ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 4.1 MOS Τρανζίστορ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙV ΤΟ MOS ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ 4.1.1 Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η γνωριµία µε το MOS τρανζίστορ και η χρήση του στην υλοποίηση ενισχυτικών διατάξεων. Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε την τοπολογία του ενισχυτή κοινής πηγής. Το MOS τρανζίστορ είναι ένα κυκλωµατικό στοιχείο τριών ακροδεκτών που δοµείτε από δύο περιοχές διάχυσης (υποδοχήαπαγωγός και πηγή) τύπου p(n) σε υπόστρωµα Si τύπου n(p). Στην επιφάνεια του ηµιαγωγού, µεταξύ των δύο περιοχών διάχυσης, υπάρχει ηλεκτρόδιο (πύλη) το οποίο µονώνεται από το υπόστρωµα µε µονωτή SiO 2 και το οποίο ελέγχει τη δηµιουργία καναλιού µεταξύ υποδοχής και πηγής. Το τρανζίστορ µε p τύπου διάχυση ονοµάζεται pmos ενώ αυτό µε n τύπου διάχυση ονοµάζεται nmos. Τα κυκλωµατικά σύµβολα των δύο τύπων του MOS τρανζίστορ δίδονται στο Σχήµα 4.1, όπου σηµειώνονται και τα ονόµατα των τριών ακροδεκτών: πύλη (G), υποδοχήαπαγωγός (D) και πηγή (S). Στο MOS τρανζίστορ σηµειώνουµε και έναν τέταρτο ακροδέκτη που αναφέρεται στην πόλωση του υποστρώµατος (Β). Ο ακροδέκτης του υποστρώµατος φέρει βέλος η φορά του οποίου προσδιορίζει και τον τύπο του τρανζίστορ. S D G B G B D Σχήµα 4.1: α) Κυκλωµατικό σύµβολο pmos τρανζίστορ και β) nmos τρανζίστορ Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας του MOS τρανζίστορ, η περιοχή του κόρου, η τρίοδος ή γραµµική περιοχή, και η περιοχή της αποκοπής. α) Περιοχή Κόρου: Για να λειτουργεί το τρανζίστορ στην περιοχή του κόρου θα πρέπει να ισχύει V GS V t >0 και V DS V GS V t (όπου V t η τάση κατωφλίου του τρανζίστορ). Σε αυτή την περίπτωση το ρεύµα στην υποδοχή δίδεται από τη σχέση I D =K(V GS V t ) 2, όπου Κ ο συντελεστής απολαβής του τρανζίστορ. Η περιοχή του κόρου είναι εκείνη που χρησιµοποιείται κατά την λειτουργία του τρανζίστορ σε ενισχυτικές διατάξεις. β) Τρίοδος Περιοχή: Το τρανζίστορ λειτουργεί στην τρίοδο περιοχή όταν: V GS V t >0 και V DS < V GS V t. Σε αυτή την περιοχή I D =K[2(V GS V t )V DS V 2 DS]. γ) Περιοχή Αποκοπής: Το τρανζίστορ βρίσκεται στην περιοχή της αποκοπής όταν V GS V t, όπου και ισχύει I D 0. S 29

Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής 4.1.2 Ο ενισχυτής κοινής πηγής: Η συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινής πηγής δίδεται στο Σχήµα 4.2. Το MOS τρανζίστορ πρέπει να λειτουργεί στην περιοχή του κόρου µε κατάλληλη επιλογή των τιµών των τάσεων και V SS, του ρεύµατος πόλωσης Ι και των αντιστάσεων R G1, R G2 και R D. R G1 R D υ i R G2 Ι Φορτίο R L υ o Σχήµα 4.2: Συνδεσµολογία ενισχυτή κοινής πηγής Το κέρδος τάσης ανοικτού κυκλώµατος του ενισχυτή είναι: A υ υ = υ o i = g όπου, g m =2K n (V GS V t ) η διαγωγιµότητα και r o =V A /I D η αντίσταση εξόδου του τρανζίστορ. V SS m (R D // r o ) 4.1.3 Το ολοκληρωµένο CD4007: Το ολοκληρωµένο CD4007 αποτελείται από 3 pmos και 3 nmos τρανζίστορ πύκνωσης. Η τοπολογία των ακροδεκτών του παρουσιάζεται στο Σχήµα 4.3. Όλα τα pmos τρανζίστορ µεταξύ τους και όλα τα nmos τρανζίστορ µεταξύ τους έχουν κοινή πόλωση υποστρώµατος στον ακροδέκτη 14 της τροφοδοσίας και στον ακροδέκτη 7 της τροφοδοσίας V SS αντίστοιχα. Ανά ζεύγος pmos και nmos τρανζίστορ ο ακροδέκτης της πύλης είναι κοινός. ύο τρανζίστορ (ένα pmos και ένα nmos) έχουν κοινό ακροδέκτη υποδοχής τον ακροδέκτη 12. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε στο εγχειρίδιο χρήσης/λειτουργίας του ολοκληρωµένου, που επισυνάπτετε στο τέλος του φυλλαδίου. Σχήµα 4.3: Το ολοκληρωµένο CD4007 30

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 4.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE. 4.2.1 Χαρακτηριστικές MOS τρανζίστορ: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία που δίδεται στο Σχήµα 4.4. Το σύµβολο του MOS τρανζίστορ υπάρχει στην PSPICE βιβλιοθήκη breakout.olb. V GS V DS Σχήµα 4.4: Τοπολογία εξαγωγής χαρακτηριστικών MOS τρανζίστορ A) Στο περιβάλλον προσοµοίωσης PSPICE, πραγµατοποιήστε, DC ανάλυση σάρωσης (DC sweep) µε µεταβλητή την τάση V GS. Το εύρος των τιµών σάρωσης να είναι από 0 ως 12V και το βήµα 200mV. Στην τάση V DS να δοθεί η DC τιµή 12V. Στο γραφικό περιβάλλον προσοµοίωσης εµφανίστε την καµπύλη της χαρακτηριστικής εισόδου I D V GS του nmos τρανζίστορ, όπου I D το ρεύµα στον κλάδο της υποδοχής (απαγωγού). Σχεδιάστε την χαρακτηριστική στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και µετρήστε την τάση κατωφλίου V tn του τρανζίστορ. (Κάντε χρήση της βιβλιοθήκης CD4007.lib. Τα µεγέθη των τρανζίστορ είναι αντίστοιχα: pmos W p /L p =60µm/10µm και nmos W n /L n =30µm/10µm.) I D V GS V tn = 31

Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής B) Πραγµατοποιήστε, DC ανάλυση σάρωσης (DC sweep) µε πρωτεύουσα µεταβλητή σάρωσης την τάση V DS και δευτερεύουσα µεταβλητή σάρωσης την τάση V GS. Το εύρος των τιµών σάρωσης να είναι από 0 ως 12V και το βήµα 200mV. Στο γραφικό περιβάλλον προσοµοίωσης εµφανίστε το σµήνος των καµπυλών της χαρακτηριστικής I D V DS για τις διάφορες τιµές της τάσης V GS. Σχεδιάστε την χαρακτηριστική στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. I D V DS 4.2.2 Ο ενισχυτής κοινής πηγής: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινής πηγής του Σχήµατος 4.5. Επιλέξτε: =12V, και R D =100ΚΩ. i D R D υ Ο υ i V Ι Σχήµα 4.5: Ενισχυτής κοινής πηγής 32

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Α) Πραγµατοποιήστε DC ανάλυση µε παράµετρο την τάση V I, σαρώνοντάς την από 0V έως 12V και µε βήµα 10mV. Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του ενισχυτή υ Ο = f(υ I ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και προσδιορίστε την γραµµική περιοχή της. Από τη γραφική παράσταση προσδιορίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Ποιο είναι το βέλτιστο σηµείο πόλωσης (V Iopt ) του ενισχυτή; Με αναφορά το σηµείο πόλωσης που υπολογίσατε, ποιο το µέγιστο πλάτος του σήµατος εισόδου (V i ) για λειτουργία στη γραµµική περιοχή; υ O Εύρος γραµµικής περιοχής: (υ I1, υ O1 ) = έως (υ I2, υ O2 ) = Α υ = V Iopt = V imax = υ I Β) Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis χρησιµοποιώντας DC πηγή µε τάση την τάση V Iopt του βέλτιστου σηµείου πόλωσης (υποερώτηµα Α), και πηγή ηµιτονικού σήµατος µε πλάτος V i =100mV και συχνότητα 1ΚHz (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=100mV και VOFF=0). Απεικονίστε στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. Υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Αυξάνοντας το πλάτος του σήµατος εισόδου σε V i =1V καταγράψτε τι παρατηρείτε στην κυµατοµορφή του σήµατος εξόδου. Αιτιολογήστε την κυµατοµορφή που παρατηρείτε. Α υ = Παρατήρηση/Αιτιολόγηση: 33

Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής 4.3 Υλοποίηση στο εργαστήριο. 4.3.1 Χαρακτηριστικές MOS τρανζίστορ: Με τη χρήση του ολοκληρωµένου κυκλώµατος CD4007 υλοποιήστε στο breadboard το κύκλωµα του Σχήµατος 4.6 σύµφωνα µε τις υποδείξεις του Σχήµατος 4.7 και το εγχειρίδιο του ολοκληρωµένου (προτείνεται η χρήση του nmos τρανζίστορ µε την πύλη στον ακροδέκτη 6). Αµπερόµετρο Τρίµερ V GS 6 G D 8 S 7 CD400 V DS Σχήµα 4.6: Κύκλωµα για την εξαγωγή των χαρακτηριστικών του MOS τρανζίστορ 12V Ρελέ Παλµογράφος 0V 6 8 V DS Τροφοδοτικό 14 Τρίµµερ CD4007 V GS 7 Gnd Πολύµετρο Σχήµα 4.7: Υλοποίηση πειραµατικής τοπολογίας 34

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Α) Χρησιµοποιήστε το τροφοδοτικό για να δώσετε DC τάση V DS =12V. Συνδέστε το πολύµετρο, ως αµπερόµετρο, σε σειρά στο κύκλωµα. Επιπρόσθετα, χρησιµοποιήστε µεταβλητή αντίσταση (τρίµερ) των για να οδηγήσετε την πύλη του τρανζίστορ ( =12V). Μεταβάλλοντας την αντίσταση του τρίµµερ ώστε η τάση V GS να µεταβληθεί από 0V σε 12V (µε βήµα: 200mV µέχρι το 1V, 500mV µέχρι τα 3V, 1V µέχρι τα 6V και στη συνέχεια ανά 2V µέχρι τα 12V) µετρήστε το ρεύµα I D στην υποδοχή του τρανζίστορ. Κάντε χρήση του παλµογράφου για την µέτρηση της V GS. Απεικονίστε στους άξονες που ακολουθούν την καµπύλη I D =f(v GS ). Εκτιµήστε την τάση κατωφλίου V tn του MOS τρανζίστορ. I D V tn = V GS Β) Στο ίδιο κύκλωµα ρυθµίστε διαδοχικά µε το τρίµερ την τάση V GS στις τιµές 2V, 4V και 6V. Για καθεµία από τις τιµές της V GS µεταβάλλετε την V DS (τροφοδοτικό) από 0V έως 12V (µε βήµα: 200mV µέχρι το 1V, 0.5V µέχρι τα 3V, 1V µέχρι τα 6V και στη συνέχεια ανά 2V µέχρι τα 12V) και µετρήστε το ρεύµα I D στην υποδοχή του τρανζίστορ. Κάντε χρήση και του δεύτερου καναλιού του παλµογράφου για την µέτρηση της V DS. Απεικονίστε στους άξονες που ακολουθούν το σµήνος των καµπυλών I D =f(v DS ) για κάθε τιµή του V GS. I D V DS 35

Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής 4.3.2 Ο ενισχυτής κοινής πηγής: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινής πηγής του Σχήµατος 4.8 στο breadboard του εργαστηρίου σύµφωνα µε της οδηγίες του Σχήµατος 4.9. Χρησιµοποιήστε το OK CD4007 (προτείνεται το nmos τρανζίστορ µε την πύλη στον ακροδέκτη 6) και δώστε στο κύκλωµα τροφοδοσία =12V. Για την R D και την πόλωση της πύλης χρησιµοποιήστε από µία µεταβλητή αντίσταση (τρίµερ) των 10KΩ. Τρίµερ B R D Τρίµερ A 8 υο 6 CD4007 C=100µF 7 υ i Σχήµα 4.8: Ο ενισχυτής κοινής πηγής Παλµογράφος 12V Τροφοδοτικό υ Ο υi Τρίµµερ 14 8 6 CD4007 Τρίµµερ 6 7 100µF Gnd Γεννήτρια Συχνοτήτων υ i Σχήµα 4.9: Πειραµατική διάταξη ενισχυτή κοινής πηγής 36

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Α) Αρχικά επιλέξτε την τάση V GS ίση µε 3V (ρυθµίζοντας την µεταβλητή αντίσταση τρίµερ Α) και την τάση V DS ίση µε 5V (ρυθµίζοντας την µεταβλητή αντίσταση τρίµερ Β). Χρησιµοποιήστε στην είσοδο ηµιτονικό σήµα 1V pp (V i =500mV), µε DC συνιστώσα 0V και συχνότητα 1ΚHz. Στον παλµογράφο απεικονίστε της κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. 5) Σχεδιάστε της κυµατοµορφές εισόδουεξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 6) Μετρήστε την DC συνιστώσα V Ο και το πλάτος V ο του σήµατος στην έξοδο. 7) Υπολογίστε το κέρδος τάσης A υ του ενισχυτή. 8) Ποια η διαφορά φάσης εισόδουεξόδου; V t V Ο = V o = A υ = ιαφορά φάσης = Β) Αυξήστε την τιµή V i του πλάτους του σήµατος εισόδου µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Ποια είναι αυτή η µέγιστη τιµή V imax του πλάτους εισόδου; Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). V imax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση 37

Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής Γ) Επαναφέρετε την τιµή του πλάτους εισόδου στην αρχική τιµή, V i =500mV. Αυξήστε την τιµή της µεταβλητής αντίστασης (τρίµερ Β) µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). Μετρήστε τη µέγιστη τιµή της αντίστασης R D. R Dmax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση ) Αυξήστε τη συχνότητα του σήµατος εισόδου στο 1MHz. Μετρήστε το πλάτος του σήµατος εξόδου V o. Τι παρατηρείτε; Πως αιτιολογείτε το αποτέλεσµα; V o = Παρατήρηση/Αιτιολόγηση: 38