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 z różnymi rodzajami obciążeń Doświadczalne wyznaczanie rezystancji wyjściowej wzmacniacza Badanie wejściowego zakresu dynamicznego dla wzmacniacza poprzez pomiar z użyciem miernika zniekształceń nieliniowych 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 Znajomość zasady działania miernika zniekształceń nieliniowych Przygotowanie obliczeń opisanych w punkcie 3. instrukcji. 1.1. Statyczny punkt pracy Przed zajęciami przygotuj następujące wyliczenia: Zgodnie z opisem przedstawionym w punkcie 2.1 możliwe jest takie dobranie geometrii oraz napięć zasilających tranzystory wzmacniacza, by nie było konieczne stosowanie kondensatorów sprzęgających na wejściu i wyjściu układu. Posiłkując się notą katalogową układu ALD1103 oblicz ile tranzystorów pmos należy połączyć równolegle, oraz jaka powinna być wartość napięcia U DD zakładając, że napiecie U SS =-2,5V, by uzyskać zamierzony efekt. Zastanów się w jakim obszarze pracują tranzystory wzmacniacza. Przy obliczeniach posłuż się najprostszym modelem tranzystora MOSFET (uwzględniającym g m oraz g ds tranzystora) Wyznacz potencjał na wyjściu układu wzmacniacza opartego o inwerter CMOS składającego się z jednego tranzystora nmos i jednego tranzystora pmos przy zasilaniu (U DD = -U SS = 2,5V) Wzm. nap. CMOS 1
Dla wzmacniacza z regulowanym prądem drenu (opis w dalszej części instrukcji) oblicz napięcie U DSQ dla zadanego prądu I DQ (dobranego wg. Tabeli z numerami grup). Dla wyliczonego punktu pracy biorąc pod uwagę dane katalogowe układu ALD1103 oblicz wzmocnienie tak uzyskanego wzmacniacza (zastosuj najprostsze modele tranzystorów uwzględnij g m oraz g ds ) Korzystając z danych katalogowych układu ALD1103 wyznacz rezystancję wyjściową wzmacniaczy. Ponieważ ich wyjścia zabezpieczono układem diod Zenera, których pojemność jest dość duża w stosunku do pojemności własnych samego tranzystora, zbadaj jak zmieni się pasmo wzmacniaczy CMOS przy różnych obciążeniach pojemnościowych wyjścia. Obliczenia wykonaj dla (C L = 1pF 10pF 100pF 1nF 10nF). Po wykonaniu pomiarów w laboratorium skonfrontuj wyniki z obliczeniami i określ jakiego rzędu jest pojemność zastosowanych diod Zenera. 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 Najprostsze obciążenie jakie można zastosować to tranzystor pmosfet w połączeniu diodowym (U GS =U DS ) rys. 2. Wzm. nap. CMOS 2
Rys. 2. Wzmacniacz w konfiguracji OS z tranzystorami MOSFET Do budowy powyższego układu wykorzystywane będą tranzystory układu 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). W technice 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). 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 n-krotnie (n N) poprzez równoległe łączenie n identycznych tranzystorów. Drugim sposobem pozwalającym na sprowadzenie napięcia wyjściowego do zera jest odpowiednie manipulowanie napięciem zasilania układu. Drugim układem który będzie badany jest wzmacniacz oparty o inwerter CMOS (rys. 3.) Wzm. nap. CMOS 3
Rys. 3. 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. 4.). Rys. 4. 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
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. 5. Wzm. nap. CMOS 5
Wzm. nap. CMOS 6
Rys. 5. Konfigurowanie wkładki laboratoryjnej dla uzyskania odpowiednich układów pomiarowych. Linią przerywaną oznaczoną zwory, których usunięcie powoduje, odłączenie jednego tranzystora pmos z układu pomiarowego. Wzm. nap. CMOS 7
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: 3.1. Obserwacja charakterystyk przejściowych układów w trybie X-Y oscyloskopu Zestaw układ według schematu przedstawionego na rys. 6. Do pomiarów wykorzystaj oscyloskop analogowy. Rys. 6. 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 (w Triggerze: Coupling DC bo badamy charakterystyki statyczne układu) Zewrzyj oba kanały do masy (GND-ON) i pokrętłami pozycji (Position) ustaw plamkę na środek 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. Wzm. nap. CMOS 8
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). 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. 7) rezystor obciążenia którego wartość możesz odczytać z tabeli zależnie od numeru twojej grupy laboratoryjnej i zmierz ponownie amplitudę sygnału wyjściowego. Rys. 7. Miejsce dołączenia rezystora obciążenia we wkładce laboratoryjnej Wzm. nap. CMOS 9
Wyznacz rezystancję wyjściową wzmacniacza OS a także wzmacniacza bazującego na inwerterze CMOS. 3.3. Badanie wejściowego zakresu dynamicznego wzmacniaczy OS Rys. 8. Układ do wyznaczania wejściowego zakresu dynamicznego wzmacniacza Zestaw układ jak na rys. 8. łącząc generator fali sinusoidalnej z wejściem badanego wzmacniacza, zaś wyjście wzmacniacza z wejściem miernika zniekształceń nieliniowych. Ustaw na generatorze częstotliwość fali sinusoidalnej odpowiadającą częstotliwości pracy miernika zniekształceń. Skalibruj miernik zniekształceń. Uwaga! Jeśli w procesie kalibracji nie będzie się dało osiągnąć wskazania 100% na wyświetlaczu miernika, należy podnieść amplitudę sygnału na wyjściu generatora Dla U we w zakresie 200mV...1V dla układu wzmacniacza OS z tranzystorem pmos w połączeniu diodowym oraz dla U we w zakresie 10mV...100mV dla wzmacniacz OS bazującego na inwerterze CMOS, zdejmij charakterystykę THD=f(U we ). Zaobserwuj jak nieliniowości wzmacniaczy wpływają na kształt przebiegu na ich wyjściu. Wzm. nap. CMOS 10
4. Pomiary dodatkowe zastosowania badanych układów Jeśli dysponujesz jeszcze czasem możesz wykonać kilka obserwacji związanych z typowym zastosowaniem poznanych struktur. 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. 9. 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. Wzm. nap. CMOS 11