5.3 สัญลักษณ์และความสัมพันธ์แรงดัน-กระแสของ MOSFET NMOS สัญลักษณ์แบบสี่ขา (4-terminal symbol)

PMOS

Discrete MOSFET สำหรับ discrete MOSFET ผู้ผลิตจะทำการเชื่อมต่อขา S และขา B เข้าด้วยกัน (ดังนั้น discrete MOSFET จะไม่มี body effect) ทำให้เราสามารถใช้สัญญลักษณ์แบบ 3 ขาได้ NMOS PMOS ทั้งนี้จะเห็นได้ว่าขา D และ S ของ discrete MOSFET จะไม่สามารถใช้สลับกันได้

MOSFET ในวงจรรวม อย่างไรก็ตามในบางครั้งเราไม่สามารถทำการเชื่อมต่อ B และ S ของ MOSFET ใน IC ได้ ตัวอย่างเช่น NMOS ทุกตัวภายใน IC ที่ผลิตด้วยกระบวนการผลิตแบบ CMOS n-well มาตรฐานจะมีขา B ร่วมกัน ในกรณีนี้จะนิยมต่อขา B ของ NMOS ไปยังแหล่งจ่ายแรงดันต่ำสุดของวงจร (VSS หรือ ground) เพื่อไม่ให้รอยต่อ pn (ระหว่าง BS และ BD ของ NMOS) มีโอกาสอยู่ในสภาวะ on

ในทำนองกลับกัน PMOS ทุกตัวภายใน IC ที่ผลิตด้วยกระบวนการผลิตแบบ CMOS p-well มาตรฐานจะมีขา B ร่วมกัน ในกรณีนี้จะนิยมต่อขา B ของ PMOS ไปยังแหล่งจ่ายแรงดันสูงสุดของวงจร (VDD) เพื่อไม่ให้รอยต่อ pn (ระหว่าง substrate และขา D/S ของ PMOS) มีโอกาสอยู่ในสภาวะ on

NMOS PMOS Analog Digital หากมีการระบุว่าขา B ของ MOSFET ต่ออยู่ที่ใด เราสามารถใช้สัญญลักษณ์แบบ 3 ขาแทน MOSFET ใน IC ได้ดังนี้ NMOS PMOS Analog Digital

NMOS หากละเลย Body Effect เราสามารถแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง iD กับ vGS และ vDS ได้ในสามสภาวะ ได้ดังนี้ Surface mobility ของ electron Gate capacitance ต่อหน่วยพื้นที่ โดย (หน่วย A/V2 ) Note หากละเลย channel-length modulation effect ด้วย iD ของ NMOS ในสภาวะ active จะประมาณได้เป็น

PMOS หากละเลย Body Effect เราสามารถแสดงได้ว่า โดย Surface mobility ของ hole Gate capacitance ต่อหน่วยพื้นที่ โดย

ตัวอย่างการวิเคราะห์วงจร MOSFET ตัวอย่างที่ 1 กำหนดให้ NMOS มี K = 0.4 mA/V2และ Vt =2 V จงเลือกค่าตัวต้านทานในวงจรเพื่อให้ NMOS อยู่ในสภาวะ active ID = 0.4 mA และ VDS = 4 V และ เนื่องจาก VG = 0 ดังนั้น และ แบบฝึกหัด 1 จงหาว่า RD ต้องมีค่ามากกว่าเท่าไหร่จึงจะทำให้ NMOS อยู่ในสภาวะ triode

ตัวอย่างที่ 2 กำหนดให้ NMOS มี K = 0. 4 mA/V2และ Vt = 0 ตัวอย่างที่ 2 กำหนดให้ NMOS มี K = 0.4 mA/V2และ Vt = 0.9 V และ RD = RS = 10 kW จงเลือกค่า VG เพื่อให้ NMOS อยู่ในสภาวะ active และมี ID = 0.1 mA และ เนื่องจาก VS = (0.1mA)(10kW) = 1 V ดังนั้น VG = 2.4 V แบบฝึกหัด 2 จงทำการตรวจสอบว่า NMOS อยู่ในสภาวะ active จริงหรือไม่ แบบฝึกหัด 3 VG จะต้องน้อยกว่าเท่าไหร่ NMOS ถึงอยู่ในสภาวะ cut-off

ตัวอย่างที่ 3 กำหนดให้ NMOS มี K = 0. 2 mA/V2และ Vt = 0 ตัวอย่างที่ 3 กำหนดให้ NMOS มี K = 0.2 mA/V2และ Vt = 0.8 V จงเลือกค่า RD เพื่อให้ ID = 0.8 mA NMOS ทำงานอยู่ในสภาวะ active แน่ ๆ (?) และ เนื่องจาก VDS = VGS = 2.8 V ดังนั้น แบบฝึกหัด 4 จงเลือก RD ที่ทำให้ ID = 0.5 mA

ตัวอย่างที่ 4 กำหนดให้ NMOS มี K = 0 ตัวอย่างที่ 4 กำหนดให้ NMOS มี K = 0.1 mA/V2และ Vt = 1 V ถ้า RD = 5 kW จงหา ID แทน VGS = VDS = VDD - IDRD = 5 - 5000ID ลงในสมการข้างบนจะได้ จะได้ ID = 0.4 mA, 1.6 mA แบบฝึกหัด 5 ถ้า RD = 2 kW จงหา ID

ตัวอย่างที่ 5 กำหนดให้ NMOS มี K = 0 ตัวอย่างที่ 5 กำหนดให้ NMOS มี K = 0.5 mA/V2และ Vt = 1 V ถ้า R1 = R2 = 10 kW และ RD = RS = 6 kW จงหา ID แทน VG = 5 V และ VS = IDRD = 6000ID ลงในสมการข้างบนจะได้ จะได้ ID = 0.5 mA, 0.89 mA VDS = 4 V

5.4 MOS Inverter

NMOS Inverter ถ้าเราแทนที่ RD ด้วย NMOS ที่ทำการลัดวงจรขา D และ G NMOS จะอยู่ในสภาวะ active เสมอเพราะ vGS > vGS - Vtn vDS > vGS - Vtn = Veff

ในช่วง A-B’ M1 cut-off ทำให้ iD1 = iD2 = 0,

CMOS Inverter

0<vI< Vtn MP อยู่ในสภาวะ triode โดย K(2VeffP-vSDP)vSDP = 0 vSDP = 0 VDD-|Vtp|< vI < VDD MN อยู่ในสภาวะ triode โดย K(2VeffN-vDSN)vDSN = 0 vDSN = 0

CMOS Inverter VDD

ย่าน II เมื่อเพิ่ม vI จะทำให้ vO ตกลงและ MP อยู่ในสภาวะ triode จนกระทั่ง ย่าน IV เมื่อลด vI จะทำให้ vO เพิ่มขึ้นและ MN อยู่ในสภาวะ triode จนกระทั่ง MP เข้าสู่สภาวะ active ย่าน III MN เข้าสู่สภาวะ active

แบบฝึกหัด 6 รูปข้างล่างแสดงกราฟโอนย้ายแรงดันของวงจรกลับตรรกะ CMOS ที่มี VDD = 5 V ถ้า จงหาว่า vI ในช่วงใดที่ทำให้ 1) MN/cut off และ MP/triode (2) MP/cut off และ MN/triode