Mot 6: Støy i felteffekttransistorer

Transkript

1 / Mot 6: Støy i felteffekttransistorer To typer av felteffekttransistorer: MOSFET: Kapasitiv kontroll av kanal JFET: Variasjon av bredden på en reversforspent diode hvor deplesjonssonen besteer bredden på kanalen. GaAs FETs har en linende virkeåte.

2 / Støyekaniser Fiuren viser en vanli odell utvidet ed støyodeller. Eleentene i en vanli odell: s, d: Kapasitans ello ate o source o ello ate o drain. vs: Strø ello source o drain. rds: Motstand i kanal ello drain o source. Støyodeller: Gate: n: Shotnoise i lekkasjestrøen jenno aten (spesielt JFET) o teriske fluktasjoner fra drain noden so påvirker ate noden Drain: nd: Teriske eksitasjoner i kanalen.

3 3/ f: Flickerstøy i kanalen Teriskstøy nevnt under Gate o nd skyldes bee terisk støy i kanalen o de blir delvis korrelerte ved høyere frekvenser. 3

4 4/ En-n representasjon av støy Kurvene over viser typiske tendenser for henholdsvis En o n for FET. En er flat lav ved høye frekvenser en vokser ved lavere frekvenser p..a. flicker støy. n er flat lav ved lave frekvenser en vokser lineært ed frekvensen fra en rensefrekvens. En: Det konstante, frekvensuavhenie bidraet i En ved høye frekvenser skyldes terisk støy i kanalen. 4

5 5/ Denne teriske støyen i kanalen kan odelleres ed en otstand ved innanen ed størrelse: n 3 Støyspenninen for denne renes ut på vanli åte: En 4kT n For å inialisere støyen i reion bør være stor. n: Når det jelder n-støyen så skyldes denne ved lave frekvenser (reion 3) shot-noise i dcreversstrøen i JFETs o shot-noise lekasjestrøer i MOSFETs. Denne støyen er hvit o har vanlivis ikke noen /fkoponent. n q GSS Stininen i reion fire skyldes den reelle delen av innansaditansen 5

6 6/ Modifisert odell for litt høyere frekvenser: Vi vil i det følende studere virkninen av tilbakekoblinen so skyldes d o leer foreløpi støyen. Vi inkluderer nå oså ds. Ekstern last representeres ed en resistans o en kapasitans. Total resistiv last blir nå parallellverdien av den indre otstanden rds o den eksterne D. Total kapasitiv last blir parallellverdien av den indre kapasitansen ds o den eksterne D. 6

7 7/ Effekten av tilbakekoblinskondensatoren d kan synlijøres ved bruk av Millers teore. Millers teore: Med en spenninsforsterknin Av så kan tilbakekoblinseleentet Z deles opp i to ipedanser Z o Z bestet av følende uttrykk: o Z Z Z A v Z A v 7

8 8/ Med eleentene fra vår MOSFET så får vi: s s s ds v Z v Z v v v A Hvor Z bestees av Tilbakekoblinseleentet Z er itt av Vi ønsker å analysere innanen o setter inn i uttrykket for Z slik at vi får: Adittansen er den inverse av Z o vi får: [Vi har oså ultiplisert ed (-j) i teller o nevner] j Z d j Z d d j j Z d d d j Y 8

9 9/ ealdelen av Y er: e d Y ealdelen vil representere en otstand. ( vårt tilfelle vil Z være ello ate o source.) d eq Y e Vanlivis vil ²²² << slik at uttrykkes kan forenkles til d eq ainærdelen av Y er: d d j Y Dette betyr at vi har en ekvivalent kapasitans ello ate o source so er: d d eq 9

10 0/ Oså dette uttrykket kan forenkles fordi ²²² << til: eq d d a oss se litt ere på uttrykket vi fant for den ekvivalente otstanden: eq Vi ser at denne otstanden avtar ed kvadratet av frekvensen. Vi vil få en effektiv støystrø på runnla av denne otstanden: (4kT/eq). Dette ir stininen i n for høyere frekvenser slik det er illustrert på fiuren presentert tidliere. Støyeleentene En o n er korrelerte ved høye frekvenser siden de bee har et vesentli bidra fra sae kilde: Terisk støy i kanalotstanden. Dette edfører at støyen blir noe større o vi å ha ed et ekstra korrelasjonsledd. d 0

11 / Eksepel: Berenin av innanskonduktans Mål: Finn innanskonduktansen Gi o støystrøen n for en FET hvor: =500S, d=pf, =3pF o =00k Vi bruker uttrykket for e Y so vi fant tidliere o kan plotte kurven so vist under: Støystrøen n kan berenes ed uttrykket (4kTGi) o er vist i plottet under:

12 / Vanlie uttrykk for FET Først inorerer vi støyen o betrakter en vanli N-MOSFET. Transistoren kan være i cut-off, lineært oråde eller i etnin. lineært oråde har strøen ds en sterk avhenihet av Vds ens i etnin er avheniheten svakere. Det lineære orådet kalles ofte oså for det ohske orådet.

13 3/ etnin kan ds uttrykkes so føler: D W K p V GS VT VDS Her odulerer avheniheten av kanallenden, VT er terskelspenninen, W er kanal bredden ens er kanal lenden. Transkonduktansparaeteren KP kan uttrykkes so: 0ox K p Her er 0 obiliteten til n-kanalen o ox kapasitansen over ateoksydet. Noen eksepler på størrelser fra boka: n-kanal p-kanal Benevnin KP A/V² VT V /V 3

14 4/ D VGS Q po int W K p GS T V V V DS D V V GS T ds V D DS W K p ds Q point r V GS VT VDS D Viktie størrelser er transkonduktansen..o utanskonduktansen Disse kan utrenes av uttrykket for ds. Kapasitansene d o s. Disse kapasitansene vil variere avheni av hvilket oråde vi er i: Oråde ut-off ineært Metnin d OXWD OXWD+(/)WOX OXWD s OXWD OXWD+(/)WOX OXWD+(/3)WOX ox kan defineres so: ox 0 t SiO ox o oppis i ff/u² 4

15 5/ Eksepel: Finn D, o ds. N-MOSFET ed W/=50, VGS=V o VDS=5V. Bruker i tille verdier fra tabell. Først å vi sjekke o den er i etnin? VDS = 5V VGS-VT=-0.79=0.V Ja, den er i etnin! Deretter berener vi strø i henhold til lininen for DS. D 4.8A V V A Så finner vi o ds: K pw V GS VT 0.0V DS 4.8A/ V 500.V A V 96S ds 0.0V 97.A 0. S 97 D rds ds 0.97S. 09M 5

16 6/ Berenin på støy i MOSFET. So tidliere nevnt så har vi tre støykilder i støyodellen vår: n, nd o f. n: n er hovedsakeli shot-noise o kan oduleres ed: n q dc n er doinerende ved lave frekvenser. nd: Økninen i n ved høye frekvenser skyldes Miller koblinen jenno d av støyen i kanalen. Denne støyen er på utanen: 8kT 3 nd Dette er den sae støyen so vi ville hatt hvis vi hadde en parallellotstand i kanalen ed en størrelse på: DAN 3 f: Flickerstøyen er oså ello source o drain: f K f AF F DQ ox eff 6

17 7/ Total støy strø på utanen er: no nd f Vi vil finne ekvivalent støy på innanen o å da først finne forsterkninen over transistoren. dette tilfelle ser vi på strø på utan o spennin på innan: K tr i v d ( sinal) s( sinal) Vi får ekvivalent støy på innan ved å dele støy på utan ed forsterkninen: E ni nd f E Vi setter inn for nd o f: E ni 8kT 3 K p n K f F ox W eff (AF, eff, (-VDS)) Det første leddet tilsvarer støyspenninen fra en otstand ed størrelse: n 3 E n 7

18 8/ Eksepel: Finn Eni Bruker sae transistor so vi renet på tidliere. tille koer: ekkasjestrø D: 00fA, ox=0.7ff/², f=hz, fc=khz, KF=3.6x0^-30²/Vs, AF= o eff drawn delta øsnin: Først finner vi shot-noisen på innanen: q A / Hz.60 n dc n 0.8 fa / Hz / Deretter finner vi terisk støy i kanalen: 8kT nd nd 3.4 pa/ Hz / A / Hz / Ekvivalent otstand for denne støyen er: 3 3. k DAN

19 9/ Flickerstøyen renes ut: f K f F ox AF DQ eff f A / Hz f 6.9 pa / Hz / Total støy i drain-source kanalen er: no nd f A Hz no / 3 no A / Hz no 7.59 pa/ Hz / Så finner vi ekvivalent innanstøy so dette tilsvarer: E ni 6.70 V / Hz E ni 8.9nV / Hz / 9

20 0/ Noen koentarer: Flickerstøyen er doinerende ved khz Andelen av Eni² so skyldes nd er ekvivalent ed å plassere en otstand ved aten (i serie) ed størrelse: n Hvordan oppnå lav støy? a oss studere lininen vi fant for ekvivalent innansstøy: 8kT K F Eni En 3 K f W p ox Vi bør ha en stor so ijen innebærer at vi bør ha et stort W/ forhold o en høy hvile strø. Å lae transistoren stor vil oså redusere flickerstøyen o dered oså hjørnefrekvensen (d.v.s. frekvensen hvor flicker støyen er av sae størrelse so øvrie støykilder.) eff 0

21 / Eksepel: Beste hjørnefrekvensen Ved hjørnefrekvensen er bidraene like store: E f E nd Satt inn så får vi: f c 3K 8kT F AF DQ ox eff nnsatt verdier så får vi: f c 4. 83kHz