Классификация интегральных микросхем. Исследование ионно-плазменного распыления материалов. Исследование статических передаточных характеристик каскадов на МДП-транзисторов, страница 24

Выведем формулы, описывающие передаточную характеристику каскада в пологой и крутой области ВАХ. Заметим, что токи основного и нагрузочного транзистора всегда равны. Поэтому для получения аналитического выражения передаточной характеристики необходимо приравнять выражение для тока Ic (соотношения (1) и (2) и тока Ic (8). Причем в формуле (8) необходимо принять  поскольку именно так выражается напряжение сток-исток нагрузочного транзистора в каскаде (рис.10. а). Для пологой области, приравнивая токи из (2) и (3), получим

                              (9)

В крутой области работы основного транзистора выражение для передаточной характеристики можно получить из (1) и (8). Однако из равенства проще выразить  , а не наоборот:

                            (10)

Выражение (9) и (10) описывают всю передаточную характеристику (рис. 10. в). При малых напряжениях на затворе, когда , последний член в уравнении (9) принимается равным 0 и напряжение на стоке остается постоянным: . С ростом Uз напряжение , как следует из (9) уменьшается линейно вплоть до границы с крутой области, выражаемой уравнение  . В крутой облает спад характеристики становится нелинейным и более медленным. Он выражен уравнением (10).

Таким образом, передаточная характеристика каскада, когда нагрузкой основного транзистора является МДП – транзистор, имеет линейный участок. Если оба транзистора изготовлены из одного материала и по одной технологии, то наклон на линейном участке, выражающий коэффициент усиления каскада, равен

                                         (11)

где ω и L – соответственно ширина и длина капала.

Соотношение (11) показывает, что в линейной области передаточной характеристики величина коэффициента передачи напряжения определяется только геометрическим соотношениями и не зависит от режима работы и температуры.

Каскад с нагрузочным транзистором в интегральной схеме.

В интегральной схеме все транзисторы изготавливаются на одной подложке, которая соединяется с истоком усилительного транзистора (pис 11а). Потенциал истока нагрузочного транзистора в схеме равен Uс, в то время как подложка заземляется. Следовательно, между подложкой и истоком напряжение равно Uс. Смещение истока относительно подложки приводит к изменению порогового напряжения нагрузочного транзистора. Это напряжение теперь будет зависеть от Uс, и его, можно выразить

                                          (12)

а                                б

Рис.12. a – схема инвертора на МДП – транзисторах, изготовленных на общей подложке; б – экспериментальные характеристики для случаев, когда  подложка и исток нагрузочного транзистора соединенного накоротко I и когда подложки обоих транзисторов заземлены II.

Нагрузочного транзистора (рис.13. б). ЭДС ΔЕ на рисунке имитирует разность ЭДС источников питания Ев–Ес .

Если величина ΔЕ<Uпор, то при формировании ВАХ нагрузочный транзистор будет оставаться в пологой области и его ВАХ описывается выражением, подобным (II), но как бы с уменьшением величиной порогового напряжения

                                    (13)

Семейство ВАХ, соответствующих уравнению (13)для различных ΔЕ, показано на (рис.13. в). Для ΔЕ<Uпор характеристики представляют собой семейство парабол, смещённых к началу координат на величину ΔЕ. При ΔЕ=Uпор ВАХ начинается из начала координат. Дальнейшее увеличение ΔЕ переводит транзистор в крутую область (ΔЕ>Uпор). Его характеристики описываются выражением, подобным (I):

                               (14)

С ростом ΔЕ как следует из (14) наклон кривых возрастает

Величина ΔUпор(Uс) выражается соотношением (7, 8) из (3), в котором значение Uп следует считать равной Uс. Значение поправки ΔUпор тем больше, чем больше Uc . Следовательно, Uпорн больше, если ток через транзисторы не протекает. С ростом тока ΔUпор уменьшается и Uпорн стремится к Uпор.

Выражения (9) и (10) описывают передаточную характеристику и в случае интегральной схемы. Однако теперь Uпорн зависит от напряжения Uс.

Проведем сравнение передаточных характеристик трех рассмотренных каскадов в начальной области при .