Podstawowe układy. pracy tranzystora MOS

Transkrypt

1 A B O A T O I U M A N A O G O W Y C H U K Ł A D Ó W E E K T O N I C Z N Y C H Pdstawwe układy pracy tranzystra MOS Ćwiczenie pracwał Bdan Pankiewicz. Wstęp Ćwiczenie umżliwia pmiar i prównanie właściwści trzech pdstawwych knfiuracji pracy tranzystra MOS. Są t klejn układ wspólne źródła (CS), wspólnej bramki (CG) raz wspólne drenu (CD). W ramach ćwiczenia wyknuje się pmiary: wzmcnienia w śrdku pasma przepustwe, rezystancji wejściwej raz wyjściwej, dlnej raz órnej 3dBwej częsttliwści ranicznej a także amplitudwej charakterystyki częsttliwściwej pza pasmem przepustwym wzmacniacza. Pszczeólne knfiuracje wybiera się przy pmcy przełącznika brtwe, który pprzez przekaźniki, przełącza pmiędzy trzema układami CS, CG i CD. Czwarta pzycja przełącznika wykrzystana jest d bezpśrednie zwarcia niazda synału wejściwe z niazdem wyjściwym. Umżliwia t pmiar napięcia wejściwe i wyjściwe przy pmcy jedne i te same przyrządu. Pszczeólne układy wyknan tak, aby zapewniały niemalże identyczne warunki zasilania tranzystrów. óżnice pmiędzy parametrami wzmacniaczy wynikają więc łównie z różnych knfiuracji pracy elementu aktywne, 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 liwe (zamieszczna jest na w niejszym pracwaniu). Prwadzący ma bwiązek sprawdzić przytwanie d ćwiczenia. 2. Pmiary Dla każde z układów CS, CG i CD należy: a) zmierzyć wzmcnienie dla śrdka pasma / (warunki pmiaru: synał wejściwy częsttliwści 5kHz i napięciu kł 5mV dla CS raz CG, dla układu CD k. 5mV- tak aby synał wyjściwy był w zakresie 3-5mV ). b) zmierzyć rezystancję wejściwą (synał 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 (synał 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 BUF BUF ÓW (2) d) zmierzyć dlną i órną 3-decybelwą częsttliwść raniczną ( f 3 db, f 3 dbh ). Pmiar należy wyknać w następujący spsób: - ustawić częsttliwść eneratra na 5kHz, - ustalić wartść napięcia wejściwe w ten spsób, aby na wyjściu badane układu uzyskać _max w przedziale 3-5mV, - zmniejszać (dla pmiaru częsttliwści ranicznej dlnej) lub zwiększać (dla pmiaru częsttliwści ranicznej órnej) częsttliwść synału wejściwe aż d uzyskania napięcia wyjściwe równe _max/ 2, uzyskana wartść jest dpwiednią częsttliwścią raniczną. 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 larytmicznej tj. 2l /, ś pzima (częsttliwść synału pmiarwe) pwna być larytmiczna. Przykłady tabel pmiarwych CS CG CD V/V [V/V] [kω] ut [kω] f3db [Hz] f3dbh [khz] 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 małsynałwe /, częsttliwści 3-decybelwe órne i dlne, rezystancję wejściwą i wyjściwą. Wyniki bliczeń należy umieścić tak, aby mżna był łatw prównać je z pmiarami (np. we wspólnej tabeli). Dla każde z układów naryswać zmierzne charakterystyki częsttliwściwe mdułu wzmcnienia a następnie nanieść na nie wyniki bliczeń (tj. wzmcnienie w śrdku pasma i częsttliwści raniczne órną i dlną). Zamieścić własne wniski i spstrzeżenia. Prównać układy pmiędzy sbą, a także skmentwać zdnść bliczeń z pmiarami. 4. Teria W ćwiczeniu wyknane są trzy wzmacniacze znaczne knfiuracjami 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 5 Pjemnść wejściwa C BUF pf 3 Częsttliwść raniczna MHz 4

2 4B-2 Małsynałwy mdel zastępczy tranzystra MOS przedstawy jest na rysunku, ys.. Małsynałwy schemat zastępczy tranzystra MOS. dzie: m KN I D ID KN VGS VT, ro VA I D, V T - napięcie prwe, KN 5, kn W - parametr transknduktacyjny tranzystra MOS, W, - wymiary emetryczne bszaru kanału elementu, k n - ruchliwść 2, 2 nśników w kanale. Parametry tranzystrów wykrzystanych w ćwiczeniu pdane są w tabeli na kńcu pracwania. Ze wzlędu na dużą wartść napięcia V A tych elementów, rezystancja wyjściwa tranzystrów MOS w niejszym ćwiczeniu zstała pmięta. 4. Układ w knfiuracji wspólne źródła (CS): ys. 2. Schemat wzmacniacza z tranzystrem MOS w knfiuracji wspólne źródła (CS). 4.. Punkt pracy Ze wzlędu 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 związaniami pwyższe układu równań są dwa różne prądy, z których ten prawidłwy spełnia nierównść: VGS VG I DS > VT. Znając wartść prądu drenu mżna wyznaczyć napięcia na źródle i drenie tranzystra MOS jak: VS I DS raz VD VDD I DD. W przypadku, dy spełna jest nierównść: VDS VGS VT, tranzystr pracuje w zakresie nasycenia, a je transknduktancja wynsi: m 2 KN I D Analiza małsynałwa: Śrdek pasma: Zastępczy schemat małsynałwy w zakresie średnich częsttliwści (w paśmie przepustwym) jest twrzny przy załżeniu, że pjemnści sprzęające i bcznikujące stanwią zwarcie dla synałów zmiennych, natmiast pjemnści pasżytnicze tranzystra są rzwarciem. ys. 4. Zastępczy schemat małsynałwy wzmacniacza w układzie CS dla zakresu częsttliwści średnich. 2 (5) G G (6) D ms D BUF (7) s + + m D BUF Wyskie częsttliwści: Częsttliwść raniczna órna 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 CM i CM2. K m( D BUF) () s C C ( K) () C M d Cd (2) K M2 (8) (9) ys. 5. Zastępczy schemat małsynałwy dla wyznaczenia częsttliwści ranicznej órnej. ys. 3. Schemat d wyznaczenia punktu pracy tranzystra. Napięcie na wyprwadzeniu źródła jest równe spadkwi napięcia na rezystrze S, stąd napięcie bramka - źródł mżna wyrazić wzrem: VGS VG I DS ; natmiast prąd drenu mżna wyznaczyć z układu równań: VGS VG I DS 2 I D KN( VGS VT) (4) 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) Przybliżna częsttliwść raniczna órna mże być kreślna wzrem: f H 3 db 2π ( τh+ τh2) (5)

3 4B-3 Niskie częsttliwści: Częsttliwść raniczna dlna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe, pwiązane z dpwiednimi pjemnściami sprzęającymi lub bcznikującymi (licząc stałe czaswe dla każdej z pjemnści, pzstałe należy traktwać jak zwarcie). Pjemnści pasżytnicze tranzystra MOS traktuje się jak rzwarcia. S m (2) (2) D ms D BUF (22) s + + m D BUF (23) (24) ys. 6. Zastępczy schemat małsynałwy wzmacniacza z rys. 2 dla częsttliwści niskich. Wykrzystując schemat zastępczy z rys. 6 pszczeólne stałe czaswe związane z klejnymi pjemnściami mżna wyrazić nastąpując: C + (6) τ G G G 2 C τ 2 S S m ( ) τ D D BUF (7) 3 C + (8) Przybliżna częsttliwść raniczna dlna mże być kreślna wzrem: f 3 db + + 2π τ τ2 τ3 (9) Wyskie częsttliwści: Częsttliwść raniczna órna 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 pszczeólne stałe czaswe są równe: τ H C GS S (25) m ( C C ) ( ) τ H GD BUF D BUF 2 + (26) + S D BUF τ H3 CDS (27) + m S 4.2 Układ w knfiuracji wspólnej bramki (CG): ys. 9. Zastępczy schemat małsynałwy układu CG dla wyznaczenia częsttliwści ranicznej órnej. ys. 7. Schemat wzmacniacza z tranzystrem MOS w knfiuracji wspólnej bramki (CG). 4.. Punkt pracy Punkt pracy liczy się identycznie jak dla układu w knfiuracji CS Analiza małsynałwa: Śrdek pasma: Zastępczy schemat małsynałwy w zakresie średnich częsttliwści (w paśmie przepustwym) jest twrzny przy załżeniu, że pjemnści sprzęające i bcznikujące stanwią zwarcie dla synałów zmiennych, natmiast pjemnści pasżytnicze tranzystra są rzwarciem. Przybliżna częsttliwść raniczna órna mże być kreślna wzrem: f H 3 db 2π ( τh+ τh2 + τh3) (28) Niskie częsttliwści: Częsttliwść raniczna dlna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami sprzęającymi 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 wzlędu na nie przechdzenie synału z wyprwadzenia źródła na wyprwadzenie bramki (ze wzlędu na nieskńczenie wielką rezystancję bramki). ys. 8 Zastępczy schemat małsynałwy wzmacniacza w układzie CG z rys. 7 dla zakresu częsttliwści średnich. ys.. Zastępczy schemat małsynałwy wzmacniacza z rys. 7 dla częsttliwści niskich.

4 4B-4 Wykrzystując schemat zastępczy z rys., pszczeólne stałe czaswe są równe: τ C S + S (29) m ( ) τ C D D BUF 2 + (3) Przybliżna częsttliwść raniczna dlna mże być kreślna wzrem: f 3 db + 2π τ τ Układ w knfiuracji wspólne drenu (CD): ys.. Schemat wzmacniacza z tranzystrem MOS w knfiuracji wspólne drenu (CG). (3) s s ms S BUF (36) s m( S BUF) m( S BUF) + m S BUF + + (37) (38) Wyskie częsttliwści: Częsttliwść raniczna órna 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 pszczeólne stałe czaswe są równe: τ H C GD G G 2 (39) ( C + C + C ) τ H 2 DS BUF m + G G2 S BUF τ H 3 C GS + ms BUF f H 3 db 2π τh+ τh2 + τh3 S BUF (4) (4) (42) 4.3. Punkt pracy Punkt pracy liczy się jak dla układu w knfiuracji CS. Jedyną różnicą jest t, że napięcie stałe na wyprwadzeniu drenu tranzystra jest równe napięciu zasilania Analiza małsynałwa: Śrdek pasma: Zastępczy schemat małsynałwy z zakresie średnich częsttliwści (w paśmie przepustwym) jest twrzny przy załżeniu, że pjemnści sprzęające i bcznikujące stanwią zwarcie dla synałów 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. 3. Zastępczy schemat małsynałwy układu CD z rys. dla wyznaczenia częsttliwści ranicznej órnej. Niskie częsttliwści: Częsttliwść raniczna dlna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami sprzęającymi 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. ys. 2. Zastępczy schemat małsynałwy wzmacniacza w układzie CD z rys. dla zakresu częsttliwści średnich. Na pdstawie schematu przedstawe na rys. 2 pszczeólne rezystancje, napięcia raz wzmcnienie mżna kreślić następując: G G2 (32) S m (33) ms S BUF (34) + (35) ys. 4. Zastępczy schemat małsynałwy wzmacniacza z rys. dla częsttliwści niskich. Wedłu rys. 4 pszczeólne stałe czaswe dpwiadające za częsttliwść raniczną dlną są równe: τ C G + G G 2 (43) τ 2 S m C + S BUF (44)

5 4B-5 Częsttliwść trzydecybelwą dlną mżna wyznaczyć za pmcą wzru przybliżne: f 3 db + 2π τ τ Pmiar rezystancji wejściwej wzmacniaczy (45) ezystancję wejściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr SZE włączny szerew z rezystancją wewnętrzną eneratra. Pdczas nrmalnej pracy jest n zwierany przez przełącznik umieszczny na płycie człwej. P naciśnięciu przycisku znaczne 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 + + SZE SZE (47) (48) SZE (49) 4.5 Pmiar rezystancji wyjściwej wzmacniaczy ezystancję wyjściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr ÓW włączany równlele z rezystancją bciążenia K + ÓW K + (5) ÓW + ÓW ÓW ÓW (5) Dane elementów i parametry tranzystrów w pszczeólnych knfiuracjach układwych. Parametr Jednstki CS CG CD KN µa/v 2 32,32 323,46 39,5 VT V,272,264,252 CDS pf 2,34 2,36,42 CGS pf 9,33 9,74 8,99 CGD pf,7,84,93 Ω BUF MΩ CBUF pf C pf nie ma nie ma 35 SZE kω 3,8 2,87 36,5 ÓW kω 2,8 2,49 3,42 CG nf 9,5 9,2 9,7 CS µf,98,98, CD 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 VDD V (52) (53) wzmacniacza. Pdczas nrmalnej pracy rezystr ÓW jest dłączny. W czasie pmiaru rezystancji dłącza się przełącznikiem umieszcznym na płycie człwej i znacznym. ys. 6. Metda pmiaru rezystancji wyjściwej wzmacniacza. Oznaczając dpwiedni napięcia wyjściwe przy dłącznym i dłącznym rezystrze ÓW jak raz, trzymujemy:

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 analwe, WNT, Warszawa 992. [3] A. Filipkwski, Układy elektrniczne analwe i cyfrwe, WNT, Warszawa 978.