Chúng tôi trình bày một bản tóm tắt về mạch hai bóng bán dẫn MOS, trải rộng từ cấu hình tiêu chuẩn đơn giản đến cách sắp xếp khéo léo. Bằng cách sử dụng các khối xây dựng này, các nhà thiết kế mạch có thể lắp ráp một loạt các chức năng tương tự phức tạp. Bộ sưu tập (chưa hoàn chỉnh) này sẽ dùng làm tài liệu tham khảo và truyền cảm hứng cho các nhà thiết kế mạch cấp dưới và hy vọng chứa ít nhất một ví dụ bất ngờ cho kỹ sư chuyên nghiệp.
Thuật ngữ chỉ mục—Mạch cơ bản, điều khiển cơ thể, CMOS, MOSFET.
Giới thiệu năm mươi biến thể tiện lợi của mạch hai bóng bán dẫn: Sự tôn vinh tính linh hoạt của MOSFET
Thiết kế mạch ANALOG có tính sáng tạo tuyệt vời. Transistor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (MOSFET) là một thiết bị cực kỳ linh hoạt, hoạt động như một công tắc, nguồn dòng, điện trở, điốt và tụ điện, tùy thuộc vào điều kiện phân cực. Để giải trí và để chứng minh khả năng vô hạn trong thiết kế mạch sử dụng MOSFET, chúng tôi trình bày một tập hợp các mạch đơn giản (và phức tạp), sử dụng hai bóng bán dẫn (không tính độ lệch cố định và điện áp cung cấp cũng như dòng điện phân cực cố định). Thông thường, các nhà thiết kế mạch xây dựng các mạch phức tạp từ các khối xây dựng cơ bản này.
Bản tóm tắt này là sự tri ân dành cho tất cả những bộ óc tài tình ngoài kia và những gã khổng lồ về thiết kế mạch điện mà chúng ta đang đứng trên vai ngày hôm nay! Mẫu mạch hai bóng bán dẫn thực tế này, theo hiểu biết tốt nhất của tác giả, chứa các cấu hình có lợi và thường được sử dụng. Một số mạch có tính chất hàn lâm và tò mò hơn, chúng có thể không có khả năng từ chối nguồn điện hoặc có những thiếu sót khác và một số mạch sử dụng kết nối cơ thể làm thiết bị đầu cuối hoạt động (Hình 2, 16, 27, 29, 46, 49 và 50 ), điều này có thể không khả thi trong một số công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) bổ sung. Nói chung, người ta phải nhận thức được tác dụng của cơ thể và tác động của nó.
Còn nhiều mạch hai bóng bán dẫn nữa vẫn chưa được khám phá. Việc tìm kiếm toàn diện các biểu đồ sử dụng một hoặc hai nguồn dòng điện được điều khiển bằng điện áp (được MOSFET gần đúng) đã dẫn đến 150 mạch có thể hữu ích [1], trong đó một trong số chúng được xác định là cấu hình bộ khuếch đại mới có giá trị [2]. Bằng cách đẩy ý tưởng này đi xa hơn, một nghiên cứu đã xác định được 582 cấu trúc liên kết mạch có thể sử dụng hai bóng bán dẫn— lặp lại bài tập này bằng cách sử dụng ba bóng bán dẫn, một con số khổng lồ là 56.280 cấu hình cơ bản đã được tìm thấy [3].
Để giữ cho tổng quan của chúng tôi hợp lý, chúng tôi không bao gồm các mạch bổ sung có thể được xây dựng bằng cách hoán đổi nMOSFET (NMOS) cho các thiết bị p-MOSFET (PMOS) (hoặc ngược lại). Điều này có thể được áp dụng cho hình. 3 đến 13, 15 đến 18, 20 đến 42 và 44 đến 48.
MẠCH LOGIC
Đầu tiên, chúng tôi trình bày các mạch đơn giản hoạt động trên các đầu vào logic, như biến tần (Hình 1) và phiên bản điện áp thấp cải tiến đang khai thác các cực của thân máy trong biến tần MOSFET điện áp ngưỡng động (DTMOS) (Hình 2). Việc chấm dứt đầu vào không được sử dụng của cổng logic thành mức logic 1 hoặc 0, tương ứng, nên sử dụng tie-zero hoặc tie-one an toàn phóng tĩnh điện (ESD) giống như trong Hình 3.
Sử dụng cách sắp xếp bất thường trong Hình 4, chúng ta có thể triển khai hàm logic XNOR, trong khi việc triển khai NAND và NOR, như trong Hình. 5 và 6 tương ứng là các khối xây dựng cơ bản của vũ trụ kỹ thuật số.
MẠCH CƠ BẢN
Phần này trình bày các mạch cơ bản cấu thành các khối xây dựng cơ bản của thế giới tín hiệu tương tự và tín hiệu hỗn hợp, giống như gương dòng điện được hiển thị trong Hình 7. Cặp vi sai (Hình 8) được xây dựng theo cách khác có hoặc không có nguồn dòng điện đuôi, thường là được gọi là cặp giả vi phân. Bộ theo nguồn trong Hình 9 là một trong những mạch cơ bản hữu ích trong nhiều trường hợp, giống như bộ khuếch đại nguồn chung có tải hoạt động (Hình 10). Thêm một cascode vào mạch là một kỹ thuật mạnh mẽ. Ví dụ: một cổng chung kết hợp với một tầng nguồn chung được mô tả trong Hình 11, hoặc tầng của hai tầng cổng chung được hiển thị trong Hình 12. Tất nhiên, tầng cổng chung thiết yếu đủ tiêu chuẩn là hai bóng bán dẫn mạch điện (Hình 13)
Cổng truyền tải (Hình 14) là một khối xây dựng thiết yếu, cho phép chuyển đổi điện áp và dòng điện (một kỳ công khiến MOSFET trở thành một thiết bị có giá trị như vậy). Với phần mở rộng đơn giản, có thể xây dựng một bộ ghép kênh (Hình 15). Tuy nhiên, trong hầu hết các triển khai thực tế, một bộ cổng truyền sẽ được áp dụng cho mục đích này.
MẠCH CƠ BẢN CẢI TIẾN
Người ta đã nhận ra rằng bộ biến tần kỹ thuật số được hiển thị trong Hình 1 cũng có thể được sử dụng làm bộ khuếch đại điện áp thấp (Vout) hoặc giai đoạn chuyển đổi (Iout) tuyệt vời khi cả hai bóng bán dẫn đều bị phân cực bão hòa. Rút ngắn Vin và Vout, có sẵn bản sao thiên vị [9]
Một số mạch điện áp thấp có thể được triển khai bằng cách sử dụng cực thân của MOSFET làm đầu vào điều khiển bổ sung, giống như gương dòng điện áp thấp được mô tả trong Hình 16. Một số cách bố trí cho phép tăng điện áp chính xác và vận hành tốc độ cao, như được minh họa bởi các mạch thể hiện trong hình. 17 và 18
Hình 19 trình bày một phiên bản nâng cao của bộ theo dõi nguồn, còn được gọi là bộ khuếch đại loại B (đẩy/kéo). Suy thoái là phương pháp chính để cải thiện khả năng kết hợp, hệ số nhiễu hoặc khả năng chống đầu ra. Việc triển khai khác nhau chỉ dành cho MOSFET là khả thi (Hình 20 và 21), với việc triển khai trong Hình 21 cho phép điều chỉnh hiệu suất trong quá trình vận hành bằng cách thay đổi Vbias.
Kết hợp giai đoạn nguồn chung với cấu trúc liên kết cổng chung [10], như trong Hình 22, dẫn đến giai đoạn chuyển đổi đầu ra vi sai với đầu vào ohm thấp một đầu. Do đó, nó có thể được sử dụng trong các điều kiện phù hợp với trở kháng, đồng thời cung cấp khả năng khử nhiễu và tuyến tính ở độ lệch lý tưởng [11].
Trong một bước ngoặt khác, bộ theo dõi nguồn có thể được kết hợp với tầng cổng chung, dẫn đến cấu hình bộ khuếch đại hữu ích (xem Hình 23), được tìm thấy bằng cách tạo ra các biểu đồ một cách có hệ thống bao gồm hai giai đoạn độ dẫn điện [2].
MẠCH THIÊN VỊ (ĐỊNH THIÊN)
Việc tạo ra điện áp phân cực là một nhiệm vụ thường gặp trong thiết kế mạch tương tự. Khi các yêu cầu về độ ổn định ở mức vừa phải, một cấu hình đơn giản như trong Hình 24 có thể là đủ. Một tham chiếu điện áp ổn định đáng ngạc nhiên có thể được xây dựng từ hai MOSFET có điện áp ngưỡng khác nhau, như được minh họa trong Hình 25. Đôi khi, cần có một điện áp phân cực có tỷ lệ được xác định rõ ràng với nhiệt độ, chẳng hạn như trong các mạch cảm biến nhiệt độ. Hiệu ứng này có thể đạt được bằng bộ tạo điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối (PTAT) giống như mô tả trong Hình 26. Đôi khi, các mạch dựa trên các hiệu ứng bậc hai khó hiểu, như bẫy điện tích trong bẫy giao diện Si–SiO2, được sử dụng trong mạch có xung nhịp như trong Hình 27, có thể tạo ra dòng điện pA theo cách tiết kiệm diện tích
CÁC YẾU TỐ MẠCH ĐA DẠNG
Các chế độ hoạt động khác nhau của MOSFET có thể được sử dụng khác nhau và dẫn đến các phần tử mạch thực tế. Cặp vi sai ghép chéo (xem Hình 28 và 29) tổng hợp điện trở âm, có thể triệt tiêu tổn thất, ví dụ, trong bộ dao động hoặc bộ lọc LC tăng cường Q. Do điện dung hiệu dụng giữa cực cổng và kết nối nguồn/cống của MOSFET là hàm của các điều kiện phân cực, nên sự sắp xếp được minh họa trong Hình 30 có thể được sử dụng như một bộ biến thiên.
Sử dụng phản hồi cục bộ để tạo ra MOSFET-“diode”, hai điốt chống song song có thể thay thế điốt pn thông thường, chẳng hạn như trong bộ hạn chế điện áp (Hình 31). Oxit cổng của MOSFET thường cung cấp mật độ điện dung cao nhất trong công nghệ CMOS nhất định, do đó, một cặp MOSFET đối song song (xem Hình 32) có thể thay thế một tụ điện tuyến tính bằng một tụ điện có độ tuyến tính tầm thường nhưng nhỏ hơn nhiều. Cấu trúc này có thêm lợi ích là tụ điện ký sinh đối xứng ở cả hai đầu.
Một cuộn cảm tích cực có thể được mô phỏng bằng các bóng bán dẫn sử dụng nguyên lý con quay hồi chuyển [17], giúp giảm diện tích đáng kể so với việc triển khai thụ động dựa trên một cuộn dây được chế tạo từ các lớp kim loại. Một triển khai mẫu dựa trên hai MOSFET được hiển thị trong Hình 33.
XỬ LÝ TÍN HIỆU ANALOG
Việc xử lý tín hiệu tương tự là một nhiệm vụ thường xuyên cần thiết khi nghĩ ra các mạch điện. Việc phân chia điện áp hoặc dòng điện theo diện tích (xem Hình 34) hoặc dòng điện (sử dụng bộ phản chiếu dòng điện như trong Hình 7 hoặc cách sử dụng nâng cao của bộ chia dòng Bult, như trong Hình 35) có thể trở nên hữu ích. Trong bất kỳ triển khai nào của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), cần phải có giai đoạn giữ mẫu, thường khai thác khả năng chuyển mạch tuyệt vời của MOSFET, như được minh họa trong Hình 36, trong đó MOSFET được cấu hình như một tụ điện lưu trữ dữ liệu được lấy mẫu. Vôn. Việc lấy mẫu có thể được sử dụng để chuyển đổi tần số, điều này cũng có thể đạt được bằng cách sắp xếp trong Hình 37, trong đó sự thay đổi theo thời gian của độ dẫn điện của M1 gây ra hiệu ứng trộn [21].
Nhận ra MOSFET hoạt động như một điện trở được điều khiển trong vùng triode, Hình 36 có thể dễ dàng chuyển đổi thành bộ lọc thông thấp (có thể lập trình), như trong Hình 38. Bằng cách đấu lại công tắc lấy mẫu thành cấu hình MOSFET tương đương với đi-ốt, có thể chế tạo một máy dò đỉnh điện áp (Hình 39) và bộ nhân đôi điện áp gần đúng (Hình 40) cho tín hiệu xoay chiều
MẠCH ĐƠN GIẢN VỚI MỘT TWIST
Trong khi hầu hết các quy trình CMOS đều cung cấp điện trở màng mỏng, thường khó nhận ra các giá trị trong phạm vi MΩ đến GΩ. MOSFET ở trạng thái triode hoặc trạng thái tắt (Hình 41 và 42) là một lựa chọn thay thế tốt ở diện tích silicon nhỏ hơn nhiều. Một phiên bản cải tiến của MOSFET kết nối bằng diode được minh họa trong Hình 43. Cấu trúc hai bóng bán dẫn này, được gọi là diode công suất cực thấp (ULPD), làm giảm đáng kể dòng rò theo hướng ngược lại. Sự thay đổi mức thường cần thiết trong đường dẫn tín hiệu, có thể được thực hiện như trong Hình 44. Đôi khi, một mạch đơn giản thể hiện một đặc tính đáng ngạc nhiên và bộ chuyển đổi I-to-V tuyến tính được hiển thị trong Hình 45 là một ví dụ như vậy .
Các mạch hoạt động với thiết bị đầu cuối thân máy làm đầu vào điều khiển thứ tư có thể bổ sung thêm nhiều khả năng bổ sung, chẳng hạn như dịch chuyển mức logic được triển khai trong Hình 46. Phản hồi là một công cụ thiết yếu trong hộp của nhà thiết kế mạch: bộ theo dõi điện áp đảo ngược (hiển thị trong Hình 47). ) và cascode được quy định (xem Hình 48) là các phiên bản được cải tiến đáng kể của các phiên bản đơn giản hơn được hiển thị trong Hình. lần lượt là 9 và 12.
SỬ DỤNG MOSFET NHƯ MỘT BJT
Vốn có cấu trúc vật lý của MOSFET là một bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT), thường có hiệu suất không đủ như mức tăng dòng kém β ≪ 10. Tuy nhiên, nó có thể được sử dụng để tạo ra điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ, giống như mạch thể hiện trong hình. 49, có đặc tính nhiệt độ tỷ lệ với phần bù (CTAT) là sự bổ sung tuyệt vời cho hoạt động PTAT của mạch trong Hình 26. Có thể đạt được việc bù β thấp của BJT ký sinh bằng cách triển khai cấu trúc được mô tả trong Hình 50, giúp cải thiện độ chính xác của mạch bandgap được xây dựng từ các thiết bị BJT tăng cường này.
PHẦN KẾT LUẬN
Năm mươi đoạn mạch thực tế, chỉ sử dụng hai bóng bán dẫn MOS, đã được trình bày. Động lực của việc biên soạn này là nhằm tôn vinh sự sáng tạo trong thiết kế mạch tương tự và chứng minh tính linh hoạt của MOSFET tuyệt vời. Xem qua năm mươi ví dụ này—và biết rằng bản tóm tắt này còn lâu mới hoàn thành [3]—khiến người ta phải kinh ngạc khi nghĩ về những khả năng vô tận khi một nhà thiết kế mạch tương tự được cung cấp một số bóng bán dẫn tuyệt vời này!
NHÌN NHẬN
Các tác giả cảm ơn những người đánh giá vì nhiều gợi ý có tâm của họ. Chúng tôi muốn cảm ơn các đồng nghiệp của chúng tôi tại Viện Mạch tích hợp, JKU, vì sự hỗ trợ của họ trong việc chuẩn bị bản thảo này và nhiều cuộc thảo luận mang tính khai sáng!
