Khi thiết kế mạch lọc tích cực sử dụng công nghệ CMOS, chúng ta cần hiểu rõ cấu tạo của linh kiện, đặc tính điện I/V, đáp ứng tần số, điện dung kí sinh, điện cảm kí sinh trên các cực của linh kiện.
Hình 19 Kí hiệu transitor và mô hình tín hiệu nhỏ
Linh kiện NMOS và PMOS gồm 4 cực : D,G,S,B trong đó G là cực điều khiển , dòng sẽ chảy từ D tới S (NMOS) và S tới D ( PMOS) . Khi B không nối với S xảy ra hiện tƣợng “body effect” sẽ làm thay đổi điện áp ngƣỡng của linh kiện. B thƣờng nối với thế cao nhất đối với PMOS hoặc thấp nhất với trƣờng hợp là NMOS.
Để phân tích đáp ứng tần số của linh kiện ta phải sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ. Trong đó gm là độ truyền dẫn của linh kiện , ro : điện trở kênh dẫn
W 2 ' d gm K I L 1 d ro I K’ : hệ số linh động.
W , L : chiều rộng và dài của kênh dẫn
Hình 20Mặt cắt transitor NMOS
Hình 21 Miền làm việc của transitor
Transitor có 4 miền làm việc cơ bản
Cut off : Kênh dẫn đóng hoàn toàn (Vgs << Vthn)
Miền sub-threshold hay còn gọi là miền đảo yếu (Vgs ~ Vthn, Vds rất nhỏ) Miền triode hay còn gọi là miền tuyến tính (Vgs>Vthn, Vds <Vdsat)
Spice model linh kiện NMOS và PMOS dùng trong mô phỏng
Trong thiết kế siêu cao tần sử dụng linh kiện CMOS, cần quan tâm đặc biệt đến tụ kí sinh tại mỗi điểm trong mạch điện.
Hình 22 Mặt cắt và điện dung kí sinh trên NMOS
Giá trị tụ này phụ thuộc vào điều kiện phân cực và miền làm việc của transitor. Cgd : điện dung kí sinh cực cửa (gate) với cực máng (drain)
Cgs : điện dung kí sinh cực cửa (gate) với cực nguồn (source) Cdb,Csb,Cgb : điện dung kí sinh của cực D,S,G với đế (bulk) Hình (b) mô tả mặt cắt của linh kiện CMOS.
Hình 23 Tụ Cgs và Cgd với tương ứng với miền làm việc của transitor
Trong miền bão hòa, MOSFET thể hiện điện dung gate-drain cơ bản là W*Cov. Điện áp sai khác giữa gate và kênh dẫn thay đổi từ Vgs tại nguồn đến Vgs-Vth tại điểm cắt (pinch off point), gây ra điện trƣờng không đều dọc theo kênh.
ox
2 eff / 3 W ov
Cgs WL C C .
Tham số quan trọng để quyết định tần số hoạt động của transitor, gọi là tần số cắt ft ( transit frequency): 2 1 ~ 2 m gg eff g ft C L (1.5)
Tần số cắt phụ thuộc vào dòng điện, do đó khi thiết kế mạch điện cần phải thỏa hiệp nhiều yếu tố : giá trị dòng điện, kích thƣớc linh kiện. Đối với mạch siêu cao tần, cần chú ý việc chọn dòng điện sao cho tần số cắt của linh kiện là lớn nhất.