1993 (Saunders College 1991). P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, and R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th ed.

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων Άνοιξη 2005 Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιεχόμενα 1 Διπολικό και MOS τρανσίστορ Ενισχυτές με διπολικά τρανσίστορς Ενισχυτές με MOS τρανσίστορς Καθρέφτες ρεύματος και διαφορικοί ενισχυτές Α Ακροδέκτες ηλεκτρονικών εξαρτημάτων [SS] [GHLM] Αναφορές A. Sedra και K. Smith, Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα, τόμος Α & Β, 3η έκδ., Παπασωτηρίου, 1993 (Saunders College 1991). P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, and R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th ed., Wiley, [Ra] B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001.

2 2 ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων 1 Διπολικό και MOS τρανσίστορ Ανάγνωση: SS:(4.2 5, 5.1 2), GHLM:1.3 6, Ra: Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος SIG R 4 R 5 CH1 I 1 R 1 R V S 7 6 A 4 V S V 2 CH2 (1) DUT V 1 R 3 A = LM741, V S = 8 V, R 1 = 1 kω, R 2 = 9 kω = (10 /+ 100) kω, R 3 = R 4 = R 5 = 10 kω Σκοπός του κυκλώματος (1), είναι η γραφική αναπαράσταση της σχέσης που συνδέει τις μεταβλητές (V 1, I 1 ) του υποκυκλώματος DUT (Device Under Test). Υποθέτοντας ότι ο τελεστικός ενισχυτής λειτουργεί στη γραμμική περιοχή, για τις παραπάνω τιμές των στοιχείων, δείξτε ότι V 2 1 V = I 1 1 ma και V SIG 1 V = V V + I 1 1 ma (2) Κατασκευάστε το κύκλωμα (1). Στη θέση της R 2 τοποθετήστε δύο αντιστάσεις 10 kω και 100 kω σε παραλληλία 1. Συνδέστε τα CH1, CH2 του παλμογράφου στους αντίστοιχους ακροδέκτες. Α- ντιστρέψτε το CH2, ώστε ο παλμογράφος να εμφανίζει την τάση V 2. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Συνδέστε τη γεννήτρια στον ακροδέκτη SIG, με τριγωνικό σήμα 8 V pp, 100 Hz. Διορθώστε την πιθανή εξάρτηση της τάσης V 2 από την τάση V 1, σύμφωνα με την παράγραφο Στη θέση του DUT, τοποθετήστε ανοικτοκύκλωμα στη συνέχεια βραχυκύκλωμα στη συνέχεια μεταβλητή αντίσταση 0 10 kω στη συνέχεια μεταβλητή τάση σε σειρά με μεταβλητή αντίσταση, όπως παρακάτω +V S 0 10 kω 0 1 kω (3) V S στη συνέχεια δίοδο με την άνοδο (τύπου p) στον ακροδέκτη CH1 στη συνέχεια δίοδο με την κάθοδο (τύπου n) στον ακροδέκτη CH1 στη συνέχεια δίοδο σε σειρά με το υποκύκλωμα (3) Υπολογίστε την τάση V 2 συναρτήσει των μεταβλητών V 1, I 1 και των στοιχείων του κυκλώματος. Απάντηση: V 2 = R 5(R 1 +R 2 ) R 4 R 3 R 4 (R 2 +R 3 ) V 1 + R 5 R 4 R 1 I 1 Τοποθετήστε ανοικτοκύκλωμα στη θέση του DUT και μετρήστε το πρόσημο του λόγου V 2 /V 1. Τοποθετήστε μια μεγάλη αντίσταση (πχ. 1 MΩ) σε παραλληλία με κατάλληλη αντίσταση του κυκλώματος, ώστε να μηδενιστεί η τάση V 2. 1 Για συντομία, χρησιμοποιούμε το σύμβολο /x = 1/x για τον αντίστροφο (όπως το x = 0 x για τον αντίθετο), και το σύμβολο x /+ y = /(/x+/y), ή ισοδύναμα, /(x /+ y) = /x + /y για την αντίστροφη πρόσθεση.

3 Εργαστηριακές Ασκήσεις Διπολικό τρανσίστορ Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος των υποκυκλωμάτων (4), χρησιμοποιώντας το μοντέλο Ebers-Moll, με a = 1, ή β =, και αγνοώντας το φαινόμενο Early, δηλ. με V A =. Εξηγήστε την επίδραση των πηγών V, I καθώς και της αντίστασης R στη χαρακτηριστική τάσηςρεύματος. Εξηγήστε την επίδραση του πεπερασμένου β και της τάσης Early V A. R R T p I R V V (4) CE CC CB = 2N2222A, T p = 2N2907A Στη θέση του DUT του κυκλώματος (1), τοποθετήστε διαδοχικά τα υποκυκλώματα (4). Στη θέση του ισοδύναμου Thévenin V -R ή Norton I-R, τοποθετήστε το υποκύκλωμα (3). Οι ακροδέκτες των τρανσίστορς φαίνονται στο σχήμα Α.(1). Ρυθμίστε την ελάχιστη και μέγιστη τιμή της τάσης V SIG σε 0 V και 8 V, αντίστοιχα. Επαληθεύστε με μετρήσεις τις παρακάτω προτάσεις, και βρείτε τις συνθήκες που πρέπει να ι- σχύουν για να είναι αληθείς: το υποκύκλωμα CE λειτουργεί σαν ενισχυτής διαγωγιμότητας, δηλ. σαν πηγή ρεύματος με τιμή που ελέγχεται από την τάση V το υποκύκλωμα CC λειτουργεί σαν απομονωτής τάσης, δηλ. σαν πηγή τάσης με τιμή V, αυξημένη κατά την τάση αγωγής V EB το υποκύκλωμα CB λειτουργεί σαν απομονωτής ρεύματος, δηλ. σαν πηγή ρεύματος με τιμή I. Σε καθένα από τα υποκυκλώματα (4), μεταβάλετε την πηγή V ή I και την αντίσταση R, ρυθμίζοντας τις μεταβλητές αντιστάσεις του υποκυκλώματος (3), και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος Τάση Early Στο υποκύκλωμα CE, τοποθετήστε ένα μεγάλο πυκνωτή (πχ. 1 µf) μεταξύ βάσης και εκπομπού, και ρυθμίστε την τάση V έτσι ώστε το ρεύμα συλλέκτη να είναι I C = 4 ma. Μετρήστε την αντίσταση εξόδου r o και υπολογίστε την τάση Early V A = r o I C του τρανσίστορ. Για να μεγεθύνετε το ρεύμα μικρού σήματος, μεταβάλετε την ελάχιστη τιμή της τάσης V SIG σε 4 V και ρυθμίστε το CH2 σε σύζευξη AC. Για να μειώσετε το θόρυβο, ρυθμίστε τον παλμογράφο σε απεικόνιση μέσης τιμής. Επαναλάβετε τις μετρήσεις με ρεύμα I C = 1 ma Αντίσταση εκπομπού Στο υποκύκλωμα CC, τοποθετήστε ένα μεγάλο πυκνωτή (πχ. 1 µf) μεταξύ βάσης και συλλέκτη, και ρυθμίστε την αντίσταση R στην ελάχιστη τιμή της. Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος r e και ελέγξτε τη σχέση r e = V T /I E, όπου V T = 25 mv. Για να μεγεθύνετε την τάση μικρού σήματος, μεταβάλετε την ελάχιστη τιμή της τάσης V SIG σε 6 V και ρυθμίστε το CH1 σε σύζευξη AC. Για να μειώσετε το θόρυβο, ρυθμίστε τον παλμογράφο σε απεικόνιση μέσης τιμής. Αφαιρέστε τον πυκνωτή και μεταβάλετε την αντίσταση R στη μέγιστη τιμή της μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος R 1 και υπολογίστε το β του τρανσίστορ. Απάντηση: β = R/(R 1 r e ) Αντίσταση συλλέκτη Στο υποκύκλωμα CB, ρυθμίστε την αντίσταση R = 5 kω και το ρεύμα I έτσι ώστε I C = 1 ma. Υπολογίστε την αντίσταση μικρού σήματος R 1 του υποκυκλώματος, συναρτήσει των I, R και των παραμέτρων του τρανσίστορ. Απάντηση: R 1 V A /(I C /β + V T /R). Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος. Για να μεγεθύνετε το ρεύμα μικρού σήματος, μεταβάλετε την ελάχιστη τιμή της τάσης V SIG σε 2 V και ρυθμίστε το CH2 σε σύζευξη AC.

4 4 ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων 1.3 MOS τρανσίστορ Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος των υποκυκλωμάτων (5), αγνοώντας τη διαμόρφωση καναλιού, δηλ. με λ = 0, και το φαινόμενο σώματος, δηλ. με γ = 0. Εξηγήστε την επίδραση των πηγών V, I καθώς και της αντίστασης R στη χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος. Εξηγήστε την επίδραση της διαμόρφωσης καναλιού και του φαινομένου σώματος. R R T p I R V V (5) CS CD CG, T p = CD4007 Στη θέση του DUT του κυκλώματος (1), τοποθετήστε διαδοχικά τα υποκυκλώματα (5). Στη θέση του ισοδύναμου Thévenin V -R ή Norton I-R, τοποθετήστε το υποκύκλωμα (3). Οι ακροδέκτες των τρανσίστορς φαίνονται στο σχήμα Α.(3) 2. Χρησιμοποιείστε το nmos 8,6,7 με = +V S, ή το pmos 13,6,14 με V SS = V S. Ρυθμίστε την ελάχιστη και μέγιστη τιμή της τάσης V SIG σε 0 V και 8 V, αντίστοιχα, ώστε η τάση V 1 να είναι πάντα μεταξύ 0 V και +V S. Επαληθεύστε με μετρήσεις ότι τα υποκυκλώματα CS, CD και CG λειτουργούν σαν ενισχυτής διαγωγιμότητας, απομονωτής τάσης και απομονωτής ρεύματος, αντίστοιχα. Μεταβάλετε την πηγή V ή I και την αντίσταση R, και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος Τάση Early Στο υποκύκλωμα CS, ρυθμίστε την τάση V για ρεύμα I D = 4 ma. Μετρήστε την αντίσταση εξόδου r o και υπολογίστε την τάση Early V A = r o I D του τρανσίστορ. Για να μεγεθύνετε το ρεύμα μικρού σήματος, μεταβάλετε την ελάχιστη τιμή της τάσης V SIG και ρυθμίστε το CH2 σε σύζευξη AC. Για να μειώσετε το θόρυβο, ρυθμίστε τον παλμογράφο σε απεικόνιση μέσης τιμής. Επαναλάβετε τις μετρήσεις με ρεύμα συλλέκτη 1 ma Παράμετρος διαγωγιμότητας και τάση κατωφλίου Στο υποκύκλωμα CD, ρυθμίστε την τάση V = 0 V, δηλ. γειώστε την πύλη, και μετρήστε την τάση κατωφλίου V t του τρανσίστορ. Στη συνέχεια, από τη σχέση I S = K (V SG V t ) 2, υπολογίστε την παράμετρο K του τρανσίστορ. Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος r s και ελέγξτε τη σχέση r s = (V SG V t )/2I S. Για να μεγεθύνετε την τάση και το ρεύμα μικρού σήματος, μεταβάλετε την ελάχιστη τιμή της τάσης V SIG και ρυθμίστε τον παλμογράφο σε σύζευξη AC Φαινόμενο σώματος Στο υποκύκλωμα CD, χρησιμοποιείστε το τρανσίστορ με ακροδέκτες 1,2,3 και συνδέστε το υπόστρωμα, δηλ. τον ακροδέκτη, στην τροφοδοσία +V S. Μετρήστε την τάση κατωφλίου V t και την αντίσταση μικρού σήματος επαληθεύστε ποιοτικά την επίδραση του φαινομένου σώματος Αντίσταση υποδοχής Στο υποκύκλωμα CG, ρυθμίστε την αντίσταση R = 5 kω και το ρεύμα I έτσι ώστε I D = 0.5 ma. Υπολογίστε την αντίσταση μικρού σήματος R 1 του υποκυκλώματος. Απάντηση: R 1 V A /I D + 2RV A /(V GS V t ). Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος. Για να μεγεθύνετε το ρεύμα μικρού σήματος, μεταβάλετε την ελάχιστη τιμή της τάσης V SIG και ρυθμίστε το CH2 σε σύζευξη AC. 2 Οι ακροδέκτες των τρανσίστορς προστατεύονται από στατικό ηλεκτρισμό με διόδους προστασίας (δεν φαίνονται στο σχήμα). Το υπόστρωμα όλων των pmos συνδέεται στον ακροδέκτη 14 ( ) και όλων των nmos στον ακροδέκτη 7 (V SS ). Τα δυναμικά των άλλων ακροδεκτών πρέπει να είναι μεταξύ V SS και.

5 Εργαστηριακές Ασκήσεις 5 2 Ενισχυτές με διπολικά τρανσίστορς Ανάγνωση: SS:4.6 11, GHLM: Ενισχυτής CE Υπολογίστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A του ενισχυτή (1), στην ενεργό περιοχή, υποθέτοντας ότι η dc τιμή της εξόδου είναι /2. Απάντηση: A = /2V T /+ R c /R e = Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική - του ενισχυτή εξηγήστε την επίδραση της αντίστασης R e. R c R b (1) R e = 2N2222A, = 6 V, R b = 470 Ω, R c = 10 kω, R e = 0 1 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή (1). Οι ακροδέκτες του τρανσίστορ φαίνονται στο σχήμα 1.(1). Ρυθμίστε την R e στην ελάχιστη τιμή της. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 2 V (δηλ. με ελάχιστη τιμή 0 V και μέγιστη τιμή 2 V), 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Μεταβάλετε την R e σε όλη την κλίμακά της και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική -. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την R e στην ελάχιστη τιμή της. Ρυθμίστε την είσοδο ώστε η έξοδος να είναι = 2 4 V και μετρήστε το κέρδος τάσης για καλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις, ρυθμίστε τον παλμογράφο σε απεικόνιση μέσης τιμής. Επαναλάβετε με την R e στη μέγιστη τιμή της. Ρυθμίστε την R e για κέρδος τάσης A = Ψαλιδισμός Υπολογίστε την τιμή της εξόδου,sat στο όριο μεταξύ ενεργού περιοχής και κορεσμού, καθώς και το κέρδος τάσης μικρού σήματος A SAT στην περιοχή κορεσμού του τρανσίστορ. Απάντηση:,SAT 1 = V, A SAT = = R c /R e 1 + R b /R e + R b /R c Ρυθμίστε την R e στη μέγιστη τιμή της. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Μετρήστε την τάση,sat και το κέρδος A SAT. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Παρατηρήστε τον ψαλιδισμό στο σήμα εξόδου Αρμονική παραμόρφωση Ρυθμίστε την R e στην ελάχιστη τιμή της. Ρυθμίστε την είσοδο για = 1 5 V. Παρατηρήστε την παραμόρφωση του σήματος εξόδου. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία FFT και μετρήστε τη συνολική αρμονική παραμόρφωση της εξόδου, η οποία ορίζεται από το λόγο της ισχύος των ανώτερων αρμονικών προς τη συνολική ισχύ του σήματος, δηλ., THD 100% = N db n=2 10An/10 N N 10 (An A1)/10 db (2) n=1 10An/10 db όπου A n είναι το πλάτος της n-οστής αρμονικής σε db. Ρυθμίστε την ελάχιστη τιμή της εισόδου για THD = 1%, η ισοδύναμα, A 2 A 1 20 db, και μετρήστε τη μέγιστη τιμή της εξόδου. Επαναλάβετε με την R e στη μέγιστη τιμή της. n=2

6 6 ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων 2.2 Ενισχυτής CC (ακόλουθος εκπομπού) Υπολογίστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A του ενισχυτή (3), με R b = 0, υποθέτοντας ότι η dc τάση εξόδου είναι = /2. Απάντηση: A = 1 /+ /2V T = Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική - του ενισχυτή. R b (3) R e = 2N2222A, = 6 V, R b = kω, R e = 1 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή (3). Ρυθμίστε την R b στην ελάχιστη τιμή της. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 6 V, 1 khz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την είσοδο σε = 2 4 V. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος για καλύτερη ακρίβεια, ρυθμίστε τον παλμογράφο σε απεικόνιση μέσης τιμής Υπολογίστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A του ενισχυτή (3), υποθέτοντας ότι η dc τιμή της εξόδου είναι /2. Απάντηση: A = 1 /+ /2V T /+ βr e /R b /+ β/100. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Μεταβάλετε την αντίσταση R b σε όλη την κλίμακά της και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική -. Ρυθμίστε την R b στη μέγιστη τιμή της. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την είσοδο σε = 2 4 V. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος και υπολογίστε την παράμετρο β του τρανσίστορ. 2.3 Ενισχυτής CB Υπολογίστε το κέρδος ρεύματος μικρού σήματος A I και το κέρδος τάσης μικρού σήματος A V του ενισχυτή (4), υποθέτοντας ότι η dc τιμή της τάσης εξόδου είναι = /2. Απάντηση: A I = 1 /+ R e /2V T R c = , A V = R c /R e /+ /2V T = Σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές I i -I o και - του ενισχυτή εξηγήστε την επίδραση της αντίστασης R c. R c I o R e R c (4) I i R e = 2N2222A, = 6 V, R e = 1 kω, R c = 0 10 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή (4). Ρυθμίστε την R c στη μέγιστη τιμή της. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 4 0 V, 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Μεταβάλετε την R c σε όλη την κλίμακά της και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική -. Ρυθμίστε την R c στη μέγιστη τιμή της. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος.

7 Εργαστηριακές Ασκήσεις Ενισχυτής CC-CE Υπολογίστε την dc τάση εισόδου και το κέρδος τάσης μικρού σήματος A των ενισχυτών (5), για dc τάση εξόδου = /2. Απάντηση: (CE) = V BE + R b /2βR c = ( /β) V, A = /2V T /+ βr c /R b = 120 β/100 (CC-CE) V BE (2+R b /βr e )=( /β) V, A ( /2V T ) (1 /+ β(r e /+β2v T R c / )/R b ) = /+(β/100) (120 /+β). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική - των ενισχυτών εξηγήστε την επίδραση της αντίστασης R b. R c R b R c R b T 1 T 2 T 1 (5) R e CE CC-CE T 1, T 2 = 2N2222A, = 6 V, R b = kω, R c = 1 kω, R e = 1 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή CE. Ρυθμίστε την R b στη μέγιστη τιμή της. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 6 V, 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Μεταβάλετε την R b σε όλη την κλίμακά της. Ρυθμίστε την R b στη μέγιστη τιμή της. Μετρήστε την dc τάση εισόδου για = /2. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την είσοδο για = 2 4 V. Μετρήστε το κέρδος τάσης. Επαναλάβετε για τον ενισχυτή CC-CE. 2.5 Ενισχυτής CE-CE Υπολογίστε το κέρδος τάσης A του ενισχυτή (6), για dc τάση εξόδου = /2. Απάντηση: v c1 /v i = ( R c1 /+ β 2 (R e2 +2V T R c2 / ) ) / ( R e1 + V T R c1 /( (1 R e2 /2R c2 ) V BE ) ) = 32, v o /v c1 = R c2 /R e2 /+ /2V T = 33, A = = Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική -. R c2 Rc1 R b T 2 T 1 (6) R e1 R e2 T 1, T 2 = 2N2222A, = 6 V, R b = 1 kω, R e1 = R e2 = 220 Ω, R c1 = R c2 = 10 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή (6). Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 2 V, 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας των τρανσίστορς. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Μετρήστε το κέρδος τάσης.

8 8 ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων 3 Ενισχυτές με MOS τρανσίστορς Ανάγνωση: SS:5.5 8, GHLM:3.3 4, Ra: Ενισχυτής CS Για το nmos τρανσίστορ, με V SB = 0, στην περιοχή κορεσμού, χρησιμοποιήστε το μοντέλο: I D = K (V GB V t ) 2, g m = 2K (V GB V t ) = 2I D V GB V t = 2 KI D, όταν V GD < V t < V GS (1) Υπολογίστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A του ενισχυτή (2) στον κορεσμό, για dc τάση εξόδου = /2. Απάντηση: A = /( V t ) = 2K R d = 0 11 K/( ma/v 2 ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική - του ενισχυτή εξηγήστε την επίδραση της αντίστασης R d. R d R g (2) = CD4007, = 6 V, R g = 1 kω, R d = 0 10 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή (2). Οι ακροδέκτες του τρανσίστορ φαίνονται στο σχήμα Α.(3). Ρυθμίστε την R d στη μέγιστη τιμή της. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 6 V (δηλ. με ελάχιστη τιμή 0 V και μέγιστη τιμή 6 V), 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Μεταβάλετε την αντίσταση R d σε όλη την κλίμακά της και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική -. Ρυθμίστε την R d στη μέγιστη τιμή της. Μετρήστε την τάση κατωφλίου V t. Μετρήστε την είσοδο για έξοδο = /2. Υπολογίστε την παράμετρο K του τρανσίστορ. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την είσοδο ώστε η έξοδος να είναι = 2 4 V και μετρήστε το κέρδος τάσης για καλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις, ρυθμίστε τον παλμογράφο σε απεικόνιση μέσης τιμής. Επαναλάβετε για R d = 5 kω Για το nmos τρανσίστορ, σε όλες τις περιοχές λειτουργίας, χρησιμοποιήστε το μοντέλο: I D = K (V GB nv SB V t ) 2 + K (V GB nv DB V t ) 2 + (3) όπου n είναι αριθμητική παράμετρος με τιμή 1 2 και x + είναι το θετικό μέρος του αριθμού x. Υπολογίστε την τιμή της εξόδου,tri στο όριο των περιοχών κορεσμού και τριόδου, καθώς και το κέρδος τάσης μικρού σήματος A TRI στην περιοχή τριόδου του τρανσίστορ. Απάντηση: 4n2 K R d + 1 1,TRI = 2n 2 KR d 2 n A, 1 A TRI = 2nKR d Vo 2 n 2 Ρυθμίστε την R d στη μέγιστη τιμή της. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αποσυνδέστε το υπόστρωμα του τρανσίστορ από τη γη και συνδέστε το σε αρνητική τροφοδοσία. Μετρήστε την τάση κατωφλίου = V t +(n 1) V SB για διάφορες τιμές της τάσης V SB υπολογίστε την παράμετρο n. Συνδέστε το υπόστρωμα στη γη. Μετρήστε την τάση,tri και το κέρδος A TRI Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την είσοδο για = 1 5 V. Παρατηρήστε την παραμόρφωση στο σήμα εξόδου. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία FFT. Μετρήστε τη συνολική αρμονική παραμόρφωση της εξόδου.

9 Εργαστηριακές Ασκήσεις Ενισχυτής CD (ακόλουθος πηγής) Υπολογίστε την dc τάση εισόδου και το κέρδος τάσης μικρού σήματος A του ενισχυτή (4α), για dc τάση εξόδου = 1.5 V. Απάντηση: = V t + /KR s +, A = 1 /+ 4K R s. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική - του ενισχυτή. R g R g R s R s (4) (α) = CD4007, = 6 V, R g = 1 kω, R s = 0 10 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή (4α). Ρυθμίστε την R s στη μέγιστη τιμή της. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 6 V, 1 khz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Μετρήστε την dc τάση εισόδου για = 1.5 V. Μεταβάλετε την R s σε όλη την κλίμακά της και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική -. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την R s στη μέγιστη τιμή της. Ρυθμίστε την είσοδο για = 1 2 V. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος Υπολογίστε την dc τάση εισόδου και το κέρδος τάσης A του ενισχυτή (4β), για dc τάση εξόδου = 1.5 V. Απάντηση: = V t + /KR s + n, A = /n /+ 4K R s. Συνδέστε το υπόστρωμα του τρανσίστορ στη γη, όπως φαίνεται στο σχήμα (4β). Μετρήστε την dc τάση εισόδου για = 1.5 V. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την είσοδο για = 1 2 V. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος. 3.3 Ενισχυτής CG Υπολογίστε το κέρδος ρεύματος μικρού σήματος A I και το κέρδος τάσης μικρού σήματος A V του ενισχυτή (5), υποθέτοντας ότι η dc τιμή της τάσης εξόδου είναι = /2. Απάντηση: A I = 1 /+ R s 2KVDD /R d ), A V = R d /R s /+ 2K R d. Σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές I i -I o και - του ενισχυτή εξηγήστε την επίδραση της αντίστασης R d. (β) R d I o R s R d (5) I i R s = CD4007, = 6 V, R s = 1 kω, R d = 0 10 kω Κατασκευάστε τον ενισχυτή (5). Ρυθμίστε την R d στη μέγιστη τιμή της. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 4 0 V, 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Μεταβάλετε την R d σε όλη την κλίμακά της και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική -. Ρυθμίστε την R d στη μέγιστη τιμή της. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος.

10 10 ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων 3.4 Ενισχυτής CS με ενεργό φορτίο Υπολογίστε την dc τάση εισόδου και το κέρδος τάσης A των ενισχυτών (6), για = /2. Απάντηση: (α) = V tn + K p /K n ( V g V tp ), A = 2(V An /+V Ap ) / ( V tn ) και (β) = V tp K n /K p (V g V tn ), A = 2(V An /+V Ap ) / ( V tp ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική - των ενισχυτών (6), με παράμετρο την τάση πόλωσης V g. V g T p T p (6) V g (α) (β), T p = CD4007, = 6 V Κατασκευάστε τον ενισχυτή (6α). Συνδέστε πηγή τάσης στη θέση του ακροδέκτη V g. Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 6 V, 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Ρυθμίστε την πηγή τάσης V g ώστε η έξοδος να είναι = 3 V όταν = 3 V. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας των τρανσίστορς. Μεταβάλετε την πηγή τάσης V g = 0 6 V και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική -. Επαναλάβετε για τον ενισχυτή (6β). Μετρήστε την τάση κατωφλίου V t και την παράμετρο K των τρανσίστορς, όπως στην παράγραφο 3.1 ή Μετρήστε την αντίσταση εξόδου r o και την τάση Early V A = r o I D, όπως στην παράγραφο Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την τάση εισόδου για = 2 4 V. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος. Επαναλάβετε για τον ενισχυτή (6β). 3.5 Αντιστροφέας CMOS Υπολογίστε την dc τάση εισόδου και το κέρδος τάσης μικρού σήματος A του αντιστροφέα (7α), για dc τάση εξόδου = /2. Απάντηση: = ( V tp + K n /K p V tn )/(1+ K n /K p ), A = 2(1+ K p /K n ) (V An /+V Ap ) / ( V tn ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική -. T p1 T p1 T p2 (7) (α) (β), T p = CD4007, = 6 V Κατασκευάστε το κύκλωμα (7α). Συνδέστε τη γεννήτρια στη θέση της εισόδου, με ημιτονικό σήμα 0 6 V, 100 Hz. Συνδέστε τα CH1 και CH2 του παλμογράφου στην είσοδο και έξοδο, αντίστοιχα. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία XY. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας των τρανσίστορς. Ρυθμίστε τον παλμογράφο σε λειτουργία YT. Ρυθμίστε την τάση εισόδου για = 2 4 V. Μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος. Επαναλάβετε για το κύκλωμα (7β).

11 Εργαστηριακές Ασκήσεις 11 4 Καθρέφτες ρεύματος και διαφορικοί ενισχυτές Ανάγνωση: SS:6.(1 2, 4 5, 7), GHLM:(3.5, 4.2 3), Ra:(4.2 4, 5.1 3). 4.1 Πηγή ρεύματος Υπολογίστε το ρεύμα I 1 των πηγών ρεύματος (1), υποθέτοντας ότι τα τρανσίστορς λειτουργούν στην ενεργό περιοχή. Απάντηση: (α) I = (V S V EB V b )/R, (β) I = (V b V BE )/R. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική V -I των δύο υποκυκλωμάτων, με παράμετρο την τάση V b. V S V V b R b R T p I V b R b I R (1) (α) V (β) T p = 2N2907A, = 2N2222A, V S = 8 V, R b = 5 kω, R = 1 kω Κατασκευάστε το κύκλωμα (1α). Στη θέση της πηγής τάσης V b -R b τοποθετήστε το υποκύκλωμα 1.(3). Μετρήστε τη χαρακτηριστική V -I, χρησιμοποιώντας το κύκλωμα 1.(1). Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας του τρανσίστορ. Μεταβάλετε την τάση V b = 6 8 V και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική V -I. Ρυθμίστε την τάση V b για I = 1 ma όταν V = 0.6 V. 4.2 Καθρέφτης ρεύματος με διπολικά τρανσίστορς Υπολογίστε την αντίσταση μικρού σήματος R 2 του καθρέφτη ρεύματος (2), υποθέτοντας ότι τα τρανσίστορς είναι όμοια. Απάντηση: R 2 = V A /I 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική V 2 -I 2. V S V S V 2 I 1 V 2 I 2 I 1 I 2 T 2 (2) T 1 T 2 T 1 R 2 (α) (β) T 1, T 2 = CA3086, V S = 8 V, R 2 = 0 1 kω Κατασκευάστε το κύκλωμα (2α). Οι ακροδέκτες των τρανσίστορς φαίνονται στο σχήμα Α.(2) χρησιμοποιήστε τρανσίστορς του ίδιου ολοκληρωμένου κυκλώματος, ώστε να είναι όμοια. Στη θέση της πηγής ρεύματος τοποθετήστε το υποκύκλωμα (1α), με I 1 = 1 ma. Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 2 -I 2, χρησιμοποιώντας το κύκλωμα 1.(1). Μετρήστε το ρεύμα I 2 όταν V 2 = 0.6 V. Μεταβάλετε την πηγή ρεύματος I 1 και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική V 2 -I 2. Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος R 2 για I 2 = 1 ma και υπολογίστε την τάση Early V A του τρανσίστορ T 2. Επαναλάβετε για I 2 = 0.5 ma και I 2 = 0.1 ma Κατασκευάστε το κύκλωμα (2β), εισάγοντας μια αντίσταση R 2, με I 1 = 1 ma. Υπολογίστε την τιμή της R 2 για I 1 /I 2 = 10. Απάντηση: R 2 = (V T /I 1 ) (I 1 /I 2 ) ln(i 1 /I 2 ) = 575 Ω. Μεταβάλετε την R 2 και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική V 2 -I 2. Ρυθμίστε την R 2 για I 2 = 0.1 ma.

12 12 ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων 4.3 Καθρέφτης ρεύματος με MOS τρανσίστορς Υπολογίστε την αντίσταση μικρού σήματος R 2 του καθρέφτη ρεύματος (3), υποθέτοντας ότι τα τρανσίστορς είναι όμοια. Απάντηση: R 2 = V A /I 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική V 2 -I 2. V S I 1 V 2 I 2 T 1 T 2 (3) T 1, T 2 = CD4007, V S = 8 V Κατασκευάστε το κύκλωμα (3). Οι ακροδέκτες των τρανσίστορς φαίνονται στο σχήμα Α.(3) συνδέστε τον ακροδέκτη στη θετική τροφοδοσία V S. Στη θέση της πηγής ρεύματος τοποθετήστε το υποκύκλωμα (1α), με I 1 = 1 ma. Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 2 -I 2, χρησιμοποιώντας το κύκλωμα 1.(1). Μετρήστε την τάση V GS1 του τρανσίστορ T 1 και το ρεύμα I 2 όταν V 2 = V GS1. Μεταβάλετε την πηγή ρεύματος I 1 και παρατηρήστε τη μεταβολή στη χαρακτηριστική V 2 -I 2. Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος R 2 για I 2 = 1 ma και υπολογίστε την τάση Early V A του τρανσίστορ T 2. Επαναλάβετε για I 2 = 0.5 ma και I 2 = 0.1 ma Καθρέφτης ρεύματος cascode Υπολογίστε την αντίσταση μικρού σήματος R 2 των υποκυκλωμάτων (4), υποθέτοντας ότι τα τρανσίστορς είναι όμοια και λειτουργούν στον κορεσμό. Απάντηση: R 2 2n KV 2 A /I 1 (V A /I 1 ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική V 2 -I 2 του υποκυκλώματος (4α), με παράμετρο την τάση V c. V S I 1 V S V 2 I 1 I 2 V c T 1A T 2A T 2A V 2 I 2 (4) T 1 T 2 T 1 T 2 (α) (β) T 1, T 2 = CD4007, T 1A, T 2A = CD4007, V S = 8 V, I 1 = 0.1 ma Κατασκευάστε το κύκλωμα (4α). Στη θέση της πηγής ρεύματος I 1 τοποθετήστε το υποκύκλωμα (1α). Στη θέση της τάσης V c τοποθετήστε διαιρέτη τάσης μεταξύ V S και γης. Ρυθμίστε την τάση V c ώστε το T 2 να βρίσκεται σε κορεσμό. Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 2 -I 2, χρησιμοποιώντας το κύκλωμα 1.(1). Μεταβάλετε την τάση V c και αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας των τρανσίστορς. Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος R 2. Κατασκευάστε το κύκλωμα (4β). Στη θέση της πηγής ρεύματος I 1 τοποθετήστε το υποκύκλωμα (1α). Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 2 -I 2, χρησιμοποιώντας το κύκλωμα 1.(1). Μετρήστε τα δυναμικά όλων των κόμβων. Αναγνωρίστε τις περιοχές λειτουργίας των τρανσίστορς. Μετρήστε την αντίσταση μικρού σήματος R 2.

13 Εργαστηριακές Ασκήσεις Διαφορικός ενισχυτής με διπολικά τρανσίστορς Υπολογίστε το κέρδος τάσης διαφορικού σήματος A dm = v o /(v 1 v 2 ) του ενισχυτή (5), υποθέτοντας ότι τα τρανσίστορς λειτουργούν στην ενεργό περιοχή. Απάντηση: A dm = R 2 I/4V T = 40. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική V 1 -, με παράμετρο την τάση V 2. Υπολογίστε την αντίσταση εξόδου μικρού σήματος R o του ενισχυτή. Απάντηση: R o R 2 = 10 kω. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική -I o για V 1 = V 2 = 2 V. V S R 2 V 1 T 1 T 2 I o V 2 (5) I T 1, T 2 = CA3086, V S = 8 V, R 2 = 10 kω, I = 0.4 ma Κατασκευάστε το κύκλωμα (5). Στη θέση της πηγής ρεύματος I τοποθετήστε το υποκύκλωμα (1β). Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 1 -, με V 2 = 0 8 V μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A 1 = v o /v 1, για V 2 = 2 V. Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 2 -, με V 1 = 0 8 V μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A 2 = v o /v 2, για V 1 = 2 V. Υπολογίστε το κέρδος τάσης διαφορικού σήματος A dm = (A 1 A 2 )/2. Μετρήστε τη χαρακτηριστική -I o, για V 1 = V 2 = 2 V, χρησιμοποιώντας το κύκλωμα 1.(1). Μετρήστε την αντίσταση εξόδου μικρού σήματος R o. 4.5 Διαφορικός ενισχυτής με MOS τρανσίστορς Υπολογίστε το κέρδος τάσης διαφορικού σήματος A dm = v o /(v 1 v 2 ) του ενισχυτή (6), υποθέτοντας ότι τα τρανσίστορς λειτουργούν στον κορεσμό. Απάντηση: A dm = 2(V An /+V Ap )/ I/2K n. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική V 1 - με παράμετρο την τάση V 2 και τη χαρακτηριστική V 2 - με παράμετρο την τάση V 1. Υπολογίστε την αντίσταση εξόδου μικρού σήματος R o του ενισχυτή. Απάντηση: R o = 2(V An /+V Ap )/I. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική -I o για V 1 = V 2 = 4 V. V S T 1A T 2A I o T 1 T 2 (6) V 1 V 2 I T 1, T 2 = CD4007, T 1A, T 2A = CD4007, V S = 8 V, I = 0.4 ma Κατασκευάστε το κύκλωμα (6). Στη θέση της πηγής ρεύματος τοποθετήστε το υποκύκλωμα (1β). Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 1 -, με V 2 = 0 8 V μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A 1 = v o /v 1, για V 2 = 4 V. Μετρήστε τη χαρακτηριστική V 2 -, με V 1 = 0 8 V μετρήστε το κέρδος τάσης μικρού σήματος A 2 = v o /v 2, για V 1 = 4 V. Υπολογίστε το κέρδος τάσης διαφορικού σήματος A dm = (A 1 A 2 )/2. Μετρήστε τη χαρακτηριστική -I o για V 1 = V 2 = 4 V, χρησιμοποιώντας το κύκλωμα 1.(1). Μετρήστε την αντίσταση εξόδου μικρού σήματος R o.

14 14 ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων Α Ακροδέκτες ηλεκτρονικών εξαρτημάτων Διπολικά τρανσίστορς, όπως φαίνονται από την πάνω όψη: (1) 2N2222A 2N2907A Διάταξη διπολικών τρανσίστορς: (2) CA Διάταξη MOS τρανσίστορς: V SS p p p n n n 9 CD4007 (3)