ITCR - Elementos Activos – II 2008 Dr.-Ing. Paola Vega C.

Aplicaciones del MOSFET:Aplicaciones del MOSFET:Circuitos bCircuitos báásicos CMOSsicos CMOS

ELEMENTOS ACTIVOSEL-2207

II SEMESTRE 2008

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ObjetivosObjetivos

– El transistor de efecto de campo MOSFET y la tecnología CMOS (6 semanas)• Construcción, símbolo, clasificación. • Funcionamiento.• Curvas características y polarización.• Modelo del MOSFET para aplicaciones analógicas.• Modelo del MOSFET para aplicaciones digitales.• Capacitancias internas y modelos de alta frecuencia.• Aplicaciones: El FET como interruptor: interruptor serie, paralelo,

inversor lógico y compuertas lógicas básicas• Escalamiento de MOSFETs

– Objetivo– Conocer el comportamiento y modelado del transistor de efecto de

campo MOSFET, así como sus principales aplicaciones.

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Vin > VTHN , Vin = VDD ⇒ NMOS activado, PMOS inactivo

⇒Vout = 0V: NMOS en región lineal, PMOS en región de corte

CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor (1963)Circuitos con transistores PMOS y NMOS

Inversor CMOSInversor CMOS

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VDD- Vin > |VTHP| , Vin = 0V ⇒ PMOS activo, NMOS inactivo

⇒Vout = VDD: PMOS en región lineal, NMOS en región de corte

Ambos transistores activos durante transiciones del voltaje de entrada ⇒corto circuito temporal de VDD a tierra ⇒ consumo de potencia

2DDLoad VfCP ⋅⋅=

CL: capacitancia de carga

VDD: voltaje de alimentación

f: frecuencia de conmutación

Potencia consumida debido a carga

capacitiva

Inversor CMOSInversor CMOS

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Consumo de PotenciaConsumo de Potencia

Consumo de potencia

Potencia Estática

Potencia Dinámica

Corriente de fuga de compuerta

Corriente de subumbral

Corriente de reversa de juntas PN

Corriente de corto circuito

Carga capacitiva

Disipación por carga capacitiva >> Potencia corto circuito >> Potencia estática

En general, en los circuitos integrados,

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Potencia EstPotencia Estááticatica

Corriente de fuga de compuerta

Corriente de subumbral (VGS < 0)

Corriente de reversa de juntas PN

Substrato

Drenador Compuerta Fuente

Substrato

Drenador Compuerta Fuente

I

Substrato

Drenador Compuerta Fuente

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Potencia DinPotencia Dináámicamica

• Potencia dinámica debido a corriente de corto circuito

Para VIN=VOUT ambos transistores operan en saturación

⇒ ambos transistores conducen, permitiendo un flujo de corriente de VDD a tierra

⇒Corriente de corto circuito

3

232

−⋅⋅=⋅= TH

DDrDDSCSC VV

TtKVIPPotencia disipada:

tr : tiempo de subida (se asume tr = tf) T: período de VIN

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CL

Potencia DinPotencia Dináámicamica

• Potencia dinámica debido a cargas capacitivas

Capacitancia de carga debido a:

-COX de compuertas siguientes-COX propia-CW, capacitancia parásita de interconexión

Representadas por CL

2DDLL VCfAP ⋅⋅⋅=Potencia disipada:

f : frecuencia de conmutación, CL: capacitancia de carga, A: factor de actividad

A: factor de actividad = probabilidad de conmutación

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Voltaje de salidaSalida lógicaVoltaje de entradaEntrada lógica

00VA=VDD, VB=VDDA=1, B=1

VDD1VA=VDD, VB=0A=1, B=0

VDD1VA=0, VB=VDDA=0, B=1

VDD1VA=0, VB=0A=0, B=0

Compuertas LCompuertas Lóógicas: Compuerta NANDgicas: Compuerta NAND

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Voltaje de salidaSalida lógicaVoltaje de entradaEntrada lógica

00VA=VDD, VB=VDDA=1, B=1

00VA=VDD, VB=0A=1, B=0

00VA=0, VB=VDDA=0, B=1

VDD1VA=0, VB=0A=0, B=0

Compuertas LCompuertas Lóógicas: Compuerta NORgicas: Compuerta NOR

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MOSFET como Interruptor SerieMOSFET como Interruptor Serie

• En el primer caso, el transistor se ve afectado por el efecto de substrato

substratodeefectonoVVVKI THTHDDD ⇒−= 02

0 ,)(2

substratodeefectoincluyendoVVvVKI THTHoDDD ,)(2

2−−=

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V DD

Wordline Wordline

Bitline Bitline

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

Celda de memoriaSRAM

Celdas de Memoria SRAMCeldas de Memoria SRAM

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WordlineBitline

CBL

CS

VP

MACC

DRAM: Dynamic Random Access Memory

Dato se guarda en un capacitor de almacenamiento: capacitor cargado = ‚1‘, descargado =‚0‘

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

Capacitancia de columna

(Bitline capacitance)

Celda de memoria DRAM

Capacitancia de almacenamiento

Celdas de Memoria DRAMCeldas de Memoria DRAM

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CapacitoresCapacitores ConmutadosConmutados

• Permiten emular resistencias de gran valor ocupando un área de fabricación menor (ej: 1 MΩ)

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CapacitoresCapacitores ConmutadosConmutados

11 CVQ =

clksc

sc fCR

RVV

TVVC

dtdqVVCQQ

⋅=⇒

−=

−=⇒

=−=−

1)()(

);(

2121

2121

I

I

22 CVQ =