Qustion sobre el voltaje por debajo del umbral y la capacidad de conducción

1) ¿Has leído este artículo de Wikipedia ? La región inferior significa usar el MOSFET en inversión débil (a diferencia de una inversión fuerte como la que usaría normalmente) usando un \ $ V_ {gs} \ $ ligeramente menos que el valor del voltaje de umbral del MOSFET \ $ V_t \ $.

Normalmente decimos que un MOSFET no se realizará cuando \ $ V_ {gs} < V_t \ $, pero eso no es del todo cierto, conduce solo corrientes muy pequeñas (en comparación con las corrientes cuando \ $ V_ {gs} > V_t \ $) puede fluir.

Entonces, sí, el umbral está relacionado con el voltaje de umbral del MOSFET

2) Los circuitos son a menudo los mismos a los que estamos acostumbrados, pero se ejecutan a mucha menos corriente. Entonces, por ejemplo, un NMOS de W / L = 10um / 1um con un Ids = 100 nA estaría cerca de trabajar en una inversión por debajo del umbral o débil. También puede usar una "corriente normal" más como 10 uA que fluye a través de un MOSFET muy amplio (como W = 1000um) que también estaría funcionando en modo de umbral débil o de inversión débil.

Es la densidad de corriente (ancho de MOSFET / corriente a través de drenaje: W / Id) lo que realmente importa. Una baja densidad de corriente da como resultado un bajo valor de \ $ V_ {gs} \ $.

3) Sí, un transistor más grande (más preciso: un transistor más ancho) puede, por supuesto, transportar más corriente. Pero eso al ensanchar el transistor aumenta la capacitancia de la puerta, por lo que también requerirá más corriente para conducirlo.

Con respecto a las fórmulas para la región por debajo del umbral: consulte casi cualquier libro sobre el diseño de circuitos CMOS.

En general, los circuitos por debajo del umbral solo son necesarios cuando necesita un consumo de energía extremadamente bajo (unos pocos uA o menos) y no necesita un circuito rápido. Es posible que 1 MHz ya sea bastante rápido para un circuito por debajo del umbral.

En la práctica, en 25 años de diseño de circuitos CMOS nunca he diseñado deliberadamente un circuito para funcionar en el umbral inferior. Diseñé circuitos de muy baja potencia y es posible que tengan transistores en ellos que funcionen en el umbral inferior o cerca de eso. Pero al diseñar circuitos simplemente hago las corrientes como las quiero y no me molesto en que los transistores estén en el umbral inferior o no.

En la región de umbral de MOSFET, la compuerta a la fuente de voltaje \ $ V_ {GS} \ $ controla la corriente de Drenaje a la fuente \ $ I_ {DS} \ $ y es similar a la corriente exponencialmente creciente de un diodo con polarización directa .

Al igual que en todos los diodos, la capacitancia se reduce con el voltaje de polarización inversa y aumenta con la conductancia, los MOSFET también comparten este comportamiento cuando se usan (sobre el umbral) como interruptores de alimentación. El tamaño del chip y la carga de la puerta aumenta a medida que RdsOn se reduce, por lo que una figura de mérito es el producto Ciss * RdsOn. No están en la hoja de datos, ya que otros factores como la geometría y la clasificación de voltaje afectan a este producto en la elección de "un millón" de MOSFET diferentes.

Los efectos de sub-umbral se usan para muchas otras aplicaciones, pero en relación con esta pregunta, existe una relación dinámica entre la corriente de fuga y la capacitancia. Ref en pendiente

Como interruptores de alimentación, el umbral de Vgs (Vgs (th) se encuentra en un valor nominal actual, como 0.5 mA fue generalmente de 4V con un amplio margen y luego la necesidad de Vgs más bajos y RdsOn más bajos alteró la geometría y la construcción de la longitud del FET para relación de ancho para cambiar los umbrales más bajos. Bajo Vgs (th) < 1V son adecuados para una unidad de nivel lógico de 3.3V.

Aún necesita que Vgs pase de Vgs (th) en 2.5 ~ 3x 250 ~ 300% para obtener una buena calificación de RdsOn baja. Como RC = T afecta la velocidad de giro, esto afecta la velocidad de diseño de SMPS en la selección de componentes. Hay una carga de unión desde la puerta hasta el drenaje y la puerta a la fuente.

Un día analicé los NFET TO-220 de Digikey para RdsOn vs Q y este fue el resultado. Recall Q = CV.

Encontré la hoja de cálculo ahora, si alguien la quiere.

Tenga cuidado con los circuitos por debajo del umbral. Puede degradar gravemente la fluctuación (ruido de fase) de las señales lógicas, o las señales de salida del oscilador XTAL, utilizando diseños de umbral inferior. Los bordes lentos y el ruido más alto en comparación con la región de la plaza cuadrada causarán problemas.