ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 4

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 4: Πόλωση των FET - Ισοδύναμα κυκλώματα Χατζόπουλος Αλκιβιάδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σχεδιασμός ενοτήτων: 1. Ημιαγωγική δίοδος 2. Ένωση pn 3. Τρανζίστορ FET 4. Πόλωση των FET - Ισοδύναμα κυκλώματα 5. Ενισχυτές με FET 6. Διπολικό τρανζίστορ (BJT) 7. Πόλωση των BJT - Ισοδύναμα κυκλώματα 8. Ενισχυτές με διπολικά τρανζίστορ 9. Ενισχυτές με ενεργό φορτίο 10. Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 4

5 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΠΟΛΩΣΗ ΤΩΝ FET - ΙΣΟΔΥΝΑΜΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

6 Περιεχόμενα ενότητας 1. Εισαγωγή πόλωση τρανζίστορ JFET (διαφ. 7-11) 2. Πόλωση τρανζίστορ MOS (διαφ ) 3. Καθρέπτες ρεύματος (διαφ ) 4. Ισοδύναμα κυκλώματα (διαφ ) ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ 6

7 Σύμβολα των FET G D S n channel G D S J FET p channel n-mos πύκνωσης p-mos πύκνωσης 7

8 JFET (1/2) Ι D = k[(v GS - V p )V DS - V 2 DS /2] XAΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ n-jfet Περιοχή πριν από τη φραγή Ι D = Ι DSS (1 - V GS / V p ) 2 Περιοχή μετά τη φραγή XAΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΞΟΔΟΥ n-jfet (Ι DSS = V p 2 k / 2) Vp ΤΑΣΗ ΦΡΑΓΗΣ Επίδραση τάσης Early V A = 1 / λ : Vp 8

9 JFET (2/2) V CC I REF I OUT 9

10 Κυκλώματα πόλωσης JFET V CC V DD V CC V DD V CC V DD G D R D G D R D R 1 G D R D R V G G S R G S R S R 2 S R S I R EF I O UT I R EF I O UT I R EF I O UT 10

11 Κύκλωμα αυτοπόλωσης με JFET R G G V DD R D S R S D V DD = i D (R D + R S ) + υ DS i D = - υ DS / (R D + R S ) + V DD / (R D + R S ) Ευθεία φόρτου DC V GS = -I D R S (I G = 0) Ι D = Ι DSS (1 - V GS / V p ) 2 = Ι DSS (1 + I D R S / V p ) 2 11

12 Πόλωση MOSFET (1/3) nmos 12

13 Πόλωση MOSFET (2/3) 13

14 Πόλωση MOSFET (3/3) Πόλωση με σταθερή τάση V GS Πόλωση με αντίσταση πηγής R S 14

15 Πόλωση MOSFET με καθρέπτη ρεύματος 15

16 Καθρέπτης ρεύματος με τρανζίστορ n-mos (τρανζίστορ στον κόρο) Για το Q1 είναι: V DS = V GS > V GS V t 16

17 Καθρέπτες ρεύματος για απορρόφηση (sink) και παροχή (source) ρεύματος (τρανζίστορ στον κόρο) 17

18 Καθρέπτης ρεύματος Wilson (τρανζίστορ στον κόρο) 18

19 Τροποποιημένος καθρέπτης ρεύματος Wilson Εξισορρόπηση της διαφοράς V DS μεταξύ των Q1 και Q2 του απλού καθρέπτη Wilson. 19

20 Κασκοδικός καθρέπτης ρεύματος (τρανζίστορ στον κόρο) Αντίσταση εξόδου αυξημένη κατά 10 έως 100 φορές σε σύγκριση με τον απλό καθρέπτη ρεύματος. Μειονέκτημα : μείωση του πλάτους διακύμανσης της εξόδου, διότι τα τρανζίστορ μπορεί να εισέλθουν στην γραμμική περιοχή λειτουργίας ( V o > 2 V ov + V tn ). 20

21 Πηγή ρεύματος Widlar (τρανζίστορ στον κόρο) Χρησιμοποιείται για μικρά ρεύματα. Υλοποιείται με μικρές τιμές αντιστάσεων, κατάλληλες για ολοκληρωμένα κυκλώματα. 21

22 Συνθήκες και εξισώσεις λειτουργίας J-FET n-jfet Ι DSS = V p 2 k / 2 ή k = 2 Ι DSS / V p 2 Δίαυλος Ωμική περιοχή Περιοχή μετά τη φραγή p V DS V GS Vp 0 V GS Vp V DS < V GS Vp 0 > V GS Vp n V DS V GS Vp 0 V GS Vp V DS > V GS Vp 0 < V GS Vp R SD = L /σα Ι D = k[(v GS V p )V DS V 2 /2] DS 2 Ι D = Ι DSS(1 V GS /V p ) g m = (2Ι DSS /V p )(1 V GS /V p ) 22

23 Συνθήκες και εξισώσεις λειτουργίας MOSFET πύκνωσης n-μοs Δίαυλος Ωμική περιοχή Περιοχή κορεσμού p n V DS V GS V t 0 V GS V t V DS V GS V t 0 V GS V t V DS < V GS V t 0 > V GS V t V DS > V GS V t 0 < V GS V t Ι D =k n (W/L)[(V GS V t )V DS V 2 DS /2] Ι D = (½)k n (W/L)(V GS V t)2 g m = k n (W/L)(V GS V t ) = 2Ι D /V ov 23

24 Υβριδικό π ισοδύναμο του JFET (1/2) G V CC pf C gd D C gs g m υ GS r o C ds 1-3 pf I REF S I OUT 24

25 Υβριδικό π ισοδύναμο του JFET (2/2) G V CC pf C gd D C gs g m υ GS r o C ds 2-20 pf I REF S I OUT 25

26 Υβριδικό π ισοδύναμο των FET στις μέσες συχνότητες G D g m υ GS r o S Μόνο όταν λαμβάνεται υπόψη το φαινόμενο διαμόρφωσης μήκους καναλιού. 26

27 Μοντελοποίηση του φαινομένου σώματος των MOSFET Διαγωγιμότητα σώματος g mb 27

28 Ισοδύναμο μοντέλο T 28

29 Ισοδύναμο μοντέλο T με αντίσταση ro 29

30 Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Χατζόπουλος Αλκιβιάδης. «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι, Πόλωση των FET - Ισοδύναμα κυκλώματα». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη 2015 Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 30

31 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Μη Εμπορική Χρήση - Όχι Παράγωγα Έργα 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο [1] 31

32 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Επεξεργασία: Σβάρνα Κωνσταντίνα Θεσσαλονίκη, χειμερινό εξάμηνο

33 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σημειώματα

34 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.