deve avere R molto maggiore di R_u. Ovvero l'uscita di un amplificatore di tensione deve avere una resistenza di uscita molto più bassa di quella del carico a cui l'amplificatore viene connesso. 2. AMPLIFICATORI DIFFERENZIALI Un amplificatore di tensione con due morsetti di ingresso ed è in grado

di amplificare il solo segnale differenziale presente a questi terminali V' - V''.

Come tutti gli amplificatori di tensione, l'amplificatore differenziale deve presentare tra i due ingressi un'alta impedenza, idealmente infinita, mentre l'uscita deve offrire una bassa impedenza, idealmente nulla.

Il circuito è caratterizzato da un guadagno differenziale Gd, che definisce la sua capacità di amplificare il segnale differenziale Vd = V' - V'', e da un guadagno di modo comune Gcm, che rende invece conto dell'amplificazione residua, indesiderata, del segnale di modo comune Vcm = (V' - V'') / 2. Un buon amplificatore differenziale presenta un alto guadagno differenziale ed un basso guadagno di modo comune.

In generale, il trasferimento di un amplificatore differenziale reale è dato da Vout = Gd Vd + Gcm Vcm.

3. RETROAZIONE

Consideriamo il sistema costituito da un amplificatore la cui funzione di trasferimento è

A(s). In un circuito di questo tipo le variazioni dei componenti (per effetto della temperatura o del degrado) si riflettono direttamente in variazioni delle prestazioni dell'amplificatore, alterandone guadagno e poli. Inoltre, la non linearità degli elementi che compongono l'amplificatore si traduce in una generazione di armoniche indesiderate, che, amplificate, compaiono nel segnale di uscita.

Per ovviare a questi inconvenienti possiamo aggiungere uno stadio caratterizzato dalla funzione di trasferimento F(s), che rileva il valore della grandezza in uscita Su e genera un segnale Sf ad essa proporzionale. Tale segnale, detto segnale di reazione, è sommato al valore della grandezza d'ingresso Sin. Si genera così il segnale d'errore e, che comanda il blocco A(s).

Il sistema così ottenuto è detto retroazionato; i suoi elementi caratteristici, cioè il blocco di andata A(s) ed il ramo di reazione F(s), individuano un anello detto anello

di reazione.Queste espressioni della funzione di trasferimento dell'amplificatore valgono quando il guadagno d'anello Gloop = A(s) F(s) risulta essere negativo o al più positivo ma inferiore all'unità. Nel caso in cui sia |Gloop|>>1, al denominatore si può trascurare l'1 e quindi l'espressione del trasferimento si semplifica in Questa relazione mette in evidenza come, in condizioni ideali, il trasferimento non dipenda più dal blocco di andata, ma solo dalle caratteristiche del blocco di reazione. È un risultato importante in quanto il blocco di andata è condizionato da elevate tolleranze, di conseguenza basterà garantire solo la tolleranza del blocco di reazione. 4. RETROAZIONI NEGATIVE E POSITIVE Si supponga che le due funzioni di trasferimento A e F siano di segno discorde; di conseguenza Gloop < 0. Se a questo circuito di applica in ingresso un segnale Sin a gradino positivo, il blocco di andata eroga in uscita

un segnale positivo. La variazione dell'uscita genera un segnale di reazione Sf che giunge al nodo sommatore con segno opposto al segnale forzante e va a sottrarsi ad esso, ottenendo err < Sin. Tale retroazione, in cui il segnale di reazione tende a ridurre la frazione del segnale di ingresso effettivamente applicata allo stadio amplificante d'andata, è chiamata retroazione negativa. Si supponga invece che le due funzioni di trasferimento A e F che costituiscono l'anello abbiano guadagno dello stesso segno, tali da determinare Gloop > 0. In questo caso il segnale riportato al nodo di ingresso ha lo stesso segno del segnale forzante e va a sommarsi ad esso (err > Sin). Un sistema con queste caratteristiche è detto a retroazione positiva. In un sistema retroazionato positivamente anche un piccolo disturbo in ingresso potrebbe innescare la divergenza del segnale circolante nel sistema.