MOSFET. Shockley W L W L

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "MOSFET. Shockley W L W L"

Λεφτέρις Βαρνακιώτης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 MOSFET Χαρακτηριστικές εισόδου, εξόδου ιαγωγιµότητα Η λειτουργία του MOSFET στην ενεργό περιοχή περιγράφεται από την εξίσωση του Shockley I D = K V ( V ) 2 GS T όπου V Τ η τάση κατωφλίου και Κ σταθερά. Η παράµετρος Κ δίνεται από τη σχέση K 1 = 2 µ n C OX W L W Το LTspice έχει στα µοντέλα του την παράµετρο Kp=µ ncox = 2K. Αυτό θα L πρέπει να το προσέχουµε στις εξοµοιώσεις που κάνουµε και να διπλασιάζουµε την τιµή της παραµέτρου Κp. Σχεδιάζουµε το παρακάτω κύκλωµα. Για το MOSFET πατάµε το κουµπί Component και επιλέγουµε nmos και στη συνέχεια IRF510. Για να σχεδιάσουµε τη χαρακτηριστική εισόδου, θα εκτελέσουµε ανάλυση τύπου DC sweep µεταβάλλοντας την πηγή τάσης στην είσοδο από 3 ως 5 V. Εκτελούµε την εξοµοίωση και σχεδιάζουµε το ρεύµα εκροής πηγαίνοντας το ποντίκι πάνω από την εκροή µέχρι να αλλάξει από σταυρό σε αµπεροτσιµπίδα. Το αποτέλεσµα είναι η γραφική παράσταση του σχήµατος. Το εξάρτηµα έχει παραµέτρους: Vto = 3,8 και Kp = 1,3. Πράγµατι, για τάσεις κάτω από 3,8 V το ρεύµα εκροής είναι σχεδόν µηδέν. Η παράµετρος Κ ισούται µε Kp/2 = 0,65 Α/V 2. 1

Η εντολή DC sweep τροποποιείται ως εξής:.dc V2 0 50 0.1 V1 3 5 0.1 Η πηγή τάσης V1 µεταβάλλεται από 3 ως 5 V µε βήµα 0.

2 Θα σχεδιάσουµε στη συνέχεια τις χαρακτηριστικές εξόδου. Το µόνο που χρειάζεται είναι ταυτόχρονα µε την πηγή V1 να µεταβάλλουµε και τη πηγή V2. Η εντολή DC sweep τροποποιείται ως εξής:.dc V V Η πηγή τάσης V1 µεταβάλλεται από 3 ως 5 V µε βήµα 0.1 V και εκφράζει την τάση V GS. Η πηγή τάσης V2 µεταβάλλεται από 0 ως 50 V µε βήµα 0.1 V και εκφράζει την τάση V DS. Τοι αποτέλεσµα της ανάλυσης φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Η διαγωγιµότητα του MOSFET ορίζεται ως di D gm = = 2 dvgs KI D 2

Θα υπολογίσουµε στη συνέχεια τη διαγωγιµότητα του MOSFET IRF510 για διάφορες τιµές του ρεύµατος εκροής. Το κύκλωµα που θα χρησιµοποιήσουµε είναι το παρακάτω.

Μετά κάνουµε αριστερό κλικ σε οποιαδήποτε τιµή του x άξονα και στο πεδίο Quantity Plotted γράφουµε Id(M1). Παρατηρούµε ότι η διαγωγιµότητα έχει τις σωστές µονάδες Ω -1.

3 Θα υπολογίσουµε στη συνέχεια τη διαγωγιµότητα του MOSFET IRF510 για διάφορες τιµές του ρεύµατος εκροής. Το κύκλωµα που θα χρησιµοποιήσουµε είναι το παρακάτω. Τρέχουµε την εξοµοίωση τύπου DC sweep πατώντας Run. Στη συνέχεια κάνουµε δεξί κλικ στο γράφηµα και Add Trace. Στο πεδίο Expression to add γράφουµε d(id(m1)). Μετά κάνουµε αριστερό κλικ σε οποιαδήποτε τιµή του x άξονα και στο πεδίο Quantity Plotted γράφουµε Id(M1). Παρατηρούµε ότι η διαγωγιµότητα έχει τις σωστές µονάδες Ω -1. Αν µας ζητήσουν να βρούµε το ρεύµα για το οποίο η διαγωγιµότητα έχει τιµή g m = 1 Ω -1, τότε µε τη βοήθεια του κέρσορα βρίσκουµε Ι D = 396,76 ma. DC ανάλυση κυκλωµάτων µε MOSFET H ανάλυση συνεχούς ρεύµατος των κυκλωµάτων µε MOSFET µπορεί να γίνει µε την εντολή.op. Ας υποθέσουµε ότι έχουµε ένα MOSFET µε V T = 2 V και 1 mα/v 2 και 3

θέλουµε να βρούµε το ρεύµα και το δυναµικό εκροής στο παρακάτω κύκλωµα. Το µοντέλο για το MOSFET έχει όνοµα NCHAN και δεν ξεχνάµε να διπλασιάσουµε την τιµή της σταθεράς Κ.

4 θέλουµε να βρούµε το ρεύµα και το δυναµικό εκροής στο παρακάτω κύκλωµα. Το µοντέλο για το MOSFET έχει όνοµα NCHAN και δεν ξεχνάµε να διπλασιάσουµε την τιµή της σταθεράς Κ..model NCHAN NMOS(Kp=2m Vto=2) Εκτελώντας την εξοµοίωση.op εµφανίζεται ο παρακάτω πίνακας τιµών από όπου διαβάζουµε: Id(M1) = 1,257 ma και V(n002) = 6,85 V. Αν θέλουµε να βρούµε την τιµή της τάσης V GS κάνουµε αριστερό κλικ στην πηγή (κόµβος V(n004)) και κρατώντας το πλήκτρο πατηµένο µετακινούµαστε στην πύλη (κόµβος V(n003)). Αν αφήσουµε το πλήκτρο βλέπουµε στην οθόνη την τιµή της διαφοράς V(n003)-V(n004). 4

Για επαλήθευση των αποτελεσµάτων η χρήση της εξίσωσης του Shockley δίνει ( 2) 2 = 1, ma I D = 0,001 3,12 254 Η διάταξη του σχήµατος ονοµάζεται καθρέφτης ρεύµατος τύπου Widlar.

5 Για επαλήθευση των αποτελεσµάτων η χρήση της εξίσωσης του Shockley δίνει ( 2) 2 = 1, ma I D = 0,001 3, Η διάταξη του σχήµατος ονοµάζεται καθρέφτης ρεύµατος τύπου Widlar. Ισχύουν οι σχέσεις: I 10 V 7,8k GS1 D 1 = VGS1 = VGS 2+ I D2 R 3 Η τιµή της αντίστασης R3 καθορίζει το λόγο των ρευµάτων I D1 / I D2. Σχεδιάστε το κύκλωµα, τρέξτε την εξοµοίωση και επιβεβαιώστε ότι είναι I D1 / I D2 = 2. 5

Ανάλυση κυκλωµάτων ενισχυτών µε MOSFET Στην ac ανάλυση κυκλωµάτων ενισχυτών ενδιαφέρει η εύρεση του κέρδους τάσης, η αντίσταση εισόδου και η αντίσταση εξόδου.

6 Ανάλυση κυκλωµάτων ενισχυτών µε MOSFET Στην ac ανάλυση κυκλωµάτων ενισχυτών ενδιαφέρει η εύρεση του κέρδους τάσης, η αντίσταση εισόδου και η αντίσταση εξόδου. Σχεδιάστε το παρακάτω κύκλωµα ενισχυτή κοινής πηγής. Το MOSFET διαύλου Ν έχει V T = 2,1 V και K = 1 mα/v 2. Τρέχουµε την εξοµοίωση σε ένα εύρος συχνοτήτων από 100 Hz ως 10 khz και σχεδιάζουµε το δυναµικό στο συλλέκτη. Το κέρδος τάσης έχει µέτρο db (x6,26) και φάση -180 ο. Να σηµειωθεί ότι κάθε φορά που το LTspice εκτελεί ac ανάλυση, υπολογίζει πρώτα το σηµείο ηρεµίας. Αυτό µπορούµε να το διαπιστώσουµε αν βάλουµε το ποντίκι πάνω από ένα κόµβο ή ένα εξάρτηµα. Στην οθόνη κάτω αριστερά διαβάζουµε το dc δυναµικό του κόµβου ή το ρεύµα ηρεµίας στο εξάρτηµα. Για το κύκλωµα µας είναι I D 6

τιµή 1 Α και εκτελούµε και πάλι την εξοµοίωση σχεδιάζοντας το δυναµικό του άνω κόµβου της πηγής. Το αποτέλεσµα είναι 29,43 kω.

7 = 1,54 ma και g m = 2 0,001 0,00154 = 2, 482mS. Η θεωρητική τιµή του κέρδους ισούται µε A V v = v o in gmrd = 1+ g R m S 2,482m 3,9k = 1+ 2,482m 0,22k = 6,26 Για να υπολογίσουµε την αντίσταση εισόδου συνδέουµε στην είσοδο µια ac πηγή ρεύµατος µε τιµή 1 Α και εκτελούµε και πάλι την εξοµοίωση σχεδιάζοντας το δυναµικό του άνω κόµβου της πηγής. Το αποτέλεσµα είναι 29,43 kω. Για να βρούµε την αντίσταση εξόδου συνδέουµε την πηγή ρεύµατος στην έξοδο του κυκλώµατος και βραχυκυκλώνουµε την είσοδο στο ac συνδέοντας τον πυκνωτή στη γη. Το αποτέλεσµα είναι 3,9 kω. Οι τιµές αυτές συµφωνούν απόλυτα µε τις θεωρητικές. Ένας άλλος τρόπος να αναλύσουµε τον ενισχυτή είναι αντικαθιστώντας το MOSFET µε το υβριδικο-π ισοδύναµο. Η πυκνωτές και η dc τροφοδοσία θεωρούνται βραχυκυκλώµατα. Το ισοδύναµο κύκλωµα είναι το παρακάτω όπου το υβριδικό-π ισοδύναµο σχεδιάζεται εντός του ορθογώνιου πλαισίου. 7

Τα αποτελέσµατα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Η ανάλυση ενισχυτών περισσότερων βαθµίδων είναι το ίδιο εύκολη.

8 Στη συνέχεια, εκτελούµε τον τύπο ανάλυσης DC Transfer όπου ορίζουµε την έξοδο και την είσοδο. Με αυτόν τον τύπο ανάλυσης λαµβάνουµε ταυτόχρονα το κέρδος τάσης, την αντίσταση εισόδου και την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή. Τα αποτελέσµατα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Η ανάλυση ενισχυτών περισσότερων βαθµίδων είναι το ίδιο εύκολη. Σχεδιάστε τον τριβάθµιο ενισχυτή του σχήµατος όπου το δεύτερο στάδιο βασίζεται σε ένα MOSFET διαύλου p. Εκτελέστε ac ανάλυση και επιβεβαιώστε ότι είναι: I D1 = 1,7 ma, I D2 = 4,09 ma, I D3 = 0,89 ma, A V = 17,5, R in = 29,43 kω, R o = 491,6 Ω. 8

Σχετικά έγγραφα

SPICE Directive:.model NBJT npn(is = 2f Bf = 100)

SPICE Directive:.model NBJT npn(is = 2f Bf = 100) ΙΠΟΛΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Χαρακτηριστικές εισόδου και εξόδου Κέρδος ρεύµατος Το διπολικό τρανζίστορ χαρακτηρίζεται από το κέρδος ρεύµατος που ορίζεται ως ο λόγος του ρεύµατος στο συλλέκτη προς το ρεύµα στη βάση