Εργαστηριακές Ασκήσεις

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Εργαστηριακές Ασκήσεις Γ. Τσιατούχας ΙΩΑΝΝΙΝΑ 2008

2

3 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Ο Τελεστικός Ενισχυτής 1 2. Η Δίοδος Το Διπολικό Τρανζίστορ Το MOS Τρανζίστορ Ο Διαφορικός Ενισχυτής MOS Εγχειρίδια Χρήσης Κυκλωματικών Στοιχείων 47

4

5 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Ι Ο ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ 1.1 Τελεστικοί ενισχυτές Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η επαφή µε ένα από τα πιο χρήσιµα γραµµικά κυκλώµατα, αυτό του τελεστικού ενισχυτή (operational amplifier OpAmp). Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε τις έννοιες της ενίσχυσης AC και DC σήµατος, της αντίστασης εισόδου και εξόδου και κάποια βασικά εργαλεία ανάλυσης κυκλωµάτων. Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένας πολύ υψηλού κέρδους διαφορικός ενισχυτής στον οποίο χρησιµοποιούνται τεχνικές ανάδρασης για να επιτευχθεί ο έλεγχος της χαρακτηριστικής απόκρισής του. Ο τελεστικός ενισχυτής ενισχύει τόσο σταθερά (DC) όσο και χρονικά µεταβαλλόµενα σήµατα. Το κυκλωµατικό του σύµβολο δίδεται στο Σχήµα 1.1 που ακολουθεί. 1 V V + + V o Σχήµα 1.1: Κυκλωµατικό σύµβολο τελεστικού ενισχυτή Οι ακροδέκτες 1 και 2 αποτελούν εισόδους σήµατος του ενισχυτή ενώ ο ακροδέκτης 3 είναι η έξοδος σήµατος. Η τάση εξόδου ενός τελεστικού ενισχυτή είναι ίση µε τη διαφορά των τάσεων οι οποίες εφαρµόζονται στους ακροδέκτες εισόδου πολλαπλασιασµένη µε το κέρδος ανοικτού βρόχου (Α). Η τάση εξόδου Vo είναι θετική όταν η τάση που εφαρµόζεται στον θετικό ακροδέκτη 2 (µη αναστρέφουσα είσοδος V+) είναι µεγαλύτερη εκείνης που εφαρµόζεται στον αρνητικό ακροδέκτη (αναστρέφουσα είσοδος V-). Ένας ιδανικός τελεστικός ενισχυτής έχει ένα άπειρο κέρδος ανοικτού βρόχου, µε αποτέλεσµα να απαιτείται η διαφορά δυναµικού µεταξύ των εισόδων V+ και V- να είναι ακραία µικρή ώστε η τάση εξόδου Vo να είναι πεπερασµένη. Συνεπώς, στην ανάλυση κυκλωµάτων µε τελεστικούς ενισχυτές θεωρούµε ότι η διαφορά δυναµικού µεταξύ των εισόδων είναι µηδενική. Επιπλέον, ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής έχει άπειρη αντίσταση εισόδου και µηδενική αντίσταση εξόδου. Έτσι, στην ανάλυση κυκλωµάτων µε τελεστικούς ενισχυτές θεωρούµε ότι το ρεύµα 1

6 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής στους ακροδέκτες εισόδου είναι µηδενικό, ενώ η τάση εξόδου, όταν ο τελεστικός οδηγεί κάποιο φορτίο, είναι ίση µε την τάση του ανοικτού κυκλώµατος. Η τάση εξόδου ενός τελεστικού ενισχυτή δίδεται από την ακόλουθη σχέση: V o = A(V + - V - ) Οι τελεστικοί ενισχυτές χαίρουν ευρύτατης χρήσης σε πολλές εφαρµογές. Μπορούν να διασυνδεθούν µε κατάλληλους τρόπους ώστε να επιτελέσουν διάφορες λειτουργίες όπως: αναστροφή, ενίσχυση, υποβιβασµό, άθροιση, ολοκλήρωση, διαφόριση, φιλτράρισµα καθώς και τη γένεση σηµάτων (ταλαντωτές). Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση θα εξετασθούν η αναστρέφουσα και η µη αναστρέφουσα συνδεσµολογία καθώς και η συνδεσµολογία του ακόλουθου τάσης. Σχήµα 1.2: Η τοπολογία των ακροδεκτών του τελεστικού ενισχυτή Το ολοκληρωµένο κύκλωµα 741: Στο Σχήµα 1.2 δίδεται η τοπολογία των ακροδεκτών του ολοκληρωµένου τελεστικού ενισχυτή 741. Οι ακροδέκτες του είναι σε διάταξη DIP (dual in-line package) όπου ο ακροδέκτης υπ αριθµόν 1 προσδιορίζεται µε βάση την εγκοπή η οποία υπάρχει στην µία πλευρά του ολοκληρωµένου. Προς τη µεριά αυτής της εγκοπής βρίσκονται, αριστερά ο πρώτος ακροδέκτης και δεξιά ο τελευταίος. Ο ακροδέκτης νούµερο 2 είναι η αναστρέφουσα είσοδος V-, ο νούµερο 3 είναι η µη αναστρέφουσα είσοδος V+, ενώ ο ακροδέκτης 6 είναι η έξοδος Vo. Συνήθως οι ακροδέκτες τροφοδοσίας -VCC και +VCC, 4 και 7 αντίστοιχα, δεν περιγράφονται στο κυκλωµατικό σύµβολο του ενισχυτή για λόγους µεγαλύτερης ευκρίνειας του σχηµατικού, αλλά στην πράξη θα πρέπει πάντα να συνδέονται στις κατάλληλες τάσεις τροφοδοσίας ώστε το κύκλωµα να λειτουργήσει. Οι ακροδέκτες 1 και 5 χρησιµοποιούνται για τον περιορισµό της τάσης εκτροπής (offset voltage) του τελεστικού δηλ. της τάσης που εµφανίζει στην έξοδό του όταν και οι δύο είσοδοι είναι γειωµένες. Σε πολλές εφαρµογές οι ακροδέκτες αυτοί δεν χρησιµοποιούνται και αφήνονται ανοικτοκυκλωµένοι («στον αέρα»). Ο ακροδέκτης 8 δεν παρέχει καµία λειτουργία και δεν χρησιµοποιείται. 2

7 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 1.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE Αναστρέφουσα συνδεσµολογία: Σχεδιάστε την αναστρέφουσα συνδεσµολογία του Σχήµατος 1.3 στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD. Χρησιµοποιήστε την PSPICE βιβλιοθήκη opamp.olb. Επιλέξτε την R2=10KΩ. Χρησιµοποιήστε σαν πηγή σήµατος εισόδου υ Ι την ηµιτονική πηγή VSIN. Η τροφοδοσία του τελεστικού να πραγµατοποιηθεί µε βάση το Σχήµα 1.4 και µε τη χρήση DC πηγών τροφοδοσίας (VDC). R 2 R 1 υi V Σχήµα 1.3: Η αναστρέφουσα συνδεσµολογία V 4 υ 6 Ο +12V V V -12V Σχήµα 1.4: Τροφοδοσία του τελεστικού ενισχυτή Α) ώστε την έκφραση του κέρδους κλειστού βρόχου της συνδεσµολογίας και υπολογίστε την R1 έτσι ώστε να πάρετε κέρδος α) -10 και β) Α υ = (τύπος) Α υ = -10 Α υ = -100 R1 a = R1 b = 3

8 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Β) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα µία σταθερή τάση 50mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=0 και VOFF=50mV). Αντικαταστήστε στο κύκλωµα σας τις τιµές της R1 που βρήκατε νωρίτερα και εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε τις τιµές της εξόδου V Ο σε κάθε περίπτωση. VI = 50mV (υ i = 0) R1 = a R1 b = V = Ο V Ο = Γ) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή FREQ=1KHz, VAMPL=50mV και VOFF=0). Με τις ίδιες τιµές για την R1 εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε τις τιµές της υ o (υ ο1 και υ ο2 ) για τις τιµές της υ i στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου (υ i1 και υ i2 ), για κάθε τιµή της R1, καθώς και τη φάση της υ o σε σχέση µε τη υ i. Vi = 50mV και V I = 0 [υ Ι υ i = V i *sin(ωt) ] R1 = a R1 b = υ i1 = υ ο1 = υ i1 = υ ο1 = υ i2 = υ ο2 = υ i2 = υ ο2 = Φάση υ o ως προς υ i : Φάση υ o ως προς υ i : ) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV µε DC συνιστώσα ίση µε 50mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή FREQ=1KHz, VAMPL=50mV και VOFF=50mV). Με τις προηγούµενες τιµές για την R1 εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε τις τιµές της υ Ο για τις τιµές της υ Ι στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου και για κάθε τιµή της R1 καθώς και τη φάση της υ Ο σε σχέση µε τη υ Ι. Ποια η DC τιµή V O του σήµατος εξόδου; Είναι αναµενόµενη αυτή η τιµή και γιατί; Vi = 50mVκαι V I = 50mV [ υ Ι = V I + υ i = V I + V i *sin(ωt) ] R1 a = R1 b = υ I1 = υ Ο1 = υ I1 = υ Ο1 = υ Ι2 = υ Ο2 = υ Ι2 = υ Ο2 = Φάση υ Ο ως προς υ Ι : Φάση υ Ο ως προς υ Ι : V = O V O = 4

9 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Ε) Για τη µικρότερη τιµή της R1, εκτελέστε DC ανάλυση σαρώνοντας την είσοδο V I από τα -12V έως τα +12V µε βήµα 2mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή DC=0). Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του κυκλώµατος V O = f(v I ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και προσδιορίστε την γραµµική περιοχή της. Ποια είναι η µέγιστη και η ελάχιστη τάση V O που µπορεί να δώσει το συγκεκριµένο κύκλωµα και για ποιες τιµές του σήµατος εισόδου; Συγκρίνεται αυτές τις τιµές µε τις αντίστοιχες τιµές των τάσεων τροφοδοσίας του τελεστικού. Υπάρχει διαφορά και αν ναι γιατί; Από τη γραφική παράσταση προσδιορίστε το κέρδος του κυκλώµατος. Ποια η τιµή της V O για V I =50mV; R1 = V O (0, 0) V I Εύρος γραµµικής περιοχής: (V I1, V O1 ) = έως (V I2, V O2 ) = V Omin = V Omax = Α υ = V I = 50mV V O = ΣΤ) Για τη µικρότερη τιµή της R1, εκτελέστε ΑC ανάλυση σαρώνοντας την συχνότητα της εισόδου από τα 10Hz έως τα 10MEGHz µε βήµα 10 σηµεία/δεκάδα (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή AC=1V). Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τα διαγράµµατα Bode για το κέρδος του κυκλώµατος (σε db) και την φάση ως προς τη συχνότητα. Προσδιορίστε το εύρος ζώνης του κυκλώµατος. Ποια η συχνότητα -3db (f (-3db) ); Το αποτέλεσµα της ανάλυσης για το κέρδος συµπίπτει µε το αντίστοιχο της περίπτωσης (Ε); Ποια η συχνότητα µοναδιαίου κέρδους (f (0db) ); Ποια η κλίση της χαρακτηριστικής κέρδους στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων; R1 = Εύρος ζώνης = f (-3db) = A υ(db) = Συχνότητα µοναδιαίου κέρδους f (0db) = Κλίση χαρακτηριστικής = db/dec εντός του εύρους ζώνης 5

10 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Μη αναστρέφουσα συνδεσµολογία: Σχεδιάστε την µη αναστρέφουσα συνδεσµολογία του Σχήµατος 1.5 στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD. Επιλέξτε την R2=10KΩ. Χρησιµοποιήστε σαν πηγή σήµατος εισόδου υ Ι την ηµιτονική πηγή VSIN. Η τροφοδοσία του τελεστικού να πραγµατοποιηθεί και πάλι µε βάση το Σχήµα 1.4 και µε τη χρήση DC πηγών τροφοδοσίας (VDC). R 2 R υ I 3-12V Σχήµα 1.5: Η µη αναστρέφουσα συνδεσµολογία Α) ώστε την έκφραση του κέρδους κλειστού βρόχου της συνδεσµολογίας και υπολογίστε την R1 έτσι ώστε να πάρετε κέρδος α) 11 και β) V 4 6 υ Ο Α υ = (τύπος) Α υ = 11 Α υ = 101 R1 a = R1 b = Β) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα µία σταθερή τάση 50mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=0 και VOFF=50mV). Αντικαταστήστε στο κύκλωµα σας τις τιµές της R1 που βρήκατε νωρίτερα και εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε τις τιµές της εξόδου V Ο σε κάθε περίπτωση. V I = 50mV (υ i = 0) R1 a = R1 b = V Ο = V Ο = Γ) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή FREQ=1KHz, VAMPL=50mV και VOFF=0). Με τις ίδιες τιµές για την R1 εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε τις τιµές της υ o (υ ο1 και υ ο2 ) για τις τιµές της υ i στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου (υ i1 και υ i2 ), για κάθε τιµή της R1, καθώς και τη φάση της υ o σε σχέση µε τη υ i. 6

11 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών V i = 50mV και V I = 0 [υ Ι υ i = V i *sin(ωt) ] R1 a = R1 b = υ i1 = υ ο1 = υ i1 = υ ο1 = υ i2 = υ ο2 = υ i2 = υ ο2 = Φάση υ o ως προς υ i : Φάση υ o ως προς υ i : ) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV µε DC συνιστώσα ίση µε 50mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή FREQ=1KHz, VAMPL=50mV και VOFF=50mV). Με τις προηγούµενες τιµές για την R1 εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε τις τιµές της υ Ο για τις τιµές της υ Ι στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου και για κάθε τιµή της R1 καθώς και τη φάση της υ Ο σε σχέση µε τη υ Ι. Ποια η DC τιµή V O του σήµατος εξόδου; Είναι αναµενόµενη αυτή η τιµή και γιατί; V i = 50mVκαι V I = 50mV [ υ Ι = V I + υ i = V I + V i *sin(ωt) ] R1 a = R1 b = υ I1 = υ Ο1 = υ I1 = υ Ο1 = υ Ι2 = υ Ο2 = υ Ι2 = υ Ο2 = Φάση υ Ο ως προς υ Ι : Φάση υ Ο ως προς υ Ι : V O = V O = Ε) Για τη µικρότερη τιµή της R1, εκτελέστε DC ανάλυση σαρώνοντας την είσοδο V I από τα -12V έως τα +12V µε βήµα 2mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή DC=0). Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του κυκλώµατος V O = f(v I ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και προσδιορίστε την γραµµική περιοχή της. Ποια είναι η µέγιστη και η ελάχιστη τάση V O που µπορεί να δώσει το συγκεκριµένο κύκλωµα και για ποιες τιµές του σήµατος εισόδου; Συγκρίνεται αυτές τις τιµές µε τις αντίστοιχες τιµές των τάσεων τροφοδοσίας του τελεστικού. Υπάρχει διαφορά και αν ναι γιατί; Από τη γραφική παράσταση προσδιορίστε το κέρδος του κυκλώµατος. Ποια η τιµή της V O για V I =50mV; 7

12 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής R1 = V O (0, 0) V I Εύρος γραµµικής περιοχής: (V I1, V O1 ) = έως (V I2, V O2 ) = V Omin = V Omax = Α υ = V I = 50mV V O = ΣΤ) Για τη µικρότερη τιµή της R1, εκτελέστε ΑC ανάλυση σαρώνοντας την συχνότητα της εισόδου από τα 10Hz έως τα 10MEGHz µε βήµα 10 σηµεία/δεκάδα (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή AC=1V). Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τα διαγράµµατα Bode για το κέρδος του κυκλώµατος (σε db) και την φάση ως προς τη συχνότητα. Προσδιορίστε το εύρος ζώνης του κυκλώµατος. Ποια η συχνότητα -3db (f (-3db) ); Το αποτέλεσµα της ανάλυσης για το κέρδος συµπίπτει µε το αντίστοιχο της περίπτωσης (Ε); Ποια η συχνότητα µοναδιαίου κέρδους (f (0db) ); Ποια η κλίση της χαρακτηριστικής κέρδους στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων; R1 = Εύρος ζώνης = f (-3db) = A υ(db) = Συχνότητα µοναδιαίου κέρδους f (0db) = Κλίση χαρακτηριστικής = db/dec εντός του εύρους ζώνης 8

13 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Ακόλουθος τάσης: Σχεδιάστε την συνδεσµολογία του ακόλουθου τάσης του Σχήµατος 1.6 στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD. Χρησιµοποιήστε σαν πηγή σήµατος εισόδου υ Ι την ηµιτονική πηγή VSIN. Η τροφοδοσία του τελεστικού να πραγµατοποιηθεί και πάλι µε βάση το Σχήµα 1.4 και µε τη χρήση DC πηγών τροφοδοσίας (VDC) υ I V 7 6 υ O -12V Σχήµα 1.6: Ο ακόλουθος τάσης Α) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα µία σταθερή τάση 5V (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε VAMPL=0V και VOFF=5V). Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε την τιµή της τάσης V Ο στην έξοδο. V I = 5V (υ i = 0) V Ο = Β) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 2V µε DC συνιστώσα ίση µε 5V (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή FREQ=1KHz, VAMPL=2V και VOFF=5V). Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Καταγράψτε τις τιµές της υ Ο για τις τιµές της υ Ι στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου καθώς και τη φάση της υ Ο σε σχέση µε τη υ Ι. Ποια η DC τιµή V O του σήµατος εξόδου; V i = 2Vκαι V I = 5V [ υ Ι = V I + υ i = V I + V i *sin(ωt) ] υ Ι1 = υ Ο1 = υ Ι2 = υ Ο2 = Φάση υ Ο ως προς υ Ι : V O = 9

14 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Γ) Εκτελέστε DC ανάλυση σαρώνοντας την είσοδο V I από τα -12V έως τα +12V µε βήµα 2mV (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή DC=0). Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του κυκλώµατος V O = f(v I ). Ποια είναι η µέγιστη και η ελάχιστη τάση V O που µπορεί να δώσει το συγκεκριµένο κύκλωµα και για ποιες τιµές του σήµατος εισόδου; Από τη γραφική παράσταση προσδιορίστε το κέρδος του κυκλώµατος. Ποια η τιµή της V O για V I =5V; Εύρος γραµµικής περιοχής: (V I1, V O1 ) = έως (V I2, V O2 ) = V Omin = V Omax = Α υ = V I = 5V V O = ) Εκτελέστε ΑC ανάλυση σαρώνοντας την συχνότητα της εισόδου από τα 10Hz έως τα 10MEGHz µε βήµα 10 σηµεία/δεκάδα (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε την τιµή AC=1V). Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τα διαγράµµατα Bode για το κέρδος του κυκλώµατος (σε db) και την φάση ως προς τη συχνότητα. Προσδιορίστε το εύρος ζώνης του κυκλώµατος. Ποια η συχνότητα -3db (f (-3db) ); Ποιο κέρδος A υ µέσα στο εύρος ζώνης. Ποια η συχνότητα µοναδιαίου κέρδους (f (0db) ); Ποια η κλίση της χαρακτηριστικής κέρδους στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων; Εύρος ζώνης = f (-3db) = A υ(db) = Συχνότητα µοναδιαίου κέρδους f (0db) = Κλίση χαρακτηριστικής = db/dec εντός του εύρους ζώνης 10

15 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 1.3 Υλοποίηση στο εργαστήριο Αναστρέφουσα συνδεσµολογία: Υλοποιήστε την αναστρέφουσα συνδεσµολογία του Σχήµατος 1.3 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε αντιστάσεις µε τιµές R1=1KΩ και R2=10KΩ. Επιπρόσθετα, χρησιµοποιήστε τις υπάρχουσες DC τροφοδοσίες των +12V και -12V για την τροφοδοσία του τελεστικού ενισχυτή. Α) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα, από τη γεννήτρια συχνοτήτων, συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV. Καταγράψτε τις τιµές της υ o για τις τιµές της υ i στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου, καθώς και τη φάση της υ o σε σχέση µε τη υ i. Μετρήστε το κέρδος κλειστού βρόχου της συνδεσµολογίας και συγκρίνετέ το µε το θεωρητικά αναµενόµενο της ενότητας 2.1.Α. V i = 50mV και V I = 0 [υ Ι υ i = V i *sin(ωt) ] υ ο1 = υ ο2 = Φάση υ o ως προς υ i : Α υ = B) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα, από τη γεννήτρια συχνοτήτων, συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV µε DC συνιστώσα ίση µε 50mV. Καταγράψτε τις τιµές της υ Ο για τις τιµές της υ Ι στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου, καθώς και τη φάση της υ Ο σε σχέση µε τη υ Ι. Ποια η DC τιµή V O του σήµατος εξόδου; Είναι αναµενόµενη αυτή η τιµή; V i = 50mVκαι V I = 50mV [ υ Ι = V I + υ i = V I + V i *sin(ωt) ] υ Ο1 = υ Ο2 = Φάση υ Ο ως προς υ Ι : V O = Μη αναστρέφουσα συνδεσµολογία: Σχεδιάστε την µη αναστρέφουσα συνδεσµολογία του Σχήµατος 1.5 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε αντιστάσεις µε τιµές R1=1KΩ και R2=10KΩ. Επιπρόσθετα, χρησιµοποιήστε τις υπάρχουσες DC τροφοδοσίες των +12V και -12V για την τροφοδοσία του τελεστικού ενισχυτή. Α) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα, από τη γεννήτρια συχνοτήτων, συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV. Καταγράψτε τις τιµές της υ o για τις τιµές της υ i στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου, καθώς και τη φάση της υ o σε σχέση µε τη υ i. 11

16 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Μετρήστε το κέρδος κλειστού βρόχου της συνδεσµολογίας και συγκρίνετέ το µε το θεωρητικά αναµενόµενο της ενότητας 2.2.Α. V i = 50mV και V I = 0 [υ Ι υ i = V i *sin(ωt) ] υ ο1 = υ ο2 = Φάση υ o ως προς υ i : Α υ = B) Χρησιµοποιήστε για είσοδο στο κύκλωµα ηµιτονοειδές σήµα, από τη γεννήτρια συχνοτήτων, συχνότητας 1ΚHz και πλάτους 50mV µε DC συνιστώσα ίση µε 50mV. Καταγράψτε τις τιµές της υ Ο για τις τιµές της υ Ι στις δύο κορυφές του ηµιτόνου εισόδου, καθώς και τη φάση της υ Ο σε σχέση µε τη υ Ι. Ποια η DC τιµή V O του σήµατος εξόδου; Είναι αναµενόµενη αυτή η τιµή; V i = 50mVκαι V I = 50mV [ υ Ι = V I + υ i = V I + V i *sin(ωt) ] υ Ο1 = υ Ο2 = Φάση υ Ο ως προς υ Ι : V O = 12

17 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙΙ Η ΙΟ ΟΣ 2.1 ίοδοι Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η επαφή µε το κυκλωµατικό στοιχείο της διόδου και ο πειραµατισµός µε τα κυκλώµατα που κάνουν χρήση της στην υλοποίηση ενός αριθµού από λειτουργίες. Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε τις έννοιες της ανόρθωσης και του ψαλιδισµού. Η δίοδος είναι το απλούστερο και το ποιο θεµελιώδες µη γραµµικό κυκλωµατικό στοιχείο. Εµφανίζεται στη δοµή σχεδόν όλων των κυκλωµατικών στοιχείων που υλοποιούνται σε ηµιαγωγούς. Στο Σχήµα 2.1 δίδεται το κυκλωµατικό σύµβολο της διόδου και οι συνδεσµολογίες ορθής και ανάστροφης πόλωσης. Στην ορθή πόλωση ένα µεγάλο ρεύµα I D διαρρέει τη δίοδο η τιµή του οποίου δίδεται από το νόµο επαφής, ενώ στην ανάστροφή πόλωση η δίοδος διαρρέετε από ένα πολύ µικρό ρεύµα, το ανάστροφο ρεύµα κόρου I S, το οποίο σε πολλές εφαρµογές µπορεί να θεωρηθεί αµελητέο. Υπό αυτό το πρίσµα η δίοδος µπορεί να ειδωθεί ως µία βαλβίδα ρεύµατος µονής ροής. i D = I S (e υd ηv T 1) Νόµος Επαφής p-n Άνοδος i D + - υ D Κάθοδος p n i D p n I S υ D Σχήµα 2.1: α) Κυκλωµατικό σύµβολο διόδου, β) ορθή πόλωση και γ) ανάστροφη πόλωση Ο θετικός ακροδέκτης της διόδου ονοµάζεται άνοδος και ο αρνητικός κάθοδος. Στο Σχήµα 2.2 δίδεται η χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος-τάσης της διόδου (στατική χαρακτηριστική διόδου). ιακρίνονται οι περιοχές ορθής (V D >0) και ανάστροφης (V D <0) πόλωσης καθώς και η περιοχή κατάρρευσης (V D <-V Z ). Επίσης στο σχήµα διακρίνεται η τάση αποκοπής V D0 της διόδου για την οποία η δίοδος παύει να άγει όταν (V D <V D0 ) στην ορθή πόλωση. υ D 13

18 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής i D Στατική Ι-V Χαρακτηριστική ιόδου Τάση Κατάρρευσης Ορθή Πόλωση Περιοχή Κατάρρευσης Κατάρρευση Συµπιεσµένη Κλίµακα Ανάστροφη Πόλωση ιευρυµένη Κλίµακα V D0 υ D Τάση Αποκοπής Σχήµα 2.2: Στατική χαρακτηριστική διόδου Η δίοδος Ν4148: Στο Σχήµα 2.3 δίδεται η εικόνα της διόδου Ν4148 που θα χρησιµοποιηθεί στην άσκηση. Η πλευρά της καθόδου της διόδου σηµειώνεται µε τη χαρακτηριστική µαύρη λωρίδα. Σχήµα 2.3: Η δίοδος Ν

19 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 2.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE Ανορθωτής Ηµίσεως Κύµατος (και µε φίλτρο πυκνωτή): Σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του ανορθωτή ηµίσεως κύµατος του Σχήµατος 2.4 (χωρίς τη χρήση του πυκνωτή C) στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V p-p και συχνότητας 1ΚHz (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=4V και VOFF=0V). καθώς και αντίσταση R=10KΩ. Το σύµβολο της διόδου υπάρχει στην PSPICE βιβλιοθήκη ediode.olb. υ s (t)=(4v)sinωt + ~ C - R υ ο Σχήµα 2.4: Ανορθωτής ηµίσεως κύµατος Προσοµοιώστε τη λειτουργία του κυκλώµατος εκτελώντας ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Κάντε χρήση της βιβλιοθήκης ediode.lib. Α) Απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Ποιος ο χρόνος t αγ. που άγει η δίοδος. Μετρήστε το πλάτος V Ο του σήµατος στην έξοδο. Ποια είναι η τάση αποκοπής V D0 της διόδου. t αγ. = V Ο = V D0 = Β) Τοποθετήστε πυκνωτή C παράλληλα µε την αντίσταση R όπως φαίνεται στο Σχήµα 2.4. Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis όπως νωρίτερα µε τιµές C=100nF και C=300nF. Απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο σε κάθε περίπτωση καθώς και των ρευµάτων µέσα από τη δίοδο Ι(D) και την αντίσταση Ι(R). Ποια η τάση κυµατισµού V r του κυκλώµατος; Ποιος ο χρόνος αγωγής t αγ. της διόδου; C = 100nF V r = V r = t αγ. = t αγ. = C = 300nF 15

20 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής 2.3 Υλοποίηση στο εργαστήριο Ανορθωτής Ηµίσεως Κύµατος: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ανορθωτή ηµίσεως κύµατος του Σχήµατος 2.5 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V p-p και συχνότητας 1ΚHz καθώς και αντίσταση R=10KΩ. υ s (t)=(4v)sinωt + ~ R υ ο - Σχήµα 2.5: Ανορθωτής ηµίσεως κύµατος Στον παλµογράφο απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Σχεδιάστε τις κυµατοµορφές στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. Μετρήστε το πλάτος V Ο του σήµατος στην έξοδο και υπολογίστε την τάση αποκοπής V D0 της διόδου. V (0, 0) t V Ο = V D0 = 16

21 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Ανορθωτής µε Φίλτρο Πυκνωτή: Υλοποιήστε στο breadboard του εργαστηρίου την συνδεσµολογία του ανορθωτή ηµίσεως κύµατος µε φίλτρο πυκνωτή του Σχήµατος 2.6. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V p-p και συχνότητας 1KHz, αντίσταση R=10KΩ και πυκνωτή µε τιµές C=100nF και C=300nF. υ s (t)=(4v)sinωt + ~ C - R υ ο Σχήµα 2.6: Ανορθωτής µε φίλτρο πυκνωτή Στον παλµογράφο απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Σχεδιάστε τις κυµατοµορφές στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί για C=300nF. Μετρήστε το διάστηµα αγωγής της διόδου t και την τάση κυµατισµού V r του σήµατος στην έξοδο του ανορθωτή για κάθε µία από τις δύο τιµές του πυκνωτή C. C=300nF V (0, 0) t t = V r = C=100nF t = V r = 17

22 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Ψαλιδιστής Άνω Κορυφής: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ψαλιδιστή άνω κορυφής του Σχήµατος 2.7 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V p-p και συχνότητας 1KHz καθώς και αντίσταση R=10KΩ. υ s (t)=(4v)sinωt R + ~ υ ο - Σχήµα 2.7: Ψαλιδιστής άνω κορυφής Στον παλµογράφο απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Σχεδιάστε τις κυµατοµορφές στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. Μετρήστε τη µέγιστη τιµή της τάσης εξόδου. Σχολιάστε την τιµή αυτή σε σχέση και µε τη µέτρηση της τάσης αποκοπής στο 3.1. V (0, 0) t υ Οmax = Σχόλιο: 18

23 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Ψαλιδιστής ιπλής Κορυφής: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ψαλιδιστή διπλής κορυφής του Σχήµατος 2.8 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V p-p και συχνότητας 1KHz καθώς και αντίσταση R=10KΩ. υ s (t)=(4v)sinωt + ~ - R υ ο Σχήµα 2.8: Ψαλιδιστής διπλής κορυφής Στον παλµογράφο απεικονίστε της κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Μετρήστε τη µέγιστη τιµή και την ελάχιστη τιµή της τάσης εξόδου. V omax = V omin = Τα όρια αυτά αλλάζουν µε αύξηση του πλάτους του σήµατος εισόδου; Ναι: Όχι: Ποιο είναι το µέγιστο πλάτος του σήµατος εισόδου για το οποίο η έξοδος δεν παραµορφώνει (ψαλιδίζει); V imax = 19

24 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής 20

25 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙΙI ΤΟ ΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ 3.1 ιπολικό Τρανζίστορ Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η γνωριµία µε το διπολικό τρανζίστορ και η χρήση του στην υλοποίηση ενισχυτικών διατάξεων. Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε την τοπολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού. Το διπολικό τρανζίστορ είναι ένα κυκλωµατικό στοιχείο τριών ακροδεκτών που δοµείτε από ένα ζεύγος PN επαφών συνδεδεµένων σε σειρά πλάτη µε πλάτη, είτε σε διάταξη PN-NP δηµιουργώντας το λεγόµενο PNP τρανζίστορ είτε σε διάταξη NP-PN δηµιουργώντας το NPN τρανζίστορ. Καλείτε διπολικό διότι από κοινού οπές και ηλεκτρόνια συµβάλλουν στα ρεύµατα που το διαρρέουν. Τα κυκλωµατικά σύµβολα των δύο τύπων του διπολικού τρανζίστορ δίδονται στο Σχήµα 3.1. Τα ονόµατα των τριών ακροδεκτών είναι: βάση (Β), εκποµπός (Ε) και συλλέκτης (C). Ο ακροδέκτης του εκποµπού σηµειώνεται µε το βέλος η φορά του οποίου προσδιορίζει και τον τύπο του τρανζίστορ. B E B C C E Σχήµα 3.1: α) Κυκλωµατικό σύµβολο PNP τρανζίστορ και β) NPN τρανζίστορ Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ, η ενεργός περιοχή, η περιοχή του κόρου και η περιοχή της αποκοπής. α) Ενεργός Περιοχή: Για να λειτουργεί το τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή θα πρέπει η επαφή βάσης-εκποµπού να είναι ανάστροφα πολωµένη ενώ η επαφή συλλέκτη-βάσης να είναι ορθά πολωµένη. Σε αυτή την περίπτωση το ρεύµα του συλλέκτη είναι πολύ κοντά στην τιµή του ρεύµατος του εκποµπού και πολλαπλάσιο του ρεύµατος στη βάση κατά την ποσότητα (β) που καλείται κέρδος ρεύµατος κοινού εκποµπού. Η ενεργός περιοχή είναι εκείνη που χρησιµοποιείται κατά την λειτουργία του τρανζίστορ σε ενισχυτικές διατάξεις. β) Περιοχή Κόρου: Για να λειτουργεί το τρανζίστορ στην περιοχή του κόρου θα πρέπει και οι δύο επαφές (εκποµπού-βάσης και συλλέκτη-βάσης) να είναι ορθά πολωµένες. Σε αυτή την περιοχή η αύξηση του ρεύµατος της βάσης δεν επιφέρει σηµαντικές αυξήσεις στο ρεύµα του συλλέκτη. γ) Περιοχή Αποκοπής: Το τρανζίστορ βρίσκεται στην περιοχή της αποκοπής όταν και οι δύο επαφές είναι ανάστροφα πολωµένες. Σε αυτή την περιοχή τα ρεύµατα όλων των ακροδεκτών 21

26 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής του τρανζίστορ είναι εξαιρετικά µικρά ώστε σε κάποιες περιπτώσεις να θεωρούνται αµελητέα Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού: Η συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού δίδεται στο Σχήµα 3.2. Το διπολικό τρανζίστορ πρέπει να λειτουργεί στην ενεργό περιοχή µε κατάλληλη επιλογή των τιµών των τάσεων πόλωσης V CC και V I (DC συνιστώσα του σήµατος εισόδου) και των αντιστάσεων R C και R B. i C υ C υ Ι i B Σχήµα 3.2: Συνδεσµολογία ενισχυτή κοινού εκποµπού Το κέρδος τάσης του ενισχυτή είναι: υc rπ A υ = = g mr C υi rπ + R B όπου, g m =I C /V T η διαγωγιµότητα και r π =β/g m η αντίσταση εισόδου µικρού σήµατος Το ολοκληρωµένο CA3046: Το ολοκληρωµένο CA3046 αποτελείται από 5 ΝΡΝ διπολικά τρανζίστορ πυριτίου σε κοινό υπόστρωµα. Η τοπολογία των ακροδεκτών του παρουσιάζεται στο Σχήµα 3.3. ύο από τα τρανζίστορ (Q1 και Q2) είναι εσωτερικά διασυνδεδεµένα ώστε να σχηµατίζουν ένα διαφορικό ζεύγος. Το υπόστρωµα του ολοκληρωµένου (ακροδέκτης 13) πρέπει να συνδεθεί στο πιο αρνητικό δυναµικό του κυκλώµατος στο οποίο χρησιµοποιούνται τα τρανζίστορ. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε στο εγχειρίδιο χρήσης/λειτουργίας του ολοκληρωµένου, που επισυνάπτετε στο τέλος του φυλλαδίου. Σχήµα 3.3: Το ολοκληρωµένο CA

27 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 3.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE Σµήνος χαρακτηριστικών εξόδου διπολικού τρανζίστορ: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του διπολικού τρανζίστορ που δίδεται στο Σχήµα 3.4. Το σύµβολο του διπολικού τρανζίστορ υπάρχει στην PSPICE βιβλιοθήκη breakout.olb. V BE i B B i C C V CE E Σχήµα 3.4: Τοπολογία εξαγωγής χαρακτηριστικών διπολικού τρανζίστορ Προσοµοιώστε τη λειτουργία του κυκλώµατος εκτελώντας DC ανάλυση µε πρωτεύουσα παράµετρο την τάση V CE και δευτερεύουσα παράµετρο την τάση V BE. Σαρώστε την τάση V CE από 0V έως 12V µε βήµα 100mV και την V BE από 700mV έως 800mV µε βήµα 10mV και απεικονίστε το σµήνος των χαρακτηριστικών εξόδου (I C -V CE ) του τρανζίστορ. Κάντε χρήση της βιβλιοθήκης CA3046.lib Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού που δίδεται στο Σχήµα 3.5. Χρησιµοποιήστε τάση V CC =12V και αντιστάσεις R B =10KΩ και R C =1KΩ. i C υ O υ Ι i B Σχήµα 3.5: Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού 23

28 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Α) Πραγµατοποιήστε DC ανάλυση µε παράµετρο την τάση υ I σαρώνοντάς την από 0V έως 12V και µε βήµα 10mV. Χρησιµοποιείστε πηγή ηµιτονικού σήµατος VSIN µε παράµετρο DC=0. Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του ενισχυτή υ Ο = f(υ I ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και προσδιορίστε την γραµµική περιοχή της. Από τη γραφική παράσταση προσδιορίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Ποιο είναι το βέλτιστο σηµείο πόλωσης (V Iopt ) του ενισχυτή; Με αναφορά το σηµείο πόλωσης που υπολογίσατε, ποιο το µέγιστο πλάτος του σήµατος εισόδου (V i ) για λειτουργία στη γραµµική περιοχή; υ O (0, 0) Εύρος γραµµικής περιοχής: (υ I1, υ O1 ) = έως (υ I2, υ O2 ) = Α υ = V Iopt = V imax = υ I Β) Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis χρησιµοποιώντας πηγή ηµιτονικού σήµατος µε DC offset ίσο µε την τάση V I του βέλτιστου σηµείου πόλωσης (υποερώτηµα Α), πλάτος V i =200mV και συχνότητα 1ΚHz (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=200mV και VOFF=V Iopt ). Απεικονίστε στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. Υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Μεταβάλλοντας το πλάτος του σήµατος εισόδου σε V i =1V καταγράψτε τι παρατηρείτε στην κυµατοµορφή του σήµατος εξόδου. Αιτιολογήστε την κυµατοµορφή που παρατηρείτε. Α υ = Παρατήρηση: 24

29 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 3.3 Υλοποίηση στο εργαστήριο Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού του Σχήµατος 3.6 στο breadboard του εργαστηρίου σύµφωνα µε της οδηγίες του Σχήµατος 3.7. Χρησιµοποιήστε το OK CA3046 και τρίµερ 10KΩ. i C τρίµερ 6 8 υ Ο υ Ι i B 7 13 Σχήµα 3.6: Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού V CC 12V Gnd Τροφοδοτικό 8 Παλµογράφος 8 υ I υ Ο 10ΚΩ Τρίµµερ CA ΚΩ Gnd Γεννήτρια Συχνοτήτων υ I Σχήµα 3.7: Πειραµατική διάταξη ενισχυτή κοινού εκποµπού 25

30 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Α) Αρχικά θέστε την τιµή της µεταβλητής αντίστασης (τρίµερ) περίπου ίση µε R C =1ΚΩ. Η αντίσταση R Β να επιλεγεί ίση µε R Β =10KΩ. ώστε στο κύκλωµα τροφοδοσία V CC =12V. Χρησιµοποιήστε στην είσοδο ηµιτονικό σήµα 400mV p-p (V i =200mV), µε DC συνιστώσα V I =1.2V και συχνότητα 1ΚHz. Στον παλµογράφο απεικονίστε της κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. 1) Σχεδιάστε της κυµατοµορφές εισόδου-εξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 2) Μετρήστε την DC συνιστώσα V Ο και το πλάτος V ο του σήµατος στην έξοδο. 3) Υπολογίστε το κέρδος τάσης A υ του ενισχυτή. 4) Ποια η διαφορά φάσης εισόδου-εξόδου; V (0, 0) t V Ο = V o = A υ = ιαφορά φάσης = Β) Αυξήστε την τιµή V i του πλάτους του σήµατος εισόδου µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Ποια είναι αυτή η µέγιστη τιµή V imax του πλάτους εισόδου; Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). V imax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση 26

31 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Γ) Επαναφέρετε την τιµή του πλάτους εισόδου στην αρχική τιµή, V i =200mV. Αυξήστε την τιµή της µεταβλητής αντίστασης R C µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Ποια η µέγιστη τιµή R Cmax της αντίστασης; Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). R Cmax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση ) Για την προηγούµενη τιµή της R C (R Cmax ) αυξήστε την τιµή του πλάτους του σήµατος εισόδου έτσι ώστε V i =400mV. 1) Σχεδιάστε την κυµατοµορφή εξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 2) Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το διπολικό τρανζίστορ στην µέγιστη και ελάχιστη τιµή του σήµατος εισόδου; V (0, 0) t υ Imax =V I + V i = 1.6V Περιοχή λειτουργίας BJT = υ Imin =V I V i = 0.8V Περιοχή λειτουργίας BJT = 27

32 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής E) Αυξήστε επιπρόσθετα την τιµή του πλάτους του σήµατος εισόδου έτσι ώστε V i =700mV. 3) Σχεδιάστε την κυµατοµορφή εξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 4) Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το διπολικό τρανζίστορ στην µέγιστη και ελάχιστη τιµή του σήµατος εισόδου; V (0, 0) t υ Imax =V I + V i = 1.9V Περιοχή λειτουργίας BJT = υ Imin =V I V i = 0.5V Περιοχή λειτουργίας BJT = 28

33 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 4.1 MOS Τρανζίστορ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙV ΤΟ MOS ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η γνωριµία µε το MOS τρανζίστορ και η χρήση του στην υλοποίηση ενισχυτικών διατάξεων. Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε την τοπολογία του ενισχυτή κοινής πηγής. Το MOS τρανζίστορ είναι ένα κυκλωµατικό στοιχείο τριών ακροδεκτών που δοµείτε από δύο περιοχές διάχυσης (υποδοχή-απαγωγός και πηγή) τύπου p(n) σε υπόστρωµα Si τύπου n(p). Στην επιφάνεια του ηµιαγωγού, µεταξύ των δύο περιοχών διάχυσης, υπάρχει ηλεκτρόδιο (πύλη) το οποίο µονώνεται από το υπόστρωµα µε µονωτή SiO 2 και το οποίο ελέγχει τη δηµιουργία καναλιού µεταξύ υποδοχής και πηγής. Το τρανζίστορ µε p τύπου διάχυση ονοµάζεται pmos ενώ αυτό µε n τύπου διάχυση ονοµάζεται nmos. Τα κυκλωµατικά σύµβολα των δύο τύπων του MOS τρανζίστορ δίδονται στο Σχήµα 4.1, όπου σηµειώνονται και τα ονόµατα των τριών ακροδεκτών: πύλη (G), υποδοχή-απαγωγός (D) και πηγή (S). Στο MOS τρανζίστορ σηµειώνουµε και έναν τέταρτο ακροδέκτη που αναφέρεται στην πόλωση του υποστρώµατος (Β). Ο ακροδέκτης του υποστρώµατος φέρει βέλος η φορά του οποίου προσδιορίζει και τον τύπο του τρανζίστορ. S D G B G B D Σχήµα 4.1: α) Κυκλωµατικό σύµβολο pmos τρανζίστορ και β) nmos τρανζίστορ Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας του MOS τρανζίστορ, η περιοχή του κόρου, η τρίοδος ή γραµµική περιοχή, και η περιοχή της αποκοπής. α) Περιοχή Κόρου: Για να λειτουργεί το τρανζίστορ στην περιοχή του κόρου θα πρέπει να ισχύει V GS -V t >0 και V DS V GS -V t (όπου V t η τάση κατωφλίου του τρανζίστορ). Σε αυτή την περίπτωση το ρεύµα στην υποδοχή δίδεται από τη σχέση I D =K(V GS -V t ) 2, όπου Κ ο συντελεστής απολαβής του τρανζίστορ. Η περιοχή του κόρου είναι εκείνη που χρησιµοποιείται κατά την λειτουργία του τρανζίστορ σε ενισχυτικές διατάξεις. β) Τρίοδος Περιοχή: Το τρανζίστορ λειτουργεί στην τρίοδο περιοχή όταν: V GS -V t >0 και V DS < V GS -V t. Σε αυτή την περιοχή I D =K[2(V GS -V t )V DS V 2 DS]. γ) Περιοχή Αποκοπής: Το τρανζίστορ βρίσκεται στην περιοχή της αποκοπής όταν V GS V t, όπου και ισχύει I D 0. S 29

34 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Ο ενισχυτής κοινής πηγής: Η συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινής πηγής δίδεται στο Σχήµα 4.2. Το MOS τρανζίστορ πρέπει να λειτουργεί στην περιοχή του κόρου µε κατάλληλη επιλογή των τιµών των τάσεων V DD και V SS, του ρεύµατος πόλωσης Ι και των αντιστάσεων R G1, R G2 και R D. V DD R G1 R D + υ i - R G2 Ι Φορτίο R L υ o Σχήµα 4.2: Συνδεσµολογία ενισχυτή κοινής πηγής Το κέρδος τάσης ανοικτού κυκλώµατος του ενισχυτή είναι: A υ υ = υ o i = g όπου, g m =2K n (V GS -V t ) η διαγωγιµότητα και r o =V A /I D η αντίσταση εξόδου του τρανζίστορ. -V SS m (R D // r o ) Το ολοκληρωµένο CD4007: Το ολοκληρωµένο CD4007 αποτελείται από 3 pmos και 3 nmos τρανζίστορ πύκνωσης. Η τοπολογία των ακροδεκτών του παρουσιάζεται στο Σχήµα 4.3. Όλα τα pmos τρανζίστορ µεταξύ τους και όλα τα nmos τρανζίστορ µεταξύ τους έχουν κοινή πόλωση υποστρώµατος στον ακροδέκτη 14 της τροφοδοσίας V DD και στον ακροδέκτη 7 της τροφοδοσίας V SS αντίστοιχα. Ανά ζεύγος pmos και nmos τρανζίστορ ο ακροδέκτης της πύλης είναι κοινός. ύο τρανζίστορ (ένα pmos και ένα nmos) έχουν κοινό ακροδέκτη υποδοχής τον ακροδέκτη 12. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε στο εγχειρίδιο χρήσης/λειτουργίας του ολοκληρωµένου, που επισυνάπτετε στο τέλος του φυλλαδίου. Σχήµα 4.3: Το ολοκληρωµένο CD

35 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 4.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE Χαρακτηριστικές MOS τρανζίστορ: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία που δίδεται στο Σχήµα 4.4. Το σύµβολο του MOS τρανζίστορ υπάρχει στην PSPICE βιβλιοθήκη breakout.olb. V GS V DS Σχήµα 4.4: Τοπολογία εξαγωγής χαρακτηριστικών MOS τρανζίστορ A) Στο περιβάλλον προσοµοίωσης PSPICE, πραγµατοποιήστε, DC ανάλυση σάρωσης (DC sweep) µε µεταβλητή την τάση V GS. Το εύρος των τιµών σάρωσης να είναι από 0 ως 12V και το βήµα 200mV. Στην τάση V DS να δοθεί η DC τιµή 12V. Στο γραφικό περιβάλλον προσοµοίωσης εµφανίστε την καµπύλη της χαρακτηριστικής εισόδου I D -V GS του nmos τρανζίστορ, όπου I D το ρεύµα στον κλάδο της υποδοχής (απαγωγού). Σχεδιάστε την χαρακτηριστική στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και µετρήστε την τάση κατωφλίου V tn του τρανζίστορ. (Κάντε χρήση της βιβλιοθήκης CD4007.lib. Τα µεγέθη των τρανζίστορ είναι αντίστοιχα: pmos W p /L p =60µm/10µm και nmos W n /L n =30µm/10µm.) I D (0, 0) V GS V tn = 31

36 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής B) Πραγµατοποιήστε, DC ανάλυση σάρωσης (DC sweep) µε πρωτεύουσα µεταβλητή σάρωσης την τάση V DS και δευτερεύουσα µεταβλητή σάρωσης την τάση V GS. Το εύρος των τιµών σάρωσης να είναι από 0 ως 12V και το βήµα 200mV. Στο γραφικό περιβάλλον προσοµοίωσης εµφανίστε το σµήνος των καµπυλών της χαρακτηριστικής I D -V DS για τις διάφορες τιµές της τάσης V GS. Σχεδιάστε την χαρακτηριστική στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. I D (0, 0) V DS Ο ενισχυτής κοινής πηγής: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινής πηγής του Σχήµατος 4.5. Επιλέξτε: V DD =12V, και R D =100ΚΩ. V DD i D R D υ Ο υ i V Ι - Σχήµα 4.5: Ενισχυτής κοινής πηγής 32

37 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Α) Πραγµατοποιήστε DC ανάλυση µε παράµετρο την τάση V I, σαρώνοντάς την από 0V έως 12V και µε βήµα 10mV. Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του ενισχυτή υ Ο = f(υ I ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και προσδιορίστε την γραµµική περιοχή της. Από τη γραφική παράσταση προσδιορίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Ποιο είναι το βέλτιστο σηµείο πόλωσης (V Iopt ) του ενισχυτή; Με αναφορά το σηµείο πόλωσης που υπολογίσατε, ποιο το µέγιστο πλάτος του σήµατος εισόδου (V i ) για λειτουργία στη γραµµική περιοχή; υ O (0, 0) Εύρος γραµµικής περιοχής: (υ I1, υ O1 ) = έως (υ I2, υ O2 ) = Α υ = V Iopt = V imax = υ I Β) Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis χρησιµοποιώντας DC πηγή µε τάση την τάση V Iopt του βέλτιστου σηµείου πόλωσης (υποερώτηµα Α), και πηγή ηµιτονικού σήµατος µε πλάτος V i =100mV και συχνότητα 1ΚHz (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=100mV και VOFF=0). Απεικονίστε στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. Υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Αυξάνοντας το πλάτος του σήµατος εισόδου σε V i =1V καταγράψτε τι παρατηρείτε στην κυµατοµορφή του σήµατος εξόδου. Αιτιολογήστε την κυµατοµορφή που παρατηρείτε. Α υ = Παρατήρηση/Αιτιολόγηση: 33

38 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής 4.3 Υλοποίηση στο εργαστήριο Χαρακτηριστικές MOS τρανζίστορ: Με τη χρήση του ολοκληρωµένου κυκλώµατος CD4007 υλοποιήστε στο breadboard το κύκλωµα του Σχήµατος 4.6 σύµφωνα µε τις υποδείξεις του Σχήµατος 4.7 και το εγχειρίδιο του ολοκληρωµένου (προτείνεται η χρήση του nmos τρανζίστορ µε την πύλη στον ακροδέκτη 6). V DD Αµπερόµετρο Τρίµερ 10ΚΩ V GS 6 G D 8 S 7 CD400 + V DS - Σχήµα 4.6: Κύκλωµα για την εξαγωγή των χαρακτηριστικών του MOS τρανζίστορ 12V Ρελέ Παλµογράφος 0V V DD 6 8 V DS Τροφοδοτικό 14 10ΚΩ Τρίµµερ CD4007 V GS 7 Gnd Πολύµετρο Σχήµα 4.7: Υλοποίηση πειραµατικής τοπολογίας 34

39 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Α) Χρησιµοποιήστε το τροφοδοτικό για να δώσετε DC τάση V DS =12V. Συνδέστε το πολύµετρο, ως αµπερόµετρο, σε σειρά στο κύκλωµα. Επιπρόσθετα, χρησιµοποιήστε µεταβλητή αντίσταση (τρίµερ) των 10ΚΩ για να οδηγήσετε την πύλη του τρανζίστορ (V DD =12V). Μεταβάλλοντας την αντίσταση του τρίµµερ ώστε η τάση V GS να µεταβληθεί από 0V σε 12V (µε βήµα: 200mV µέχρι το 1V, 500mV µέχρι τα 3V, 1V µέχρι τα 6V και στη συνέχεια ανά 2V µέχρι τα 12V) µετρήστε το ρεύµα I D στην υποδοχή του τρανζίστορ. Κάντε χρήση του παλµογράφου για την µέτρηση της V GS. Απεικονίστε στους άξονες που ακολουθούν την καµπύλη I D =f(v GS ). Εκτιµήστε την τάση κατωφλίου V tn του MOS τρανζίστορ. I D (0, 0) V tn = V GS Β) Στο ίδιο κύκλωµα ρυθµίστε διαδοχικά µε το τρίµερ την τάση V GS στις τιµές 2V, 4V και 6V. Για καθεµία από τις τιµές της V GS µεταβάλλετε την V DS (τροφοδοτικό) από 0V έως 12V (µε βήµα: 200mV µέχρι το 1V, 0.5V µέχρι τα 3V, 1V µέχρι τα 6V και στη συνέχεια ανά 2V µέχρι τα 12V) και µετρήστε το ρεύµα I D στην υποδοχή του τρανζίστορ. Κάντε χρήση και του δεύτερου καναλιού του παλµογράφου για την µέτρηση της V DS. Απεικονίστε στους άξονες που ακολουθούν το σµήνος των καµπυλών I D =f(v DS ) για κάθε τιµή του V GS. I D (0, 0) V DS 35

40 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Ο ενισχυτής κοινής πηγής: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινής πηγής του Σχήµατος 4.8 στο breadboard του εργαστηρίου σύµφωνα µε της οδηγίες του Σχήµατος 4.9. Χρησιµοποιήστε το OK CD4007 (προτείνεται το nmos τρανζίστορ µε την πύλη στον ακροδέκτη 6) και δώστε στο κύκλωµα τροφοδοσία V DD =12V. Για την R D και την πόλωση της πύλης χρησιµοποιήστε από µία µεταβλητή αντίσταση (τρίµερ) των 10KΩ. V DD Τρίµερ B 10ΚΩ V DD R D Τρίµερ A 10ΚΩ 8 υο 6 CD4007 C=100µF 7 + υ i - Σχήµα 4.8: Ο ενισχυτής κοινής πηγής Παλµογράφος 12V V DD Τροφοδοτικό υ Ο υi 10ΚΩ Τρίµµερ CD ΚΩ Τρίµµερ µF Gnd Γεννήτρια Συχνοτήτων υ i Σχήµα 4.9: Πειραµατική διάταξη ενισχυτή κοινής πηγής 36

41 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Α) Αρχικά επιλέξτε την τάση V GS ίση µε 3V (ρυθµίζοντας την µεταβλητή αντίσταση τρίµερ Α) και την τάση V DS ίση µε 5V (ρυθµίζοντας την µεταβλητή αντίσταση τρίµερ Β). Χρησιµοποιήστε στην είσοδο ηµιτονικό σήµα 1V p-p (V i =500mV), µε DC συνιστώσα 0V και συχνότητα 1ΚHz. Στον παλµογράφο απεικονίστε της κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. 5) Σχεδιάστε της κυµατοµορφές εισόδου-εξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 6) Μετρήστε την DC συνιστώσα V Ο και το πλάτος V ο του σήµατος στην έξοδο. 7) Υπολογίστε το κέρδος τάσης A υ του ενισχυτή. 8) Ποια η διαφορά φάσης εισόδου-εξόδου; V (0, 0) t V Ο = V o = A υ = ιαφορά φάσης = Β) Αυξήστε την τιµή V i του πλάτους του σήµατος εισόδου µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Ποια είναι αυτή η µέγιστη τιµή V imax του πλάτους εισόδου; Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). V imax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση 37

42 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Γ) Επαναφέρετε την τιµή του πλάτους εισόδου στην αρχική τιµή, V i =500mV. Αυξήστε την τιµή της µεταβλητής αντίστασης (τρίµερ Β) µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). Μετρήστε τη µέγιστη τιµή της αντίστασης R D. R Dmax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση ) Αυξήστε τη συχνότητα του σήµατος εισόδου στο 1MHz. Μετρήστε το πλάτος του σήµατος εξόδου V o. Τι παρατηρείτε; Πως αιτιολογείτε το αποτέλεσµα; V o = Παρατήρηση/Αιτιολόγηση: 38

43 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ V Ο ΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ MOS 5.1 ιαφορικός ενισχυτής MOS Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η µελέτη του MOS διαφορικού ενισχυτή. Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε την τοπολογία του διαφορικού ζεύγους MOS και τη χρήση του στη σύνθεση διαφορικού ενισχυτή µε φορτίο αντιστάσεις. Στο Σχήµα 5.1 δίδεται η τοπολογία ενός διαφορικού ενισχυτή µε τη χρήση του διαφορικού ζεύγους MOS. Τα τρανζίστορ Μ1 και Μ2 είναι ταιριασµένα (ίδια µεγέθη και χαρακτηριστικά) και πολώνονται µε τη χρήση της αντίστασης R S. Τα φορτία του διαφορικού ενισχυτή είναι οι αντιστάσεις R D1 και R D2 µε R D1 =R D2 =R D. Η επιλογή των αντιστάσεων γίνεται έτσι ώστε και τα δύο τρανζίστορ να λειτουργούν στην περιοχή του κόρου. V DD V DD i D1 R D R D i D2 υ Ο Μ 1 Μ 2 υ g1 + - R S + - υ g2 Σχήµα 5.1: ιαφορικός ενισχυτής MOS Το διαφορικό κέρδος του ενισχυτή δίδεται από τη σχέση: υo A υ = = g υ id όπου υ id το διαφορικό σήµα εισόδου (υ id =υ g1 -υ g2 ) και g m η διαγωγιµότητα των τρανζίστορ στο σηµείο πόλωσης (g m =2I Di /(V GSi -V tn )=2K n (V GSi -V tn ) µε K n τον συντελεστή απολαβής των τρανζίστορ). Οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου είναι αντίστοιχα R in = και R out =2R D αντίστοιχα. V SS m R D 39

44 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Το ολοκληρωµένο CD4007: Το ολοκληρωµένο CD4007 αποτελείται από 3 pmos και 3 nmos τρανζίστορ πύκνωσης. Η τοπολογία των ακροδεκτών του παρουσιάζεται στο Σχήµα 5.2. Όλα τα pmos τρανζίστορ µεταξύ τους και όλα τα nmos τρανζίστορ µεταξύ τους έχουν κοινή πόλωση υποστρώµατος στον ακροδέκτη 14 της τροφοδοσίας V DD και στον ακροδέκτη 7 της τροφοδοσίας V SS αντίστοιχα. Ανά ζεύγος pmos και nmos τρανζίστορ ο ακροδέκτης της πύλης είναι κοινός. ύο από τα τρανζίστορ έχουν κοινό ακροδέκτη υποδοχής τον ακροδέκτη 12. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε στο εγχειρίδιο χρήσης/λειτουργίας του ολοκληρωµένου, που επισυνάπτετε στο τέλος του φυλλαδίου. Σχήµα 5.2: Το ολοκληρωµένο CD

45 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 5.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE Εύρεση κατάλληλων τιµών αντίστασης R D : Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του διαφορικού ενισχυτή που δίδεται στο Σχήµα 5.1. Τα σύµβολα των MOS τρανζίστορ υπάρχουν στην PSPICE βιβλιοθήκη breakout.olb. Με δεδοµένο ότι τα τρανζίστορ Μ1 και Μ2 έχουν τάση κατωφλίου V tn =2V και συντελεστή απολαβής K n =111µA/V 2 και ότι V DD =12V, V SS =-12V, υ g1 =-υ g2, V g1 =V g2 =100mV, V G1 =V G2 =0V ενώ R S =46KΩ, να βρεθεί το εύρος των τιµών για τις αντιστάσεις R D έτσι ώστε το διαφορικό κέρδος τάσης Α υ του ενισχυτή να είναι µεγαλύτερο από Ανάλυση στο πεδίο του χρόνου: Προσοµοιώστε τη λειτουργία του κυκλώµατος εκτελώντας ανάλυση στο πεδίο του χρόνου (transient time domain). Χρησιµοποιήστε τιµή για την R D εντός του πεδίου τιµών που προσδιορίσατε νωρίτερα και ηµιτονικά σήµατα εισόδου συχνότητας 1KHz. Κάντε χρήση της βιβλιοθήκης CD4007.lib. Σχεδιάστε, στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί, τις κυµατοµορφές του διαφορικού σήµατος εισόδου και εξόδου καθώς και των τάσεων στις υποδοχές των τρανζίστορ Μ1 και Μ2 και υπολογίστε το διαφορικό κέρδος τάσης Α υ. V (0, 0) t Εύρος τιµών R D : Χρησιµοποιούµενη R D = Α υ = DC ανάλυση: Προσοµοιώστε τη λειτουργία του κυκλώµατος εκτελώντας DC ανάλυση. Χρησιµοποιήστε την ίδια τιµή για την R D που χρησιµοποιήσατε νωρίτερα στο 2.2. Στον ορισµό της DC sweep ανάλυσης δώστε ως Voltage source την µία από τις δύο πηγές σήµατος και σαρώστε από -12V έως 12V µε βήµα 50mV. Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του ενισχυτή V Ο = f(v Gi ) και σχεδιάστε την στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. Μετρήστε το διαφορικό κέρδος τάσης Α υ του ενισχυτή. Ποιο το εύρος της γραµµικής περιοχής λειτουργίας; 41

46 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής V O (0, 0) V Gi Α υ = Εύρος γραµµικής περιοχής λειτουργίας: (V Gi1, V O1 ) = έως (V Gi2, V O2 ) = AC ανάλυση: Προσοµοιώστε τη λειτουργία του κυκλώµατος εκτελώντας AC ανάλυση. Χρησιµοποιήστε την ίδια τιµή για την R D που χρησιµοποιήσατε νωρίτερα στο 2.2. Στο πεδίο AC των πηγών σήµατος υ g1 και υ g2 δώστε στην µία την τιµή 1V και στην άλλη 0V. Σχεδιάστε, στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί, την απόκριση πλάτους (σε db) και φάσης για το διαφορικό σήµα εξόδου. Μετρήστε το διαφορικό κέρδος τάσης σε db Α υ(db) του ενισχυτή στη συχνότητα του 1KHz. Ποιο το εύρος ζώνης του ενισχυτή; Α υ(db) (10, 0) f Α υ(db) = Εύρος ζώνης: (@ f=1κηz) 42