Objetivos – El transistor de efecto de campo MOSFET y la tecnología CMOS (6 semanas) •
Aplicaciones del d ell MOSFET: de Circuitos básicos CMOS
Constr Construcc ucción ión,, símbol símbolo, o, clasi clasific ficaci ación. ón.
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Funci uncio onami namie ento nto.
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Curvas Curvas cara caracte cterís rístic ticas as y polar polariza izació ción. n.
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Modelo Modelo del del MOSFE MOSFET T para aplicacione aplicaciones s analógi analógicas. cas.
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Modelo Modelo del del MOSFET MOSFET para para aplicac aplicacion iones es digita digitales les..
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Capacitan Capacitancias cias internas internas y modelos modelos de alta alta frecuencia frecuencia..
ELEMENTOS ACTIVOS
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EL-2207
Aplicacione Aplicaciones: s: El FET como interrupt interruptor: or: inter interrupt ruptor or serie, serie, paralel paralelo, o, inversor lógico y compuertas lógicas básicas
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Esca Escala lami mien ento to de MOSF MOSFET ETs s
II SEMESTRE 2008 – Objetivo –
Dr.-Ing. Paola Vega C.
ITCR - Elementos Elementos Activos Activos – II 2008
Conocer el comportamiento comportamiento y modelado modelado del transistor de efecto de campo MOSFET, MOSFET, así como sus principales aplicaciones. aplicaciones.
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Inversor CMOS
Inversor CMOS
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor (1963) Circuitos con transistores PMOS y NMOS
VDD- Vin > |VTHP| , Vin = 0V ⇒ PMOS activo, NMOS inactivo región lineal, lineal, NMOS NMOS en región región de corte corte ⇒Vout = VDD: PMOS en región
Ambos transistores activos durante transiciones del voltaje de entrada ⇒ corto circuito circuito temporal temporal de VDD a tierra ⇒ consumo consumo de potencia potencia Vin > VTHN , Vin = VDD ⇒ NMOS activado, PMOS inactivo
Potencia consumida debido a carga capacitiva
0V: NMOS en región región lineal, PMOS en región de corte corte ⇒Vout = 0V:
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P = C Load ⋅ f ⋅ V DD
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CL: capacitancia de carga VDD: voltaje voltaje de alimentación alimentación f: frecuencia frecuencia de conmutación conmutación Dr.-Ing. Paola Vega C.
Consumo de Potencia
Potencia Está Estática Corriente de subumbral (VGS < 0)
Corriente de fuga de compuerta
Drenador
Corriente de subumbral Potencia Estática
Com pue rt a
Fue nt e
Corriente de reversa de juntas PN
Consumo
Substrato
de potencia Corriente de corto circuito
Potencia Dinámica
Carga capacitiva
Corriente de fuga de compuerta Drenador
Co mpu ert a
En general, en los circuitos integrados,
Corriente de reversa de juntas PN
Fu en te
Drenador
Co mp ue rt a
Fu ent e
I
Disipación por carga capacitiva >> Potencia corto circuito >> Potencia estática Substrato
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Substrato
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Potencia Diná Dinámica
Potencia Diná Dinámica
• Potencia dinámica debido a corriente de corto circuito
• Potencia dinámica debido a cargas capacitivas Capacitancia de carga debido a:
Para VIN=VOUT ambos transistores operan en saturación
-COX de compuertas siguientes -COX propia -CW, capacitancia parásita de interconexión
⇒ ambos transistores conducen, permitiendo un flujo de corriente de VDD a tierra
Representadas por CL
CL
⇒Corriente de corto circuito
Potencia disipada:
P SC = I SC ⋅ V DD =
2 t V ⋅ K ⋅ r DD − V TH 3 T 2
3
Potencia disipada:
P L = A ⋅ f ⋅ C L ⋅V DD
2
f : frecuencia de conmutación, CL: capacitancia de carga, A: factor de actividad tr : tiempo de subida (se asume tr = tf )
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T: período de VIN
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A: factor de actividad = probabilidad de conmutación ITCR - Elementos Activos – II 2008
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Compuertas Ló Lógicas: Compuerta NAND
Compuertas Ló Lógicas: Compuerta NOR
Voltaje de entrada
Salida lógica
Voltaje de salida
Entrada lógica
Voltaje de entrada
Salida lógica
Voltaje de salida
A=0, B=0
V A=0, VB=0
1
VDD
A=0, B=0
V A=0, VB=0
1
VDD
A=0, B=1
V A=0, VB=VDD
1
VDD
A=0, B=1
V A=0, VB=VDD
0
0
A=1, B=0
V A=VDD, VB=0
1
VDD
A=1, B=0
V A=VDD, VB=0
0
0
A=1, B=1
V A=VDD, VB=VDD
0
0
A=1, B=1
V A=VDD, VB=VDD
0
0
Entrada lógica
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MOSFET como Interruptor Serie •
En el primer caso, el transistor se ve afectado por el efecto de substrato
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Celdas de Memoria SRAM Las memorias RAM son volátiles = pierden los datos al remover la alimentación SRAM: Static Random Access Memory Dato se guarda con cerrojo de dos inversores cross-coupled por celda Los transistores de línea de palabra conectan el cerrojo con los circuitos de lectura y escritura Bitline
I D =
K (V DD − v o − V TH )2 , V TH incluyendo efecto de substrato 2
Wordline
V DD
Bitline
Wordline
Celda de memoria SRAM
I D =
K
2
(V DD − V TH 0 )2 , V TH 0 ⇒ no efecto de substrato
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Celdas de Memoria DRAM
Capacitores Capacitores Conmutados • Permiten emular resistencias de gran valor ocupando un área de
DRAM: Dynamic Random Access Memory Dato se guarda en un capacitor de almacenamiento: capacitor cargado = ‚1‘, descargado =‚0‘
fabricación menor (ej: 1 MΩ)
El transistor de línea de palabra connecta el capacitor de almacenamiento con el circuito de lectura/escritura Corriente de fuga descarga capacitor ⇒ dato debe reescribirse periódicamente= refrescamiento de datos
Wordline
Celda de memoria DRAM
Bitline
M
CBL
ACC
(Bitline capacitance)
CS V
P
Capacitancia de columna
Capacitancia de almacenamiento Dr.-Ing. Paola Vega C.
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Capacitores Capacitores Conmutados
Q1 = CV 1
Q2 = CV 2
Q1 − Q2 = C (V 1 − V 2 );
I
=
dq
dt C (V 1 − V 2 ) (V 1 − V 2 ) 1 ⇒ I = = ⇒ R sc = T R sc C ⋅ f clk
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