6. Les circuits de base en technologie MOS

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Les circuits de base en
Les circuits de base en
technologie MOS
technologie MOS
Référence de tension
Miroir de courant
Amplificateur différentiel
Amplificateur large-bande
Master IGIS, spécialité Microélectronique
Cours de R. Grisel
Récapitulation
⋅−−µ= DS
DS
thGSOXnD V)
2
V
VV(
L
W
CI
2
)(
2thGS
OXn
DVV
L
WC
I−=
µ
)V1()VV(
L
W
2
C
IDS
2
thGS
OXn
Dλ+−
µ
=
−
=−
t
DS
t
GS
nU
V
nU
V
xD ee
L
W
kI 1
[]
DSthGSOXnD VVV
L
W
CI ⋅−= )( µ
R
Ré éf fé érence de tension rence de tension Paramètres
• Technologie : 0.8 µm
• Vdd = 5 à 10V
• Vss = 0V
• Kn = 103,6 µA/V²
• Kp = 34,53 µA/V²
• Vthn = 0.8 V
• Vthp =- 0.8 V
•K = µnCox
Les deux transistors fonctionnent avec Vgs=Vds,
le point de fonctionnement est donné par
l’intersection des deux courbes « de diode » (voir
l’inverseur push pull) ou par le calcul
Vref
Vss
P
N
iD
Vdd
Exercice : Donnez Vref (et Id) pour W/L(n)=2 et W/L(p)=6, pour
VDD=5V et 7V.

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Miroir de courant
Miroir de courant
Le montage précédent avec un
transistor de « recopie » donne
un miroir de courant.
Si (W/L)nm=(W/L)n, alors
Idnm=Id
Si (W/L)nm=K.(W/L)n alors
Idnm=K.Id
Vref
Vss
P
N
iD
Vdd
Exercice : Donnez Idnm pour W/L(nm)=4 avec la référence du
transparent précédent pour Vdd=5V. Faire la vérification en
simulation.
Limites : Les conditions de fonctionnement de NM (Droite de charge
et alimentation) doivent le maintenir en saturation.
Vss
NM
Charge
Idnm
Imp
Impé édance de sortie petits signaux du miroir de courant dance de sortie petits signaux du miroir de courant
zL’impédance petits signaux vue de Q2(N) n’est pas infinie,
on utilise d’abord le schéma équivalent ci-dessous pour
trouver le thévenin équivalent à l’ensemble Q1-source de
courant (la tension équivalente de thévenin vaut 0, puisqu’il
n’y a pas de composante alternative petits signaux).
)endiode connecté transistor(
g
1
r alors
g
1
r Si
r//
g
1
i
v
donne vg
r
v
vg
r
v
i
1m
s1
1m
1ds
1ds
1m
y
y
y1m
1ds
y
1gs1m
1ds
y
y
=>>
=+=+=
zLe modèle précédent inclus dans le modèle général du
miroir donne le schéma suivant (AC) ce qui conduit au
fait que l’impédance de sortie petits signaux du miroir est
simplement égale à rds2, il n’y a pas de courant AC ds
1/gm1, donc vgs2=0.

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Miroir de courant
Miroir de courant
(d
(dé érivation de source) rivation de source)
zPour augmenter l’impédance de
sortie du miroir précédent, on
peut utiliser le schéma suivant,
qui conduit au modèle petits
signaux.
ds2
xsx
m2xsx
ds2
xsx
gsm2x
sgsxss
r
iR-v
giRi
:soit
r
iR-v
.vgi
-vet v iRv
+−=
+=
==
zLa résistance de sortie est donc donnée par :
zCe qui correspond à un facteur multiplicatif par
rapport au miroir précédent
()()
()
m2ds2m2sds2out
ds2
ds2ds2m2sds2out
ssm2ds2ds2
x
x
out
ggcar gR1rr
r
1
g avec ggR1rr
RRgrr
i
v
r
<<+≅
=++=
++==
Miroir de courant type
Miroir de courant type cascode cascode
zPartant du schéma ci-dessous et en appliquant le fait que Q2
est une dérivation de source pour Q4de résistance rds2
La résistance de sortie se voit augmenter
D’un facteur (entre 10 et 100), cela peut
Être intéressant pour les étages
Amplificateur faible gain
()()
()()
m42dsds4m42dsds4out
ds4m42dsds4out
grr gr1rr
oits ggr1rr
≅+≅
++=

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Inverseur
Inverseur à àcharge active charge active
zDonnez la caractéristique de
transfert en fonction des courbes
données pour les 2 transistors
zDire quelle tension de polarisation
permet de travailler sur Vin en
petits signaux
zDonner le schéma équivalent BF
ainsi que le gain et la résistance de
sortie du montage
Vout
Vss
P
N
iD
V+=2V
Vin
Paramètres
• Technologie : 0.8 µm
• Vdd = 5 V
• Vss = 0V
• Kn = 103,6 µA/V²
• Kp = 34,53 µA/V²
• Vthn = 0.8 V
• Vthp =- 0.8 V
•K = µnCox
W=30u
L=20u
W=90u
L=20u
Amplificateur diff
Amplificateur diffé érentiel rentiel
zLes amplificateurs possèdent une entrée différentielle, réalisée
par une paire différentielle. L’objectif est d’amplifier
uniquement la différence de potentiel sans se préoccuper du
mode commun (le rapport de réjection de mode commun
CMRR est d’ailleurs une caractéristique importante). Une autre
caractéristique est la dynamique d’entrée pour laquelle le gain
différentiel reste le même (CMR), ainsi que l’offset (5 à 20
mv). Nous commencerons par l’exemple avec Drains connectés
par une même résistance RD.
Fonctionnement avec une tension en mode commun
Fonctionnement avec une tension en mode commun
Considérons les deux grilles connectées ensemble à vcm, tension de mode commun
(vg1=vg2=vcm). Si on suppose que Q1 et Q2 sont appariés, le courant I se divisera
également entre les deux branches. On a donc iD1=iD2=I/2 et vs=vcm-VGS où VGS est
la tension correspondant à I/2, on peut écrire (modulation de canal négligée):
La tension de Drain est : la différence de potentiel entre les deux
Drains sera nulle
()
L
W
K
I
V ,)V(
L
W
2
K
2
I
soit )VV(
L
W
2
K
2
I
n
OV
2
OV
n
2
thGS
n==−=
DDD2D1D R
2
I
Vvv −==
Si on augmente vcm, que Q1 et Q2 restent en
saturation, les tensions de Drain seront
inchangées (réjection de la tension de mode
commun). La valeur limite est :
DDDtcm R
2
I
VVv max −−=
La valeur minimale de vcm est déterminée par
la tension minimale nécessaire au
fonctionnement de la source I (soit VCS cette
tension) O
V
tcsssmincm VVVVv +++−=

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Fonctionnement avec une tension diff
Fonctionnement avec une tension diffé érentielle rentielle
Soit le schéma suivant (vG2=0). vid=vGS1-vGS2, si vid est positif, vGS1>vGS2 et iD1>iD2, (vD2-vD1)
est positif. Si vid est négatif, c’est l’inverse qui se produit. vGS1 peut atteindre une valeur pour
laquelle iD1=I (vGS2 est réduit à Vt, donc vS=-Vt), cette valeur de vGS1 correspond à :
VOV est la tension
« d’overdrive » correspondant à un courant de I/2 (voir page précédente).
()
O
V
tnt1GS
2
t1GS
nV2V
L
W
KI.2V vsoit )Vv(
L
W
2
K
I+=+=−=
On a donc :
Si vid augmente encore au-delà, vGS1 reste le
même et vSaugmente de manière à le laisser
égal. Le même raisonnement conduit à un
comportement équivalent dans l’autre sens
lorsque vid est négatif.
O
V
idOV VvV 22 ≤≤− définit la plage de
fonctionnement du mode différentiel
OVtOVtsGSid VVVV 22v v v 1max =−+=+=
Exercice : Trouvez l’expression des courants en fonction de vID = VGS1-VGS2 :
Suite du calcul, soit :
)b8(
I.4
v
1
2
v
I.
2
I
i
)a8(
I.4
v
1
2
v
I.
2
I
i
2
IDID
2D
2
IDID
1D
β
−β−=
β
−β+=
() ()
V
L
W
K
2
1
2
I
V-V
L
W
K
2
1
2
I
soit
Vv v;
2
I
ii aon 0, và
2
OVn
2
tGSn
GSGS2GS12D1DID
===
=====
Ce qui permet d’exprimer les relations (8) sous la forme alternative suivante :
)b9(
V
2v
1
2
v
V
I
2
I
i
)a9(
V
2v
1
2
v
V
I
2
I
i
2
OV
IDID
OV
2D
2
OV
IDID
OV
1D
− −=
−
+=
Allure des courants normalisés dans une paire différentielle MOS. Notez
que VOV est « l’overdrive » correspondant à Q1 et Q2 fonctionnant à
I/2. Si l’on se place dans la zone linéaire les expressions des courants
deviennent :
ID
ID
OV
dd
ID
OV
2D
ID
OV
1D
v.K
2
v
V
I
ii )b10(
2
v
V
I
2
I
i
)a10(
2
v
V
I
2
I
i
=
==∆
−≅
+≅