Zur analogen Großsignalaussteuerung von Feldeffekttransistoren unter Berücksichtigung des Subthreshold-Gebietes PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 3013 / Fachgruppe Elektrotechnlk/Optik Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -Ing. Horst Gad Labor fUr Elektronische Bauelemente und Netzwerke Fachhochschule Lippe, Lemgo Zur analogen Gro{3signalaussteuerung von F eldeffekttransistoren unter BerUcksichtigung des Subthreshold-Gebietes Westdeutscher Verlag 1981 Dem Minister fUr Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen sei fUr die finanzielle F6rderung dieses Projekts gedankt. Meinen Mitarbeitern im Labor fUr Elektronische Bauelemente und Netzwerke der FH Lippe gilt mein herzlicher Dank fUr die Mithilfe bei den umfangreichen Messungen und numerischen Auswertungen auf dem Digitalrechner. CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Gad, Horst: Zur analogen Grosssignalaussteuerung von Feld effekttransistoren unter Berticksichtigung des Subthreshold-Gebietes / Horst Gad. - Opladen Westdeutscher Verlag, 1981. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. )01) : Fachgruppe Elektro technik/Optik) ISBN-13: 978-3-531-03013-5 e-ISBN-13: 978-3-322-87670-6 001: 10.1007/978-3-322-87670-6 NE: Nordrhein-Westfalen: Forschungsberichte des Landes .•• © 1981 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag III Benutzte Formelzeichen v Kur'lfassung VII 1. EinfUhrung 1 2. Analytische und experimentelle Erfassung des analogen Grot3signalbetriebs von Feldeffekttransistorert ohne Be rUcksichtigung dynamischer Effekte 2 3. Entwurf des Modells 6 3.1 Kennlinienmodell im SiHtigungsgebiet fUr konstante Drain-Source-Spannung 7 3.2 Kennlinienmodell im Sattigungsgebiet fUr variable Drain-Source-Spannung 9 3. 3 Differentielle Gro13en 10 3. 3. 1 Berechnung der Steilheit 11 3. 3.2 Berechnung des Kanalleitwertes 12 3.4 Besonderheiten des Modells 13 3.5 Grenzen des Modells 15 4. Bestimmung der Parameter des Modells aus den ge messenen Kennlinien des Feldeffekttransistors 16 4.1 Bezugsspannung UDSO 16 4.2 Parameter lund 13 17 q 4.3 Parameter Uth 18 4.4 Parameter C 18 4.5 Parameter R 19 S IV 4.6 VerhAltnis UE/n 20 4.7 Parameter m und p 20 4.8 Parameter n, t und UE 22 4.9 Parameter von PNFET und MOSFET 24 5. Uberprilfung des Modells 25 5.1 PNFET 25 5.2 MOSFET 33 6. Berechnung der Harmonischen des Drainstromes 40 7. Ermittlung der Harmonischen des Drainstromes der Sourceschaltung 42 7.1 Typische Kennlinien der Harmonischen des Drain- stromes als Funktion der Gate-Source-Spannung 43 7. 2 Harmonische des Drainstromes des PNFET in Sourceschaltung 46 7. 3 Harmonische des Drainstromes des MOSFET in Sourceschaltung 49 8. Zusammenfassung 53 9. Literatur 54 v Benutzte Formelzeichen n-te Ableitung der Ubertragungskennllnie Funktionen n-te Ableitung der Umkehrfunktion der Ubertragungskennlinie C Parameter f Frequenz differentieller Kanallei twert Funktion i, I Strom Augenblickswert des n-ten Spektralanteils des Drain stromes Drainstrom Effektivwert des n-ten Spektralanteils des Drainstro- mes I Parameter, quadra tischer Strom q K Konstante m Parameter n Parameter p Parameter r Funktion Widerstand Parameter, Sourcewiderstand differentielle KurzschluBsteilheit der Sourceschaltung (Steilheit) Parameter Zeit u, U Spannung UB Versorungsspannung Drain-Source -Spannung UDS' ~S' Uds UDSO Parameter, Bezugsspannung VI Gate-Source-Spannung U GS' uGS' U gs Uth Parameter, Schwellspannung UE Parameter, Earlyspannung Parameter Temperatur Winkel w Kreisfrequenz Beispiel fUr die besondere Kennzeichnung der Gr6/3en: A uGS = U GS + u gs cos W t uGS Mischspannung UGS Gleichspannung u1\ Scheitelwert des Wechselanteils gs 1f2 U ~ Effektivwert des Wechselanteils gs gs VII Kurzfassung Das analoge GroBsignalverhalten von Feldeffekttransistoren in Schaltungen ist ohne Beriicksichtigung dynamischer Effekte fur hohere Drain-Source Spannungen unter Einbezug des Subthreshold-Gebietes analytisch und ex perimentell untersucht. Das verwendete Modell geht von bekannten Kennlinienbeschreibungen aus, wobei einige wesentliche Erweiterungen vorgenommen wurden. Da das Mo dell auf eine bestimmte Drain-Source-Spannung im Sattigungsgebiet bezogen ist, konnen einige Parameter des Modells aus dem KurzschluBubertragungs verhalten des FeldeffekUransistors bestimmt werden. Die anderen Parame ter folgen aus der Messung des differentiellen Kanalleitwertes. Anhand der harmonischen Verzerrungen des Drainstromes, sowohl bei KurzschluBbetrieb als auch bei ohmscher Last, laBt sich die Leistungs fahigkeit des verwendeten Modells erkennen. Es ist auch zur Erfassung von Intermodulations- und Kreuzmodulationseffekten geeignet. Beschrieben werden konnen PNFETs und MOSFETs von sehr kleinen b'is hin zu mittleren Drainstromen innerhalb des Sattigungsgebietes. Neu ist vor allem, daB bei der Erfassung des analogen Verzerrungsverhal tens nicht nur der Einflul3 des "exponentiellen" Gebietes des Drainstromes im "quadratischen" Ubertragungsbereich geeignet erfal3t ist, sondern dal3 das Durchgriffsverhalten des Feldeffekttransistors fUr die Praxis brauch bar in die Rechnung mit einbezogen werden konnte. Die Struktur des Modells zeichnet sich dadurch aus, dal3 typische Verhaltensweisen des Feldeffekt transistors weitgehend getrennt angepal3t werden konnen. 1 1. Einfilhrung_ Zur Erfassung des analogen Grol3signalverhaHens von Feldeffekttransisto ren ist es notwendig,ausreichend das Kurzschlul3ilbertragungsverhalten, das unter dem Begriff der Steilheitsverzerrung bekannt ist, und auch den Einflul3 der Drain-Source-Spannung, der unter dem Begriff der Durchgriffs verzerrung bekannt ist, zu beschreiben. Dariiberhinaus ist es fiir eine eini germal3en zufriedenstellende Verzerrungsanalyse von analogen Verstarker schaltungen mit Feldeffekttransistoren erforderlich, nicht nur den Kennlini enbereich bis zur Schwell- bzw. Abschniirspannung analytisch zu behandeln, sondern es ist auch das Subthreshold-Gebiet in die Beschreibung mit einzu beziehen, da dieser Einflul3 auf die Krilmmung der Kurzschlul3iibertragungs kennlinie auch im iiblichen analogen Arbeitsbereich des FET -Verstarkers vorhanden ist. Das Ubertragungsverhalten von Feldeffekttransistoren von sehr kleinen bis hin zu mittleren Drainstromen innerhalb des Sattigungsgebietes wird im vorliegenden Beitrag nach / 2 / und / 3 / beschrieben, ~obei Erweiterun gen hinsichtlich des Kurzschlul3- wie auch des Lastverhaltens vorgenommen wurden. Bevor auf das v·erwendete Modell und seine Parameter sowie auf die Be stimmung dieser Parameter eingegangen wird, ist das wesentliche Ver halten von Feldeffekttransistoren bei analoger Grol3signalaussteuerung und grol3eren Drain-Source-Spannungen, d. h. ausschliel3lich im Sattigungs gebiet betrachtet. Dynamische Effekte, wie die durch die nichtlinearen Interelektrodenkapazitaten und die durch das nichtlineare Laufzeitverhalten des Kanals hervorgerufenen Effekte, sind in die vorliegende Untersuchung nicht mit einbezogen. Es ist angestrebt,zunachst einmal die Steilheits- wie auch die Durchgriffsverzerrungen in der fiir den praktischen Schaltungsein satz sowohl des PNFET als auch des MOSFET geeigneten Weise darzustel len. 2 Die Uberpriifung des Modells erfolgt anhand der Steilheit und des Kanalleit wertes als Funktion des Drainstromes. Die Anwendung des Modells wird bei der harmonischen Analyse des Sourceverstarkers mit ohmscher Last demonstriert. 2. Analy.tische und eXp'erimentelle Erfassung des analogen Grol3signalbe triebs von Feldeffekttransistoren ohne Beriicksichtig!:illg..2y.namischer Effekte Die Ubertragungsfunktion ID = f(U GS' UDS) des Feldeffekttransistors gibt den entscheidenden Aufschlul3 iiber das bei analogem Grol3signalbetrieb auf tretende Verzerrungsverhalten. Daher steht hier das Verzerrungsverhal ten ohne Beriicksichtigung dynamischer Effekte im Vordergrund. Zur Er fassung des nichtlinearen Hochfrequenzverhaltens sind dann entsprechend / 25 / frequenzabhangige Elemente in das Modell einzubauen. Auf derartige Fragestellungen wird aber in diesem Bericht nicht eingegangen. Die Beurteilung des analogen Grol3signalverhaltens des Feldeffekttransistors erfolgt anhand der beim jeweils festzulegenden Betriebsfall auftretenden nichtlinearen Verzerrungen / 1, 22, 24, 25 / . Die Grundlage der Verzer rungsanalyse ist bei sinusfOrmiger Ein- wie auch bei der Mehrton aussteuerung die Ermittlung der durch Reihenentwicklung der Uber tragungskennlinie entstehenden Verzerrungsprodukte. In der Li- teratur wird von Taylorentwicklungen wie auch von modifizierten Bes- selfunktionen ausgegangen / 25, 21, 23 /. Die fUr die Praxis geeigneten Rechenverfahren / 21, 22 / werden bei den vorliegenden Untersuchungen benutzt. = Ausgehend von der Ubertragungskennlinie ID f(U GS' UDS) entstehen bei sinusformiger Einton-Spannungsansteuerung u = U + li cosc..H (2.1 ) GS GS gs im Drainstrom harmonische Verzerrungsprodukte, die sich mit Hilfe 3 der Ableitungen dnID/dU~S berechnen lassen / 1 /. Wird die erste, zweite, dritte, vierte usw. Ableitung mit al , a2, a3, a 4' ... bezeichnet, so folgt fUr die erste Harmonische des Drainstromes ... ) cos w t (2.2) fUr die zweite Harmonische ",2 A4 u u id2 = (a ~+ a ~ + ... ) cos 2 w t (2.3) 2 4 4 48 und fUr die dritte Harmonische ,,3 u id3 (a ~ + ... ) cos 3 w t (2.4) . 3 24 Bei der Berechnung der Gl. (2.2) bis Gl. (2. 4) ist die Drain-Source-Span nung UDS entsprechend den jeweiligen Schaltungsbedingungen zu beriicksich tigen. Da die Harmonischen des Drainstromes mit einem selektiven Pegelmesser als Effektivwerte erfal3t werden, konnen die harmonischen Verzerrungs produkte des Drainstromes Gl. (2.2) bis Gl. (2.4) die Form U3 = a U + a ....£+ (2.5) 1 gs 3 4 (2.6) und U3 =a ~+ (2.7) 3 12 haben. Idl bis Id3 und U gs sind dabei Effektivwerte der jeweiligen Spektralkompo nenten.
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