Σχεδίαση Αναλογικών Κυκλωμάτων VLSI

Σχεδίαση Αναλογικών Κυκλωμάτων VLSI «Τρανζίστορ και Απλά Κυκλώματα» (επανάληψη βασικών γνώσεων) Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ 1

Δομή Παρουσίασης MOSFET τρανζίστορ Περιοχές λειτουργίας Ενισχυτές με MOSFET Διπολικό τρανζίστορ Περιοχές λειτουργίας Ενισχυτές με διπολικά τρανζίστορ 2

Filed Effect Transistor (1/2) Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistor Η τάση ανάμεσα σε δύο ακροδέκτες του FET ελέγχει το πεδίο που δημιουργείται (field) και το ρεύμα που ρέει στον τρίτο ακροδέκτη του Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως ενισχυτής όσο και ως διακόπτης Το ρεύμα του συνιστάται μόνο από ένα τύπο φορέων (μονοπολικό τρανζίστορ) 3

Filed Effect Transistor (1/2) Ένας συγκεκριμένος τύπος FET, το Metal-Oxide Semiconductor FET, MOSFET) βρίσκει πρακτική εφαρμογή το τέλος της δεκαετίας του 70 Τα MOSEF μπορούν να γίνουν ιδιαίτερα μικρά Η διαδικασία για την κατασκευή τους είναι απλή Ψηφιακά κυκλώματα και λειτουργίες μπορούν να υλοποιούνται μόνο με χρήση MOSFET (χωρίς επιπλέον στοιχεία όπως αντιστάσεις διόδους κ.λπ.) Έτσι τα περισσότερα VLSI κυκλώματα υλοποιούνται με χρήση MOS(FET) τρανζίστορ Τελευταία η χρήση του επεκτείνεται και στην περιοχή των αναλογικών κυκλωμάτων 4

Φυσική δομή του FET Φυσική δομή του MOSFET πύκνωσης: (a) προοπτική, (b) τομή. Τυπικές τιμές: L = 0.1 έως 3 mm, W = 0.2 έως 100 mm και το πάχος οξειδίου της τάξης των 0.1 μm. 5

Δημιουργία καναλιού αγωγής ρεύματος Για τη συγκέντρωση επαρκούς ποσότητας ηλεκτρονίων πρέπει v GS > V t Εφαρμογή θετικής τάσης σε ένα NMOS πύκνωσης. Ένα n κανάλι σχηματίζεται στην επιφάνεια του υποβάθρου που βρίσκεται κάτω από την πύλη 6

Εφαρμογή υ DS μικρής τιμής NMOS τρανζίστορ με v GS > V t και μικρή v DS. Το στοιχείο συμπεριφέρεται ως αντίσταση της οποίας η τιμή καθορίζεται από την v GS. Συγκεκριμένα η αγωγιμότητα του καναλιού και κατά συνέπεια το i D είναι ανάλογα της v GS V t. 7

Χαρακτηριστικές i D - υ DS (Σχ. 4.3) Οι χαρακτηριστικές i D v DS του MOSFET του σχήματος 4.3 για μικρές τιμές v DS. Το στοιχείο λειτουργεί ως γραμμική αντίσταση με τιμή ελεγχόμενη από την v GS. 8

Λειτουργία με υ DS μεγάλης τιμής Λειτουργία του NMOS πύκνωσης καθώς αυξάνει η v DS. Το κανάλι δεν έχει ομοιόμορφο βάθος και η αντίστασή του αυξάνει καθώς κινούμαστε προς την υποδοχή. ( Η v GS διατηρείται σταθερή σε τιμή > V t ). 9

Χαρακτηριστική i D - υ DS Το ρεύμα υποδοχής i D συναρτήσει της τάσης υποδοχής-πηγής v DS για NMOS πύκνωσης με v GS > V t. 10

Τεχνολογία CMOS Τομή ενός CMOS ολοκληρωμένου κυκλώματος. Παρατηρήστε ότι το NMOS περικλείεται από μια περιοχή τύπου p γνωστή ως πηγάδι p (p well). Σε άλλη τεχνολογία CMOS θα μπορούσε το PMOS να περικλείεται σε ένα πηγάδι τύπου n. 11

Κυκλωματικά σύμβολα (a) Κυκλωματικό σύμβολο ενός NMOS πύκνωσης. (b) Τροποποιημένο σύμβολο με το βέλος στον ακροδέκτη της πηγής ώστε να διακρίνεται από την υποδοχή (αλλιώς η πύλη σχεδιάζεται πιο κοντά στην πηγή) και να καθορίζεται η πολικότητα (πχ κανάλι τύπου n). (c) Απλοποιημένο κυκλωματικό σύμβολο που χρησιμοποιείται όταν η πηγή είναι συνδεδεμένη με το σώμα (υπόβαθρο) ή όταν η επίδραση του σώματος δεν είναι σημαντική. Το MOS είναι συμμετρικό στοιχείο και τα S, D καθορίζονται από το εφαρμοζόμενο δυναμικό. Για το NMOS V D > V S ενώ για το PMOS V S > V D. 12

Χαρακτηριστικές i D - υ DS (a) Ένα NMOS πύκνωσης στο οποίο εφαρμόζονται v GS και v DS και σημειώνονται οι φορές των ρευμάτων στην κανονική λειτουργία. (b) Οι χαρακτηριστικές i D v DS του στοιχείου. 13

Τρίοδος ή γραμμική περιοχή Για τη λειτουργία στη γραμμική περιοχή πρέπει να σχηματιστεί κανάλι: και η τάση υ DS να παραμείνει αρκετά μικρή έτσι ώστε το κανάλι να παραμένει συνεχές. Αυτό επιτυγχάνεται όταν: V GS t DS GS V τότε, και αν η υ DS είναι αρκετά μικρή θα ισχύει: i D K[2( με K GS V ) t ( 1/ 2) C ( W / L) n DS OX 2 DS ] ή t και i D r DS 2K( V ) DS GS / i D t DS [2K( GS V t )] 1 14

Περιοχή κορεσμού Για τη λειτουργία στην περιοχή κορεσμού πρέπει να σχηματιστεί κανάλι: και η τάση υ DS να αυξηθεί ώστε να προκύψει στραγγαλισμός. Αυτό επιτυγχάνεται όταν: τότε: i D V GS t DS K GS V ( V GS t Στην περιοχή κορεσμού το ρεύμα είναι ανεξάρτητο της υ DS οπότε το MOS συμπεριφέρεται σαν μια ιδανική πηγή ρεύματος 15 t 2 )

Χαρακτηριστική i D - υ GS Η χαρακτηριστική i D v GS για έναν NMOS πύκνωσης που λειτουργεί στον κόρο 16

Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος k ' n C n OX Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος για ένα NMOS που λειτουργεί στην περιοχή κορεσμού 17

Επίπεδα τάσεων στους ακροδέκτες ενός NMOS Τα σχετικά επίπεδα των τάσεων στους ακροδέκτες ενός NMOS πύκνωσης για τη λειτουργία στην περιοχή τριόδου και στην περιοχή κορεσμού 18

Επίδραση της υ DS στο i D στην περιοχή κορεσμού Καθώς η υ DS αυξάνει πέρα από την υ DSsat το σημείο στραγγαλισμού μετακινείται λίγο από την υποδοχή προς την πηγή (διαμόρφωση καναλιού) i D 2 K( V ) (1 ) Τυπικές τιμές λ είναι από 0.005 έως 0.03V -1 GS t DS Η επίδραση της υ DS στο i D στην περιοχή κορεσμού. Η παράμετρος V A του MOSFET είναι μεταξύ 30 και 200V 19

Φαινόμενο διαμόρφωσης καναλιού και r o r o [ ( GS V t ) 2 ] 1 Η αντίσταση εξόδου r o είναι αντιστρόφως ανάλογη του dc ρεύματος Ι D Σχήμα 5.15 Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος του NMOS πύκνωσης στον κορεσμό. Η αντίσταση r o μοντελοποιεί τη γραμμική εξάρτηση του i D από τη υ DS. 20

MOSFET τύπου p (a) Κυκλωματικό σύμβολο του PMOS πύκνωσης, (b) Τροποποιημένο σύμβολο με το βέλος στην πηγή, (c) Απλοποιημένο σύμβολο για την περίπτωση ου το υπόβαθρο είναι συνδεδεμένο στην πηγή, (d) Οι τάσεις και τα ρεύματα του PMOS. Παρατηρήστε ότι η υ DS και η υ GS είναι αρνητικές και το ρεύμα i D εξέρχεται από την υποδοχή 21

Τρίοδος ή γραμμική περιοχή Για τη λειτουργία στη γραμμική περιοχή πρέπει να σχηματιστεί κανάλι (V t <0): V GS t και για την τάση υ DS να ισχύει : τότε, DS GS V t i D 2 K[2( V ) ] με K ( 1/ 2) C ( W / L) GS t DS DS n OX και υ GS, V t και υ DS αρνητικά 22

Περιοχή κορεσμού Για τη λειτουργία στην περιοχή κορεσμού πρέπει να σχηματιστεί κανάλι (V t <0): και αν: V GS t τότε, DS GS V t i D K ( V GS t 2 ) ή i D K( GS V t ) 2 (1 DS ) με υ GS, V t, υ DS και λ αρνητικά 23

Επίπεδα τάσεων στους ακροδέκτες ενός PMOS Τα σχετικά επίπεδα των τάσεων στους ακροδέκτες ενός PMOS πύκνωσης για τη λειτουργία στην περιοχή τριόδου και στην περιοχή κορεσμού 24

O ρόλος του σώματος Σε πολλές εφαρμογές ο ακροδέκτης Β συνδέεται στην πηγή με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας ένωσης pn ανάμεσα στο σώμα και το κανάλι η οποία έχει μια σταθερή ανάστροφη πόλωση. Τότε το σώμα δεν παίζει κανένα ρόλο στη λειτουργία του κυκλώματος. Στα ολοκληρωμένα κυκλώματα που το υπόβαθρο είναι κοινό το σώμα των NMOS συνδέεται στην πιο αρνητική τροφοδοσία ενώ το σώμα των PMOS συνδέεται στην πιο θετική τροφοδοσία. 25

O ρόλος του σώματος Η ανάστροφη τάση πόλωσης που προκύπτει ανάμεσα στην πηγή και το σώμα V SB (για το NMOS) επιδρά στην λειτουργία του κυκλώματος. Η ανάστροφη τάση πόλωσης οδηγεί σε αύξηση της περιοχή απογύμνωσης που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του βάθους του καναλιού. Για να επανέλθει το βάθος στην προηγούμενη τιμή πρέπει να αυξηθεί η V GS. 26

Φαινόμενο σώματος Η επίδραση της V SB στη μορφή του καναλιού μπορεί να αναπαρασταθεί με μια αλλαγή στη τάση κατωφλίου V t. Άρα θα μεταβληθεί και το ρεύμα i D παρόλο που η τάση υ GS μπορεί να έχει κρατηθεί σταθερή Έτσι η τάση σώματος ελέγχει το i D και συνεπώς το σώμα δρα ως μια άλλη πύλη στο MOSFET. Το φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει σημαντική υποβάθμιση της λειτουργίας του MOSFET 27

Θερμοκρασιακά φαινόμενα Η τάση κατωφλίου V t και το Κ είναι ευαίσθητες σε μεταβολές της θερμοκρασίας Το μέτρο της V t μειώνεται κατά περίπου 2 mv για αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1 ο C. Η μείωση αυτή οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος υποδοχής καθώς η θερμοκρασία αυξάνει Το Κ μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας με τέτοιο ρυθμό που καθίσταται το επικρατέστερο φαινόμενο. Τελικά η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση του ρεύματος υποδοχής 28

Διάσπαση και προστασία εισόδου Διάσπαση χιονοστιβάδας (50-100V) Διάσπαση Punch-through (20V, μικρό μήκος καναλιού) Διάσπαση οξειδίου της πύλης (50V) Το MOSFET έχει πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου και συνεπώς μικρή ποσότητα στατικού ηλεκτρισμού στον πυκνωτή της πύλης μπορεί να προσκαλέσει αρκετά μεγάλη τάση Χρησιμοποιούνται κυκλώματα προστασίας με διόδους πολωμένες ανάστροφα προς τις γραμμές τροφοδοσίας 29

Ενισχυτής μικρού σήματος Υποθετικό κύκλωμα για τη μελέτη της λειτουργίας του MOSFET ως ενισχυτή μικρού σήματος 30

Γραφική ανάλυση (1/2) Το αποτέλεσμα όταν το σημείο λειτουργίας συγκρατιέται μέσα στην περιοχή κορεσμού 31

Γραφική ανάλυση (2/2) Το αποτέλεσμα όταν το σημείο λειτουργίας μεταφέρεται προς την τρίοδο 32

Αλγεβρική ανάλυση Γνωρίζουμε ότι στην περιοχή κορεσμού: I D K ( V V GS t 2 ) οπότε: V D V DD R Η συνολική τάση πύλης-πηγής θα είναι: οπότε: i D K V D I D 2 2 ( GS Vt ) 2K( VGS Vt ) gs Kgs V GS GS gs αν gs 2( V V ) GS t (συνθήκη ασθενούς σήματος) τότε: i D K( V GS V t ) 2 2K( V GS V t ) gs Προσοχή: κεφαλαία μικρά σύμβολα & δείκτες 33

Αλγεβρική ανάλυση αφού: μπορώ να γράψω: με: i d i D K( V GS 2K( V V GS V t t ) ) 2 gs 2K( V i D I GS D V i d t ) gs οπότε: g m ( i / ) 2K( V V ) d gs GS t ή g C )( W / L)( V V ) m ( n OX GS t ή g 2 C W / m n OX L I D σύγκριση με BJTs Προσοχή: κεφαλαία μικρά σύμβολα & δείκτες 34

Η διαγωγιμότητα g m Λειτουργία ασθενούς σήματος του ενισχυτή με MOSFET πύκνωσης

36 Κέρδος τάσης D D DD D I R V V υπό συνθήκες ασθενούς ρεύματος: ) ( d D D DD D i I R V d D D D i R V ή άρα: gs D m D d d R g R i Οι συνολικές στιγμιαίες τάσεις v GS και v D για το κύκλωμα τον ενισχυτή μικρού σήματος

Μοντέλα ασθενούς σήματος Μοντέλα ασθενούς σήματος για τα MOSFET: (a) αγνοώντας την επίδραση της v DS στο i D (διαμόρφωση καναλιού) και (b) συμπεριλαμβάνοντας μέσω r o την επίδραση της v DS στο i D Η πεπερασμένη αντίσταση r o δίνεται από την: 2 r V /[ K( V ) V / o A GS t A I D και τότε το κέρδος τάσης είναι: g R // r ) m ( D o 37

Ισοδύναμο μοντέλο Τ (1/2) Η ανάπτυξη του Τ ισοδύναμου κυκλώματος των FET. Για λόγους απλούστευσης η r o έχει προστεθεί ανάμεσα στο D και στο S μόνο στο τελικό στάδιο (d) 38

Ισοδύναμο μοντέλο Τ (2/2) Άλλες αναπαραστάσεις του μοντέλου T 39

Πόλωση των FET σε σταθερή V GS Ο ποιο απλός τρόπος πόλωσης είναι να θέσουμε την τάση πύλης-πηγής σε μια σταθερή τιμή για να επιτύχουμε το επιθυμητό ρεύμα I D. Όμως: I D ( 1/ 2) C ( W / L)( V V n OX GS t 2 ) Υψηλή εξάρτηση του ρεύματος πόλωσης από τις παραμέτρους του στοιχείου αν δεν χρησιμοποιείται η R S. Τα στοιχεία 1 και 2 (device 1 & 2) είναι οι ακραίες περιπτώσεις μη ταιριάσματος για στοιχεία του ίδιου τύπου 40

Πόλωση των FET με σταθερή V G και αντίσταση στην πηγή Επιτυγχάνεται σταθερότητα στην πόλωση αν συμπεριληφθεί η R S :Τα στοιχεία 1 και 2 (device 1 & 2) είναι οι ακραίες περιπτώσεις μη ταιριάσματος για στοιχεία του ίδιου τύπου 41

Πόλωση των FET με ανάδραση από την υποδοχή στην πύλη Πόλωση του MOSFET με χρήση μεγάλης αντίστασης ανάδρασης R G. Εξασφαλίζεται σταθερότητα στο ρεύμα πόλωσης 42

Πόλωση με χρήση σταθερής πηγής ρεύματος Για το κύκλωμα που είναι γνωστό ως καθρέπτης ρεύματος ισχύει: I I REF ( W ( W / L) / L) 2 1 43

Η βασική δομή του ενισχυτή ενός σταδίου V OV : overdrive voltage 44

Ενισχυτής κοινής πηγής (a) O ενισχυτής κοινής πηγής με MOSFET (b) Ισοδύναμο κύκλωμα ασθενούς σήματος R R, R R // in G out D r o A o g m [ R // r ], A A [ R ( R R )] D o L L OUT 45

Ενισχυτής κοινής πύλης (1/2) (a) Ο ενισχυτής κοινής πύλης και (b) το μοντέλο ασθενούς σήματος 46

Ενισχυτής κοινής πύλης (2/2) Ο ενισχυτής κοινής πύλης έχει παρόμοιο κέρδος με αυτό του ενισχυτή κοινής πηγής (εκτός από την αναστροφή του σήματος) αλλά πολύ μικρότερη αντίσταση εισόδου. Ο ενισχυτής αυτός χρησιμοποιείται ως ενισχυτής με μοναδιαίο κέρδος ρεύματος και συχνά ονομάζεται ακόλουθος ρεύματος 47

Ενισχυτής κοινής υποδοχής (1/2) (a) Ενισχυτής κοινής υποδοχής ή ακόλουθος πηγής και (b) μοντέλο ασθενούς σήματος 48

Ενισχυτής κοινής υποδοχής (1/2) (c) Ανάλυση μικρού σήματος απ ευθείας στο κύκλωμα και (d) κύκλωμα για τον καθορισμό της αντίστασης εξόδου R out του ακόλουθου πηγής 49

Σύγκριση Η τοπολογία CS είναι η καλύτερη όταν επιθυμούμε μέγιστο κέρδος σε έναν ενισχυτή (περισσότερα από ένα στάδιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν Η μικρή αντίσταση εισόδου της CG τοπολογίας τις καθιστούν χρήσιμες ως ενισχυτές τάσης που δεν απαιτούν μεγάλη αντίσταση εισόδου (πολύ καλά χαρακτηριστικά στις υψηλές συχνότητες) και ως ενισχυτές ρεύματος μοναδιαίου κέρδους 50

Σύγκριση O ακόλουθος πηγής χρησιμοποιείται ως απομονωτής τάσης για τη σύνδεση μιας πηγής υψηλής αντίστασης σε ένα φορτίο χαμηλής αντίστασης και ως στάδιο εξόδου σε ενισχυτές πολλών σταδίων 51

Διπολικό Τρανζίστορ (εισαγωγή) Τρανζίστορ: ημιαγωγό στοιχείο τριών ακροδεκτών Η τάση μεταξύ των δυο ακροδεκτών χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του ρεύματος που ρέει από τον τρίτο ακροδέκτη Το ρεύμα μπορεί να πάρει τιμές από μηδέν έως κάποια μέγιστη τιμή οπότε το εξάρτημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως διακόπτης

Διπολικό Τρανζίστορ (εισαγωγή) Αποτελείται από δύο διόδους pn κατασκευασμένες με ειδικό τρόπο και συνδεδεμένες πλάτη με πλάτη Το ρεύμα που άγεται προέρχεται τόσο από ηλεκτρόνια όσο και από οπές

Διπολικό Τρανζίστορ (εισαγωγή) Δίνει μεγάλο gm για το ίδιο ρεύμα Δίνει ταυτόχρονα μεγάλη ταχύτητα και μεγάλο gm ( f g ) /( f g ) t m BIP t m MOS 16 ( VDD 2.5V,0.25m) ( f g ) /( f g ) t m BIP t m MOS 8 ( VDD 1.2V,90nm) 54

Διπολικό Τρανζίστορ (εισαγωγή) Χρησιμοποιείται ευρέως στη σχεδίαση κυκλωμάτων τόσο αναλογικών όσο και ψηφιακών Οι χαρακτηριστικές του είναι γνωστές και μπορεί κανείς να σχεδιάσει κυκλώματα των οποίων η συμπεριφορά θα είναι προβλέψιμη με μεγάλη ακρίβεια και αρκετά αναίσθητη σε μεταβολές των τιμών των παραμέτρων ου στοιχείου 55

Φυσική δομή και περιοχές λειτουργίας Αποτελείται από τρεις περιοχές, την περιοχή εκπομπού (emitter E) τύπου n, την περιοχή βάσης (base B) τύπου p και την περιοχή συλλέκτη (collector C) τύπου n. Ένας ακροδέκτης είναι συνδεδεμένος σε κάθε μια από τις τρεις περιοχές με αντίστοιχη ονομασία Απλοποιημένη μορφή του npn τρανζίστορ 56

Φυσική δομή και περιοχές λειτουργίας Αποτελείται από τρεις περιοχές, την περιοχή εκπομπού (emitter E) τύπου p, την περιοχή βάσης (base B) τύπου n και την περιοχή συλλέκτη (collector C) τύπου p Απλοποιημένη μορφή του pnp τρανζίστορ 57

Φυσική δομή και περιοχές λειτουργίας Απαρτίζεται από δύο ενώσεις pn, την ένωση εκπομπού βάσης (EBJ) και την ένωση συλλέκτηβάσης (CBJ). Ανάλογα με την κατάσταση πόλωσης, ορθή ή ανάστροφη, προκύπτουν διαφορετικές περιοχές λειτουργίας Περιοχή EBJ CBJ Αποκοπής Ανάστροφα Ανάστροφα Ενεργός Ορθά Ανάστροφα Κορεσμού Ορθά Ορθά 58

Λειτουργία του npn στην ενεργό περιοχή Ροή ρεύματος σε ένα npn τρανζίστορ πολωμένο στην ενεργό περιοχή 59

Λειτουργία του npn στην ενεργό To ρεύμα που ρέει μέσα στο ακροδέκτη του συλλέκτη I C δίνεται από την: Η σταθερά I S ονομάζεται ρεύμα κορεσμού, ενώ V T είναι η θερμική τάση Για το ρεύμα βάσης ισχύει: u BE / V T όπου β το κέρδος ρεύματος κοινού εκπομπού i C περιοχή I S e ib i C / Για το ρεύμα εκπομπού ισχύει: i E i c i B ή i C i E Όπου a /( 1) 60

Ισοδύναμα κυκλωματικά μοντέλα Ισοδύναμα κυκλώματα μεγάλου σήματος του npn τρανζίστορ που λειτουργεί στην ενεργό περιοχή 61

Η δομή των πραγματικών τρανζίστορ Εγκάρσια τομή ενός τρανζίστορ τύπου npn Η περιοχή του συλλέκτη περιβάλει αυτήν του εκπομπού Έτσι τα ηλεκτρόνια που εγχέονται στην βάση καταλήγουν στον συλλέκτη Οπότε το α παίρνει τιμές κοντά στη μονάδα και το β είναι πολύ μεγάλο 62

Λειτουργία του pnp στην ενεργό περιοχή Ροή ρεύματος σε ένα pnp τρανζίστορ που λειτουργεί στην ενεργό περιοχή 63

Ισοδύναμα κυκλωματικά μοντέλα Μοντέλο μεγάλου σήματος για το pnp τρανζίστορ που λειτουργεί στην ενεργό περιοχή 64

Κυκλωματικοί συμβολισμοί και συμβάσεις Κυκλωματικοί συμβολισμοί των διπολικών τρανζίστορ 65

Κυκλωματικοί συμβολισμοί και συμβάσεις Πολικότητες τάσης και ροή ρεύματος σε τρανζίστορ πολωμένα στην ενεργό περιοχή 66

Χαρακτηριστικές του τρανζίστορ Η i C υ CB χαρακτηριστική ενός npn τρανζίστορ 67

Χαρακτηριστικές του τρανζίστορ (a) Ιδεατό κύκλωμα για τη μέτρηση των i C υ CE χαρακτηριστικών του BJT. (b) Οι i C υ CE χαρακτηριστικές ενός τρανζίστορ στην πράξη 68

Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής (a) Ιδεατό κύκλωμα που δείχνει τη λειτουργία του τρανζίστορ σαν ενισχυτή. (b) Το κύκλωμα του σχήματος (a) χωρίς την πηγή του σήματος υ be για τη ανάλυση dc (πόλωση). 69

Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής Συνθήκες dc λειτουργίας I C I S e V BE / V T I B I C / I E IC / a V CE V CC I C R C Προσοχή στους συμβολισμούς (κεφαλαία-μικρά σύμβολα και δείκτες) 70

Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής Ρεύμα συλλέκτη και διαγωγιμότητα υ BE =V BE +υ be i C = I S e υ BE/V T = I s e V BE/V T e υ be/v T I C (1+υ be /V T ) για υ be << V T = Ι C + (I C /V T )υ be = I C + g m υ be (ic= g m υ be ) Προσοχή στους συμβολισμούς (κεφαλαία-μικρά σύμβολα και δείκτες) 71

Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής Γραμμική λειτουργία του τρανζίστορ σε συνθήκες ασθενούς σήματος: ένα μικρό σήμα υbe τριγωνικής κυματομορφής υπερτίθεται στην dc τάση VBE. Το σήμα αυτό προκαλεί ρεύμα συλλέκτη i c επίσης τριγωνικής κυματομορφής, το οποίο υπερτίθεται στο dc ρεύμα I C 72

Κυκλωματικά μοντέλα ασθενούς σήματος Το κύκλωμα του ενισχυτή χωρίς τις dc πηγές (V BE και V CC ). Έτσι παρουσιάζονται μόνο οι συνιστώσες του σήματος. Το κύκλωμα αυτό δεν είναι πραγματικό κύκλωμα ενισχυτή, απλώς παριστάνει την λειτουργία σήματος του τρανζίστορ. 73

Το μοντέλο υβριδικού π Δύο διαφορετικές εκδοχές του απλοποιημένου υβριδικού-π μοντέλου για τη λειτουργία ασθενούς σήματος του διπολικού τρανζίστορ. Το ισοδύναμο κύκλωμα στο (a) παριστάνει το τρανζίστορ σαν εξαρτημένη πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση (ενισχυτής διαγωγιμότητας), και στο (b) το τρανζίστορ παριστάνεται σαν εξαρτημένη πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από ρεύμα (ενισχυτής ρεύματος). 74

Το μοντέλο Τ Δύο διαφορετικές εκδοχές του μοντέλου Τ του BJT. Το ρεύμα στο (a) είναι πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση και αυτό στο (b) είναι πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από ρεύμα. Τα μοντέλα αυτά δείχνουν την αντίσταση εκπομπού r e σε αντίθεση με τα υβριδικά-π μοντέλα που δείχνουν την r π 75

Γραφική Ανάλυση Κύκλωμα του οποίου η λειτουργία αναλύεται γραφικά 76

Γραφική Ανάλυση Γραφική διερεύνηση του dc ρεύματος βάσης 77

Γραφική Ανάλυση Γραφική διερεύνηση του dc ρεύματος συλλέκτη I C και της τάσης V CE 78

Γραφική Ανάλυση Γραφική διερεύνηση των v be, i b, i c, και v ce όταν η συνιστώσα σήματος v i υπερτίθεται στην dc τάση V BB 79

Πόλωση του Διπολικού Τρανζίστορ Πόλωση των διπολικών τρανζίστορ με απλό τροφοδοτικό. (a) Κύκλωμα δημιουργίας V BE, (b) ο διαιρέτης τάσης έχει αντικατασταθεί από το ισοδύναμο Thevenin. Και στα δύο δημιουργούνται μεγάλες μεταβολές στο I C άρα και στην V CE γι αυτό δεν προτείνονται. 80

Πόλωση του Διπολικού Τρανζίστορ Πόλωση του BJT τρανζίστορ με χρήση δύο τροφοδοτικών. Η αντίσταση R B χρειάζεται μόνο αν το σήμα πρόκειται να συνδεθεί στην βάση. Αλλιώς η βάση μπορεί να συνδεθεί απ ευθείας στην γή 81

Πόλωση του Διπολικού Τρανζίστορ (a) Απλή εναλλακτική συνδεσμολογία κυκλώματος πόλωσης κατάλληλη για ενισχυτές κοινού εκπομπού με χρήση αντίστασης ανάδρασης R B. (b) Ανάλυση του κυκλώματος του σχήματος (a). 82

Πόλωση με χρήση πηγής ρεύματος (a) Ένα τρανζίστορ πολωμένο από σταθερή πηγή ρεύματος. (b) Κύκλωμα για την υλοποίηση της πηγής ρεύματος I. 83

Το τρανζίστορ ως διακόπτης - Περιοχή Κόρου Περιοχή Αποκοπής Απλό κύκλωμα που δείχνει τις διαφορετικές περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ Περιοχή Αποκοπής Αν η υ Ι είναι μικρότερη από περίπου 0.5 V, από την ένωση εκπομπού βάσης θα περνά αμελητέο ρεύμα. Στην πράξη, η ένωση αυτή θα πρέπει να θεωρηθεί ανάστροφα πολωμένη και το τρανζίστορ θα βρίσκεται στην περιοχή αποκοπής. Ισχύει: i B = 0, i E = 0, i C = 0, υ C = V CC 84

Το τρανζίστορ ως διακόπτης - Περιοχή Κόρου Περιοχή Αποκοπής Περιοχή Κόρου Στον κόρο η τάση της βάσης είναι μεγαλύτερη από την τάση συλλέκτη κατά περίπου 0.4 V ή 0.5 V. Έτσι η τάση στο συλλέκτη είναι μεγαλύτερη από την τάση στον εκπομπό κατά 0.3 V ή 0.2 V. Η ποσότητα αυτή ονομάζεται V CEsat. Η τιμή του ρεύματος του συλλέκτη στον κόρο δίνεται από την: I Csat = (V CC V CEsat ) / R C Για να εξασφαλίσουμε ότι το τρανζίστορ θα βρεθεί στην περιοχή κόρου αρκεί να επιβάλουμε ρεύμα βάσης τουλάχιστον ίσο με: I Bsat = I Csat /β 85

Στόχος αυτής της διάλεξης ήταν η επανάληψη βασικών εννοιών που αφορούν στα τρανζίστορ, κύριων στοιχείων των Αναλογικών Κυκλωμάτων Ερωτήσεις / Απορίες? 86