Wzmacniacze prądu stałego

Transkrypt

1 PUAV Wykład 13

2 Wzmacniacze prądu stałego Idea Problem: wzmacniacz prądu stałego (lub sygnałów o bardzo małej częstotliwości, rzędu ułamków Hz) zrealizowany konwencjonalnie wprowadza błąd wynikający z wejściowego niezrównoważenia.

3 Wzmacniacze prądu stałego Idea Problem: wzmacniacz prądu stałego (lub sygnałów o bardzo małej częstotliwości, rzędu ułamków Hz) zrealizowany konwencjonalnie wprowadza błąd wynikający z wejściowego niezrównoważenia. Napięcie niezrównoważenia jest funkcją temperatury i napięcia zasilania układu i może zmieniać się w czasie.

4 Wzmacniacze prądu stałego Idea Problem: wzmacniacz prądu stałego (lub sygnałów o bardzo małej częstotliwości, rzędu ułamków Hz) zrealizowany konwencjonalnie wprowadza błąd wynikający z wejściowego niezrównoważenia. Napięcie niezrównoważenia jest funkcją temperatury i napięcia zasilania układu i może zmieniać się w czasie. Zasada działania wzmacniacza z przetwarzaniem: zamiast napięcia stałego wzmacnia się napięcie zmienne o amplitudzie równej napięciu stałemu.

5 Wzmacniacze prądu stałego Idea Problem: wzmacniacz prądu stałego (lub sygnałów o bardzo małej częstotliwości, rzędu ułamków Hz) zrealizowany konwencjonalnie wprowadza błąd wynikający z wejściowego niezrównoważenia. Napięcie niezrównoważenia jest funkcją temperatury i napięcia zasilania układu i może zmieniać się w czasie. Zasada działania wzmacniacza z przetwarzaniem: zamiast napięcia stałego wzmacnia się napięcie zmienne o amplitudzie równej napięciu stałemu. Bloki składowe: modulator AM, wzmacniacz, demodulator AM.

6 Wzmacniacze prądu stałego Bloki składowe fo Oscylator Uwe Modulator

7 Wzmacniacze prądu stałego Bloki składowe fo Oscylator Uwe Modulator U f

8 Wzmacniacze prądu stałego Bloki składowe fo Oscylator Uwe Modulator + - Elementy zewnętrzne U f

9 Wzmacniacze prądu stałego Bloki składowe fo Oscylator Uwe Modulator + - Elementy zewnętrzne U U f f fo

10 Wzmacniacze prądu stałego Bloki składowe fo Oscylator Uwe Modulator + - Demodulator Elementy zewnętrzne U U f f fo

11 Wzmacniacze prądu stałego Bloki składowe fo Oscylator Uwe Modulator + - Demodulator Filtr dolnoprzepustowy Uwy Elementy zewnętrzne U U f f fo

12 Wzmacniacze prądu stałego Bloki składowe fo Oscylator Uwe Modulator + - Demodulator Filtr dolnoprzepustowy Uwy Elementy zewnętrzne U U U f f f fo

13 Wzmacniacze prądu stałego Modulator i demodulator ( chopper ) Modulator i demodulator działają synchronicznie we wy - -

17 Wzmacniacze prądu stałego Modulator i demodulator ( chopper ) Gdy wzmacniacz wykazuje niezrównoważenie we wy - -

18 Wzmacniacze prądu stałego Modulator i demodulator ( chopper ) Gdy wzmacniacz wykazuje niezrównoważenie Un + + we wy - -

21 Wzmacniacze prądu stałego Modulator i demodulator ( chopper ) Gdy wzmacniacz wykazuje niezrównoważenie Un + + we wy - - Pojemność na wyjściu uśrednia napięcie wyjściowe

22 Wzmacniacze prądu stałego Przykład praktyczny UDD 1 Modulator/ demodulator UP1 UP2 2 UP3 Uwe 1 Uwy X. Yang, Q. Cheng, L. Lin, W. Huang, C. Ling, Design of Low Power Low Noise Amplifier for Portable Electrocardiogram Recording System Applications, Proc. IEEE Conference ASID 2011, str UP4 UP5

23 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2

24 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2 = 1: kondensator ładuje się ładunkiem 1 Q 1 = CU 1

25 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2 = 1: kondensator ładuje się ładunkiem 1 Q 1 = CU 1 2 = 1: z kondensatora odpływa ładunek Q 2 = C( U 1 U ) 2

26 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2 = 1: kondensator ładuje się ładunkiem 1 Q 1 = CU 1 2 = 1: z kondensatora odpływa ładunek Q 2 = C( U 1 U ) 2 Gdyby między węzłami A i B znajdował się rezystor, a kondensatora by nie było, to w czasie pełnego okresu zegara T przepłynąłby taki sam ładunek, gdyby płynął prąd równy I = Q 2 / T = C ( T U 2 U ) 1

27 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2

28 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2 Jeżeli napięcia w węzłach A i B zmieniają się z częstotliwością f, a częstotliwość zegara f C = 1/ T jest znacznie większa od f, to można uznać, że układ z kondensatorem jest równoważny układowi z rezytorem o rezystancji ( R = U 2 U ) 1 I = T C

29 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2 Jeżeli napięcia w węzłach A i B zmieniają się z częstotliwością f, a częstotliwość zegara f C = 1/ T jest znacznie większa od f, to można uznać, że układ z kondensatorem jest równoważny układowi z rezytorem o rezystancji ( R = U 2 U ) 1 I = T C A 1 2 B U1 C U2 < U1

30 Układy z przełączanymi pojemnościami Idea: zastąpienie bardzo dużych rezystorów przez kondensatory A 1 2 B U1 C U2 < U1 1 2 Jeżeli napięcia w węzłach A i B zmieniają się z częstotliwością f, a częstotliwość zegara f C = 1/ T jest znacznie większa od f, to można uznać, że układ z kondensatorem jest równoważny układowi z rezytorem o rezystancji ( R = U 2 U ) 1 I = T C A 1 2 B A R = T / C B U1 C U2 < U1 U1 U2 < U1

31 Układy z przełączanymi pojemnościami Konfiguracje pojemności i ekwiwalentne rezystancje Przykładowe pojemności dla R = 1MΩ i f C = 1MHz :

32 Układy z przełączanymi pojemnościami A Konfiguracje pojemności i ekwiwalentne rezystancje 1 2 C B R = T C Przykładowe pojemności dla R = 1MΩ i f C = 1MHz : 1 pf

33 Układy z przełączanymi pojemnościami A Konfiguracje pojemności i ekwiwalentne rezystancje 1 2 C B R = T C Przykładowe pojemności dla R = 1MΩ i f C = 1MHz : 1 pf A 1 2 C B R = T C 1 pf

34 Układy z przełączanymi pojemnościami A Konfiguracje pojemności i ekwiwalentne rezystancje 1 2 C B R = T C Przykładowe pojemności dla R = 1MΩ i f C = 1MHz : 1 pf A 1 2 B C R = T C 1 pf A 1 2 B C C R = T 2C 0.5 pf

35 Układy z przełączanymi pojemnościami A Konfiguracje pojemności i ekwiwalentne rezystancje 1 2 C B R = T C Przykładowe pojemności dla R = 1MΩ i f C = 1MHz : 1 pf A 1 2 B C R = T C 1 pf A 1 2 B C C R = T 2C 0.5 pf A 1 2 B 2 C 1 R = T 4C 0.25 pf

36 Układy z przełączanymi pojemnościami Przykładowe zastosowanie: filtry RC

37 Układy z przełączanymi pojemnościami Przykładowe zastosowanie: filtry RC Rozrzut produkcyjny stałej czasowej RC:

38 Układy z przełączanymi pojemnościami Przykładowe zastosowanie: filtry RC Rozrzut produkcyjny stałej czasowej RC: Dla realizacji konwencjonalnej (zwykły rezystor): kilkadziesiąt procent

39 Układy z przełączanymi pojemnościami Przykładowe zastosowanie: filtry RC Rozrzut produkcyjny stałej czasowej RC: Dla realizacji konwencjonalnej (zwykły rezystor): kilkadziesiąt procent Dla realizacji przy zastosowaniu przełączanej pojemności:

40 Układy z przełączanymi pojemnościami Przykładowe zastosowanie: filtry RC Rozrzut produkcyjny stałej czasowej RC: Dla realizacji konwencjonalnej (zwykły rezystor): kilkadziesiąt procent Dla realizacji przy zastosowaniu przełączanej pojemności: RC 1 = T C 1 ( C 2 : pojemność przełączana) C 2

41 Układy z przełączanymi pojemnościami Przykładowe zastosowanie: filtry RC Rozrzut produkcyjny stałej czasowej RC: Dla realizacji konwencjonalnej (zwykły rezystor): kilkadziesiąt procent Dla realizacji przy zastosowaniu przełączanej pojemności: RC 1 = T C 1 ( C 2 : pojemność przełączana) C 2 Stosunek dwóch pojemności może mieć dokładność rzędu 1%. Dodatkowo można stałą czasową dostrajać zmieniając częstotliwość zegara

42 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv

43 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia:

44 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia: skuteczne zwarcie przepięcia przez obwód zabezpieczający

45 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia: skuteczne zwarcie przepięcia przez obwód zabezpieczający szybkie zadziałanie (< 1ns)

46 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia: skuteczne zwarcie przepięcia przez obwód zabezpieczający szybkie zadziałanie (< 1ns) dopuszczalne obciążenie prądem do 2A przez co najmniej 150 ns

47 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia: skuteczne zwarcie przepięcia przez obwód zabezpieczający szybkie zadziałanie (< 1ns) dopuszczalne obciążenie prądem do 2A przez co najmniej 150 ns odporność na wielokrotne przepięcia

48 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia: skuteczne zwarcie przepięcia przez obwód zabezpieczający szybkie zadziałanie (< 1ns) dopuszczalne obciążenie prądem do 2A przez co najmniej 150 ns odporność na wielokrotne przepięcia zabezpieczenie wszystkich wejść, wyjść i zasilania

49 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia: skuteczne zwarcie przepięcia przez obwód zabezpieczający szybkie zadziałanie (< 1ns) dopuszczalne obciążenie prądem do 2A przez co najmniej 150 ns odporność na wielokrotne przepięcia zabezpieczenie wszystkich wejść, wyjść i zasilania minimalna powierzchnia

50 ( ESD protection ) Napięcie przebicia dielektryka bramkowego: kilka V Inne dopuszczalne napięcia w układzie: kilka... kilkanaście V Napięcie wyładowania elektrostatycznego: kilka kv Wymagania dla układów zabezpieczających wejścia i wyjścia: skuteczne zwarcie przepięcia przez obwód zabezpieczający szybkie zadziałanie (< 1ns) dopuszczalne obciążenie prądem do 2A przez co najmniej 150 ns odporność na wielokrotne przepięcia zabezpieczenie wszystkich wejść, wyjść i zasilania minimalna powierzchnia przezroczystość dla sygnałów wejściowych i wyjściowych: zabezpiecznia nie powinny wpływać na działanie układu - różne układy analogowe mogą wymagać różnie skonstruowanych zabezpieczeń!

51 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi

52 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje:

53 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje: wyładowanie przez kontakt układu z naładowanym elektrostatycznie ciałem człowieka

54 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje: wyładowanie przez kontakt układu z naładowanym elektrostatycznie ciałem człowieka wyładowanie przez kontakt z naładowanym elektrostatycznie narzędziem lub urządzeniem

55 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje: wyładowanie przez kontakt układu z naładowanym elektrostatycznie ciałem człowieka wyładowanie przez kontakt z naładowanym elektrostatycznie narzędziem lub urządzeniem wyładowanie przez kontakt naładowanego elektrostatycznie układu z zewnętrznym obiektem

56 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje: wyładowanie przez kontakt układu z naładowanym elektrostatycznie ciałem człowieka wyładowanie przez kontakt z naładowanym elektrostatycznie narzędziem lub urządzeniem wyładowanie przez kontakt naładowanego elektrostatycznie układu z zewnętrznym obiektem Trzy modele wyładowania elektrostatycznego:

57 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje: wyładowanie przez kontakt układu z naładowanym elektrostatycznie ciałem człowieka wyładowanie przez kontakt z naładowanym elektrostatycznie narzędziem lub urządzeniem wyładowanie przez kontakt naładowanego elektrostatycznie układu z zewnętrznym obiektem Trzy modele wyładowania elektrostatycznego: Human Body Model (HBM)

58 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje: wyładowanie przez kontakt układu z naładowanym elektrostatycznie ciałem człowieka wyładowanie przez kontakt z naładowanym elektrostatycznie narzędziem lub urządzeniem wyładowanie przez kontakt naładowanego elektrostatycznie układu z zewnętrznym obiektem Trzy modele wyładowania elektrostatycznego: Human Body Model (HBM) Machine Model (MM)

59 Rodzaje narażeń Około 40% uszkodzeń układów CMOS po wyprodukowaniu jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi Trzy typowe sytuacje: wyładowanie przez kontakt układu z naładowanym elektrostatycznie ciałem człowieka wyładowanie przez kontakt z naładowanym elektrostatycznie narzędziem lub urządzeniem wyładowanie przez kontakt naładowanego elektrostatycznie układu z zewnętrznym obiektem Trzy modele wyładowania elektrostatycznego: Human Body Model (HBM) Machine Model (MM) Charged Device Model (CDM)

60 Human Body Model Human Body Model: rozładowanie pojemności 100 pf naładowanej do napięcia 2 kv przez rezystancję 1500 Ω

61 Human Body Model Human Body Model: rozładowanie pojemności 100 pf naładowanej do napięcia 2 kv przez rezystancję 1500 Ω 1500 Ω 2 kv 100 pf

62 Human Body Model Human Body Model: rozładowanie pojemności 100 pf naładowanej do napięcia 2 kv przez rezystancję 1500 Ω I 1500 Ω 1,33 A 2 kv 100 pf Typowy przebieg wyładowania 0,48 A ns 150 ns t

63 Machine Model Machine Model: rozładowanie pojemności 200 pf naładowanej do napięcia 500 V przez zerową rezystancję 500 V 200 pf

64 Machine Model Machine Model: rozładowanie pojemności 200 pf naładowanej do napięcia 500 V przez zerową rezystancję I 5 A Typowy przebieg wyładowania 500 V 200 pf 100 ns t

65 Charged Device Model Charged Device Model: rozładowanie pojemności 30 pf naładowanej do napięcia 500 V przez niewielką rezystancję i indukcyjność

66 Charged Device Model Charged Device Model: rozładowanie pojemności 30 pf naładowanej do napięcia 500 V przez niewielką rezystancję i indukcyjność 1 Ω 50 nh 500 V 30 pf (zależy od rodzaju obudowy układu)

67 Charged Device Model Charged Device Model: rozładowanie pojemności 30 pf naładowanej do napięcia 500 V przez niewielką rezystancję i indukcyjność 1 Ω 50 nh I 6 A Typowy przebieg wyładowania (zależy od rodzaju obudowy układu) 500 V 30 pf (zależy od rodzaju obudowy układu) 1 ns t

68 Bezpieczne wartości napięć HBM MM CDM Dost. 2 kv 200 V 500 V Dobrze 4 kv 400 V 750 V B. dobrze 10 kv 1 kv 1 kv

69 Zasada budowy dobrych zabezpieczeń W źle zabezpieczonym lub niezabezpieczonym układzie prąd wyładowania płynie przypadkową drogą, niszcząc po drodze elementy układu Dobre zabezpieczenia powinny zapewniać przepływ prądu wyładowania ściśle określoną drogą, która omija wnętrze układu i na której nie nastąpi żadne trwałe uszkodzenie

70 Zasada budowy dobrych zabezpieczeń W źle zabezpieczonym lub niezabezpieczonym układzie prąd wyładowania płynie przypadkową drogą, niszcząc po drodze elementy układu Dobre zabezpieczenia powinny zapewniać przepływ prądu wyładowania ściśle określoną drogą, która omija wnętrze układu i na której nie nastąpi żadne trwałe uszkodzenie VDD ESD We ESD ESD układ ESD ESD Wy GND

71 Zasada budowy dobrych zabezpieczeń W źle zabezpieczonym lub niezabezpieczonym układzie prąd wyładowania płynie przypadkową drogą, niszcząc po drodze elementy układu Dobre zabezpieczenia powinny zapewniać przepływ prądu wyładowania ściśle określoną drogą, która omija wnętrze układu i na której nie nastąpi żadne trwałe uszkodzenie VDD ESD We ESD ESD układ ESD ESD Wy Uwaga: układy zabezpieczające są w różnych miejscach różne GND

72 Zasada budowy dobrych zabezpieczeń W przypadku układów z kilkoma napięciami zasilania schemat zabezpieczeń jest bardziej skomplikowany

73 Zasada budowy dobrych zabezpieczeń W przypadku układów z kilkoma napięciami zasilania schemat zabezpieczeń jest bardziej skomplikowany 1,5V ESD 2,5V ESD We ESD ESD A ESD ESD Wy We ESD ESD B ESD ESD Wy GND ESD ESD We ESD ESD D ESD ESD Wy We ESD ESD C ESD ESD Wy ESD 3,3V

74 Zasada budowy dobrych zabezpieczeń W przypadku układów z kilkoma napięciami zasilania schemat zabezpieczeń jest bardziej skomplikowany 1,5V ESD 2,5V ESD We ESD ESD A ESD ESD Wy We ESD ESD B ESD ESD Wy GND ESD ESD We ESD ESD D ESD ESD Wy We ESD ESD C ESD ESD Wy ESD 3,3V Uwaga: układy zabezpieczające są w różnych miejscach różne

75 Elementy i układy zabezpieczające Typowe zabezpieczenie wejścia lub wyjścia VDD Element nieliniowy zwierający do masy lub VDD przy przepięciu Układ GND Rezystor ograniczający prąd (nie zawsze stosowany)

76 Elementy zwierające

77 Diody Elementy zwierające

78 Elementy zwierające Diody Tranzystory MOS z uziemioną bramką

79 Elementy zwierające Diody Tranzystory MOS z uziemioną bramką Tranzystory MOS włączane impulsem

80 Elementy zwierające Diody Tranzystory MOS z uziemioną bramką Tranzystory MOS włączane impulsem Struktury bipolarne, tyrystorowe

81 Elementy zwierające Diody Tranzystory MOS z uziemioną bramką Tranzystory MOS włączane impulsem Struktury bipolarne, tyrystorowe Dioda zwierająca (lateralna - przykład): n+ p+ Wyspa typu n

82 Elementy zwierające Diody Tranzystory MOS z uziemioną bramką Tranzystory MOS włączane impulsem Struktury bipolarne, tyrystorowe Dioda zwierająca (lateralna - przykład): n+ p+ Wyspa typu n Kierunek przewodzenia: Napięcie zwarcia: ok. 0,7 V Mała rezystancja zwarcia Obciążalność prądowa ok. 50 ma/µm

83 Elementy zwierające Diody Tranzystory MOS z uziemioną bramką Tranzystory MOS włączane impulsem Struktury bipolarne, tyrystorowe Dioda zwierająca (lateralna - przykład): n+ p+ Wyspa typu n Kierunek przewodzenia: Napięcie zwarcia: ok. 0,7 V Mała rezystancja zwarcia Obciążalność prądowa ok. 50 ma/µm Kierunek zaporowy: Napięcie zwarcia: kilka V Znaczna rezystancja zwarcia Obciążalność prądowa ok. 3 ma/µm

84 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką:

85 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką: p+ n+ n+ Podłoże p Niewielkie dodatnie napięcie dren-podłoże: tranzystor nie przewodzi

86 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką: p+ n+ n+ Podłoże p Niewielkie dodatnie napięcie dren-podłoże: tranzystor nie przewodzi p+ n+ n+ Podłoże p Napięcie dren-podłoże przekracza napięcie przebicia złącza drenu: przez podłoże płynie prąd

88 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką: p+ n+ _ n+ + Podłoże p Przepływ prądu powoduje spadek napięcia polaryzujący złącze źródła w kier. przewodzenia

89 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką: p+ n+ _ n+ + Podłoże p Przepływ prądu powoduje spadek napięcia polaryzujący złącze źródła w kier. przewodzenia p+ n+ _ n+ + Podłoże p Złącze źródła wstrzykuje nośniki, uruchamia się lateralny tranzystor bipolarny

91 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką: p+ n+ _ n+ + Podłoże p Prąd tranzystora bipolarnego potęguje efekt lawinowy, powstaje dodatnie sprzężenie zwrotne, w rezultacie napięcie na drenie spada

92 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką: I p+ n+ _ n+ + Podłoże p Prąd tranzystora bipolarnego potęguje efekt lawinowy, powstaje dodatnie sprzężenie zwrotne, w rezultacie napięcie na drenie spada Napięcie zwarcia: typowo V Krótki czas włączenia: rzędu 200 ps Obciążalność prądowa ok. 10 ma/µm 4 V 6 V VD

93 Elementy zwierające Tranzystor MOS z uziemioną bramką: projektowanie Dla uzyskania wymaganej rezystacji Dla zabezpieczenia kontaktów przed uszkodzeniem >1μm >0,5μm Lmin+20% >2μm p+ n+ _ n+ + Podłoże p Tranzystor MOS tego rodzaju może być także p-kanałowy (bramka zwarta ze źródłem i z wyspą typu n)

94 Proste zabezpieczenia wejść

95 Proste zabezpieczenia wejść Układ GND Nap. dodatnie zwiera tranzystor, nap. ujemne zwiera dioda dren-podłoże

96 Proste zabezpieczenia wejść Dioda p+-wyspa n VDD Układ Układ Dioda n+-podłoże GND Nap. dodatnie zwiera tranzystor, nap. ujemne zwiera dioda dren-podłoże GND Nap. dodatnie zwiera górna dioda, nap. ujemne zwiera dioda dolna

97 Lepsze zabezpieczenia wejść

98 Lepsze zabezpieczenia wejść Układ GND Nap. dodatnie zwiera tranzystor, nap. ujemne zwiera dioda dren-podłoże i ew. dioda dodatkowa

99 Lepsze zabezpieczenia wejść Dioda p+-wyspa n VDD Układ Układ Dioda n+-podłoże GND Nap. dodatnie zwiera tranzystor, nap. ujemne zwiera dioda dren-podłoże i ew. dioda dodatkowa GND Nap. dodatnie zwiera górna dioda, nap. ujemne zwiera dioda dolna i ew. dioda dodatkowa

100 Zabezpieczenie wyjść oraz masy/zasilania

101 Zabezpieczenie wyjść oraz masy/zasilania Układ GND Przepięcia zwierają dwa tranzystory, rezystor ogranicza prąd płynący do lub z wyjścia

102 Zabezpieczenie wyjść oraz masy/zasilania VDD Układ GND Przepięcia zwierają dwa tranzystory, rezystor ogranicza prąd płynący do lub z wyjścia GND Impuls przepięcia włącza tranzystor. Wymagana szerokość kanału jest bardzo duża (W/L rzędu kilku tysięcy)

103 Dobre zabezpieczenia są kosztowne Przykład: Human Body Model, 4kV, 2,8A, technologia CMOS 90 nm

104 Dobre zabezpieczenia są kosztowne Przykład: Human Body Model, 4kV, 2,8A, technologia CMOS 90 nm Szerokości:

105 Dobre zabezpieczenia są kosztowne Przykład: Human Body Model, 4kV, 2,8A, technologia CMOS 90 nm Szerokości: Dioda w kierunku przewodzenia: 56 μm

106 Dobre zabezpieczenia są kosztowne Przykład: Human Body Model, 4kV, 2,8A, technologia CMOS 90 nm Szerokości: Dioda w kierunku przewodzenia: 56 μm Tranzystor NMOS z uziemioną bramką: 280 μm

107 Dobre zabezpieczenia są kosztowne Przykład: Human Body Model, 4kV, 2,8A, technologia CMOS 90 nm Szerokości: Dioda w kierunku przewodzenia: 56 μm Tranzystor NMOS z uziemioną bramką: 280 μm Dioda w kierunku zaporowym: 1400 μm

108 Dobre zabezpieczenia są kosztowne Przykład: Human Body Model, 4kV, 2,8A, technologia CMOS 90 nm Szerokości: Dioda w kierunku przewodzenia: 56 μm Tranzystor NMOS z uziemioną bramką: 280 μm Dioda w kierunku zaporowym: 1400 μm... i trudne do zaprojektowania: przestrzenny rozpływ dużych prądów wymaga symulacji całych struktur półprzewodnikowych, SPICE nie wystarcza