mosfet

173
1 MOSFET Struktur dan operasi fisik dari MOSFET jenis ‘enhancement’ mbar 1. Struktrur fisik transistor NMOS jenis enhan

Upload: saeful4h13

Post on 15-Nov-2014

8.235 views

Category:

Documents


10 download

DESCRIPTION

 

TRANSCRIPT

Page 1: Mosfet

1

MOSFET

• Struktur dan operasi fisik dari MOSFET jenis ‘enhancement’

Gambar 1. Struktrur fisik transistor NMOS jenis enhancement

Page 2: Mosfet

2

• Cara kerja tanpa tegangan ‘gate’

Tanpa tegangan gate akan ada 2 dioda yang diserikan secara ‘back-to-back’ antara source dan drain. Kedua dioda ini akan mencegah adanya arus dari drain ke source jika vDS dipasang. Resistansi pada jalur antara drain dan source sangat tinggi (pada orde 1012 Ω).

• Membuat kanal untuk aliran arus.

Gambar 2. Transistor NMOS jenis enhancement dengan tegangan positif pada gate

Page 3: Mosfet

3

• Pemasangan tegangan vDS yang kecil.

Gambar 3. Transistor NMOS dengan vGS > Vt dengan tegangan vDS terpasang

Konduktansi kanal sebanding dengan vGS – vt

Arus iD sebanding dengan vGS – vt.

Page 4: Mosfet

4

Gambar 4. Karakteristik iD – vDS dari MOSFET

MOSFET bekerja seperti resistansi linier yang dikendalikan oleh vGS.

Untuk vGS ≤ Vt, resistansinya tidak terhingga, dan harganya menurun jika vGS melebihi Vt. Jadi, agar MOSFET terkonduksi harus ada kanal induksi. Dengan bertambahnya vGS melebihi Vt meningkatkan kemampuan kanal, oleh karena itu MOSFET jenis ini disebut MOSFET ‘enchancement-type’.Arus yang meninggalkan source (is) sama dengan arus yang memasuki drain (iD), jadi arus gate iG = 0

Page 5: Mosfet

5

• Operasi bila vDS dinaikkan.

Gambar 5. Cara kerja transistor NMOS jenis enhancement dengan meningkatnya vDS

Page 6: Mosfet

6

Gambar 6. Hubungan iD dengan vDS pada transistor NMOS jenis enhancement yang beroperasi dengan vGS > Vt

vDSsat = vGS - Vt

Page 7: Mosfet

7

Gambar 7. Kenaikan vDS penyebabkan kanal menyempit

Page 8: Mosfet

8

Perhatikan gambar dan sebuah ‘strip’ pada gate yang berjarak x dari source. Kapasitansi strip ini: CoxWdx. Untuk mendapatkan muatan pada strip ini, kalikan kapasitansinya dengan tegangan efektif antara gate dan kanal pada titik x yaitu: [vGS – v(x) – Vt]; v(x) adalah tegangan pada kanal di titik x.

dq = - Cox (W dx)[v\GS – v(x) – Vt]

Tegangan vDS menghasilkan medan listrik sepanjang kanal. Medan listrik pada titik x:

dx

xdvxE

)()(

Medan listrik E(x) menyebabkan muatan elektron dq bergerak ke arah drain dengan kecepatan:

dx

xdvVxvvWCi

dt

dx

dx

dqdt

dqi

dx

xdvxE

dt

dx

tGSoxn

nn

)()(

)()(

Page 9: Mosfet

9

Hubungan iD - vDS

ox

oxox tC

Gambar 8. Penurunan karakterisitk iD – vDS pada transistor NMOS

Page 10: Mosfet

10

Walaupun dievaluasi pada titik tertentu, arus i harus konstan pada semua titik di sepanjang kanal. i harus sama dengan arus dari source ke drain dan berlawan arah dengan arus dari drain ke source (iD)

2

21

0 0

)()(

)()(

)()(

DSDStGSoxnD

L v

tGSoxnD

tGSoxnD

tGSoxnD

vvVvL

WCi

xdvVxvvWCdxi

xdvVxvvWCdxidx

xdvVxvvWCii

DS

Harga arus pada ujung daerah trioda atau permulaan daerah jenuh dapat diperoleh dengan menggantikan vDS=vGS – Vt

221

tGSoxnD VvL

WCi

µnCox disebut parameter transkonduktansi proses. Dituliskan sebagai kn’ dan mempunyai dimensi A/V2

kn’ = µnCox

Page 11: Mosfet

11

jenuh)(daerah

ioda)(daerah tr

2'21

221'

tGSnD

DSDStGSnD

VvL

Wki

vvVvL

Wki

Jadi arus drain sebanding dengan perbandingan lebar kanal dan panjang kanal, yang disebut ‘aspect ratio’ dari MOSFET

MOSFET kanal-pMOSFET kanal-p jenis ’enchancement’ (PMOS), dibuat pada substrate jenis n dengan daerah p+ pada drain dan source. Cara kerjanya sama dengan NMOS hanya saja vGS, vDS dan Vt negatif.

Page 12: Mosfet

12

Complementary MOS atau CMOS

Gambar 9. Rangkaian terintegrasi CMOS

Pada teknologi CMOS, transistor NMOS diimplementasiikan langsung pada substrate jenis p, sedangkan transistor PMOS dibuat pada n-well. Kedua divais diisolasi satu dengan lainnya dengan oksida yang tebal sebagai insulator.

Page 13: Mosfet

13

Karakteristik arus dan tegangan.• Lambang rangkaian

Gambar 10. Lambang MOSFET kanal n jenis enhancement

Pada FET kanal n: drain selalu positif dibandingkan dengan source

Page 14: Mosfet

14

Gambar 11(b) Karakteristik iD – vDS untuk divais dengan kn

’(W/L) = 1.0mA/v2

Gambar 11(a) MOSFET kanal n jenis enhancement

Page 15: Mosfet

15

Kurva karakteristik menunjukkan 3 daerah kerja:1. daerah ‘cutoff’2. daerah trioda3. daerah jenuh.

• Daerah jenuh dipakai bila FET bekerja sebagai penguat.

• Daerah cutoff dan trioda digunakan bila FET bekerja sebagai saklar.

FET pada daerah cutoff jika: vGS < Vt

Pada daerah trioda:vGS ≥ Vt (induced channel)vGD > Vt (continuous channel)vGD = vGS – vDS

vGS – vDS > Vt

vDS < vGD – Vt (continuous channel)

Jadi MOSFET kanal –n jenis ‘enchancement’ berkerja di daerah trioda jika vGS lebih besar dari Vt dan tegangan pada drain lebih rendah dari tegangan gate minimal sebesar Vt volt

Page 16: Mosfet

16

oxnn

DSDStGSnD

Ck

vvVvL

Wki

'

221'

Jika vDS cukup kecil, vDS2 dapat diabaikan.

DStGSnD vVvL

Wki '

rDS adalah resistansi linier yang dikendalikan oleh vGS.Jika vGS = VGS, maka

OVnDS

tGSOV

GSGSDS

tGSnD

DSDS

VL

Wkr

VVV

Vvv

VVL

Wk

i

vr

'

1'

1

) dan kecil (untuk

VOV : gate-to-source overdrive volltage

Page 17: Mosfet

17

Batas antara daerah trioda dan daerah jenuh:vDS = vGS – Vt

Arus iD pada keadaan jenuh

2'21

tGSnD VvL

Wki

Pada keadaan jenuh:arus iD tidak tergantung dari tegangan drain, vDS

arus iD ditentukan oleh tegangan gate, vGS

MOSFET menjadi sebuah sumber arus ideal yang harganya dikendalikan oleh vGS

Catatan: ini adalah model rangkaian ekivalen sinyal besar

Pada batas antara daerah trioda dan daerah jenuh:

2'21

DSnD vL

Wki

MOSFET bekerja di daerah jenuh jika:vGS ≥ Vt (induced channel)vGD ≤ Vt (pinched-off channel)vDS ≥ vGS – Vt (pinched-off channel)

Jadi MOSFET kanal –n jenis ‘enhancement’ bekerja pada daerah jenuh jika vGS lebih besar dari Vt dan tegangan drain tidak lebih kecil dari tegangan gate melebihi Vt volt

Page 18: Mosfet

18

Gambar 12. karakteristik iD - vGS transistor NMOS jenis enhancement pada keadaan jenuh (Vt = 1 V dan kn’(W/L) = 1,0 mA/v2

Page 19: Mosfet

19

Gambar 13. Rangkaian ekivalen model sinyal besar dari NMOS pada daerah jenuh

Page 20: Mosfet

20

Gambar 14. Level relatif tegangan terminal transistor NMOS yang beroperasi pada daerah trioda dan daerah jenuh.

Page 21: Mosfet

21

Resistansi keluaran pada keadaan jenuh

Gambar 15. Kenaikan vDS melebihi vDSsat yang menyebabkan titik ‘pinch-off’ sedikit menjauh dari drain

vDS naik melebihi vDSsat, titik ‘pinched-off’ dari kanal bergeser menjauhi drain menuju source, sehingga ada daerah ‘depletion’ antara drain dan ujung kanal. Akibatnya panjang kanal akan berkurang.

Keadaan ini disebut ‘channel-length modulation’

Karena iD berbanding terbalik dengan panjang kanal, maka iD naik dengan naiknya vDS.

Untuk menghitung ketergantungan iD pada vDS pada keadaan jenuh, ganti L dengan (L – ΔL)

Page 22: Mosfet

22

2'21

2'21

2'21

1

1

1

tGSn

tGSn

tGSnD

VvL

L

L

Wk

VvLLL

Wk

VvLL

Wki

Diasumsikan (ΔL/L) << 1Jika ΔL sebanding dengan vDS :

ΔL = λ’vDS

λ’ parameter teknologi proses dengan dimensi µm/V

DStGSnD

tGSDSnD

vVvL

Wki

L

VvvLL

Wki

1

'

'1

2'21

2'21

Page 23: Mosfet

23

Gambar 15. Efek vDS pada iD pada daerah jenuh

Ektrapolasi garis lurus pada kurva karakteristik iD – vDS

akan memotong sumbu vDS pada titik vDS = - 1/λ ≡ -VA.

vA = 1/λ

Untuk suatu proses tertentu, VA sebanding dengan panjang kanal L.

VA = VA’L

VA’ = 5 – 50 V/µm

Page 24: Mosfet

24

Gambar 17. Model rangkaian sinyal besar dari MOSFET kanal -n pada keadaan jenuh dengan adanya resistansi ro

Catatan: divais dengan kanal yang lebih pendek lebih terpengaruh dengan efek ‘channel-length modulation’.

Page 25: Mosfet

25

‘Channel-length modulation’ menyebabkan adanya resistansi keluaran (tidak ∞), ro

D

Ao

Do

tGSn

o

vDS

Do

I

Vr

Ir

VVL

Wkr

v

ir

GS

1

1

2'

1

2

konstan

Dimana ID adalah arus drain tanpa memperhitungkan ‘channel-length modulation’Resistansi keluaran berbanding terbalik dengan arus bias dc, ID

Page 26: Mosfet

26

Karakteristik MOSFET kanal p

Gambar 18. MOSFET kanal p jenis enhancement

Page 27: Mosfet

27

Untuk menginduksi sebuah kanal harus dipasang tegangan pada gate lebih kecil dari Vt.

vGS ≤ Vt (induced channel)

vSG ≥ |Vt|

Untuk bekerja di daerah trioda:

vDS ≥ vGS – Vt (continuous channel)

oxpp

DSDStGSpD

Ck

vvVvL

Wki

'

221'

vGS, Vt dan vDS negatifµp = 0,25 – 0,5 µn

Untuk bekerja di daerah jenuh:vDS ≤ vGS – Vt (pinched-off channel)

DStGSpD vVvL

Wki 1 2'

21

vGS, Vt, λ dan vDS negatif

Page 28: Mosfet

28

Agar transistor PMOS bekerja, tegangan gate harus dibuat lebih rendah dari tegangan source sedikitnya sebesar |Vt|. Untuk bekerja di daerah trioda, tegangan drain harus lebih besar dari tegangan gate minimal sebesar |Vt|, jika tidak, PMOS bekerja di daerah jenuh.

Gambar 19. Level relatif tegangan terminal transistor PMOS yang beroperasi pada daerah trioda dan daerah jenuh.

Page 29: Mosfet

29

Peranan substrate – the body effect

Dalam banyak pemakaian:– substrate dihubungkan dengan source– pn junction antara substrate dan gate selalu ‘off’.

Pada keadaan ini substrate tidak berperan dalam kerja rangkaian.

Pada IC, banyak MOS menggunakan substrate yang sama. Agar junction antara substrate dan gate selalu ‘off’:– Substrate dihubungkan ke tegangan yang paling

negatif untuk rangkaian NMOS– Substrate dihubungkan ke tegangan yang paling

positif untuk rangkaian PMOS

Akibatnya tegangan reverse-bias antara source dan body (VSB pada divais kanal n) akan mempengaruhi kerja divais.

Reverse bias ini akan:– Memperlebar daerah ‘depletion’– Mengurangi kedalaman kanal

Agar kedalaman kanal tetap sama, vGS harus dinaikkan.

Page 30: Mosfet

30

Efek dari VSB pada kanal dinyatakan dengan perubahan Vt

fSBftt VVV 220

Vt0 = tegangan ambang untuk VSB = 0φf = parameter fisik; biasanya 2φf = 0,6 Vγ= parameter proses pembuatan

OX

SA

C

qN

2

q= 1,6 x 10-19 CNA = konsentrasi dopingεS = permitivitas silikon = 11,7 ε0 = 11,7 x 8,854 x 10-12

Page 31: Mosfet

31

Pengaruh suhu– Vt dan k’ sensitif terhadap suhu– Vt turun 2 mV/°C– iD berkurang dengan naiknya suhu

Breakdown dan proteksi input• Breakdown terjadi jika tegangan drain naik mencapai

harga dimana pn junction antara drain dan substrate mengalami breakdown avalanche.

• Akibatnya akan ada peningkatan arus. • Keadaan ini terjadi pada tegangan 20 – 150 V.

Punch-through adalah efek lain dari breakdown.• Terjadi pada tegangan yang lebih rendah (20V).• Terjadi pada divais yang mempunyai kanal pendek

yaitu pada saat tegangan drain naik ke suatu titik di mana daerah depletion sekitar drain melewati kanal dan mencapai source.

• Arus drain akan naik dengan cepat. • Punch-through tidak menyebabkan kerusakan yang

permanen.

Page 32: Mosfet

32

Breakdown oksida gate terjadi bila tegangan melebihi 30V.

• Breakdown ini menyebabkan kerusakan permanen pada divais

• Penyebabnya adanya akumulasi muatan statik pada kapasitor gate yang dapat melebihi tegangan breakdown-nya.

• Untuk mencegah akumulasi muatan statik pada kapasitor gate, dipasang alat proteksi pada terminal masukan dari IC MOS yang terdiri dari rangkaian dioda penjepit (clamping diodes)

Page 33: Mosfet

33

Summary

Transistor NMOS:Simbol

Tegangan overdrive:vOV = vGS – Vt

vGS =Vt + vOV

Bekerja di daerah trioda:

•Kondisi:• vGS ≥ Vt ↔ vOV ≥ 0• vGD ≥ Vt ↔ VDS ≤ vGS – Vt ↔ vDS ≤ vOV

Page 34: Mosfet

34

221

DSDStGSOXnD vvVvL

WCi

• karakteristik i – v

• Untuk vDS << 2(vGS – Vt) ↔ vGS << 2 vOV

tGSOXn

D

DSDS Vv

LW

Ci

vr 1

Bekerja di daerah jenuh:

• Kondisi:• vGS ≥ Vt ↔ vOV ≥ 0• vGD ≤ Vt ↔ vDS ≥ vGS – Vt ↔ vDS ≥ vOV

• Karakteristik i – v

DStGSOXnD vVvL

WCi 12

21

Page 35: Mosfet

35

Model rangkaian ekivalen sinyal besar

D

AtGSOXno I

VVV

L

WCr

12

21

dimana

221

tGSOXnD VVL

WCI

Tegangan ambang:

fSBftt VVV 220

Page 36: Mosfet

36

Parameter proses:

21

V 2

V 1

mV

VA

F/m

1

'

'

2

OXSA

A

AA

OXnn

OXOXOX

CqN

V

LVV

Ck

tC

Konstanta:

ε0 = 8,854 x 10-12 F/mεOX = 3,9 ε0 = 3,45 x 10-11 F/mεS = 11,7 ε0 = 1,04 x 10-10 F/mq = 1,602 x 10-19 C

Page 37: Mosfet

37

Transistor PMOS

Simbol:

Tegangan overdrive:vOV = vGS – Vt

vSG =|Vt| + |vOV|

Bekerja di daerah trioda:

•Kondisi:• vGS ≤ Vt ↔ vOV ≤ 0 ↔ vSC ≥ |Vt|• vGD ≥ |Vt| ↔ VDS ≥ vGS – Vt ↔ vSD ≤ |vOV|

Page 38: Mosfet

38

Bekerja di daerah jenuh:

• Kondisi:• vGS ≤ Vt ↔ vOV ≤ 0 ↔ vSG ≥ |Vt|• vDG ≤ |Vt| ↔ vDS ≥ vGS – Vt ↔ vDS ≥ |vOV|

• Karakteristik i – v Mempunyai hubungan yang sama seperti pada transistor NMOS kecuali:

• µn, kn’ dan NA diganti dengan µp, kp’ dan ND

• Vt, Vt0, VA, λ dan γ bernilai negatif

•Model rangkaian ekivalen sinyal besar

D

AtSGOXpo I

VVV

L

WCr

12

21

221

tSGOXpD VVL

WCI

Page 39: Mosfet

39

Contoh soal:Sebuah MOSFET mempunyai Lmin = 0,4μm, tOX = 8 nm, μn = 450 cm2/Vs dan Vt = 0,7 V.

a. Carilah COX dan k’n.b. Untuk MOSFET dengan W/L = 8 μm/0,8μm,

hitunglah harga VGS dan VDSmin yang diperlukan agar transistor bekerja di daerah jenuh dengan arus dc ID = 100 μA

c. Untuk MOSFET pada (b), carilah harga VGS yang diperlukan agar MOSFET bekerja sebagai resistor 1000 Ω untuk vDS yang sangat kecil

Jawab:a.

2

6-

22'

2

239

11

A/V 194

(F/V.s) 10 194

)m(fF/ 4,32V.s)/(cm 450

mfF/ 4,32

F/m 1032,4108

1045,3

OXnn

OX

OXOX

Ck

tC

Page 40: Mosfet

40

Untuk bekerja di daerah jenuh:

V32,0

V02,1

V32,07,0

7,08,0

8194100

min

2

21

2'21

tGSDS

GS

GS

GS

tGSnD

VVV

V

V

V

VvL

WkI

Untuk MOSFET di daerah trioda dengan vDS sangat kecil:

V22,1

V52,07,0

7,01010194

11000

1

6

'

'

GS

GS

GS

tGSn

kecilvD

DSDS

DStGSnD

V

V

V

VVL

Wk

i

vr

vVvL

Wki

DS

Page 41: Mosfet

41

Rangkaian MOSFET pada DC

Contoh soal

Rancanglah rangkaian seperti pada gambar di samping ini sehingga transistor bekerja pada ID = 0,4 mA dan VD = +0,5 V. Transistor NMOS mempunyai Vt = 0,7 V, μnCOX = 100 μA/V2, L = 1μm dan W = 32 μm. Abaikan pengaruh channel-length modulation (λ = 0)

Gambar 20. Contoh soal

Page 42: Mosfet

42

Jawab:VD = 0, 5 V > VG → NMOS bekerja pada daerah jenuh.

221

tGSOXnD VVL

WCI

VGS – Vt = VOV; ID = 0,4 mA = 400 μA; μnCOX = 100 μA/V2 dan W/L = 32/1

221

1

32100400 OVV

VOV = 0,5VVGS = Vt + VOV = 0,7 + 0,5 = 1,2 VVG = 0 → VS = - 1,2 V

k 25,34,0

)5,2(2,1

D

SSSS I

VVR

Untuk mendapatkan VD = +0,5 V:

k 54,0

5,052

,

I

VVR

D

DDDD

Page 43: Mosfet

43

Rancang rangkaian seperti gambar 21 untuk mendapatkan arus ID = 80 μA. Cari harga R dan tegangan DC VD.Transistor NMOS mempunyai Vt = 0,6 V, μnCOX = 200 μA/V2, L = 0,8 μm dan W = 4μ. (asumsikan λ=0)

Gambar 21. Contoh soal

Page 44: Mosfet

44

Jawab:VDG = 0 →VD = VG dan FET bekerja di daerah jenuh

k 25080,0

13

V1

V14,06,0

V4,08,04200

802

2

221

2

21

D

DDD

GD

OVtGS

OXn

DOV

OVOXn

tGSOXnD

I

VVR

VV

VVV

LWC

IV

VL

WC

VVL

WCI

Page 45: Mosfet

45

Rancanglah rangkaian pada gambar 22 agar tegangan drain = 0,1V.Berapakah resistansi antara drain dan source pada titik kerja ini ? Vt = 1 V dan kn’(W/L) = 1 mA/V2.

Gambar 22. Contoh soal

Page 46: Mosfet

46

253395,0

1,0

k 4,12395,0

1,05

mA 0,395

01,01,0151 21

221'

D

DSDS

D

DDDD

D

DSDStGSnD

I

Vr

I

VVR

I

VVVVL

WkI

Jawab:VD = VG – 4,9 V dan Vt = 1 V → MOSFET bekerja di daerah trioda. Jadi arus ID :

Page 47: Mosfet

47

Analisa rangkaian pada gamabr 23(a) untuk menentukan tegangan di semua node dan arus di semua cabang. Diketahui Vt = 1 V dan kn’(W/L) = 1 mA/V2. (asumsikan λ = 0)

Gambar 23. Rangkaian contoh soal

Page 48: Mosfet

48

Gambar 23 (b) Rangkaian dengan analisis terinci

Jawab:Karena arus gate = 0, tegangan gate:

V5 1010

10 10

12

2

GG

GDDG RR

RVV

Page 49: Mosfet

49

VG > 0 → transistor NMOS bekerja.Asumsikan transistor bekerja di daerah jenuh.

VG = 5 VVS = ID x RS = ID (mA) x 6 kΩ = 6 ID

VGS = VG – VS = 5 – 6ID

V75,0610

V235

V365,0

mA 5,0

:Jadi

off'' transistor

V34,589,06 mA 89,0

mA 5,0 mA; 89,0

082518

1651

1

21

2

2

21

2'21

D

GS

S

D

GS

SD

DD

DD

D

tGSnD

V

V

V

I

VV

VI

II

II

I

VVL

WkI

Karena VD > VG – Vt, transistor bekerja di daerah jenuh

Page 50: Mosfet

50

Rancang rangkaian seperti pada gambar 24 sehingga transistor bekerja di daerah jenuh dengan ID = 0,5 mA dan VD = +3 V. Transistor PMOS jenis ‘enchancement’ mempunyai Vt = -1 V dan kp’(W/L) = 1 mA/V2. Asumsikan λ = 0. Berapa harga terbesar RO agar tetap bekerja di daerah jenuh?

Gambar 24 Contoh soal

Page 51: Mosfet

51

ID = 0,5 mA dan kp’W/L = 1 mA/V2 maka:VOV = -1 V

(untuk PMOS Vt negatif)

VGS = Vt + VOV = - 1 – 1 = - 2 V

VS =+5 V → VG = +3 V

VG = +3 V dapat diperoleh dengan memilih harga RG1 dan RG2. Salah satu kemungkinan RG1 = 2 MΩ dan RG2 = 3 MΩ

k 65,0

3

D

DD I

VR

Bekerja pada mode jenuh: VD harus lebih besar dari VG sebanyak |Vt|

VDmax= 3 + 1 = 4 V

RD = 4/0,5 = 8 kΩ

Jawab:MOSFET bekerja di daerah jenuh:

2'21

2'21

OVp

tGSpD

VL

Wk

VVL

WkI

Page 52: Mosfet

52

Gambar 25. Rangkaian contoh soal

Page 53: Mosfet

53

Transistor NMOS dan PMOS mempunyai kesesuaian dengan kn’(W/L) = kp’(W/L) = 1 mA/V2, Vtn = -Vtp = 1 V.Asumsikan λ = 0 untuk kedua transistor. Carilah arus drain iDN dan iDP dan vO untuk vI = 0 V, +2,5V dan -2,5V

Jawab:Gambar (b) menunjukkan bila vI = 0V. Kedua transistor ‘matched’ dan bekerja pada |VGS| = 2,5V → vO = 0VJadi QN dan QP bekerja dengan |VGD| = 0 V → bekerja pada daerah jenuh.

IDN = IDP = ½ x 1 x (2,5 – 1)2 = 1,125 mA

Gambar (c) menunjukkan bila vI = 2,5V. Transistor QP mempunyai VGS = 0 V → ‘cutoff’ → vO negatif → VGD > Vt → bekerja pada daerah trioda.

IDN = kn’ (Wn/Ln)(VGS – Vt)VDS

= 1[(2,5 – (-2,5) – 1][vO – (-2,5)]IDN (mA) = (0 – vO)/10 (kΩ)IDN = 0,244 mA ; vO = -2,44 VVDS = -2,44 – (-2,5) = 0,06 V

Gambar (d) menunjukkan bila vI = -2,5 V. Kasus ini kebalikan dari kasus gambar (c). Transistor QN akan ‘cutoff’ → IDN = 0. QP bekerja pada daerah trioda dengan IDP= 2,44 mA dan vO =+2,44 V

Page 54: Mosfet

54

MOSFET sebagai Penguat dan Saklar

MOSFET sebagai penguat:– Bekerja di daerah jenuh

– Berperan sebagai sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS). Perubahan pada tegangan vGS akan mengubah arus drain iD.

MOSFET yang bekerja di daerah jenuh dapat dipakai untuk membuat penguat transkonduktansi (transconductance amplifier).

Yang diinginkan penguat linier; jadi harus ada ‘bias dc’ agar MOSFET bekerja pada VGS dan ID tertentu, kemudian ditumpangkan tegangan vgs yang akan diperkuat pada tegangan dc VGS. Dengan menjaga vgs kecil arus drain, id dapat dibuat sebanding dengan vgs

Page 55: Mosfet

55

Cara kerja Sinyal Besar – Karakteristik Transfer

Gambar 26(a) Struktur dasar rangkaian penguat ‘common source’(b) Grafik yang digunakan untuk menentukan karakteristik transfer penguat pada gambar (a)

Page 56: Mosfet

56

Gambar 26(c) Karakteristik transfer penguat pada titik kerja Q

Page 57: Mosfet

57

Penurunan karakteristik transfer secara grafis.

Pada rangkaian CS drain dihubungkan ke catu daya VDD melalui RD, sehingga diperoleh hubungan iD dan vDS sebagiai berikut:

DSDD

DDD

DDDDDS

vRR

Vi

iRVv

1

Secara kuantitatif,rangkaian bekerja sebagai berikut:vI = vGS.Untuk vI < Vt → transistor ‘cutoff’, iD = 0, vO = vDS = VDD.

Transistor bekerja pada titik A.

vI > Vt → transistor ‘on’, iD meningkat, vO menurun. Karena vO bermula dengan harga yang tinggi, transistor bekerja dalam keadaan jenuh. Keadaan ini ditunjukkan oleh garis beban antara titik A dan B.

Untuk titik Q tertentu, VIQ =VGS dan VOQ = VDSQ serta arus = IDQ.

Page 58: Mosfet

58

vI < Vt → vDS = vGS – Vt → MOSFET memasuki daerah kerja trioda. Pada kurva ditunjukkan dengan titik B yang memotong garis beban dengan kurva garis terputus yang mendefinisikan batas antara daerah jenuh dan daerah trioda. Ttitk B didefinisikan sebagai:

VOB = VIB – Vt

Untuk vI > VIB, transistor makin masuk ke daerah trioda.

Pada titik C, vI= VDD, vOC biasanya kecil sekali.

Titik-titik pada kurva hubungan iD – vDS di gambar 26(b) menghasilkan kurva transfer pada gambar 26(c)

Page 59: Mosfet

59

MOSFET Bekerja Sebagai Saklar.Jika MOSFET dipakai sebagai saklar, MOSFET bekerja pada titik-titik ekstrim dari kurva transfer.

MOSFET off bila vI < Vt → bekerja pada titiik antara X dan A dengan vO = VDD.

Saklar ‘on’ dengan vI mendekati VDD → bekerja mendekati titik C dengan vO sangat kecil.

Jadi CS MOS dapat digunakan sebagai inverter logik dengan level tegangan ‘low’ mendekati o dan’high’ mendekati VDD.

MOSFET Bekerja Sebagai Penguat Linier

MOSFET sebagai penguat → bekerja di daerah jenuh.

MOSFET diberi bias dc pada titik di tengah-tengah kurva. Titik ini disebut titik kerja atau quiescent point.

Sinyal tegangan yang akan diperkuat, ditumpangkan pada tegangan dc VIQ. (lihat gambar 26(c)).

Syarat linier:

vi harus dijaga tetap kecil

Page 60: Mosfet

60

Faktor penguatan:

iIQVvi

ov dv

dvA

Cara memilih titik kerja.VDSQ harus lebih kecil dari VDD dan lebih besar dari VOB

sehingga dapat mengakomodasi harga simpangan maksimum dan simpangan minimum dari tegangan keluaran.

Jika VDSQ terlalu dekat dengan VDD, harga simpangan maksimum sinyal keluaran akan ‘terpotong’ (clipped off). Pada keadaan ini dikatakan penguat tidak mempunyai cukup ‘headroom’.

Jika VDSQ terlalu dekat dengan batas trioda, harga simpangan minimum sinyal keluaran akan terdistorsi. Pada keadaan ini dikatakan penguat tidak mempunyai cukup ‘legroom’.

Page 61: Mosfet

61

Gambar 27. Dua garis beban dan titik kerjanya.Titik Q1 terlalu dekat dengan VDD, dan titik Q2 terlalu dekat dengan batas daerah trioda.

Page 62: Mosfet

62

Karakteristik transfer secara analisis.

Daerah cutoff, segmen XA:

vI ≤ Vt dan vO = VDD

Daerah jenuh, segmen AQB:

vI ≥ Vt dan vO ≥ vI – Vt.

asumsikan λ = 0

tIOXnDv

VvI

Ov

tIOXnDDDO

DDDDO

tIOXnD

VvL

WCRA

dv

dvA

VvL

WCRVv

iRVv

VvL

WCi

IQI

2

21

2

21

Page 63: Mosfet

63

Jadi penguatan tegangan sebanding dengan harga RD, parameter transkonduktansi kn’ = μnCOX, ‘aspect ratio’ dari transistor W/L, dan tegangan ‘overdrive’ pada titik bias VOV = VIQ – Vt

Pada titik Q: vI = VIQ dan vO = VOQ\, VIQ – Vt = VOV, jadi

OQDDRD

OV

RD

OV

OQDDV

VVV

V

V

V

VVA

22

Pada titik ujung daerah jenuh: VOB =VIB – Vt

Daerah trioda, segmen BC vI ≥ Vt dan vO ≤ vI - Vt

OtIOXnDDDO

OOtIOXnDDDO

DDDDO

OOtIOXnD

vVvL

WCRVv

vvVvL

WCRVv

iRVv

vvVvL

WCi

221

221

Page 64: Mosfet

64

DDS

DSDDO

tIOXnDS

tIOXnDDDO

Rr

rVv

VvL

WCr

VvL

WCRVv

1

1

Untuk vO yang kecil, MOSFET bekerja sebagai resistansi rDS (yang harganya ditentukan oleh vI).Biasanya rDS << RD, jadi

D

DSDDO R

rVv

Page 65: Mosfet

65

Contoh numerik:Pada rangkaian pada gambar (a), kn’(W/L) = 1 mA/V2, Vt = 1 V, RD = 18 kΩ dan VDD = 10 V

Jawab:

221

tIOXnDDDO VvL

WCRVv

a) Titik X: vI = 0 V; vO = 10 Vb) Titik A: vI = 1 V; vO = 10 Vc) Titik B: vI = VIB = VOB + Vt

= VOB + 1Masukan vO = VOB pada persamaan di atas

9 VOB2 + VOB – 10 = 0

VO = 1 VVI = 1 + 1 = 2 V

d)Titik C: gunakan persamaan berikut:

V061,01101181

10

1

OC

tIOXnDDDO

V

VvL

WCRVv

Page 66: Mosfet

66

Kemudian beri .bias agar penguat bekerja pada titik kerja yang benar pada segmen daerah jenuh. Pada daerah ini vO = 1 – 10 V. Dipilih titik kerja pada VOQ = 4 V. Titik ini memungkinkan simpangan tegangan yang cukup pada kedua arah dan memberikan penguatan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan titik kerja yang terletak di tengah-tengah daerah jenuh (misal pada VOQ = 5, 5V).

Agar penguat bekerja pada tegangan keluaran dc = 4 V arus drain :

mA 333,018

410

D

OQDDD R

VVI

V816,01

333,02

2'21

OV

OVnD

V

VL

WkI

Tegangan overdrive VOV:

Jadi MOSFET harus bekerja pada:VGS = Vt + VOV = 1,816 V

Page 67: Mosfet

67

Penguatan tegangan pada titik kerja ini:

tIOXnDv VvL

WCRA

AV = - 18 x 1 x (1,816 – 1) = -14,7 V/V

Dipasangkan sinyal masukan gelombang segitiga,vi = 150 mV (peak-to-peak) yang ditumpangkan pada tegangan bias dc VGSQ = 1,816 V seperti pada gambar di bawah ini

Gambar 28. Contoh soal

Page 68: Mosfet

68

VGS terletak antara 1,741 V dan 1,891 V. Arus ID pada :vGS = 1,741 → iD= ½ x 1 x (1,741 – 1)2 = 0,275 VvGS = 1,816 → iD= ½ x 1 x (1,816 – 1)2 = 0,333 VvGS = 1,891 → iD= ½ x 1 x (1,891 – 1)2 = 0,397 V

Catatan: perbedaan pada arah negatif = (0,333 – 0,275) = 0,058 mA dan perbedaan pada arah positif = (0,397 – 0,333) = 0,064 mA. Perbedaan ini tidak sama karena kurva iD – vGS tidak linier sempurna.

Tegangan keluaran pada: vGS = 1,741 → iD= 0,275 V → vO = 10 – 0,275 x 18 = 5,05 VvGS = 1,891 → iD= 0,397 V → vO = 10 – 0,397 x 18 = 2,85 V

Jadi perbedaan pada arah positif = 1,05 V, sedangkan perbedaan pada arah negatif = 1,15 V yang diakibatkan karena ketidaklinieran karakteristik transfer.

Distorsi non linier vO dapat dikurangi dengan mengurangi amplitudo sinyal masukan.

Catatan: pilihlah titik kerja di tengah-tengah daerah jenuh, agar terjamin transistor tetap bekerja di daerah jenuh dan distorsi non linier bisa diminimalkan.

Page 69: Mosfet

69

Gambar 28 (b). Contoh soal

Page 70: Mosfet

70

Bias pada rangkaian penguat.

Bias dengan menetapkan VGS

Cara yang paling mudah untuk memberi bias pada sebuah MOSFET ialah dengan menetapkan harga VGS pada suatu harga untuk mendapatkan harga ID yang diinginkan.

Cara ini bukan cara yang baik untuk memberi bias pada MOSFET.Perhatikan:

221

tGSOXnD VVL

WCI

Harga ID tergantung dari harga Vt, COX, dan W/L Vt dan μn tergantung pada suhu. Jadi jika harga VGS tetap, harga ID sangat tergantung dari suhu.

Perhatikan gambar berikut ini.

Page 71: Mosfet

71

Gambar 29. Penggunaan fixed bias pada jenis divais yang sama.

Page 72: Mosfet

72

Bias dengan menetapkan VGS dan menghubungkan sebuah resistansi pada source

Gambar 30. Pemberian tegangan bias tetap, VG dan sebuah resistor pada source.(a). Rangkaian dasar(b). Pengurangan perubahan pada ID

Page 73: Mosfet

73

Gambar 30(a) menunjukkan salah satu cara pemberian bias untuk MOSFET diskrit yaitu dengan memberikan tegangan dc pada gate, VG, dan sebuah resistansi pada source.

VG = VGS + RSID

Jika VG >> VGS, ID ditentukan oleh VG dan RS.Jika VG tidak terlalu besar dibandingkan VGS, resistor RS memberikan umpan balik negatif.yang berperan untuk menstabilkan harga ID.

Pada persamaan di atas:VG konstan → jika ID naik → VGS harus turun → ID akan turun. Jadi RS bekerja untuk menjaga kestabilan ID.

RS disebut degeneration resistance.

Page 74: Mosfet

74

Contoh implementasi teknik ini:

Gambar 30(c) Implementasi praktis dengan menggunakan satu catu daya(d) Penggunakan kapasitor coupling, CC antara sumber sinyal ke gate(e) Implementasi praktis dengan dua catu daya

Page 75: Mosfet

75

Rangkaian pada gambar 30(c) mendapatkan tegangan VG dari sebuah catu daya VDD melalui sebuah pembagian tegangan (RG1 dan RG2)Karena iG = 0, RG1 dan RG2 dapat dipilih besar sekali (orde MΩ), sehingga MOSFET nampak mempunyai resistansi masukan yang besar.

Jadi sumber sinyal dapat terhubung ke gate melalui kapasitor penghubung (coupling capacitor), seperti terlihat pada gambar 30(d).Kapasitor CC1 mem-blok dc sehingga memungkinkan untuk menghubungkan sinyal vsig ke masukan penguat tanpa mengganggu titik bias dc dari MOSFET.

Harga CC1 dipilih cukup besar sehingga dapat dianggap sebagai hubung singkat untuk semua frekuensi sinyal yang diinginkan.

RD dipilih sebesar mungkin untuk memperoleh penguatan yang besar tetapi cukup kecil untuk memungkinkan simpangan sinyal pada drain dengan menjaga MOSFET tetap dalam keadaan jenuh.

Page 76: Mosfet

76

Rangkaian pada gambar 30(e) adalah contoh pemakaian dua catu daya untuk memberikan bias pada MOSFET.Rangkaian ini adalah implementasi dari persamaan di atas dengan menggantikan VG dengan Vss.RG membuat ‘ground’ dc pada gate dan memberikan resistansi masukan yang tinggi yang dapat dihubungkan ke sumber sinyal yang akan terhubung ke gate melalui sebuah kapasitor penghubung.

Page 77: Mosfet

77

Contoh soal:

Rancanglah rangkaian pada gambar 30(c) untuk mendapatkan arus drain dc ID = 0,5 mA. MOSFET mempunyai Vt = 1 V dan kn’W/L = 1 mA/V2 (asumsikan λ = 0). VDD = 15 V. Hitung berapa % perubahan harga ID jika MOSFET diganti dengan MOSFET yang lain yang mempunyai kn’W/L yang sama tetapi Vt = 1,5 V.

Jawab:

‘rule of thumb’ untuk merancang rangkaian bias, pilihlah RD dan RS sehingga tegangan RD, tegangan pada transistor dan tegangan RS masing-masing adalah ⅓ tegangan VDD. Untuk VDD = 15 V, VD = +10 V dan VS = +5 V.

Diketahui ID = 0,5 mA, maka:

V1

15,0

k 105,0

5

k 105,0

1015

221

2'21

OV

OV

OVnD

D

SS

D

DDDD

V

V

VLWkI

I

VR

I

VVR

Page 78: Mosfet

78

VGS = Vt + VOV = 1 + 1 = 2 V

VS = 5 V → VG = VS + VGS = 5 + 2 = 7 V

Untuk mendapatkan VG = 7 V → dipilih RG1 = 8 MΩ dan RG2 = 7 MΩ.

Gambar 31, Rangkaian contoh soal

Page 79: Mosfet

79

VD = +10 V → simpangan maksimum sinyal positif +5V (sampai VDD) dan simpangan maksimum sinyal negatif -4 V (sampai (VG – Vt)).

Jika transistor NMOS diganti dengan NMOS yang mempunyai Vt = 1,5 V:

ID = ½ x 1 x (VGS – Vt)2

VG = VGS + IDRS

7 = VGS + 10 ID

ID = 0,455 mA

∆ID = 0,455 – 0,5 = -0,045 mA = 9%

Page 80: Mosfet

80

Bias menggunakan resistor umpan balik drain-ke-gate

Gambar 32. Bias menggunakan resistor umpan balik drain-ke-gate

Resistor RG (orde MΩ) menyebabkan tegangan dc pada gate (VG) sama dengan tegangan dc pada drain (VD)

VGS = VDS = VDD – RDID

VDD = VGS + RDID

Jika ID meningkat → VGS akan menurun → ID menurun.

Jadi umpan balik negatif melalui RG akan menjaga kestabilan harga ID.

Page 81: Mosfet

81

Bias menggunakan sumber arus yang konstan.

Gambar 33 (a) Pemberian bias dengan menggunakan sumber arus tetap

Bias seperti pada gambar 33(a) biasa digunakan pada MOSFET yang diskrit. RG (dalam orde MΩ) membuat ground dc pada gate. RD akan membuat tegangan dc pada drain pada harga tertentu yang memungkinkan simpangan sinyal keluaran yang diinginkan dengan menjaga MOSFET tetap dalam keadaan jenuh.

Page 82: Mosfet

82

Gambar 33(b) Implementasi sumber arus konstan dengan ‘current mirror’.

Intinya adalah transistor Q1 yang drain-nya dihubungkan ke gate-nya sehingga bekerja pada daerah jenuh.

21

'21

1 tGSnD VVL

WkI

Dengan asumsi λ = 0

Page 83: Mosfet

83

Arus drain Q1 dicatu oleh VDD melalui resistor R.

R

VVVII GSSSDD

REFD

1

Arus melalui dianggap sebagai arus rujukann, IREF. Dengan harga parameter dari Q1 dan IREF yang diinginkan, kedua persamaan di atas dapat digunakan untuk menghitung harga R.

Pada transistor Q2, harga VGS sama dengan VGS pada Q1,

Asumsikan bekerja pada daerah jenuh, arus drain yang sama dengan arus rujukan akan:

1

2

2

2

'21

2

LW

LWII

VVL

WkII

REF

tGSnD

Jadi perbandingan antara arus I dan arus rujukan sebanding dengan ‘aspect ratio’ dari Q1 dan Q2.Rangkaian ini dikenal dengan ‘current mirror’

Page 84: Mosfet

84

Cara kerja dan model sinyal kecil

Gambar 34. Konsep rangkaian yang digunakan untuk mempelajari cara kerja MOSFET sebagai penguat sinyal kecil

Page 85: Mosfet

85

Titik bias DC

Arus bias dc ID diperoleh dengan men-set sinyal vgs = 0

2'21

tGSnD VVL

WkI

Asumsikan λ = 0VD = VDS = VDD – RDID

Agar bekerja pada daerah jenuh:VD > VGS –Vt

Arus sinyal pada terminal drainvGS = VGS + vgs

2'21'2'

21

2'21

gsngstGSntGSn

tgsGSnD

vL

WkvVV

L

WkVV

L

Wk

VvVL

WkI

Page 86: Mosfet

86

Suku pertama dari persamaan itu adalah arus bias dc, ID. Suku kedua ada komponen arus yang sebanding dengan sinyal masukan vgs Suku ketiga sebanding dengan sinyal masukan kuadrat. Suku ini tidak diinginkan karena menunjukkan adanya distorsi non linier.

Untuk mengurangi distorsi non linier, sinyal masukan harus dijaga tetap kecil, jadi:

tGSgs

gstGSngsn

VVv

vVVL

Wkv

L

Wk

2

'2'21

Jika keadaan ini terpenuhi, maka

iD ≈ ID + id

gstGSnd vVVL

Wki '

Parameter yang menghubungkan id dan vgs adalah transkonduktansi dari MOSFET (gm)

tGSngs

dm VV

L

Wk

v

ig '

Page 87: Mosfet

87

Gambar 35. Cara kerja sinyal kecil dari penguat MOSFET jenis enhancement

gm adalah koefisien arah dari karakteristik iD – vGS pada titik bias atau titik kerja.

GSGS VvGS

Dm v

ig

Page 88: Mosfet

88

Penguatan tegangan

dDDD

dDDDDD

DDDDD

iRVv

iIRVv

iRVv

Komponen sinyal dari tegangan drain

gsDmdDd vRgiRv

Pengutan tegangan:

Dmgs

d Rgv

v

Tanda negatif menunjukkan bahwa vd berbeda fasa 180° dengan vgs

Page 89: Mosfet

89

Gambar 36. Tegangan total vGS dan vD untuk rangkaian pada gambar 34

Agar MOSFET selalu bekerja di daerah jenuh:Harga minimum dari vD harus lebih kecil dari vG, minimum sebesar Vt

Harga maksimum dari vD harus lebih kecil dari VDD

Page 90: Mosfet

90

Pemisahan analisis DC dan analisis sinyal.

Untuk sinyal kecil, besaran sinyal ditumpangkan pada besaran dc.

Misal: arus total pada drain iD sama dengan arus dc ID ditambah arus sinyal id. Tegangan total pada drain vD = VD + vd

Jadi untuk menyederhanakan analisis dapat dipisahkan analisis dc dan analisis sinyal kecil.

Caranya:

– cari titik kerja dan hitung semua komponen dc.

– lakukan analisis sinyal kecil

Page 91: Mosfet

91

Model rangkaian ekivalen sinyal kecil.

Gambar 37(a). Model sinyal kecil untuk MOSFET dengan mengabaikan ‘channel length modulation’(b) Memasukkan pengaruh ‘channel length modulation’

Page 92: Mosfet

92

Model rangkaian ekivalen sinyal kecil.

Dilihat dari sisi sinyal, MOSFET berperan sebagai sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS) dengan sinyal masukan vgs antara gate dan source dan menghasilkan arus gmvsg antara drain dan source.Resistansi masukan sangat tinggi (ideal: ∞); resistansi keluaran juga sangat tinggi (asumsikan: ∞)

Gambar 37(a) adalah model rangkaian pengganti MOSFET untuk sinyal kecil.

Dalam analisis sinyal kecil: semua sumber tegangan dc diganti dengan hubung singkat dan semua sumber arus dc diganti dengan hubung terbuka.

Pada gambar 37(a) diasumsikan arus drain pada keadaan jenuh tidak tergantung dari tegangan drain. Kenyataannya arus drain tergantung dari tegangan drain. Hubungan ini dinyatakan dengan adanya resistansi antara drain dan source.

Page 93: Mosfet

93

D

Ao I

Vr

VA = 1/λModel rangkaian yang lebih akurat terlihat pada gambar 34(b).

oDmgs

d rRgv

v//

Catatan:gm dan ro tergantung pada titik bias dc dari MOSFET

Page 94: Mosfet

94

Transkonduktansi gm

tGSnm VVLWkg '

gm sebanding dengan kn’=μnCOX dan perbandingan W/L. Jadi untuk mendapatkan gm yang besar, divais harus pendek dan lebar.

gm juga sebanding dengan VOV = VGS – Vt .Catatan: jika VGS dinaikkan → mengurangi simpangan tegangan sinyal pada drain.

OV

D

GS

Dm

Dnm

tGS

Dn

n

DtGS

tGSnD

V

I

VV

Ig

ILWkg

VV

I

L

Wk

LWk

IVV

VVL

WkI

22

2

2

2

'

2'

'

2'21

Page 95: Mosfet

95

Contoh soal:

Gambar 39 Contoh soal rangkaian penguat

Gambar 39(a) menunjukkan sebuah penguat MOSFET CS yang mempunyai bias umpan balik drain ke gate.Sinyal input, vi dihubungkan ke gate melalui kapasitor yang besar. Sinyal keluaran pada drain dihubungkan ke beban RL melalui sebuah kapasitor besar lainnya.Transistor mempunyai Vt = 1,5 V, kn’(W/L) = 0,25 mA/V2 dan VA = 50 V.Hitunglah penguatan tegangan sinyal kecil, resistansi masukan dan sinyal masukan maksimum. Anggap kapasitor penghubung cukup besar sehingga akan menjadi hubung singkat untuk frekuensi sinyal yang diinginkan

Page 96: Mosfet

96

Jawab:

Tentukan titik kerja dc:

ID = ½ x 0,25 (VGS – 1,5)2

Arus dc pada gate = 0 → tidak ada penurunan tegangan pada RG → VGS = VD

ID = ½ x 0,25 (VD – 1,5)2

VD = 15 – RDID

ID = 1,06 mA dan VD = 4,4 V

k 4706,1

50

mA/V 725,05,14,425,0

'

D

Ao

tGSnm

I

Vr

VVL

Wkg

Gambar (b) : rangkaian pengganti sinyal kecil dari penguat. Kapasitor penghubung diganti dengan hubung singkat, dan catu daya dc diganti dengan hubung singkat ke ground.Karena RG besar sekali (10 MΩ), arus yang melewatinya dapat diabaikan.

Page 97: Mosfet

97

vo ≈ - gmvgs (RD//RL//ro)vgs = vi

Av = vo/vi = - gm(RD//RL//ro) = - 0,725(10//10//47) = -3,3 V/V

M 33,23,4

3,43,31

1

G

i

iin

G

i

G

i

i

o

G

i

Goii

R

i

vR

R

v

R

v

v

v

R

v

Rvvi

Gambar 39(b) Model rangkaian pengganti

Page 98: Mosfet

98

Harga maksimum amplitudo vi agar MOSFET bekerja di daerah jenuh:

vDS ≥ vGS – Vt

vDSmon = vGSmax – Vt

V34,0

5,14,43,34,4^

^^

^^

i

ii

tiGSivDS

v

vv

VvVvAV

Catatan: pada arah negatif, amplitudo sinyal masukan: vGSmin = 4,4 – 0,34 = 4,06 V lebih besar dari Vt, jadi transistor tetap ‘on’

Page 99: Mosfet

99

Model Rangkaian Ekivalen T

Gambar 39 Model rangkaian pengganti T untuk MOSFET

Page 100: Mosfet

100

Gambar 39(a): rangkaian ekivalen sinyal kecil tanpa ro.

Gambar 39(b): ditambahkan sumber arus gmvgs seri dengan sumber arus semula.

Gambar 39(c): dibuat node baru, X, antara kedua sumber arus dan dihubungkan dengan terminal gate, G. Di sini ada sumber arus gmvgs di antara tegangan vgs. Sumber arus ini dapat digantikan dengan sebuah resistansi, 1/gm.

Gambar 39(d): rangkaian ekivalen T dengan ig = 0, id = gmvgs dan is = vgs/(1/gm) = gmvgs.

Catatan: resistansi antara gate dan source, dilihat ke arah gate adalah tidak terhingga.

Page 101: Mosfet

101

Gambar 40(a): jika ada ro di antara drain dan source.

Gambar 40(b): model T alternatif dimana sumber arus yang dikendalikan tegangan (VCCS) diganti dengan sumber arus yang dikendalikan arus (CCCS)

Page 102: Mosfet

102

Pemodelan ‘Body effect’

Pada MOSFET body effect terjadi bila substrate tidak dihubungkan dengan source.

Untuk kanal n,substrate akan dihubungkan dengan ground, sedangkan source tidak terhubung dengan ground, sehingga ada tegangan vbs antara substrate dan source.

Pada kondisi ini substrate beperan seperti gate kedua atau backgate untuk MOSFET.

Jadi sinyal vbs akan menambah sebuah komponen pada arus drain, gmbvbs. gmb disebut transkonduktansi body.

tantan

konsvkonsvBS

Dmb

DS

GSv

ig

iD tergantung dari Vt dan Vt tergantung dari VBS.gmb = χgm

SBfSB

t

VV

V

22

Harga χ biasanya antara 0,1 – 0, 3

Page 103: Mosfet

103

Gambar 41(b) adalah model sinyal kecil NMOS yang dipakai jika substrate tidak dihubungkan dengan source.

Untuk PMOS, modelnya sama seperti di atas, hanya yang dipakai |VGS|, |Vt|, |VOV|, |VA|, |VSB|, |γ|, |λ| dan menggantikan kn’ dengan kp’.

Page 104: Mosfet

104

Ringkasan

Model rangkaian pengganti sinyal kecil untuk MOSFET.

Transistor NMOS:• Transkonduktansi

OV

DDoxnOVoxnm V

II

L

WCV

L

WCg

22

• Resistansi keluaran

DDAo IIVr 1

• Transkonduktansi body

m

SBf

mmb gV

gg

22

Transistor PMOSSemua persamaan untuk NMOS dapat dipakai untuk PMOS dengan menggunakan |VGS|, |Vt|, |VOV|, |VA|, |VSB|, |γ|, |λ| dan menggantikan μn dengan μp.

Page 105: Mosfet

105

Model rangkaian pengganti sinyal kecil tanpa body effect (|VSB| = 0)

Model rangkaian pengganti sinyal kecil tanpa body effect (|VSB| ≠ 0)

Page 106: Mosfet

106

Penguat MOSFET Satu Tingkat

Pada bagian ini yang akan dibahas adalah rangkaian penguat diskrit dari MOSFET dimana source selalu dihubungkan dengan substrate. Oleh karena itu pengaruh body effect tidak akan diperhitungkan. Dan juga dalam beberapa rangkaian ro akan diabaikan.

Struktur Dasar.

Gambar 42. Struktur dasar rangkaian penguat diskrit yang menggunakan MOSFET

Page 107: Mosfet

107

Parameter Karakteristik Penguat

Rangkaian:

Definisi:

• Resistansi masukan tanpa beban

LRi

ii i

vR

• Resistansi masukan

i

ii i

vR

Page 108: Mosfet

108

• Penguatan tegangan hubung terbuka:

LRi

ovo v

vA

• Penguatan tegangan:

i

ov v

vA

• Penguatan arus hubung singkat:

0

LRi

ois i

iA

• Penguatan arus:

i

oi i

iA

• Transkonduktansi hubung singkat:

0

LRi

om v

iG

Page 109: Mosfet

109

• Resistansi keluaran dari penguat

0

ivx

xo i

vR

• Resistansi keluaran

0

sigvx

xout i

vR

Page 110: Mosfet

110

• Penguatan tegangan hubung terbuka menyeluruh

LRsig

ovo v

vG

• Penguatan tegangan menyeluruh

sig

ov v

vG

Rangkaian pengganti

A.

Page 111: Mosfet

111

B

C

Page 112: Mosfet

112

Persamaan:

oL

Lvov

vosigin

invo

oL

Lvo

sigin

inv

omvo

oL

Lvov

sigin

in

sig

i

RR

RGG

ARR

RG

RR

RA

RR

RG

RGA

RR

RAA

RR

R

v

v

Page 113: Mosfet

113

Contoh soal:

Sebuah penguat transistor dicatu dengan sebuah sumber sinyal yang mempunyai tegangan hubung singkat, vsig = 10 mV dan resistansi dalam Rsig = 100 kΩ. Tegangan vi pada masukan penguat dan tegangan keluaran vo diukur dengan dan tanpa resistansi beban RL = 10 kΩ terhubung ke keluaran penguat, Hasil ukur itu sbb:

vi (mV) vo (mV)

Tanpa RL 9 90

Dengan RL 8 70

Carilah: parameter penguat

Jawab:

Untuk RL = ∞

V/V910

90

V/V109

90

vo

vo

G

A

Page 114: Mosfet

114

k 900

10100

9

i

i

i

vosigi

ivo

R

R

R

ARR

RG

Jika RL = 10 kΩ dihubungkan dengan keluaran penguat:

V/V710

70

V/V75,88

70

v

v

G

A

k 43,1

10

101075,8

o

o

oL

Lvov

R

R

RR

RAA

Page 115: Mosfet

115

A/A35010

40075,8

mA/V 743,1

10

k 400

10010

8

k 86,2

10

1097

L

ino

L

in

i

o

ini

Loi

o

vom

in

in

in

sigin

in

sig

i

out

out

outL

Lvov

R

RA

R

R

v

v

Rv

RvA

R

AG

R

R

R

RR

R

v

v

R

R

RR

RGG

Page 116: Mosfet

116

oivoosc RvAi

Dari rangkaian pengganti A:

A/A57243,18,8110

k 8,81

11

0

0

0

0

i

oscis

oRinivoosc

o

out

sig

isigRin

sigRin

Rin

sigi

vosigi

ivo

outsigvoosc

i

iA

RRiAi

RR

RR

RR

RR

Rvv

ARR

RG

RvGi

L

L

L

L

Dari rangkaian pengganti A:

Page 117: Mosfet

117

Penguat Common-Source (CS)

Gambar 43. Rangkaian penguat ‘common source’

Sinyal yang akan diperkuat adalah tegangan masukan vsig, yang mempunyai resistansi masukan Rsig.

CC1 berfungsi untuk memblok dc dari sinyal masukan, sehingga tidak mengganggu bias dc. Kapasitor ini disebut ‘coupling capacitor’Bila sumber sinyal dapat memberikan jalur dc ke ‘ground’, gate dapat dihubungkan langsung dengan sumber tegangan. Dalam hal ini RG dan CC1 dapat dihilangkan

Page 118: Mosfet

118

Cs adalah kapasitor bypass yang fungsinya untuk mem-bypass resistansi keluaran dari sumber arus I. Kapasitor ini juga membuat ‘ground’untuk siinyal atau ‘ac ground’.

CC2 adalah ‘coupling capacitor’ yang menghubungkan sinyal keluaran dengan beban RL, jadi vo = vd.

RL dapat berupa resistansi beban atau resistansi masukan dari tingkat penguat berikutnya bila penguat yang akan dianalisa adalah salah satu penguat dari rangkaian penguat bertingkat.

Untuk menentukan karakteristik dari penguat CS yaitu resistansi masukan, penguatan tegangan dan resistansi keluaran, gunakan rangkaian pengganti sinyal kecil, seperti pada gambar (b).

Page 119: Mosfet

119

Gambar 43(b). Rangkaian ekivalen penguat untuk analisis sinyal kecil

Penguat ini bersifat unilateral. Oleh karena itu Rin tidak tergantung dari RL, jadi Rin = Ri. Dan Rout tidak tergantung dari Rsig, jadi Rout = Ro.

Analisis:

igs

sigi

sigG

sigG

Gsig

sigin

insigi

Gin

g

vv

vv

RR

RR

Rv

RR

Rvv

RR

i

0

Page 120: Mosfet

120

LDomv

LDogsmo

RRrgA

RRrvgv

////

////

Penguatan menyeluruh dari sumber sinyal sampai beban:

LDomsigG

G

vsigin

inv

RRrgRR

R

ARR

RG

////

Untuk menentukan resistansi keluaran penguat, vsig di-set = 0. Jadi vsig dihubung singkat.

Doout RrR //

ro >> RD → pengaruh ro dalam penguatan tegangan sedikit berkurang dan adanya penurunan pada Rout

Page 121: Mosfet

121

Gambar 43(c) Model sinyal kecil MOSFET yang diterapkan langsung pada rangkaian yang memakai simbol MOSFET.

Page 122: Mosfet

122

Penguat Common-Source dengan Resistansi Source

Gambar 44(a) Penguat ‘common source’ dengan resistansi Rs pada source

Page 123: Mosfet

123

Gambar 44(b): Transistor diganti dengan rangkaian pengganti model T

Untuk rangkaian yang mempunyai resistansi yang terhubung source, rangkaian pengganti yang digunakan adalah rangkaian pengganti model T, karena resistansi source akan tampak seri dengan. 1/gm

Rin = Ri = RG

sigG

Gsigi RR

Rvv

Page 124: Mosfet

124

Sm

i

Sm

migs Rg

v

Rg

gvv

11

1

Keuntungan menggunakan RS :• Harga RS dapat digunakan untuk mengendalikan besaran sinyal vgs dan memastikan bahwa vgs tidak terlalu besar.• Memperlebar ‘bandwidth’

RS berperan sebagai umpan balik negatif.

Kelemahan menggunakan RS : penurunan penguatan tegangan.

Sm

im

Sm

id Rg

vg

Rg

vii

11

RS mengurangi id dengan faktor (1 + gmRS)

Page 125: Mosfet

125

Sm

LDm

sigG

GV

Sm

DmvOL

Sm

LDmv

iSm

LDm

LDdo

Rg

RRg

RR

RG

Rg

RgAR

Rg

RRgA

vRg

RRg

RRiv

1

//

1

1

//

1

//

//

RS mengurangi penguatan tegangan dengan faktor (1+gmRD) → ‘source degeneration resistance’

Penguatan dari gate ke drain adalah perbandingan antara resistansi total pada drain, (RD//RL), dengan resistansi total pada source [(1/gm) + RS]

Page 126: Mosfet

126

Penguat Common-Gate

Gambar 45 (a) Rangkaian penguat ‘common gate’

Page 127: Mosfet

127

Pada penguat Common-Gate (CG) gate dihubungkan ke ground. Sinyal masukan dipasangkan di source dan sinyal keluaran diambil dari drain, dan gate merupakan terminal bersama masukan dan keluaran.

Gate dihubungkan ke ground: • tegangan ac dan dc sama dengan nol,• resistor R\G = 0

Kapasitor CC1 dan CC2 mempunyai fungsi yang sama seperti pada penguat CS

Rangkaian pengganti untuk sinyal kecil menggunakan model T. Model rangkaian pengganti ini dapat dilihat pada gambar (b).

Pada rangkaian pengganti ini tidak ada ro.

Resistansi masukan:

min g

R1

Page 128: Mosfet

128

Gambar 45(b) Rangkaian ekivalen sinyal kecil untuk rangkaian pada gambar 45(a)

Karena rangkaian adalah unilateral: Rin tidak tergantung dari RLdan Rin = Ri.Karena gm pada orde 1 mA/V, resistansi masukan dari penguat CG relatif rendah (pada orde 1 kΩ) dan jauh lebih rendah dibandingkan dengan resistansi masukan pada penguat CS.Selanjutnya kehilangan sinyal yang cukup besar terjadi pada ‘coupling’ sinyal ke masukan penguat CG, karena

sigin

insigi RR

Rvv

Page 129: Mosfet

129

sigmsig

sigm

msigi Rg

vR

g

gvv

1

11

1

Untuk menjaga agar kehilangan kekuatan sinyal tetap kecil, resistansi sinyal, Rsig harus kecil.

Dmvo

LDmv

iLDmLDddo

imid

imm

i

in

ii

msig

RgA

RRgA

vRRgRRivv

vgiii

vgg

v

R

vi

gR

//

////

1

1

Page 130: Mosfet

130

Doout

sigm

LDmv

sigm

vv

sigm

mv

sigin

inv

RRR

Rg

RRgG

Rg

AA

Rg

gA

RR

RG

1

//

11

1

• Penguat CG: non iverting• Resistansi masukan CG rendah• Penguatan tegangan penguat CG lebih kecil dibandingkan CS dengan faktor (1 + gmRsig)

Perhatikan gambar (c):penguat CG dicatu dengan sumber arus sinyal isig yang mempunyai resistansi dalam Rsig. Ini adalah rangkaian ekivalen Norton dari sumber sinyal yang dipakai pada gambar (a).

Page 131: Mosfet

131

msig

sigsig

insig

sigsigi

gR

Ri

RR

Rii

1

Rsig >> 1/gm, jadi

sigi ii

Gambar 45(c). Penguat common gate dicatu dengan sinyal masukan

Page 132: Mosfet

132

Rangkaian mempunyai resistansi masukan yang relatif kecil, gm, ke sumber arus sinyal masukan, sehingga menghasilkan peredaman sinyal yang sangat kecil pada masukan. MOSFET akan menghasilkan kembali arus ini pada terminal drain pada resistansi keluaran yang lebih tinggi. Rangkaian berperan sebagai penguat arus penguatan tunggal (unity-gain current amplifier) atau current follower. Inilah pemakaian CG yang paling populer yang dapat dipakai pada rangkaian ‘cascode’.

Penggunaan lainnya dari CG: memanfaatkan kinerjanya pada frekuensi tinggi,

Resistansi masukan yang kecil dapat merupakan keuntungan dalam pemakaian pada frekuensi sangat tinggi, dimana hubungan sinyal masukan dapat disamakan dengan sebuah saluran transmisi dan 1/gm resistansi masukan dari penguat CG dapat berfungsi sebagai resistansi terminasi dari saluran transmisi.

Page 133: Mosfet

133

Penguat Common-Drain atau Source-Follower

Input: antara gate dan drain

Output: antara source dan drain

Gambar 46(a) Penguat ‘common drain’ atau ‘source follower

Karena drain berfungsi sebagai ground dari sinyal, maka tidak ada RD. Sinyal masukan dihubungkan ke gate MOSFET melalui CC1 dan keluaran pada source MOSFET dihubungkan ke resistor beban RL melalui CC2.

Page 134: Mosfet

134

Karena RL terhubung seri dengan terminal source, maka rangkaian pengganti model T yang digunakan, seperti yang terlihat pada gambar 46(b)

sigisigG

sigG

Gsig

sigin

insigi

Gin

vvRR

RR

Rv

RR

Rvv

RR

Gambar 46(b) Rangkaian pengganti sinyal kecil

Page 135: Mosfet

135

mo

ovo

moL

oLv

moL

oLio

gr

rA

grR

rRA

grR

rRvv

1

1//

//

1//

//

Biasanya ro >> 1/gm, sehingga penguatan tegangan hubung terbuka dari gate ke source, Avo, hampir sama dengan satu (unity). Jadi tegangan pada source mengikuti tegangan pada gate. Oleh karena itu rangkaian ini juga disebut ‘source follower’.Pada rangkaian diskrit, ro >>RL, jadi:

mL

LV

gR

RA

1

Page 136: Mosfet

136

Penguatan tegangan menyeluruh:

moL

oL

sigG

Gv

grR

rR

RR

RG

1//

//

Gv mendekati satu untuk RG>>Rsig, ro>>1/gm dan ro>>RL

Gambar 46(c) analisis rangkaian yang dilakukan langsung pada rangkaian source follower

Page 137: Mosfet

137

Gambar 46(d) Rangkaian untuk menentukan resistansi keluaran Rout

moutmo

om

out

gRgr

rg

R

11

//1

Page 138: Mosfet

138

Walaupun source-follower mempunyai umpan balik dalam yang besar, Rin tidak tergantung dari RL (Ri = Rin) dan Rout tidak tergantung dari Rsig (Ro = Rout).

Kesimpulan:

• Source follower mempunyai:

– Resistansi masukan yang sangat besar

– Resistansi keluaran yang relatif kecil

– Penguatan yang mendekati satu

• Dipakai sebagai ‘unity-gain voltage buffer amplifier’ yaitu menghubungkan sumber sinyal tegangan yang mempunyai besaran yang cukup besar tetapi mempunyai resistansi dalam yang sangat tinggi ke resistansi beban yang rendah.

• Dipakai sebagai tingkat keluaran pada penguat bertingkat yang fungsinya memberikan penguat secara keseluruhan resistansi keluaran yang rendah sehingga memungkinkan untuk mencatu arus beban yang besar tanpa menghilangkan penguatan.

Page 139: Mosfet

139

Ringkasan dan Perbandingan Karakteristik Penguat DIskrit MOS Satu Tingkat

Common Source

LDomsigG

Gv

Doout

LDomv

Gin

RRrgRR

RG

RrR

RRrgA

RR

////

//

////

Page 140: Mosfet

140

Common Source dengan Resistansi Source

Smi

gs

Sm

LDm

sigG

Gv

Dout

Sm

LDm

Sm

LDv

Gin

Rgv

v

Rg

RRg

RR

RG

RR

Rg

RRg

Rg

RRA

RR

1

1

1

//

1

//1

//

ro diabaikan:

Page 141: Mosfet

141

Common Gate

LDmsigm

v

Dout

LDmv

min

RRgRg

G

RR

RRgA

gR

//1

1

//

1

ro diabaikan:

Page 142: Mosfet

142

Common-Drain atau Source Follower

mLo

Lo

sigG

Gv

moout

mLo

Lov

Gin

gRr

Rr

RR

RG

grR

gRr

RrA

RR

1//

//

1//

1//

//

Page 143: Mosfet

143

Kesimpulan:

1. Konfigurasi CS adalah konfigurasi yang terbaik untuk mendapatkan penguatan yang besar.

2. Dengan adanya RS pada source, CS mendapatkan berbagai perbaikan, antara lain penambahan lebar bidang frekuensi, tetapi penguatannya akan berkurang

3. Penguat CG mempunyai resistansi masukan yang kecil, kinerja yang baik sekali pada frekuensi tinggi dan penguatan tunggal (unity gain). Banyak dipakai pada penguat ‘cascode’.

4. Pemakaian source follower atau CD adalah sebagai buffer tegangan yang menghubungkan sumber dengan resistansi tinggi ke beban yang mempunyai resistansi rendah dan sebagai tingkat keluaran dari penguat bertingkat.

Page 144: Mosfet

144

CMOS Digital Logic Inverter

Gambar 47 Inverter CMOS

Inverter CMOS terdiri dari 2 jenis MOSFET enchancement yang ‘matched’, QN dari jenis –n dan QP dari jenis –p. Body dari masing-masing transistor dihubungkan ke masing-masing source sehingga tidak ada ‘body-effect’

Page 145: Mosfet

145

Cara Kerja Rangkaian

Gambar 48 Cara kerja inverter CMOS jika vi tinggi(a) Rangkaian dengan vi = VDD (level logika 1)(b) Konstruksi grafis untuk menentukan titik kerja(c) Rangkaian pengganti.

Page 146: Mosfet

146

Gambar 48 menunjukkan keadaan ketika vi = VDD, terlihat kurva karakteristik untuk QN dengan vGSN = VDD (iD = i dan vDSN = vO.) Pada kurva karakteristik QN ditumpangkan kurva beban, yaitu kurva iD – vSD dari QP untuk kasus vSGP = 0 V.Karena vSGP < |Vt|, kurva beban merupakan garis lurus horizontal dengan level arus hampir nol. Titik kerja adalah perpotongan antara kedua kurva. Terlihat bahwa tegangan keluaran hampir nol ( < 10 mV) dan arus yang melalui kedua divais juga hampir nol. Ini berarti disipasi daya pada rangkaian kecil sekali (< 1 μW)Catatan: walaupun QN bekerja dengan arus hampir nol dan tegangan drain-source juga nol, titik kerja berada pada segmen yang tajam pada kurva karakteristik iD – vDS. Sehingga QN menyediakan jalur beresistansi rendah antara terminal keluaran dan ground. Besarnya resistansi tersebut adalah

tnDD

nnDSN VV

LW

kr '1

Gambar 48(c) menunjukkan rangkaian ekivalen dari inverter jika masukan tinggi.vO ≡ VOL = 0 V dan disipasi daya = 0

Page 147: Mosfet

147

Gambar 49 Cara kerja inverter CMOS jika vi rendah(a) Rangkaian dengan vi = 0 V (level logika 0)(b) Konstruksi grafis untuk menentukan titik kerja(c) Rangkaian pengganti.

Page 148: Mosfet

148

Gambar 49 menunjukkan keadaan ketika vi = 0 V. Karakteristik iD – vDS nya hampir merupakan garis lurus horizontal dengan level arus hampir nol. Kurva beban adalah karakteristik iD – vSD dari divais kanal –p dengan vSGP = VDD. Terlihat pada gambar, pada itik kerja tegangan keluaran hampir sama dengan VDD ( 10 mV lebih rendah dari VDD) dan arus yang melalui kedua divais juga hampir nol. Ini berarti disipasi daya pada rangkaian kecil sekali (< 1 μW)Di sini QP menyediakan jalur beresistansi rendah antara terminal keluaran dan catu dc VDD. Besarnya resistansi tersebut adalah

tpDD

ppDSP VV

LW

kr '1

Gambar 49(c) menunjukkan rangkaian ekivalen dari inverter jika masukan rendah.vO ≡ VOH = VDD dan disipasi daya = 0

QN disebut juga ‘pull down’ divais karena dapat menarik arus beban yang relatif besar, sehingga menarik tegangan keluaran turun menuju nolQP disebut juga ‘pull up’ divais karena dapat memberikan arus beban yang relatif besar, sehingga menarik tegangan keluaran naik menuju VDD

Page 149: Mosfet

149

Kesimpulan:1.Tegangan keluaran adalah 0 dan VDD, jadi simpangan sinyal maksimum → noise margin yang lebar.2. Disipasi daya statik untuk kedua keadaan sama dengan nol3. Ada jalur antara terminal keluaran dengan ground (pada keadaan keluaran rendah) dan dengan VDD (pada keadaan keluaran tinggi). Jalur beresistansi rendah ini menjamin bahwa tegangan keluaran 0 V dan VDD tidak tergantung harga perbandingan W/L atau parameter divais lainnya. Resistansi keluaran yang rendah membuat inverter kurang sensitif terhadap efek derau dan gangguan lainnya.4. Divais pull-up dan pull-down memberikan inverter kemampuan ‘driving’ yang tinggi pada kedua keadaan.5. Resistansi masukan inverter adalah tidak terhingga (iG = 0). Jadi inverter dapat men-drive sejumlah inverter sejenis tanpa berkurangnya level sinyal, tetapi akan mempengaruhi kecepatan waktu perubahan (switching time).

Page 150: Mosfet

150

The Voltage Transfer Characteristic

Untuk QN

untuk

untuk

2'21

221'

tnIOtnIn

nDN

tnIOOOtnIn

nDN

VvvVvL

Wki

VvvvvVvL

Wki

Untuk QP

untuk

untuk

2'21

2

21'

tpIOtpIDDp

pDP

tpIO

ODDODDtpIDDp

pDP

VvvVvVL

Wki

Vvv

vVvVVvVL

Wki

Inverter CMOS biasanya dirancang untuk mempunyai Vtn = |Vtp| = Vt dan kn

’(W/L)n = kp’(W/L)p.

Page 151: Mosfet

151

Catatan: μp = 0,3 – 0,5 μn, jadi untuk membuat k’(W/L) kedua divais sama, maka lebar divais kanal –p dibuat dua atau tiga kali lebar divais kanal –n.

p

n

n

p

W

W

Dengan k’(W/L) kedua divais sama maka inverter akan mempunyai karakteristik transfer yang simetris dan kemampuan current-driving yang sama untuk kedua arah (pull-up dan pull-down)

Dengan QN dan QP ‘matched’, inverter CMOS mempunyai VTC seperti pada gambar 50. Seperti yang terlihat, kurva VTC mempunyai 5 segmen yang berhubungan dengan kombinasi mode operasi yang berbeda.dari QN dan QP.

Segmen BC: QN dan QP bekerja pada daerah jenuh.Karena resistansi keluaran pada keadaan jenuh yang terbatas diabaikan, maka inverter mempunyai penguatan tidak terhingga pada segmen ini.Dari sifat simetris, segmen vertikal terjadi pada vI = VDD/2 dan batas-batasnya adalah vO(B) = VDD/2 + Vt dan vO(C) = VDD/2 - Vt

Page 152: Mosfet

152

Gambar 50. Voltage Transfer Characteristic dari Inverter CMOS

Page 153: Mosfet

153

Selain VOL dan VOH, ada dua titik lagi pada kurva yang menentukan ‘noise margin’ dari inverter, yaitu, VIL dan VIH. Kedua titik ini didefinisikan sebagai titik di mana penguatan sama dengan satu.

Untuk menentukan VIH: QN pada daerah trioda dan QP pada daerah jenuh.

tDDIH

OIHI

DDIHO

IOIHI

tIDDI

OOO

I

OtI

tIDDOOtI

VVV

vVv

VVv

dvdvVv

VvVdvdv

vvdvdv

Vv

VvVvvVv

25

atas di persamaan dari dan 2

1 dan

81

2

212

21

VIL dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga diperoleh persamaan simetris:

tDDIL

ILDDDD

IH

VVV

VVV

V

2322

81

Page 154: Mosfet

154

Noise margin dapat ditentukan sebagai berikut:

tDD

tDD

OLiLL

tDD

tDDDD

IHOHH

VV

VV

VVNM

VV

VVV

VVNM

23

023

23

25

81

81

81

81

Jadi, VTC yang simetris menghasilkan noise margin yang sama. Jika QN dan QP tidak matched, VTC tidak akan simetris dan noise margin tidak akan sama.

Page 155: Mosfet

155

Operasi dinamik

Kecepatan operasi sebuah sistem digital ditentukan oleh waktu tunda propagasi dari gerbang logika yang digunakan untuk membuat sistem tersebut.Karena inverter adalah gerbang logika dasar dari teknologi IC digital, waktu tunda propagasi inverter merupakan parameter dasar dalam menentukan karakteristik teknologi IC.

Gambar 51 Operasi dinamik dari inverter CMOS dengan beban kapasitif

(a) rangkaian(b) gelombang masukan dan keluaran

Page 156: Mosfet

156

(c) Trayektori dari titik kerja bila input menuju level tinggi dan kapasitor dikosongkan (discharge) melalui QN

(d) Rangkaian ekivalen selama kapasitor dikosongkan.

Pada gambar 51(a) kapasitor C merupakan jumlah kapasitor dalam QN dan QP, kapasitor kawat interkoneksi antara keluaran inverter dan masukan dari gerbang logika lainnya dan kapasitor masukan total dari beban ini.Asumsikan inverter mempunyai masukan pulsa ideal (waktu naik dan turun sama dengan nol) dan inverter simetris.

Page 157: Mosfet

157

Gambar 51(c) menunjukkan trayektori titik kerja pada saat pulsa masukan naik dari VOL= 0 V ke VOH = VDD pada waktu t = 0.Pada saat t = 0-, tegangan keluaran sama dengan VDD

dan kapasitor terisi (charged) sampai tegangan VDD.Pada t = 0, vI naik menuju VDD → QP ‘off’. Dari sini rangkaian ekivalen seperti pada gambar 50(d) dengan harga awal vO = VDD. Jadi titik kerja pada t = 0+ adalah titik E, dimana QN pada keadaan jenuh dan mengalirkan arus yang besar. Ketika C dikosongkan, arus pada QN tetap konstan sampai vO = VDD – Vt (titik F).Sebutkan bagian selang pengosongan ini tPHL1:

2'21

2'21

1

tDDn

n

t

tDDn

n

tDDDDPHL

VVL

Wk

CV

VVL

Wk

VVVCt

Setelah titik F, QN bekerja pada daerah trioda sehingga arus sama dengan

221'

OOtnIn

nDN vvVvL

Wki

Page 158: Mosfet

158

Bagian selang pengosongan ini dapat dinyatakan sebagai:

ODN Cdvdti

Ganti iDN dengan persamaan sebelumnya dan susun kembali persamaan diferensial, diperoleh:

OO

tDD

O

tDD

nn

vvVV

dvVV

dtCL

Wk

2

'

21

1

Untuk mendapatkan komponen waktu tunda tPHL pada saat vO menurun dari (VDD – Vt) ke titik 50%, vO = VDD/2, intregrasikan kedua sisi persamaan. Sebutlah komponen waktu tunda ini tPHL2.

2

22

'

21

1 DDO

tDDO

Vv

VVv

OOtDD

O

tDDPHL

nn

vvVV

dvVV

tCL

Wk

Gunakan

axxaxdx 1

1ln2

Page 159: Mosfet

159

Jadi:

DD

tDD

tDDnnPHL V

VVVVLWk

Ct

43ln'2

Jumlahkan kedua komponen tPHL, maka diperoleh:

DD

tDD

tDD

t

tDDnnPHL V

VVVV

VVVLWk

Ct

43ln

221

'

Biasanya Vt ≈ 0,2 VDD. maka

DDnnPHL VLWk

Ct '

6,1

Dengan cara yang sama akan diperoleh tPLH:

DDppPLH VLWk

Ct '

6,1

Waktu tunda propagasi sama dengan harga rata-rata dari tPHL dan tPLH

Page 160: Mosfet

160

Untuk mendapatkan waktu tunda propagasi yang rendah, yang berarti kecepatan operasi yang lebih tinggi:-C harus minimum-Gunakan parameter transkonduktansi proses k’ yang lebih tinggi-Perbandingan W/L dari transistor harus lebih besar-VDD harus lebih tinggi.

Aliran arus dan disipasi daya

Gambar 52.Kurva arus-tegangan masukan pada inverter CMOS

Page 161: Mosfet

161

Pada saat inverter CMOS berpindah posisi, arus mengalir melalui hubungan seri QN dan QP. Gambar 52 menunjukkan arus sebagai fungsi dari tegangan vI.Arus mencapai puncaknya pada tegangan ambang perpindahan (switching threshold), Vth = vI = vO = VDD/2. Arus ini menyebabkan disipasi daya dinamik dalam inverter CMOS. Tetapi, komponen yang lebih penting dari disipasi daya dinamik adalah dari arus yang mengalir pada QN dan QP pada saat inverter diberi beban sebuah kapasitor C.

Perhatikan gambar 51(a):Pada t = 0-, vO = VDD dan energi yang tersimpan pada kapasitor adalah ½ VDD

2.

Pada t = 0, vI naik menuju VDD, QP ‘off’ dan QN ‘on’. Transistor QN mengosongkan kapasitor, dan pada akhir selang pengosongan, tegangan kapasitor akan berkurang menuju nol. Jadi selama selang pengosongan, energi ½VDD

2 hilang dari kapasitor C dan didisipasikan pada

transistor QN.Pada setengah perioda lainnya ketika vI turun menuju nol. Transistor QN ‘off’ dan QP ‘on’ dan mengisi kapasitor. Arus yang dicatu oleh QP pada C adalah i yang datang dari catu daya VDD. Jadi energi yang diambil dari catu daya selama perioda pengisian:

Page 162: Mosfet

162

QVidtVidtV DDDDDD

Q = muatan yang disuplai ke kapasitor.Q = CVDD

Jadi energi yang diambil dari catu daya sama dengan CVDD

2. Pada akhir selang pengisian, tegangan kapasitor akan menjadi VDD, jadi energi yang tersimpan pada kapasitor menjadi ½CVDD

2 Selama selang pengisian, setengah energi yang diambil dari catu daya, ½CVDD

2, didisipasikan pada QP.Dari penjelasan di atas terlihat pada setiap perioda ½CVDD

2, didisipasikan pada QN dan ½CVDD2 didisipasikan

pada QP.Jika inverter berpindah kondisi dengan kecepatan f siklus per detik, maka disipasi daya dinamik:2

DDD fCVP

Frekuensi kerja berkaitan dengan waktu tunda propagasi.Makin rendah waktu tunda propagasi, makin tinggi frekuensi kerja rangkaian dan makin tinggi disipasi daya pada rangkaian.Salah satu nilai yang mengukur kualitas rangkaian adalah delay-power product (DP)

Page 163: Mosfet

163

DP = PDtp [joule]

DP biasanya konstan untuk rangkaian digital dengan teknologi tertentu dan dapat dipakai untuk membandingkan teknologi yang berbeda.Makin kecil harga DP makin efektif teknologi yang digunakan.DP adalah energi yang didisipasikan pada satu siklus kerja. Jadi untuk CMOS dimana hampir semua disipasi daya adalah dinamik, DP = CVDD

2.

Page 164: Mosfet

164

Ringkasan karakteristik penting dari sebuah inverter logika CMOS

Resistansi keluaran gerbang• Ketika vO rendah

tnDD

nnDSN VV

LW

kr '1

• Ketika vO tinggi

tpDD

ppDSP VV

LW

kr '1

Tegangan ambang gerbangTitik pada VTC dimana vI = vO

nn

pp

tntpDDth

LWk

LWkr

r

VVVrV

'

'

1

Page 165: Mosfet

165

Arus perpindahan dan daya disipasi

2

2'

21

2

DDD

tnDD

nnpeak

fCVP

VV

LW

kI

Noise marginUntuk divais yang ‘matched’, yaitu

pp

nn L

WL

W

tDDLH

tDDIH

tDDIL

DDth

VVNMNM

VVV

VVV

VV

23

25

23

2

81

81

81

Waktu tunda propagasiUntuk Vt ≈ 0,2 VDD

DDppPLH

DDnnPHL

VLWkC

t

VLWkC

t

'

'

6,1

6,1

Page 166: Mosfet

166

MOSFET Jenis ‘Depletion’

Gambar 53(a):Lambang MOSFET jenis ‘depletion’Gambar 53(b) Lambang MOSFET jenis ‘depletion’ dengan substrate terhubung ke source

Page 167: Mosfet

167

MOSFET Jenis Depletion’

MOSFET jenis depletion mempunyai struktur yang mirip dengan jenis ‘enchancement’ dengan satu perbedaan utama yaitu MOSFET jenis depletion mempunyai kanal yang secara fisik dibuat pada substrate, Jadi tidak perlu menginduksi kanal, artinya tanpa ada vGS, arus iD akan mengalir jika ada vDS.

Kedalaman kanal dan konduktivitasnya dapat dikendalikan oleh vGS. Jika vGS positif, kanal akan semakin kuat dengan menarik elektron lebih banyak, jika vGS negatif, kanal akan semakin dangkal dan konduktivitasnya menurun.

Tegangan vGS negatif mengurangi (deplete) pembawa muatan pada kanal dan mode ini disebut ‘depletion mode’.

Semakin negatif vGS, semakin berkurang pembawa muatan pada kanal, sehingga mencapai harga dimana kanal kehabisan semua pembawa muatannya dan iD sama dengan nol walaupun vDS tetap ada. Harga ini adalah harga tegangan ambang untuk MOSFET kanal –n jenis deplesi.

Page 168: Mosfet

168

MOSFET jenis ‘depletion’ dapat bekerja dalam mode ‘enchancement’ dengan memasangkan tegangan vGS positif dan dalam mode ‘depletion’ dengan memasangkan vGS negatif. Karakteristik iD – vDS nya mirip dengan karakteristik iD – vDS hanya kanal –n jenis ‘depletion’ mempunyai Vt negatif.

Gambar 54(a) Transistor dengan polaritas arus dan tegangan seperti yang tertera

Page 169: Mosfet

169

Gambar 54(b) karakteristik iD – vDS

Page 170: Mosfet

170

Gambar 54(c) iD – vDS pada keadaan jenuh baik dalam mode kerja ‘depletion’ dan ‘enchancement’.

Gambar 54(b) adalah karakteristik iD – vDS dari MOSFET kanal –n jenis ‘depletion’ dengan Vt = - 4 V dan kn’(W/L) = 2 mA/V2.

MOSFET jenis depletion akan bekerja:•di daerah trioda selama tegangan drain tidak melebihi tegangan gate sebanyak paling sedikit |Vt|•di daerah jenuh jika tegangan drain lebih tinggi dari tegangan gate sebanyak paling sedikit |Vt|

Page 171: Mosfet

171

Gambar 54(c) menunjukkan karakteristik iD – vDS pada keadaan jenuh baik dalam mode kerja ‘depletion’ dan ‘enchancement’.

Karakteristik arus – tegangan dari MOSFET jenis ‘depletion’ sama seperti karakteristik MOSFET jenis ‘enchancement’, hanya untuk MOSFET kanal –n jenis ‘depletion’ Vt negatif. Dan harga ID mencapai jenuh pada vGS = 0

2'21

tnDSS VL

WkI

MOSFET jenis ‘depletion’ dapat dibuat pada chip yang sama seperti divais jenis ‘enchancement’.

Transistor PMOS jenis ‘depletion’ mempunyai cara kerja seperti NMOS hanya saja semua tegangannya mempunyai polaritas yang berlawanan dengan tegangan pada NMOS. Dan pada divais kanal –p arus mengalir dari source ke drain.

Page 172: Mosfet

172

Gambar 55 Level tegangan relatif pada terminal transistor NMOS jenis depletion

Page 173: Mosfet

173

Gambar 56. Sketsa karakteristik iD – vDS untuk transistor MOSFET jenis depletion dan enhancement