Circuiti invertitori con transistore MOS - potenza statica (29)

 Il transistore MOS, al pari del BJT, svolge nelle applicazioni circuitali la funzione di amplificatore o di interruttore controllato. Si illustrano di seguito alcuni circuiti invertitori che utilizzano il transistore MOS, n o p, e sfruttano il pregio di quest'ultimo di avere una corrente di controllo (al gate) pari a zero.

invertitore nMOS a carico resistivo

il primo circuito che realizza la funzione logica NOT con transistore nMOS è il semplice invertitore a carico resistivo. Il circuito è analogo all'invertitore RTL, con la differenza che la resistenza di base viene rimossa, per l'assenza della corrente di gate.

Figura 1: invertitore nMOS a carico resistivo.

Come per lo stesso invertitore RTL, anche questo circuito svolge la funzione di invertitore, in digitale, e di amplificatore di segnale in analogico. Le leggi del circuito sono:

• M OFF: il transistore è spento e non scorre corrente nel drain. Si ottiene subito che per tensioni di ingresso minori della tensione di soglia VTn l'uscita è pari alla VDD
  
  
  
• M SAT: il transistore è ovviamente acceso. Lavora in saturazione nel momento in cui l'uscita è maggiore della differenza tra la tensione d'ingresso e la soglia (grafico di un semipiano). Tenendo conto della corrente di drain in saturazione, l'uscita dipende dall'ingresso con una proporzionalità quadratica.
  
  
  
• M LIN: il transistore passa in regime lineare nel momento in cui la tensione di uscita è minore della differenza tra ingresso e soglia. La tensione di uscita assume un'equazione piuttosto laboriosa
  
  e ha un contributo di tipo lineare e uno di tipo radice quadrata.

In figura 2 è mostrato l'andamento della caratteristica statica della grandezza Vu in funzione di Vi:

Figura 2: caratteristica dell'invertitore nMOS a carico resistivo.

invertitore pMOS a carico resistivo

il duale del circuito precedente è rappresentato dal  circuito invertitore pMOS, nel quale il transistore pMOS, appunto, sostituisce l'nMOS ma nella zona di pull-up: il terminale di source è collegato all'alimentazione. L'uscita, invece, viene calcolata sulla resistenza.

Figura 3: invertitore pMOS a carico resistivo.

Le leggi del circuito sono le seguenti:

• Mp OFF: il transistore è spento quando la tensione ai capi di source e gate è minore della soglia. Con alcuni calcoli aritmetici, si ottiene che ciò si avvera non appena la tensione di ingresso è maggiore della differenza tra tensione di ingresso e tensione di soglia. La corrente di drain, ovviamente nulla, porta una tensione di uscita pari a zero.
  
  
  
• Mp SAT: il transistore si accende e va in conduzione. Con gli stessi calcoli, si ottiene che il regime di saturazione viene mantenuto fintanto che l'uscita è minore della somma tra ingresso e tensione di soglia.
  
  
  
• Mp LIN: ancora in conduzione, il transistore lavora in regione lineare nel momento in cui l'uscita è maggiore della somma tra tensione di ingresso e tensione di soglia:
  
  
  

La tensione in uscita per Vi = 0 non è pari alla tensione di alimentazione. La caratteristica di questo circuito è mostrata in figura 4:

Figura 4: caratteristica di un invertitore pMOS a carico resistivo.

invertitore nMOS a carico saturato

Il circuito prevede l’utilizzo di due transistori: nel pull-down rimane un nMOS come nel caso dell'invertitore a carico resistivo. Alla rete di pull-up, invece, viene inserito un altro transistore nMOS, ma con la differenza che il gate e il drain sono in cortocircuito (figura 5):

Figura 5: nMOS saturato.

Ovviamente, la tensione tra drain (gate) e source deve essere maggiore della soglia affinché il transistore saturato sia acceso.

Il nuovo invertitore diventa dunque (figura 6):

Figura 6: invertitore nMOS a carico saturato.

Si suppongano i due transistori caratterizzati dalla stessa tensione di soglia e dallo stesso coefficiente beta.

• M1 OFF M2 SAT: il transistore di pull down è spento e ha corrente nulla. Essendo le correnti nei due transistor uguali e ipotizzando il transistore di pull up saturato acceso, la tensione di uscita si ottiene come:
  
  M2 è polarizzato esattamente alla soglia.
  
  
• M1, M2 SAT: entrambi i transistori lavorano in regime di saturazione non appena la tensione di uscita è maggiore della differenza tra ingresso e soglia. Eguagliando le correnti si ottiene una formula lineare della tensione di uscita, in funzione di quella in ingresso:
  
  i quadrati sono stati rimossi grazie al fatto che i valori interni alle parentesi sono sempre positivi.
  
  
• M1 LIN, M2 SAT: non appena la tensione di uscita diventa minore della differenza tra ingresso e soglia, il transistore M1 passa in regione lineare. M2 non si modifica.
  
  la legge descrittiva torna a essere una quadratica.

In figura 7 è mostrata la caratteristica ingresso uscita di questo invertitore:

Figura 7: caratteristica dell'invertitore nMOS a carico saturato.

La caratteristica comune a tutti questi circuiti è il consumo di potenza statica, ossia il prodotto alimentazione - corrente sul transistore. 

• l'invertitore nMOS a carico resistivo, se polarizzato al valore alto sull'ingresso, la tensione di uscita non è nulla, valore basso ideale, ma di qualche valore più alto. Facendo il prodotto con la corrente che scorre all'interno del canale, si ottiene un valore di potenza non nullo;
  
  
• l'invertitore pMOS a carico resistivo, al contrario, ha  un valore basso pari a zero, ma un valore alto minore dell'alimentazione e una corrente non nulla che scorre nel canale. Anche in questo caso la potenza non è nulla; 
  
  
• l'invertitore nMOS a carico saturato non consuma potenza fintanto che il transistore M1 è spento. Non appena viene polarizzato al valore alto, come il primo circuito, non raggiunge in uscita un valore basso nullo, ma un valore poco maggiore. La corrente che scorre è positiva e anche in quest'altro caso, la potenza statica è positiva.