Podstawowe układy pracy tranzystora MOS

Transkrypt

1 A B O A T O I U M P O D S T A W E E K T O N I K I I M E T O O G I I Pdstawwe układy pracy tranzystra MOS Ćwiczenie pracwał Bgdan Pankiewicz 4B. Wstęp Ćwiczenie umżliwia pmiar i prównanie właściwści trzech pdstawwych knfiguracji pracy tranzystra MOS. Są t klejn układ wspólneg źródła (CS), wspólnej bramki (CG) raz wspólneg drenu (CD). W ramach ćwiczenia wyknuje się pmiary: wzmcnienia w śrdku pasma przepustweg, rezystancji wejściwej raz wyjściwej, dlnej raz górnej 3dBwej częsttliwści granicznej a także amplitudwej charakterystyki częsttliwściwej pza pasmem przepustwym wzmacniacza. Pszczególne knfiguracje wybiera się przy pmcy przełącznika brtweg, który pprzez przekaźniki, przełącza pmiędzy trzema układami CS, CG i CD. Czwarta pzycja przełącznika wykrzystana jest d bezpśrednieg zwarcia gniazda sygnału wejściweg z gniazdem wyjściwym. Umżliwia t pmiar napięcia wejściweg i wyjściweg przy pmcy jedneg i teg sameg przyrządu. Pszczególne układy wyknan tak, aby zapewniały niemalże identyczne warunki zasilania tranzystrów. óżnice pmiędzy parametrami wzmacniaczy wynikają więc głównie z różnych knfiguracji pracy elementu aktywneg, c umżliwia jakściwe prównanie układów. Dla uniezależnienia się d parametrów przyrządów pmiarwych raz jakści płączeń, w każdym ze wzmacniaczy wbudwan bufr wzmcnieniu jednstkwym. Przed przystąpieniem d ćwiczenia należy zapznać się z terią dtyczącą pracy tranzystra MOS jak wzmacniacza liweg (zamieszczna jest na w niejszym pracwaniu). Prwadzący ma bwiązek sprawdzić przygtwanie d ćwiczenia. 2. Pmiary Dla każdeg z układów CS, CG i CD należy: a) zmierzyć wzmcnienie dla śrdka pasma / s (warunki pmiaru: sygnał wejściwy częsttliwści 5kHz i napięciu k. 3mV dla CS raz CG, dla układu CD k. 3mV). b) zmierzyć rezystancję wejściwą (sygnał wejściwy jw., pis w części teretycznej). Aby zmierzyć rezystancję wejściwą należy (dla ustalnej amplitudy napięcia na wejściu): - zmierzyć napięcie na wyjściu układu ; - rzewrzeć rezystr SZE (pprzez naciśnięcie i przytrzymanie przycisku ) i zmierzyć napięcie wyjściwe ; - wyznaczyć rezystancję wejściwą ze wzru: SZE () c) zmierzyć rezystancję wyjściwą (sygnał wejściwy jak w pkt. a, pis w części teretycznej). Aby zmierzyć rezystancję wyjściwą należy (dla ustalnej amplitudy napięcia na wejściu): - zmierzyć napięcie na wyjściu układu ; - zewrzeć rezystr ÓW (pprzez naciśnięcie i przytrzymanie przycisku ) i zmierzyć napięcie wyjściwe ; - wyznaczyć rezystancję wyjściwą ze wzru: BUF (2) BUF BUF ÓW d) zmierzyć dlną i górną 3-decybelwą częsttliwść graniczną ( f 3 db, f 3 dbh ). Pmiar należy wyknać w następujący spsób: - ustawić częsttliwść generatra na 5kHz, - ustalić wartść napięcia wejściweg w ten spsób, aby na wyjściu badaneg układu uzyskać 3mV, - zmniejszać (dla pmiaru częsttliwści granicznej dlnej) lub zwiększać (dla pmiaru częsttliwści granicznej górnej) częsttliwść sygnału wejściweg aż d uzyskania napięcia wyjściweg równeg 3mV / 2, uzyskana wartść jest dpwiednią częsttliwścią graniczną. e) zmierzyć amplitudwą charakterystykę częsttliwściwą w zakresie d 3Hz d f 3 db raz d f 3 dbh d 2MHz w rastrze częsttliwści, 2, 4, 7, (tj. np. dla Hz, 2Hz, 4Hz, 7Hz, Hz,... ). Zmierzną charakterystykę należy nanieść na wykres. Oś pwa pwna być wzmcnieniem wyrażnym w mierze lgarytmicznej tj. 2lg VO V, ś pzima (częsttliwść sygnału pmiarweg) pwna być lgarytmiczna. V /V [V/V] [kω] ut [kω] f 3dB [Hz] f 3dBH [khz] Przykłady tabel pmiarwych CS CG CD f [Hz] f 3dB f 3 dbh... M 2M V /V 3. Opracwanie wyników Dla układów CS, CG raz CD należy bliczyć teretycznie: punkty pracy tranzystrów, wzmcnienie małsygnałwe /, częsttliwści 3-decybelwe górne i dlne, rezystancję wejściwą i wyjściwą. Wyniki bliczeń należy umieścić tak, aby mżna był łatw prównać je z pmiarami (np. we wspólnej tabeli). Dla każdeg z układów naryswać zmierzne charakterystyki częsttliwściwe mdułu wzmcnienia a następnie nanieść na nie wyniki bliczeń (tj. wzmcnienie w śrdku pasma i częsttliwści graniczne górną i dlną). Zamieścić własne wniski i spstrzeżenia. Prównać układy pmiędzy sbą, a także skmentwać zgdnść bliczeń z pmiarami. 4. Teria (dla zatereswanych) W ćwiczeniu wyknane są trzy wzmacniacze znaczne knfiguracjami pracy tranzystrów tj. CS, CG raz CD. Wszystkie układy psiadają wbudwane bufry wejściwy i wyjściwy. Bufry te są identyczne a ich parametry przedstawia pniższa tabela: Parametr Jednstki Wartść Wzmcnienie V/V ezystancja wejściwa BUF MΩ ezystancja wyjściwa Ω

2 4B-2 Pjemnść wejściwa C BUF pf 3 Częsttliwść graniczna MHz 4 Małsygnałwy mdel zastępczy tranzystra MOS przedstawy jest na rysunku, ys.. Małsygnałwy schemat zastępczy tranzystra MOS. gdzie: gm KNID I D K N VGS VT, ro VA ID, V T - napięcie prgwe, KN 5, kn W - parametr transknduktacyjny tranzystra MOS, W, - wymiary gemetryczne bszaru kanału elementu, k n - ruchliwść nśników w kanale. Parametry tranzystrów wykrzystanych w ćwiczeniu pdane są w tabeli na kńcu pracwania. Ze względu na dużą wartść napięcia V A tych elementów, rezystancja wyjściwa tranzystrów MOS w niejszym ćwiczeniu zstała pmięta. 2, 2 4. Układ w knfiguracji wspólneg źródła (CS): ys. 2. Schemat wzmacniacza z tranzystrem MOS w knfiguracji wspólneg źródła (CS). 4.. Punkt pracy Ze względu na brak przepływu prądu przez bramkę tranzystra MOS napięcie stałe na jej wyprwadzeniu mżna bliczyć krzystając z zależnści na dzielnik napięciwy: G2 VG VDD (3) G + G2 mżna wyrazić wzrem: VGS VG ID S ; natmiast prąd drenu mżna wyznaczyć z układu równań: VGS VG ID S 2 ID KN( VGS VT ) (4) związaniami pwyższeg układu równań są dwa różne prądy, z których ten prawidłwy spełnia nierównść: VGS VG ID S > VT. Znając wartść prądu drenu mżna wyznaczyć napięcia na źródle i drenie tranzystra MOS jak: VS IDS raz VD VDD IDD. W przypadku, gdy spełna jest nierównść: VDS VGS VT, tranzystr pracuje w zakresie nasycenia, a jeg transknduktancja wynsi: gm 2 KNID Analiza małsygnałwa: Śrdek pasma: Zastępczy schemat małsygnałwy w zakresie średnich częsttliwści (w paśmie przepustwym) jest twrzny przy załżeniu, że pjemnści sprzęgające i bcznikujące stanwią zwarcie dla sygnałów zmiennych, natmiast pjemnści pasżytnicze tranzystra są rzwarciem. ys. 4. Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza w układzie CS dla zakresu częsttliwści średnich. G G2 (5) (6) D g (7) gs m gs D BUF + + g m D BUF Wyskie częsttliwści: Częsttliwść graniczna górna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe, pwiązane z dpwiednimi pjemnściami pasżytniczymi tranzystra MOS. Krzystając z twierdzenia Millera, pjemnść C GD mżna zamienić (patrz rys. 5) na pjemnści C M i C M2. K gm( D BUF) () gs C C ( K) () C M gd Cgd (2) K M2 (8) (9) ys. 3. Schemat d wyznaczenia punktu pracy tranzystra. Napięcie na wyprwadzeniu źródła jest równe spadkwi napięcia na rezystrze S, stąd napięcie bramka - źródł ys. 5. Zastępczy schemat małsygnałwy dla wyznaczenia częsttliwści granicznej górnej. P zamianie C GD, w układzie są dwie stałe czaswe następujących wartściach: τ H ( C M + C GS ) (3) τ H 2 C M 2 + C BUF + C DS D BUF (4)

3 4B-3 Przybliżna częsttliwść graniczna górna mże być kreślna wzrem: f H 3 db 2π ( τh+ τh2) (5) Niskie częsttliwści: Częsttliwść graniczna dlna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe, pwiązane z dpwiednimi pjemnściami sprzęgającymi lub bcznikującymi (licząc stałe czaswe dla każdej z pjemnści, pzstałe należy traktwać jak zwarcie). Pjemnści pasżytnicze tranzystra MOS traktuje się jak rzwarcia. ys. 6. Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza z rys. 2 dla częsttliwści niskich. Wykrzystując schemat zastępczy z rys. 6 pszczególne stałe czaswe związane z klejnymi pjemnściami mżna wyrazić nastąpując: τ C G + G G 2 (6) τ 2 C S S g m C (7) τ 3 + (8) D D BUF Przybliżna częsttliwść graniczna dlna mże być kreślna wzrem: f 3 db + + 2π τ τ2 τ3 4.2 Układ w knfiguracji wspólnej bramki (CG): (9) ys. 8 Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza w układzie CG z rys. 7 dla zakresu częsttliwści średnich. S (2) g m (2) D g (22) gs m gs D BUF + + g m D BUF (23) (24) Wyskie częsttliwści: Częsttliwść graniczna górna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami pasżytniczymi tranzystra MOS. Stałe te liczy się dla danej pjemnści pasżytniczej przy załżeniu, że pzstałe pjemnści pasżytnicze stanwią rzwarcie. Z rys. 9 wynika, że pszczególne stałe czaswe są równe: τ H C GS S (25) g m ( C C ) ( ) τ H GD BUF D BUF 2 + (26) g gm D BUF m τ H 3 C DS D BUF + S (27) ys. 7. Schemat wzmacniacza z tranzystrem MOS w knfiguracji wspólnej bramki (CG). 4.. Punkt pracy Punkt pracy liczy się identycznie jak dla układu w knfiguracji CS Analiza małsygnałwa: Śrdek pasma: Zastępczy schemat małsygnałwy w zakresie średnich częsttliwści (w paśmie przepustwym) jest twrzny przy załżeniu, że pjemnści sprzęgające i bcznikujące stanwią zwarcie dla sygnałów zmiennych, natmiast pjemnści pasżytnicze tranzystra są rzwarciem. ys. 9. Zastępczy schemat małsygnałwy układu CG dla wyznaczenia częsttliwści granicznej górnej. Przybliżna częsttliwść graniczna górna mże być kreślna wzrem: f H 3 db 2π ( τh + τh2 + τh3) (28) Niskie częsttliwści: Częsttliwść graniczna dlna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami sprzęgającymi lub bcznikującymi (licząc stałe czaswe dla każdej z pjemnści, pzstałe należy traktwać jak zwarcie). Pjemnści pasżytnicze tranzystra MOS traktuje się jak rzwarcia. Stała czaswa związana z pjemnścią C G nie występuje ze względu na nie przechdzenie sygnału z wyprwadzenia źródła na wyprwadzenie bramki (ze względu na nieskńczenie wielką rezystancję bramki).

4 4B-4 ys.. Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza z rys. 7 dla częsttliwści niskich. Wykrzystując schemat zastępczy z rys., pszczególne stałe czaswe są równe: τ C S + S g (29) m τ 2 C D + D (3) BUF Przybliżna częsttliwść graniczna dlna mże być kreślna wzrem: + f 3 db 2π τ τ Układ w knfiguracji wspólneg drenu (CD): ys.. Schemat wzmacniacza z tranzystrem MOS w knfiguracji wspólneg drenu (CG) Punkt pracy (3) Punkt pracy liczy się jak dla układu w knfiguracji CS. Jedyną różnicą jest t, że napięcie stałe na wyprwadzeniu drenu tranzystra jest równe napięciu zasilania Analiza małsygnałwa: Śrdek pasma: Zastępczy schemat małsygnałwy z zakresie średnich częsttliwści (w paśmie przepustwym) jest twrzny przy załżeniu, że pjemnści sprzęgające i bcznikujące stanwią zwarcie dla sygnałów zmiennych, natmiast pjemnści pasżytnicze tranzystra są rzwarciem. Ddatkwa niewielka pjemnść C (35pF) ma wpływ na wyskie częsttliwści, więc w śrdku pasma mżna ją traktwać jak rzwarcie. ys. 2. Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza w układzie CD z rys. dla zakresu częsttliwści średnich. Na pdstawie schematu przedstaweg na rys. 2 pszczególne rezystancje, napięcia raz wzmcnienie mżna kreślić następując: G G2 (32) S g m (33) gmgs S BUF (34) g + (35) gs g s g g gmgs S BUF (36) gs g gm( S BUF) gm( S BUF) + g m S BUF + + (37) (38) Wyskie częsttliwści: Częsttliwść graniczna górna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami pasżytniczymi tranzystra MOS. Stałe te liczy się dla danej pjemnści pasżytniczej przy załżeniu, że pzstałe pjemnści pasżytnicze stanwią rzwarcie. Krzystając z rys. 3 pszczególne stałe czaswe są równe: τ H C GD G G 2 (39) ( C + C + C ) τ H 2 DS BUF gm + G G2 S BUF τ H 3 C GS + gms BUF f H 3 db 2π τh + τh2 + τh3 S BUF (4) (4) (42) ys. 3. Zastępczy schemat małsygnałwy układu CD z rys. dla wyznaczenia częsttliwści granicznej górnej. Niskie częsttliwści: Częsttliwść graniczna dlna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami

5 4B-5 sprzęgającymi lub bcznikującymi (licząc stałe czaswe dla każdej z pjemnści, pzstałe należy traktwać jak zwarcie). Pjemnści pasżytnicze tranzystra raz niewielką pjemnść C traktuje się jak rzwarcia. 4.5 Pmiar rezystancji wyjściwej wzmacniaczy ezystancję wyjściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr ÓW włączany równlegle z rezystancją bciążenia wzmacniacza. Pdczas nrmalnej pracy rezystr ÓW jest dłączny. W czasie pmiaru rezystancji dłącza się g przełącznikiem umieszcznym na płycie człwej i znacznym. ys. 4. Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza z rys. dla częsttliwści niskich. Według rys. 4 pszczególne stałe czaswe dpwiadające za częsttliwść graniczną dlną są równe: τ C G + G G 2 (43) τ 2 C S S + BUF (44) g m Częsttliwść trzydecybelwą dlną mżna wyznaczyć za pmcą wzru przybliżneg: + f 3 db 2π τ τ Pmiar rezystancji wejściwej wzmacniaczy (45) ezystancję wejściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr SZE włączny szeregw z rezystancją wewnętrzną generatra. Pdczas nrmalnej pracy jest n zwierany przez przełącznik umieszczny na płycie człwej. P naciśnięciu przycisku znaczneg następuje rzwarcie, pwdujące dłączenie rezystra SZE, c prwadzi d zmniejszenia wzmcnienia. ys. 5. Metda pmiaru rezystancji wejściwej wzmacniacza. Oznaczając dpwiedni napięcia wyjściwe przy zwartym i rzwartym rezystrze SZE jak raz, trzymujemy: K (46) + K (47) + + SZE SZE (48) SZE (49) ys. 6. Metda pmiaru rezystancji wyjściwej wzmacniacza. Oznaczając dpwiedni napięcia wyjściwe przy dłącznym i dłącznym rezystrze ÓW jak raz, trzymujemy: K (5) + ÓW K + ÓW + ÓW ÓW ÓW (5) Dane elementów i parametry tranzystrów w pszczególnych knfiguracjach układwych. (52) (53) Parametr Jednstki CS CG CD K N μa/v 2 32,32 323,46 39,5 V T V,272,264,252 C DS pf 2,34 2,36,42 C GS pf 9,33 9,74 8,99 C GD pf,7,84,93 Ω BUF MΩ C BUF pf C pf nie ma nie ma 35 SZE kω 3,8 2,87 36,5 ÓW kω 2,8 2,49 3,42 C G nf 9,5 9,2 9,7 C S μf,98,98, C D nf G kω 752,8 755,5 754,5 G2 kω ,3 48,6 S kω 2,97 22,26 22,3 D kω 46,68 46,83 nie ma kω 46,8 46,78 3,35 V DD V 2 2 2

6 4B-6 ys. 7. Widk płyty człwej ćwiczenia. iteratura: [] Z. J. Staszak, J. Glianwicz, D. Czarnecki, Materiały pmcnicze d przedmitu Układy elektrniczne liwe. [2] A. Guziński, iwe elektrniczne układy analgwe, WNT, Warszawa 992. [3] A. Filipkwski, Układy elektrniczne analgwe i cyfrwe, WNT, Warszawa 978.