Wzmacniacze napięciowe z tranzystorami komplementarnymi CMOS

Transkrypt

1 Wzmacniacze napięciowe z tranzystorami komplementarnymi CMOS Cel ćwiczenia: Praktyczne wykorzystanie wiadomości do projektowania wzmacniacza z tranzystorami CMOS Badanie wpływu parametrów geometrycznych tranzystorów na charakterystyki przejściowe Wyznaczanie wzmocnienia napięciowego dla wzmacniacza z tranzystorem MOSFET w konfiguracji OS (wspólnego źródła) z różnymi rodzajami obciążeń Doświadczalne wyznaczanie rezystancji wyjściowej wzmacniacza Badanie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy CMOS 1. Przygotowanie do laboratorium Właściwe wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych wymaga wiedzy z zakresu: Modele i charakterystyki dla tranzystorów MOSFET Znajomość metody pomiaru rezystancji wyjściowej wzmacniacza 2. Opis teoretyczny badanych układów Schemat ideowy badanego wzmacniacza z tranzystorem nmosfet przedstawiono na rys. 1. Przedstawione tutaj symbolicznie obciążenie będzie budowane w oparciu o tranzystory pmosfet. Rys. 1. Wzmacniacz z tranzystorem MOSFET w konfiguracji OS 2.1. Punkt pracy dla wzmacniaczy z tranzystorami CMOS Wzm. nap. CMOS 1

2 Do budowy badanego wzmacniacza wykorzystywane będą tranzystory układu scalonego ALD1103. Układ ten zawiera 4 komplementarne pod względem wymiarów geometrycznych tranzystory MOSFET (2 tranzystory z kanałem typu p oraz 2 tranzystory z kanałem typu n). Rys. 2. Struktura wewnętrzna układu ALD1103 Najprostsze obciążenie jakie można zastosować to tranzystor pmosfet w połączeniu diodowym (U GS =U DS ) rys. 3. Prosze zwrócić uwagę na podłączenie bramek tranzystorów pmosfet u góry schematu. Linią przerywaną oznaczono podłączenie drenu drugiego tranzystora. Ten tranzystor można odłączyć patrz rys.6. Rys. 3. Wzmacniacz w konfiguracji OS z tranzystorami pmosfet W technice wytwarzania układów CMOS możliwe jest takie dobranie parametrów tranzystorów, aby nie było konieczne stosowanie kondensatorów sprzęgających na wejściu i wyjściu wzmacniacza. Innymi słowy możliwe jest dobranie takich wartości W i L aby przy zwartym wejściu (U WE =0) uzyskać zerowy sygnał na wyjściu (U WY =0). Wzm. nap. CMOS 2

3 Z drugiej strony ruchliwości nośników w poszczególnych typach tranzystorów mogą się mocno różnić ( n p ). Układ w którym tranzystor pmos i nmos mają takie same wymiary przestaje być symetryczny i napięcie wyjściowe różni się od zera. By temu zapobiec można tak dobrać geometrię jednego z tranzystorów aby zniwelować różnicę w ruchliwości nośników. Zwielokrotnianie szerokości kanału tranzystora jest równoważne dołączaniu kolejnych tranzystorów równolegle. W rozważanym układzie możliwe jest zwielokrotnienie szerokości kanału tranzystora 2-krotnie poprzez równoległe łączenie 2 identycznych tranzystorów. Drugim sposobem pozwalającym na sprowadzenie napięcia wyjściowego do zera jest odpowiednie manipulowanie napięciem zasilania układu. Układ jest polaryzowany z zewnętrznego generatora. Na generatorze można uzyskać sygnał ze składową stałą za pomocą pokrętła Offset. W początkowej części wykonywania ćwiczenia, by uzyskać właściwą charakterystykę przejściową, koniecznym jest podłączenie generatora, z którego podawany jest sygnał trójkątny/sinusoidalny o amplitudzie 1,25V (czyli 2,5V PP ) oscylujący wokół masy. Następnie regulując składową stałą (offset) należy uzyskać na oscyloskopie charakterystykę przejściową wzmacniacza. Drugim układem który będzie badany jest wzmacniacz oparty o inwerter CMOS (rys. 4.) Rys. 4. Wzmacniacz tranzystorowy oparty o inwerter CMOS W tym wypadku także jest możliwy taki dobór geometrii tranzystorów oraz napięć zasilania by nie było potrzeby stosowania kondensatorów sprzęgających na wejściu i wyjściu układu. Wynik tego typu rozważań daje identyczne wyniki dla układu przedstawionego wcześniej. Trzeci z badanych układów to wzmacniacz bazujący na tranzystorze nmos z regulowanym prądem drenu (rys. 5.). Wzm. nap. CMOS 3

4 Rys. 5. Wzmacniacz CMOS z regulowanym prądem drenu W układzie tym istnieje możliwość zmieniania punktu pracy tranzystora nmos poprzez zmianę jego prądu drenu. Pomiaru prądu dokonuje się poprzez pomiar spadku napięcia na rezystorze referencyjnym 100. Wzm. nap. CMOS 4

5 2.1. Wkładka laboratoryjna Wszystkie opisane wyżej układy można uzyskać przez odpowiednią konfigurację wkładki laboratoryjnej. Połączenia które należy wykonać oraz odpowiadające im układy przedstawiono na rys Rys. 6. Wkładka pomiarowa - wzmacniacz w konfiguracji OS z tranzystorami pmosfet w połączeniu diodowym Linią przerywaną oznaczono zworki, których usunięcie powoduje, odłączenie jednego tranzystora pmos z układu pomiarowego. Wzm. nap. CMOS 5

6 Rys. 7. Wkładka pomiarowa - wzmacniacz tranzystorowy oparty o inwerter CMOS Wzm. nap. CMOS 6

7 Rys. 8. Wkładka pomiarowa - wzmacniacz CMOS z regulowanym prądem drenu 3. Pomiary Pamiętaj! Tranzystory MOSFET są bardzo czułe na ładunki elektrostatyczne i mogą ulec zniszczeniu, zatem wszelkie zmiany w układzie powinny być wykonywane przy odłączonym zasilaniu (diody na wkładce nie świecą) Pamiętaj! Model laboratoryjny jest zasilany niskim napięciem 2,5V. Przed dołączeniem generatorów do układu sprawdź zawsze, czy wielkość amplitudy na ich wyjściu jest mniejsza niż 2,5V pp W ramach laboratorium należy wykonać następujące pomiary: Wzm. nap. CMOS 7

8 3.1. Obserwacja charakterystyk przejściowych układów w trybie X-Y oscyloskopu Zestaw układ według schematu przedstawionego na rys. 8 Rys. 9. Pomiar charakterystyk przejściowych wzmacniacza CMOS Ustaw generator w tryb generowania fali trójkątnej o częstotliwości 50Hz i amplitudzie 2,5V pp Ustaw oscyloskop w tryb X-Y - kliknij przycisk Display a następnie YX. W menu Trigger: Coupling DC bo badamy charakterystyki statyczne układu. Zewrzyj kolejno kanały X i Y do masy i pokrętłami pozycji (Position) ustaw poziomy 0 V sygnału na środku ekranu oscyloskopu Przełącz wejścia oscyloskopu w tryb DC i obserwuj charakterystyki przejściowe dla wszystkich konfiguracji wzmacniaczy. Przerysuj obserwowane charakterystyki do sprawozdania Powiększ obszar w którym układy pracują jako wzmacniacze i postaraj się określić wzmocnienie napięciowe poszczególnych układów oraz wejściowy zakres dynamiczny badanych wzmacniaczy. Dla wzmacniacza z regulowanym prądem drenu ustaw zadany prąd kręcąc potencjometrem i mierząc spadek napięcia na rezystorze referencyjnym 100, a następnie zbadaj wzmocnienie tak uzyskanego układu. Zaobserwuj jak zmienia się wzmocnienie układu (nachylenie prostej pracy wzmacniacza OS) dla różnych prądów drenu. Zauważ także, jak zmienia się pozycja środka prostej pracy względem punktu (0,0). Jaki element należałoby zastosować na wejściu i wyjściu wzmacniacza by można było podawać na wejście sygnał zmienny o składowej stałej równej zero. Przerysuj kilka krzywych do sprawozdania. Narysuj je na jednym wykresie (podpisz każdą z nich odpowiednim prądem drenu). Wzm. nap. CMOS 8

9 3.2. Pomiar rezystancji wyjściowej i pasma badanych układów Przełącz wejścia oscyloskopu w tryb AC i włącz w oscyloskopie podstawę czasu (Trigger ustaw w tryb AC i jako źródło wybierz kanał 1). Przestaw generator w tryb generowania sinusoidy. Ustaw częstotliwość generatora na kilka khz. Zaobserwuj przebiegi na wejściu i wyjściu układu dla różnych wartości amplitudy wejściowej. Dobierz amplitudę sygnału wejściowego tak, by sygnał wyjściowy był niezniekształcony. Zmierz jego amplitudę. Dołącz do wyjścia układu (rys. 10) rezystor obciążenia którego wartość możesz odczytać z tabeli zależnie od numeru twojej grupy laboratoryjnej i zmierz ponownie amplitudę sygnału wyjściowego. Rys. 10. Miejsce dołączenia rezystora obciążenia we wkładce laboratoryjnej Wyznacz rezystancję wyjściową wzmacniacza OS a także wzmacniacza bazującego na inwerterze CMOS. 4. Pomiary dodatkowe zastosowania badanych układów Jeśli dysponujesz jeszcze czasem możesz wykonać kilka obserwacji związanych z typowym zastosowaniem poznanych struktur. Wzm. nap. CMOS 9

10 Układ wzmacniacza OS bazującego na inwerterze CMOS jest szeroko stosowany jako układ cyfrowy. Połącz wejście układu z generatorem fali prostokątnej i postaraj się zaobserwować jakiego rzędu są czasy narastania zboczy na wyjściu układu. Zbadaj także przy jakich częstotliwościach pojawiają się zniekształcenia sygnału prostokątnego na wyjściu inwertera CMOS. Czy zniekształcenia te zależne są od wielkości sygnału wejściowego inwertera. Wzmacniacz z regulowanym prądem drenu można użyć do stworzenia modulatora AM. Podłącz do wkładki sygnały jak na rys. 11. Obserwacje wykonuj oscyloskopem cyfrowym (możesz wykorzystać funkcję RUN/STOP) dla przebiegu. Zaobserwuj wpływ składowej stałej prądu drenu na przebieg zmodulowany (kręć potencjometrem), a także wpływ amplitud fali modulującej i modulowanej na kształt przebiegu zmodulowanego. Rys. 11. Konfigurowanie układu dla osiągnięcia modulacji amplitudowej sygnału Wzm. nap. CMOS 10