Dispositivos Electrónicos Rafael de Jesús Navas González Fernando Vidal Verdú

Dispositivos Electrónicos
AÑO: 2010
TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSTFET
Rafael de Jesús Navas González
Fernando Vidal Verdú
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TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSFET
6.1. Estructura física.
6.1.1 Estructura Metal Oxido Semiconductor (MOS)
6.1.2 El transistor MOSFET de enriquecimiento: de canal N y canal P
6.1.3 El transistor MOSFET de empobrecimiento: de canal N y canal P.
6.2. Regiones de operación de un transistor MOSFET.
6.2.1 Región de corte.
6.2.2 Región lineal u óhmica.
6.2.3 Región saturación.
6.3. El transistor MOSFET como elemento de circuito:
6.3.1 Variables de circuito y configuraciones básicas:
• drenador común,
• fuente común
• puerta común.
6.3.2 Curvas características y modelos básicos.
6.3.3 Circuitos con transistores: Cálculo del punto de trabajo.
6.3.4 Comportamiento dinámico: Transistor MOSFET en conmutación.
6.4. Familias lógicas MOS.
6.4.1 Familias NMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas
6.4.2 Familia CMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas
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TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSFET
OBJETIVOS
Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de:
• Explicar de forma cualitativa como se crea un región de inversión
en una extructura Metal Oxido Semiconductor.
• Explicar de forma cualitativa las características de la estructura
física de los transistores MOSFET, tanto los de canal N como los
de canal P; y tanto los de enriquecimiento como lo de
empobrecimiento.
• Explicar de forma cualitativa las condiciones y mecanismo de
funcionamiento de los transistores MOSFET en las diferentes
regiones de operación: Region de corte, región óhmica y región de
saturación.
• Identificar el transistor MOSFET como elemento de circuito y las
variables usadas para su caracterización.
• Conocer el modelo básico de transistor MOSFET (canal N y canal
P, de enriquecimiento y de empobrecimiento) en su configuración
fuente común en cada una de las regiones de funcionamiento y su
relación con sus curvas características.
• Analizar circuitos básicos con un transistor MOS. Analisis DC.
Analizar e identificar puertas lógicas basicas de las familias NMOS
y CMOS.
• Conocer forma cualitativa el funcionamiento estatico y dinámico
del transistor bipolar en conmutación.
• Identificar diferentes funciones booleanas de las familias NMOS y
CMOS.
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LECTURAS COMPLEMENTARIAS
•• Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos
Electrónicos en Informática y Problemas de Examen
Resueltos" Universidad de Málaga/ Manual 70, 2006. Tema 6:
pag.245-268.
•• Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para
Estudiantes de Informática" Universidad de Málaga /
Manuales 2002. Tema 6: pag. 135- 176.
•• Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas
Combinacionales", Prensas Universitarias de Zaragoza 2003.
Apéndice A2: pag. 274-278, TEMA7: pag. 172-184, TEMA 8:
pag. 185-204, TEMA9: pag. 205-228.
•• Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y
Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996. Tema: 5: pag. 291-311,
317-322, y Tema 13: 932-950
•• Daza A. y García J. "Ejercicios de Dispositivos Electrónicos"
Universidad de Málaga/Manuales 2003. Tema 4: pag 169-252.
•• http://jas.eng.buffalo.edu/education/index.html
•• http://tech-www.informatik.uni.hamburg.de/applets/
cmosdemo.html
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ESTRUCTURA METAL-ÓXIDO-SEMICONDUCTOR
METAL
(Al)
_ _ _ _ _
_ _ _ _ _
ÓXIDO
AISLANTE
(SiO2)
_ _ _ _ _
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
Semiconductor
_ _ _ _ _
E
E
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
Canal N
Canal P
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
_ _ _ _ _
+ + + + +
E
E
+ + + + +
Región de Deplexión
Región de Deplexión
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EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO
TRANSISTOR MOS de canal n: NMOS
puerta
substrato drenador
fuente
IG = 0
G
B
D
S
p+
n+
Región
de Deplexión
n+
aislante
p
Símbolos del elemento de circuito
D
D
G
G
B
S
S
TRANSISTOR MOS de canal p: PMOS
drenador
substrato
B
D
n+
p+
Región
de Deplexión
puerta
G
fuente
S
p+
n
aislante
p
Símbolos del elemento de circuito
S
G
S
B
D
G
D
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EL TRANSISTOR MOS DE EMPOBRECIMIENTO
TRANSISTOR MOS de canal n: NMOS
puerta
drenador
substrato
B
D
p+
n+
Región
de Deplexión
G
fuente
S
n+
p
canal n
Símbolos del elemento de circuito
D
D
G
G
B
S
S
TRANSISTOR MOS de canal p: PMOS
substrato
drenador
B
D
n+
p+
Región
de Deplexión
G
n
p
puerta
fuente
S
p+
canal p
Símbolos del elemento de circuito
S
G
S
B
D
G
D
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EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO:
REGIONES DE OPERACIÓN
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ZONA DE CORTE
Para que el transistor conduzca hacemos V GS ≥ V T
G
IG = 0
S
D
D
G
Tensión Umbral
S
n+
p
n+
E
S
D
VGS
G
B
B
Aparece un canal rico en electrones (tipo n)
VDS
Si VDS > 0 aparece ID > 0
ID
G
D
VGS
S
n
n+
n+
p
Pero si V GS ≤ V T no hay canal. ID = 0 , y estamos en CORTE
VDS
ID
G
D
n+
VGS
S
n+
p
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EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO:
REGIONES DE OPERACIÓN
ZONA LINEAL U ÓHMICA
El transistor conduce V GS ≥ V T
V DS
V GD ≈ V GS
PEQUEÑA
D
VDS
VDS POSITIVA Y PEQUEÑA
V GD = V GS – V DS
G
IG = 0
VGS
G
D
S
n+
p
n+
E
CAMPO ELÉCTRICO UNIFORME
Aparece un canal n uniforme
VDS
V GS ≥ V T
VDS
ID
ID
G
D
VGS
S
n
n+
n+
p
VT
VGS
La anchura del canal depende de VGS
ID
n+
n
n+
n+
n
n+
n+
n
R
n+
VGS
1/R
VDS
Corriente de arrastre a través de un conductor cuya
sección y conductividad (resistencia) se controla con VGS
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S
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EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO:
REGIONES DE OPERACIÓN
ZONA DE SATURACIÓN
El transistor conduce V GS ≥ V T
VDS POSITIVA Y GRANDE
D
V GD = V GS – V DS
V DS
CAMPO ELÉCTRICO NO UNIFORME
G
V GD < V GS
GRANDE
Se tiene un canal n no uniforme
VDS
ID
D
p
VGS
G
D
S
n+
E
S
n
n+
n+
ID
VGS
G
n+
p
VGS FIJA
VDS
n+
n
n+
n+
n
n+
n+
n
n+
el canal desaparece en el extremo de drenador
V GD = V T
V DS = V GS – V T
V GD = V GS – V DS
Corriente de difusión que no depende de VDS
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S
EL TRANSISTOR MOS: CAPACIDADES PARÁSITAS
puerta
G
drenador
D
B
substrato
10/29
fuente
S
G
p+
n+
n+
W (ancho)
p
L (largo)
B
D
p+
CGD
G
CGS
n+
CBD
S
n+
CGB
p
CBS
CBD corresponde a la capacidad de deplexión en la unión substrato-drenador
CBS corresponde a la capacidad de deplexión en la unión substrato-fuente
CGB corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y el substrato,
con la capa de óxido como dieléctrico
CGD corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y el drenador,
con la capa de óxido como dieléctrico.
CGS corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y la fuente,
con la capa de óxido como dieléctrico.
CGB, CGD y CGS
dependen principalmente de las dimensiones del transistor:
W ancho y L Largo, del solapamiento de las regiones
pueta fuente y puerta drenador, y del grosor de la capa de óxido,
De todas ellas depende fundamentalmente
el comportamiento dinámico del transistor MOS
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
TRANSISTOR NMOS
VDG
VD
+
ID
D
+
VSG
_
_
G IG
+
TRANSISTOR PMOS
+
_
VGS
G IG
VDS
VG
IS _
S
VSD
vG
VGD
VS
VS
+
IS
S
+
ID _
VD
_
D
Elemento de tres terminales: seis variables de circuito
I G , ID , IS
VG , VD , VS o bien
VGS , VDS , VDG (NMOS)
VGD , VSD , VSG (PMOS)
sólo cuatro variables independientes:
LKI:
LKV: VG + VD + VS = 0
LKV: VGS - VDS + VDG = 0 (NMOS)
LKV: VGD - VSD + VSG = 0 (PMOS)
IG + ID + IS = 0
IG = 0
ID + IS = 0
Tres configuraciones:
PUERTA COMÚN
FUENTE COMÚN
DRENADOR COMÚN
IS
ID
IG=0
+
VGS
_
D
G
+
VDS
S
_
IS
ID
+
VSG
_
D
S
G
+
VDG
_
IG=0
S
G
+
VGD
_
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+
VSD
D
_
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
MODELO ESTÁTICO Y CONDICIONES
ÓHMICA Ó SATURACIÓN
CORTE
CORTE
VDS
ID
D
V GS ≤ V T
G
S
VT
VGS
SATURACIÓN
ÓHMICA
SATURACIÓN
D
β
2
I D = --- ( V GS – V T )
2
ID
si
G
y
S
VGS FIJA
V GS ≥ V T
V DS ≥ V GS – V T
ÓHMICA
VDS
2
D
V DS
I D = β ( V GS – V T )V DS – -------2
V DS = V GS – V T
si V GS ≥ V T
G
S
V DS ≤ V GS – V T
y
D
ID
V DS « V GS – V T
V DS
I D ≈ β ( V GS – V T )V DS = -------R
R = ( β ( V GS – V T ) )
G
S
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–1
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
TABLA RESUMEN DE MODELOS Y CONDICIONES
D
D
G
VT > 0
G
VT < 0
VT > 0
G
S
S
S
S
G
VT < 0
D
D
REGIÓN DE CORTE
S
D
si V SG ≤ V T
G
si V GS ≤ V T
G
D
S
REGIÓN DE SATURACIÓN
S
D
β
2
I S = --- ( V SG – V T )
2
β
2
= --- ( V GS – V T )
2
ID
si V GS ≥ V T
y V DS ≥ V GS – V T
G
S
si V SG ≥ V T
y V SD ≥ V SG – V T
G
D
REGIÓN ÓMICA
D
S
2
V DS
I D = β ( V GS – V T )V DS – --------2
si V GS ≥ V T
y V DS ≤ V GS – V T
G
S
2
V SD
I S = β ( V SG – V T )V SD – --------2
si V SG ≥ V T
G
D
y V SD ≤ V SG – V T
TRANSISTOR DE EMPOBRECIMIENTO
campo eléctrico con
D
ID
G
VT < 0
n+
V GS < 0
n+
S
VT
(0,0)
VGS
n+
n+
no hay canal para VGS = VT < 0
TRANSISTOR DE CANAL P
PMOS
S
cambia la polaridad de los portadores
G
D
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ejemplo 1: Determinar el valor de las variables de fuente común que determinan
el punto de trabajo del transistor.
VDD
V
VDD = 10 volt.
V = 5 volt.
RD
R
N
ID
M
RD
RD = 22KΩ
R = 100KΩ
N
+
IG=0
VT = 3 volt.
βΝ = 0,2 mA/V2
V
CORTE
VGS -
D
S
D
2
β
2
I D = --- ( V GS – V T )
2
si V GS ≥ V T
G
S
-
SATURACIÓN
V DS
I D = β ( V GS – V T )V DS – --------2
si V GS ≤ V T
G
M VDS
+
ÓMICA
D
VDD
y V DS ≤ V GS – V T
si V GS ≥ V T
y V DS ≥ V GS – V T
G
S
Ejemplo 2: En el circuito se sabe que IS = 0,5 mA. Cálcular el valor de βP de M
VDD
R
IS
RS
2
RS = 1KΩ
RD = 9KΩ
M
RD
Es claro que M conduce (IS>0)
Y es necesario determinar
si lo hace en óhmica o saturación
V DD
M1: V DD = R S I S + V SG + ----------2
M2: V DD = R S I S + V SD + R S I D
V DD
M1: V SG = ----------- – R S I S
V SG = 4, 5 ≥ 0
2
V SD = 5 ≥ 0
M2: V SD = V DD – ( R S + R D ) I S
El transistor está en saturación
Ej. 1 Sol. ID = 0,38mA
IS
M1
VDD
RS
VT = 2 volt.
N
R
VDD
VDD = 10 volt.
2I S
β P = -----------------------------2
( V SG – V T )
VGS = 5 volt.
VSG +
+
R/2
M VSD
N
-
ID = IS
RD
IG= 0
V SD > V SG – V T = 2, 5
A
β P = 0, 16m -----2
V
VDS =1,58volt.
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M2
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Un algoritmo de Análisis
Q1
Circuito
Ejemplo: N=1
QN
1. Se consideran todas las situaciones posibles, que son M = 3N,
es decir si N = 1, M = 3, en concreto:
i=1: M1 CORTE
i=2: M1 OHMICA
i=3: M1 SATURACIÓN
inicializo la variable i =0
2. Tomo el caso i = i+1 y sustituyo los transistores por los modelos
(transparencia anterior)
3. Para todos los transistores compruebo las condiciones bajo las
cuales los modelos valen (transparencia anterior)
NO
¿Se cumplen las condiciones?
SI
FIN: CALCULO LO QUE QUIERO DEL CIRCUITO
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ej 3: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD.
VDD
VDD
ID2
M2
VDD = 5 volt.
VGS2=0
VTM2 = -1 volt.
M1
Vi
M2 VDS2
+
VTM1 = 1 volt.
+
+
IG2= 0
VO
-
βΜ1 = 20 μA/V
-
-
O
+
ID1
2
βΜ2 = 75 μA/V2
IG1= 0
M1
Vi
Vi=0)
VDS1=VO
+
VGS1 -
NMOS de empobrecimiento V TM2 < 0
V GS2 > V TM2
Como V GS2 = 0
M2 siempre conduce
-
MOS M2:
Conducirá en su zona ómica o en saturación
dependiendo de si se verifica que V DS2 ≤ – V TM2
o bien V DS2 ≥ – V TM2
Como V DS2 = V DD – V O
M2 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≥ V DD + V TM2
M2 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≤ V DD + V TM2
MOS M1: NMOS de enriquecimiento V
TM1 > 0
V GS1 < V TM1
Como V
GS1 = V i = 0
M1 está en corte
Para el nudo O se tiene I D2 = I D1 + I G2 y dado que I
G2 = 0
I D1 = 0
I D2 = I D1 = 0
La situación es tal que M1 está en corte y M2 conduce pero con corriente nula.
¡Esto solo es posible si M2 conduce en óhmica!
M2 no puede estar en saturación porque en ese caso
β M2
2
I D2 = ---------- ( – V TM2 ) > 0
2
β M2
2
I D2 = ---------- ( V GS2 – V TM2 )
2
por lo que no puede ser I
D2 = 0
2
V DS2
Con M2 en zona óhmica I D2 = β M2 ( V GS2 – V TM2 )V DS2 – ------------- = 0
2
2
( V DD – V O )
( – V TM2 ) ( V DD – V O ) – -------------------------------= 0 V =
O
2
2
2
V O – 2 ( V DD + V TM2 )V O + ( V DD + 2V DD V TM2 ) = 0
V DD + 2V TM2
V DD
En óhmica
V O ≥ V DD + V TM2
SOLUCIÓN
V O = V DD
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PV
DD
= 0
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ej 3: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD.
(Cont.)
V
V
DD
DD
ID2
M2
VDD = 5 volt.
VGS2=0
VTM2 = -1 volt.
M1
Vi
M2 VDS2
+
VTM1 = 1 volt.
+
+
IG2= 0
VO
-
βΜ1 = 20 μA/V
-
-
O
ID1
2
βΜ2 = 75 μA/V2
IG1= 0
M1
Vi
Vi= VDD)
+
VDS1=VO
+
VGS1 -
NMOS de empobrecimiento V TM2 < 0
V GS2 > V TM2
Como V GS2 = 0
M2 siempre conduce
-
MOS M2:
M2 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≥ V DD + V TM2
M2 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≤ V DD + V TM2
MOS M1: NMOS de enriquecimiento V
TM1 > 0
Como V
GS1 = V i = V DD
V GS1 > V TM1
M1 conduce
Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de si se verifica que
Como V DS1 = V O
V DS1 ≤ V GS1 – V TM1 o bien
V DS1 ≥ V GS1 – V TM1
M1 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≤ V DD – V TM1
M1 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≥ V DD – V TM1
La situación es tal que tanto M1 como M2 conducen,
pero hay que determinar en qué zona lo hace cada uno de ellos
Se tienen cuatro posibilidades:
a) M1 óhmica - M2 óhmica
V O ≤ V DD – V TM1
V O ≥ V DD + V TM2
b) M1 óhmica - M2 saturación
V O ≤ V DD – V TM1
V O ≤ V DD + V TM2
c) M1 saturación - M2 óhmica
V O ≥ V DD – V TM1
V O ≥ V DD + V TM2
d) M1 saturación - M2 saturación V O ≥ V DD – V TM1
V O ≤ V DD + V TM2
En cualquier caso para el nudo O se tiene I D2 = I D1 + I G2
I D2 = I D1
y dado que I G2 = 0
Por lo tanto hay que estudiar esta igualdad en cada uno de los cuatro casos
y ver cuál de ellos se verifica
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
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Ej 3: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD.
(Cont.)
VDD
VDD = 5 volt. VTM1 = 1 volt. VTM2 = -1 volt.
ID2
IG2= 0
M2 VDS2
+
VGS2=0
-
Vi= VDD) (Continuación)
-
O
ID1
+
IG1= 0
Vi
βΜ1 = 20 μA/V2 βΜ2 = 75 μA/V2
+
M1
b) M1 óhmica - M2 saturación
V O ≤ V DD – V TM1
VDS1=VO
+
VGS1 -
V O ≤ 4V
V O ≤ V DD + V TM2
-
Analizamos I D1 ( ohm ) = I D2 ( sat )
2
β M2
V DS1
2
- = ---------- ( V GS2 – V TM2 )
β M1 ( V GS1 – V TM1 )V DS1 – -----------2
2
2
β M2
VO
2
- = ---------- ( – V TM2 )
β M1 ( V DD – V TM1 )V O – -----2
2
β M1
β M2
2
2
--------- [ 2 ( V DD – V TM1 )V O – V O ] = --------- ( – V TM2 )
2
2
β M2
2
2
V O – 2 ( V DD – V TM1 )V O + ---------- V TM2 = 0
β M1
Sustituyendo valores numéricos
2
V O – 8V O + 3, 75 = 0
Dado que se ha de cumplir
V O ≤ 4V
VO =
7, 5V
0, 5V
la solución válida es V O = 0, 5V
Para el cálculo de la potencia se tiene
PV
DD
= V DD ⋅ I D2 ( sat )
β M2
2
I D2 ( sat ) = ---------- ( – V TM2 ) = 37, 5μA
2
PV
DD
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= 0, 1775mW
19/29
TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ej 4: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD.
VDD
VDD
M2
VDD = 5 volt.
VO
-
IG2= 0
VTM2 = 1 volt.
M1
Vi
-
VTM1 = 1 volt.
+
IS2
VSG2 +
+
M2 VSD2
O
ID1
βM1 = 20 μA/V2
βM2 = 75 μA/V2
Vi=0)
M1
PMOS de enriquecimiento V TM2 > 0
V SG2 > V TM2
VDS1=VO
+
VGS1 -
Como V SG2 = V DD – V i = V DD
+
IG1= 0
Vi
MOS M2:
-
ID2
-
M2 conduce
Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de cual sea la relación
V SD2 ≤ V DD – V TM2
V SD2 ≥ V DD – V TM2
o bien
Como V SD2 = V DD – V O
M2 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≥ V TM2
M2 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≤ V TM2
MOS M1: NMOS de enriquecimiento V
TM1 > 0
Como V
GS1 = V i = 0
V GS1 < V TM1
Para el nudo O se tiene I D2 = I D1
M1 está en corte
I D1 = 0
I D2 = 0
y dado que I
D1 = 0
La situación es tal que M1 está en corte y M2 conduce pero con corriente nula.
¡Esto solo es posible si M2 conduce en óhmica!
M2 no puede estar en saturación por que en ese caso
β M2
2
I D2 = ---------- ( V SG2 – V TM2 )
2
β M2
2
I D2 = ---------- ( V DD – V TM2 ) > 0 por lo que no puede ser I D2 = 0
2
2
V SD2
Con M2 en zona óhmica I D2 = β M2 ( V SG2 – V TM2 )V SD2 – ------------- = 0
2
2
( V DD – V O )
( V DD – V TM2 ) ( V DD – V O ) – -------------------------------= 0 VO =
2
– ( V DD – 2V TM2 ) En óhmica
V O ≥ V TM2
V
DD
SOLUCIÓN
( V DD – V O ) ⋅ ( ( V DD – 2V TM2 ) + V O ) = 0
V O = V DD
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PV
DD
= 0
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TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ej 4: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD.
(Cont.)
V
VDD
DD
M2
VDD = 5 volt.
VO
-
IG2= 0
+
M2 VSD2
-
ID2
VTM2 = 1 volt.
M1
Vi
-
VTM1 = 1 volt.
+
IS2
VSG2 +
O
ID1
βM1 = 20 μA/V2
βM2 = 75 μA/V2
+
IG1= 0
M1
Vi
Vi=VDD)
+
VGS1 -
MOS M2:
-
PMOS de enriquecimiento V TM2 > 0
Como V SG2 = V DD – V i = 0
V SG2 < V TM2
VDS1=VO
I D2 = 0
M2 está en corte
MOS M1: NMOS de enriquecimiento V
TM1 > 0
Como V GS1 = V i = V DD
V GS1 > V TM1
M1 conduce
Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de cual sea la relación
V DS1 ≤ V DD – V TM1
o bien
V DS1 ≥ V DD – V TM1
Como V
DS1 = V O
M1 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≤ V DD – V TM1
M1 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≥ V DD – V TM1
Para el nudo O se tiene I D2 = I D1 y dado que I D2 = 0
I D1 = 0
La situación es tal que M2 está en corte y M1 conduce pero con corriente nula.
¡Esto solo es posible si M1 conduce en óhmica!
M1 no puede estar en saturación por que en ese caso
β M1
2
I D1 = ---------- ( V GS1 – V TM1 )
2
β M1
2
I D1 = ---------- ( V DD – V TM1 ) > 0 por lo que no puede ser I D1 = 0
2
2
V DS1
Con M1 en zona óhmica I D1 = β M1 ( V GS1 – V TM1 )V DS1 – ------------- = 0
2
2
VO
( V DD – V TM2 )V O – --------- = 0
2
VO =
2 ( V DD – V TM1 )
0
En óhmica
V O ≤ V DD – V TM1
SOLUCIÓN
V O ⋅ ( 2 ( V DD – V TM1 ) – V O ) = 0
VO = 0
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PV
DD
= 0
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COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: NMOS EN CONMUTACIÓN
- Respuesta a un pulso
ID
IC
IRD
VDS
Característica de Transferencia
vO
VGS
Corte
C1 modela las capacidades parásitas del transistor NMOS vistas desde el terminal de drenador
- Transición corte - óhmica
Saturación
Óhmica
- Tiempo de propagación de alto a bajo: C1, que está cargado inicialmente,
se descarga a través una fuente de corriente: El transistor NMOS, inicialmente en Saturación
y finalmente en Óhmica (resistencia pequeña)
- Transición óhmica - corte
- Tiempo de propagación de bajo a alto: C1, que está descargado inicialmente,
se carga a traves de la resistencia de drenador RD (resistencia más elevada)
vin
Hay consumo de potencia estático y dinámico
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COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: NMOS EN CONMUTACIÓN
- Respuesta a un pulso
ID
IC2
M2
IDM1
VDS1
Característica de Transferencia
vO
VGS
Corte
C2 modela las capacidades parásitas de ambos TNMOS vistas desde el terminal de salida
- Transición corte - óhmica
Saturación
Óhmica
- Tiempo de propagación de alto a bajo: C2, que está cargado inicialmente,
se descarga a través una fuente de corriente: El transistor M2, inicialmente en Saturación
y finalmente en Óhmica (resistencia pequeña)
- Transición óhmica - corte
- Tiempo de propagación de bajo a alto: C2, que está descargado inicialmente,
se carga a traves de luna fuente de corriente: El transistor M1, que trabaja siempre en Saturación.
vin
Hay consumo de potencia estático y dinámico
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COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: CMOS EN CONMUTACIÓN
- Respuesta a un pulso
IDMn
IC3
Mp
Mn
ISMp
VDS2
VGS
Característica de Transferencia
vO
Corte
P Óhm
C3 modela las capacidades parásitas de ambos TMOS vistas desde el terminal de salida
P Sat
- Transición corte - óhmica
- Tiempo de propagación de alto a bajo: C3, que está cargado inicialmente,
se descarga a través una fuente de corriente: El transistor Mn, inicialmente en Saturación
y finalmente en Óhmica (resistencia pequeña)
N Sat
- Transición óhmica - corte
N Óhm
vin
- Tiempo de propagación de bajo a alto: C3, que está descargado inicialmente,
se carga a traves de luna fuente de corriente: El transistor Mp, inicialmente en Saturación,
y finalmente en Óhmica.
Sólo hay consumo de potencia en las transiciones: consumo dinámico
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FAMILIAS LÓGICAS CON TRANSISTORES MOS
Familia lógica NMOS
vIN
vO
(a)
(b)
(c)
(d)
A
A
O
B
B
VDD
O
VDD
Mt
Mt
Vo
Vo
VA
MA
VA
VB
MB
VB
VDD
Mt puede ser de enriquecimiento
Mt
Vo
Calidad:
♦Fan-out: cuantas más puertas, más retraso
♦Margen de ruido: 1.3V
♦Retraso: 10ns
♦Consumo: 0.312mW (crece con la frecuencia)
Se utiliza para hacer circuitos grandes en un chip
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FAMILIAS LÓGICAS CON TRANSISTORES MOS
Familia lógica CMOS
vIN
vO
(a)
(b)
(c)
(d)
A
A
O
B
VA
MPA
VB
MPB
VA
VDD
VA
Vo
VB
MNA
O
B
VDD
(e)
MPA VB
MPB
Vo
VA
MNA
VB
MNB
MNB
Calidad:
♦Fan-out: cuantas más puertas, más retraso
♦Margen de ruido: 2.25V
♦Retraso: 8ns
Comparación TTL/MOS en cuanto a consumo:
Vcc=5V, CL=50pF
100kHz
5 MHz
100MHz
Consumo 74LS00 (TTL)
3 mW
3.5 mW
5 mW
Consumo 74HC00 (CMOS)
0.250 mW
3.5 mW
150 mW
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FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS
Funciones Booleanas NMOS
A
B
C
A
B
C
VDD
O
VDD
O
Mt
Mt
Vo
Vo
VA
VA
MA
VB
MB
VC
MA
VB
MB
VC
MC
MC
Estructura básica NMOS
A
B
C
D
f(A,B,C,D)
VDD
Mt
O
fN(A,B,C,D)=f(A,B,C,D)
A
B
C
D
Vo
RED N
fN(A,B,C,D)
Ejemplos de funciones NMOS
f ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D
VDD
f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D
VDD
Mt
Mt
Vo
VC
MC
VA
MA
VB
VD
VC
MB
VD
Vo
MD
f N ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D
MD
MC
VB
MB
VA
MA
f N ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D
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FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS
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Funciones Booleanas CMOS
A
B
C
A
B
C
O
VDD
VDD
MPA
MPA
VA
MPB
MPB
VA
MPC
VB
Vo
MNC
MPC
VB
VC
MNC
MNB
VC
MNB
MNA
MNA
Estructura básica CMOS
A
B
C
D
A
B
C
D
f(A,B,C,D)
RED P
fP(A,B,C,D)
O
fP(A,B,C,D)=f(A,B,C,D)
O
A
B
C
D
RED N
fN(A,B,C,D)
fN(A,B,C,D)=f(A,B,C,D)
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Vo
FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS
Funciones Booleanas CMOS
A
B
C
D
A
B
C
D
O
f(A,B,C,D)
RED P
fP(A,B,C,D)
O
A
B
C
D
RED N
fN(A,B,C,D)
Ejemplos de funciones CMOS
f ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D
f p ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D =
= ( AB + C )D
f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D
f p ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D =
= ( A + B )C + D
VDD
VDD
MPC
MPA
MPA
MPB
VA
VA
MPC
MPD
VB
Vo
MNC
VC
VB
MPD
VC
MND
MNA
VD
VD
MPB
Vo
MNC
MNB
MNB
MNA
MND
f N ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D
f N ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D
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FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS
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Comparación entre implementaciones
Ejemplo: Función
f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D
Función Booleana CMOS
(8 transistores)
VDD
Función Booleana NMOS
(5 transistores)
VDD
Mt
MPC
Vo
VD
VC
VB
VA
MD
MPA
MC
VA
MPB
MB
MA
Circuito lógico con puertas
lógicas diversas:
VB
MPD
VC
MND
Vo
MNC
VD
MNB
NMOS (13 transistores)
CMOS (16 transistores)
MNA
f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D
A
B
C
D
Circuito lógico con puertas
lógicas NAND:
NMOS (12 transistores)
CMOS (16 transistores)
f
f ( A, B, C, D ) = ( ABD ⋅ CD )
A
B
C
D
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f