3.1.8. Пример топологии простейшего усилителя

Уменьшение значения , необходимое для увеличения коэффициента усиления, приводит к пропорциональному уменьшению режимного тока и крутизн транзисторов. При этом:

(I) уменьшается режимный ток (пропорционально квадрату величины уменьшения ) с соответственным уменьшением скорости изменения потенциала на выходе усилителя, определяемых выражениями (3.30) и (3.31);

(J) пропорционально уменьшаются крутизны транзисторов, из-за чего уменьшается частотная полоса усиления (см выражение (3.23)) и увеличивается уровень собственных шумов усилителя.

Для компенсации перечисленных выше нежелательных последствий увеличивают ширины транзисторов, как активного, так и нагрузочного. При этом пропорционально увеличиваются и режимный ток, и крутизны транзисторов. Однако следует учитывать, что при увеличениипропорционально увеличивается значение паразитной емкостив выходном узле, что несколько снижает частотную полосу усиления.

Очевидно, что топологию широких транзисторов усилителя в составе реальной аналоговой интегральной схемы нецелесообразно создавать в виде единственного затвора с такими же широкими диффузионными областями стока и истока по бокам. Подобная неоптимальная топология изображена на рис. 3.11 (ширина p-канального транзистора в раза больше шириныn-канального транзистора, что необходимо для получения наибольшего диапазона . При этом требуется равенство граничных напряжений перехода ВАХ из пологой области в крутую при протекании в обоих транзисторах одинакового тока и, соответственно, одинаковые превышения над порогами входного и нагрузочного транзисторов, т.е.).

Неоптимальность топологии на рис. 3.11 состоит в неприемлемо большой паразитной емкости на выходе усилителя ввиду большой протяженностью границы между диффузионной областью стока и фоновой областью.

Рис. 3.11: Неоптимальная топология простейшего усилителя.

Как известно, под фоновым диэлектриком расположены охранные области с увеличенной по сравнению с подложкой концентрацией примеси, и pn-переход между стоком транзистора и охранной областью имеет значительную паразитную емкость, сравнимую с емкостью затвора и, в отдельных случаях, даже превышающую ее.

Паразитная емкость имеет несколько составляющих:

(3.39)

Здесь:

–емкость затвор-сток в n-канальном транзисторе; – емкость затвор-сток в p-канальном транзисторе;

–паразитная барьерная емкость pn-перехода сток-подложка в n-канальном транзисторе. Составляющие представлены ниже:

–емкость дна pn-перехода; – емкость по периметру.

Уменьшить паразитные емкости иp-n переходов стоков можно, расположив диффузионную область между затворами. При этом одна диффузионная область стока обслуживает не один, а ДВА затвора, и на каждый приходится меньше половины паразитной емкости pn-перехода.

Если диффузионная область стока обслуживает ОДИН затвор (верхняя и нижняя диффузионные области на рис. 3.13), то выражения для ипредставляются в виде:

(3.40)

(3.41)

Здесь: – удельная емкость днаpn-перехода на единицу площади, а – удельная емкостьpn-перехода между диффузионной и охранной областями на единицу длины. В выражении (3.40) учтено, что .

Если же диффузионная область стока обслуживает ДВА затвора (центральная диффузионная область на рис. 3.12), то следующие ниже выражения для идемонстрируют выигрыш в соответствующих паразитных емкостях:

(3.42)

(3.43)

Особенно значителен выигрыш в емкости , поскольку в выражении (3.43) отсутствует ее составляющая вдоль всей ширины.

Рис. 3.12: Топология транзистора с двумя параллельно соединенными затворами («двухпальцевая» топология транзистора).

Имея в виду резкое отличие паразитных емкостей крайних и центральной диффузионных областей, целесообразно, чтобы крайние диффузионные области на рис. 3.12 были соединены с источником питания, т.е. были истоками. При этом потенциалы этих областей неизменны и, несмотря на значительные величины паразитных емкостей, эти емкости не перезаряжаются и не влияют на частотные свойства усилителя.

Рис. 3.13: Оптимальная топология простейшего усилителя.

На рис. 3.13 изображена оптимальная топология простейшего усилителя, состоящая из двух «многопальцевых» МДП транзисторов: внизу– «двухпальцевого» n-канального, а вверху – «шестипальцевого» p-канального.