Κεφάλαια 4 ο και 6 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Τρανζίστορ Φαινομένου

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τρανζίστορ Φαινομένο Πεδίο (FET FET) Ι Κεφάλαια 4 ο και 6 ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Το MO τρανζίστορ σε ενισχτές. Ενισχτής κοινής πύλης 3. Ενισχτής κοινής πηγής 4. Ενισχτής κοινής ποδοχής 5. Καθρέπτης ρεύματος 6. CMO ενισχτής VL Techly ad Cputer rchtecture Lab Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ

2 Το MO ως Ενισχτής (Ι) Είσοδος Σήμα Ι d V Ενισχτής V MO Ο V Πόλωση Έξοδος V ds Για να χρησιμοποιηθεί MOFET τρανζίστορ σε κκλώματα ενισχτών θα πρέπει να λειτοργεί, με την κατάλληλη πόλωση, στην περιοχή κόρο. Στο σχήμα δίδεται κύκλωμα ενισχτή με MO. Στο κύκλωμα το σχήματος, η εύρεση το σημείο λειτοργίας (C πόλωσης) επιτγχάνεται θέτοντας 0. Το ρεύμα στον απαγωγό, για την περιοχή το κόρο, θα δίνεται από τη σχέση: K ( V V ) χωρίς να λαμβάνεται π όψιν το φαινόμενο διαμόρφωσης καναλιού, δηλ. λ0. t Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 3 Το MO ως Ενισχτής (ΙΙ) Κόρος V Επιπλέον ισχύει: V V MO Το τρανζίστορ θα λειτοργεί στην περιοχή το κόρο όταν V > (V V t ). Καθώς θα πρέπει να λάβομε π όψιν και τη μεταβαλλόμενη σνιστώσα της το V θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο το (V V t ). Με δεδομένο ότι V, θα ισχύει: V K ( V ) K ( V V ) t t K ( V V ) K ( V V ) K t t Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 4

3 Το MO ως Ενισχτής (ΙΙΙ) Κόρος V Ισοδύναμα γράφομε: K ( V V t ) K μη γραμμικός όρος MO Αν κρατήσομε το σήμα εισόδο μικρό έτσι ώστε: K << K ( V Vt ) ή αλλιώς: << (V V t ) V τότε καθώς d θα ισχύει: d K ( V Vt ) Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 5 Το MO ως Ενισχτής (ΙV) Κόρος V Η παράμετρος πο σνδέει τα d και είναι η και ονομάζεται διαγωγιμότητα: d K µ ε W t L ( V V ) ( V V ) t x t MO V µ ε/ t x W/L Η διαγωγιμότητα αντιπροσωπεύει την κλίση της d χαρακτηριστικής στο σημείο πόλωσης: d V Ι Σημείο Λειτοργίας V t V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 6 3

4 Το MO ως Ενισχτής (V) Κόρος V Για την τάση στον απαγωγό θα ισχύει (KVL): V V ( d ) ( V ) d V d MO Επειδή V ds ισχύει ότι το σήμα στον απαγωγό θα δίνεται από τη σχέση: V ds d Σνεπώς η απολαβή (κέρδος) τάσης θα είναι: Το μείον στη σχέση δηλώνει διαφορά φάσης των δύο σημάτων 80 ο Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 7 ds ax V χαρακτηριστική εισόδο εξόδο στον κόρο Το MO ως Ενισχτής (V) Q κλίση V κλίση Q ( V ) V χαρακτηριστική εξόδο κόρος ax V V V V t ax V εθεία φόρτο ax V pp_ V pp_ t Είσοδος t Έξοδος ax V ax V t Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 8 4

5 Πηγή Ρεύματος Ελεγχόμενη από Τάση V εθεία φόρτο d σημείο λειτοργίας ax Ι V Ι V V t V t t ds Το MO σμπεριφέρεται ως μία πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 9 Ισοδύναμο Μοντέλο Ασθενούς Σήματος µ ε/ t x W/L Μοντέλο Ασθενούς Σήματος για Λειτοργία στον Κόρο Το μοντέλο είναι το ίδιο και για pmo και για MO τρανζίστορ d r r V ds ( //r ) Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 0 5

6 Μη Γραμμική Λειτοργία εθεία φόρτο > ax ax V V V t t Μη γραμμική παραμόρφωση καθώς το στιγμιαίο σημείο λειτοργίας εισέρχεται στην τρίοδο περιοχή. Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ Ενισχτής 5V 0ΚΩ 0MΩ Παράδειγμα 4(Ι) Ποιο το κέρδος τάσης ασθενούς σήματος για το κύκλωμα το σχήματος και ποια η αντίσταση εισόδο, αν V t.5v, K 0.5/V και V 50V; L 0ΚΩ Αγνοήστε το φαινόμενο διαμόρφωσης μήκος καναλιού στις εξισώσεις το ρεύματος στον κόρο. Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 6

7 5V 0ΚΩ Παράδειγμα 4(ΙΙ) Εύρεση Σημείο Λειτοργίας C Ανάλση Ισχύει ότι V V Λειτοργία στον κόρο καθώς εξασφαλίσαμε ότι V > V V t! 0MΩ K ( V V ) t 0 L 0ΚΩ K ( V V ) t Στο C οι πκνωτές δρον ως ανοικτοκκλώματα! V και: V Λύνοντας έχομε το σημείο λειτοργίας:.06 και V V 4.4V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 3 Παράδειγμα 4(ΙΙΙ) 0ΚΩ C Ανάλση Μικρού Σήματος Η αντίσταση εξόδο r θα είναι: 0MΩ L 0ΚΩ Στην C λειτοργία οι πκνωτές δρον ως βραχκκλώματα! r V 47KΩ Η διαγωγιμότητα θα είναι: Στην ΑC ανάλση οι C πηγές τάσης βραχκκλώνονται και οι C πηγές ρεύματος ανοικτοκκλώνονται! Δηλ. οι C πηγές μηδενίζονται! ( V V ) 0.75 / V K t Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 4 7

8 Παράδειγμα 4(ΙV) L r Ν. Oh Χρήση ισοδύναμο κκλώματος ασθενούς σήματος. Αγνοούμε το ρεύμα μέσα από την καθώς 0MΩ >>>. ( // //r ) ( // // r ) L L Σνεπώς το κέρδος τάσης θα είναι: ( // //r ) 3. 3 Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 5 L Παράδειγμα 4(V) r L Το ρεύμα εισόδο θα είναι: Ν. Oh ( ) Η αντίσταση εισόδο θα είναι: ( ) ( Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 6 ).33MΩ 8

9 Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής () Κόρος V Ι Βασικό Κύκλωμα Μελέτης Ενισχτών με MOFET L Ο ακροδέκτης Υ (πηγή) σνδέεται στη γη. Το σήμα εισόδο σνδέεται στον ακροδέκτη Χ (πύλη). Η αντίσταση φόρτο σνδέεται στον ακροδέκτη Ζ (απαγωγός ποδοχή). Το κύκλωμα αποτελεί δίθρο με τη θύρα εισόδο ανάμεσα στην πύλη και τη πηγή (γη) και τη θύρα εξόδο ανάμεσα στον απαγωγό και την πηγή (γη). Σνεπώς η πηγή είναι κοινός ακροδέκτης και στις δύο θύρες. V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 7 Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής (Ι) Αντικατάσταση MOFET με το ισοδύναμο κύκλωμα ασθενούς σήματος. Για την εύρεση της αντίστασης εισόδο εφαρμόζομε στην είσοδο τάση και λαμβάνοντας πόψιν το ρεύμα προκύπτει: L r Η L είναι ο φόρτος, δεν αποτελεί τμήμα το ενισχτή Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 8 9

10 Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής (V) Για την εύρεση της αντίστασης εξόδο ut θέτομε 0 και L * Σνεπώς, 0! Εφαρμόζομε τάση z στην έξοδο και λαμβάνοντας ας πόψιν το ρεύμα z προκύπτει: z ut z // r 0 L r z z ut * Η L είναι ο φόρτος, δεν αποτελεί τμήμα το ενισχτή Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 9 Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής (V) Κέρδος Τάσης ut Ανοικτού Κκλώματος L (χωρίς την L ) ( // // r ) L r Κέρδος Τάσης L Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 0 0

11 Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης () Κόρος V Ο ακροδέκτης Χ (πύλη) σνδέεται στη γη. Το σήμα εισόδο σνδέεται στον ακροδέκτη Υ (πηγή). Η αντίσταση φόρτο σνδέεται στον ακροδέκτη Ζ (απαγωγός ποδοχή). Ι L Το κύκλωμα αποτελεί δίθρο με τη θύρα εισόδο ανάμεσα στην πηγή και τη πύλη (γη) και τη θύρα εξόδο ανάμεσα στον απαγωγό και τη πύλη (γη). Σνεπώς η πύλη είναι κοινός ακροδέκτης και στις δύο θύρες. V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης (Ι) Αντικατάσταση MOFET με το ισοδύναμο κύκλωμα ασθενούς σήματος. Για να απλοποιήσομε το κύκλωμα χρησιμοποιούμε το δεδομένο ότι η r είναι μια πολύ μεγάλη αντίσταση και σνεπώς μπορεί να παραληφθεί! L r r << Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ

12 Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης (Ι) Για την εύρεση της αντίστασης εξόδο ut θέτομε 0 & L! Εφαρμόζομε τάση z στην έξοδο το ενισχτή. 0 ut // r (r ) (r ) L r z Δεχόμαστε ότι η r είναι μια πολύ μεγάλη αντίσταση και σνεπώς μπορεί να παραληφθεί! 0 ut Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 3 Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης (Ι) ( L // ) r Κέρδος Τάσης L r Δεχόμαστε ότι η r είναι μια πολύ μεγάλη αντίσταση και σνεπώς μπορεί να παραληφθεί! Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 4

13 Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής () Κόρος V Ο ακροδέκτης Ζ (ποδοχή) σνδέεται στη γη. Το σήμα εισόδο σνδέεται στον ακροδέκτη Χ (πύλη). Η αντίσταση φόρτο σνδέεται στον ακροδέκτη Υ (πηγή). Ι Το κύκλωμα αποτελεί δίθρο με την ποδοχή ως κοινό ακροδέκτη των δύο θρών. Ακόλοθος Πηγής L urce Fllwer V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 5 Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής (Ι) Αντικατάσταση MOFET με το ισοδύναμο κύκλωμα ασθενούς σήματος. Για την εύρεση της αντίστασης εισόδο εφαρμόζομε στην είσοδο τάση και λαμβάνοντας πόψιν το ρεύμα προκύπτει: r L Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 6 3

14 Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής (ΙΙΙ) Για την εύρεση της αντίστασης εξόδο ut θέτομε 0 & L! Εφαρμόζομε τάση y στην έξοδο το ενισχτή. y ( /r //r y y y y ) ut y < < r r 0 y r y y L ut Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 7 Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής (V) Κέρδος Τάσης Ανοικτού Κκλώματος < r r ( /r ) L r r L Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 8 4

15 Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής (V) Κέρδος Τάσης ( //r ) ( //r ) ( ) ) L L L //r //r / ( ) ( ) L < r αν L >>/ L Χρήση ως απομονωτής Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 9 Ενισχτής Μόνο με Χρήση MO (Ι) V Μόνιμα στον κόρο τρίοδος Q Καμπύλη Φόρτο κόρος Q Ι Ο O V V O K ( V t ) K (V V t ) Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 30 5

16 Ενισχτής Μόνο με Χρήση MO (Ι) V Μόνιμα στον κόρο Κόρος Τρίοδος Q Q Αποκοπή Χαρακτηριστική Μεταφοράς (εισόδο εξόδο) Ι Ο Θεωρούμε ότι V t V t V t. Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 3 Ενισχτής Μόνο με Χρήση MO (Ι) Στον κόρο το Q ισχύει: V K ( V t ) K ( V t ) Q K ( V t ) K (V Ο V t ) Ι Q Ο O V V Σνεπώς: t K V t K K K Το κύκλωμα λειτοργεί ως γραμμικός ενισχτής μεγάλο σήματος με κέρδος τάσης: K K ( W/L) ( W/L) Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 3 6

17 Ενισχτής Μόνο με Χρήση MO (ΙV) Σμπεριφορά το ενισχτή σε ασθενή σήματα. Χρήση μοντέλων ασθενούς σήματος. [(/ ) // r // r ] και /r /r µ C x W/L / r r Στην ΑC ανάλση οι C πηγές τάσης βραχκκλώνονται! Q Q Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 33 Καθρέπτης Ρεύματος Λειτοργεί στον κόρο Κλίση V V Πρέπει να λειτοργεί στον κόρο όριο Κόρο Τριόδο EF K (V V t ) O K (V V t ) O EF K K O EF ( W/L) ( W/L) Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 34 7

18 MO Καθρέπτες Ρεύματος Cascde Βασικός Wls Τροποποιημένος Wls Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 35 Ο CMO Ενισχτής (Ι) Q : ενεργό φορτίο Q στην τρίοδο Q στον κόρο Κλίση Χαρακτηριστική Q V Ο και Ο Τα Q QQ 3 αποτελούν ένα ταιριασμένο ζεύγος τρανζίστορ (έχον ίδια χαρακτηριστικά) και σνθέτον μία πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από το ρεύμα αναφοράς EF. Το Q πρέπει να λειτοργεί στον κόρο όπο και θα ισχύει: V r >> EF V Ο Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 36 8

19 Ο CMO Ενισχτής (ΙΙ) Q στην τρίοδο Q στον κόρο κλίση r Κέρδος Ασθενούς Σήματος: [ r //r ] Χαρακτηριστικές Q (Q : σνδεσμολογία κοινής πηγής) x ( W/L) EF 4KEF µ C V r r K EF EF V V Q : Αποκοπή Q : Κόρος Q : Τρίοδος Q : Κόρος Q : Κόρος Q : Τρίοδος Q : Κόρος Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 37 Ο CMO Ενισχτής (ΙΙΙ) (r // r ) και Στην ΑC ανάλση οι C πηγές τάσης βραχκκλώνονται και οι C πηγές ρεύματος ανοικτοκκλώνονται! (r //r ) (r //r ) s 0 ο r r s 0 Q: MO Q: pmo Χρήση μοντέλων ασθενούς σήματος για Q και Q Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 38 9

20 Παράδειγμα 5(Ι) Δεδομένα: V 0V, V t V tp V, K 00μ/V, K p 50μ/V, V 00V και EF 00μ. Ζητούμενα: α) Ποιο το κέρδος ασθενούς σήματος; β) Ποια τα όρια της περιοχής ενίσχσης, δηλ. της γραμμικής περιοχής (περιοχή ΙΙΙ) στην χαρακτηριστική εισόδο εξόδο; (α) K EF V 00 Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 39 Παράδειγμα 5(ΙΙ) (β) Προσδιορισμός της τάσης V των Q και Q 3, όπο ισχύει EF. Χρήση σχέσης ρεύματος στον κόρο. Έτσι V.44V. ( ) V V Vtp V Kp Q στην τρίοδο Q στον κόρο Άρα: V O V (V V tp ) 8.586V. V O Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 40 0

21 Παράδειγμα 5(ΙΙΙ) Λύνοντας ως προς O καταλήγομε στη σχέση: Για τον προσδιορισμό της V ΙΑ εκμεταλλεόμαστε το γεγονός ότι τα ρεύματα ποδοχής των Q και Q είναι ίσα. O K Vt V EF ( ) K p ( ) V O V Vtp V V V O EF K ( ) Vt EF V Αντικαθιστώντας: O V O 8.585V και V παίρνομε V.963V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 4 Παράδειγμα 5(ΙV) Καθώς η γραμμική περιοχή είναι πολύ στενή μπορούμε να θεωρήσομε ότι V ΙΒ V ΙΑ V. Επειδή το Β ανήκει στο όριο κόρο και τριόδο περιοχής ισχύει: V ΟΒ V ΙB V t V. Και σε ατή την περίπτωση ισχύει: V V O EF K ( ) Vt EF V Αντικαθιστώντας: O V OΒ V και V Β παίρνομε V Β.039V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 4

22 Παράδειγμα 5(V) Χρησιμοποιώντας τη νέα τιμή το V B στη σχέση πο ορίζει το όριο μεταξύ κόρο και τριόδο, παίρνομε την νέα (πιο ακριβή) τιμή το V OB : V ΟΒ V ΙB V t.039v Ισχύει: ΔV Ι V ΙΒ V ΙΑ 37V και αντίστοιχα: ΔV ΟΒ V ΟΑ V ΟΒ 7.586V VO Το κέρδος τάσης ισχρού σήματος θα είναι: V V Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 43 Το MO Τρανζίστορ ως Διακόπτης V s V V Ι s V T T t Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 44

23 Παράδειγμα 6(Ι) V 0V Δεδομένα: Στο κύκλωμα το σχήματος ισχύει: V 0V, V t.v και 45KΩ., t 45KΩ Ι Ζητούμενα: Να δοθεί η κματομορφή εξόδο το κκλώματος f( s ) αν η είσοδος έχει την κματομορφή πο ακολοθεί. s s 0V 5s t Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 45 Παράδειγμα 6(Ι) 00μ V µ. s 0V V V V 0V V 8V.V 00μΑ K( Vt) V 6V V V t.v 0V V V V 0V Η χαρακτηριστική θεωρείται δεδομένο το προβλήματος V t T5s Τρανζίστορ Φαινοµένο Πεδίο ΙΙ 46 3