Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων VLSI Υπεύθυνος καθηγητής Πλέσσας Φώτιος

Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων VLSI Υπεύθυνος καθηγητής Πλέσσας Φώτιος Αναφορά αποτελεσμάτων εργαστηριακών μετρήσεων και μετρήσεων προσομοίωσης κυκλωμάτων εργαστηρίου Ονόματα φοιτητών ομάδας Μουστάκα Παρασκευή ΑΜ 423 Αλεξανδρίδου Κυριακή ΑΜ 427 Τσιάμης Δημήτριος ΑΜ 400 Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας 2014 Τμήμα Ηλεκτρολόγων μηχανικών και μηχανικών ηλεκτρονικών υπολογιστών. (Μ.Δ.Ε.) «Επιστήμη και Τεχνολογία Υπολογιστών, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων»

2 2. Ενισχυτές με διπολικά τρανζίστορς. 2.1 Ενισχυτής CΕ. o Μέτρηση εισόδου εξόδου R E = 0 kω R E = 500 Ω V i = 0 6 V R E = 1000 Ω V i = 0 6 V

3 Παρατηρήσεις : Υπάρχει ενίσχυση τάσης που αν υπολογιστεί είναι. Πέρα από την αντίσταση συλλέκτη R C,φαίνεται ότι το κέρδος παρουσιάζει εξάρτηση από το ρεύμα εκπομπού το οποίο με τη σειρά του εξαρτάται από την αντίσταση εκπομπού R E.Ουσιαστικά η ενίσχυση εξαρτάται από τον λόγο τον αντιστάσεων εκπομπού και συλλέκτη.γι αυτό και όταν μεταβάλλουμε την αντίσταση στον εκπομπό βλέπουμε να μεταβάλλεται και η έξοδος.η ενίσχυση είναι μεγάλη ξεπερνώντας τα όρια της AC ενδοτικότητας με αποτέλεσμα να εμφανίζεται ψαλιδισμός. Ο ψαλιδισμός ξεκινάει από κάτω(ψαλιδισμός κόρου). Επομένως το σημείο Q βρίσκεται πάνω στην AC γραμμη φορτίου πιο κοντά στον άξονα του ρεύματος όπως φαίνεται παρακάτω σε υπολογισμούς που έγιναν στο matlab. Η έξοδος είναι σε διαφορά φάσης με την είσοδο. Όπως φαίνεται παρακάτω στις γραμμές φορτίου το σημείο Q είναι σε καλό σημείο καθώς είναι περίπου στο κέντρο της ενεργού περιοχής αγγίζοντας την μέγιστη AC ενδοτικότητα.επομένως δεν ευθύνεται το κύκλωμα τόσο για το αποτέλεσμα του ψαλιδισμού όσο το μέγεθος του σήματος εισόδου το οποίο και πρέπει να μειωθεί.εναλλακτικά θα μπορούσαμε να μειώσουμε την αντίσταση R C μερικά εκατοντάδες Ω όμως και πάλι θα είχαμε ψαλιδισμό λόγω μεγάλου σήματος στην είσοδο. Δεν υπάρχει σωστή πόλωση στη βάση και αυτό έχει ως αποτέλεσμα το τρανζίστορ να είναι επιρρεπές στις μεταβολές του β του τρανζίστορ το οποίο εξαρτάται από την θερμοκρασία. Q Γραμμές φορτίου για R C = 10k και R E = 1k

4 Q Γραμμές φορτίου για R C = 10k και R E = 600 Όσο μειώνω την R E τόσο το σημείο λειτουργίας Q μετατοπίζεται προς την περιοχή του κόρου.αντίθετα όσο την αυξάνω το σημείο Q μετατοπίζεται προς την αποκοπή. Παρακάτω φαίνεται η είσοδος και έξοδος στον παλμογράφο σε λειτουργία FFT για R E = 1k και σήμα εισόδου 2V p-p.όπως παρατηρούμε εκτος από την κυρίαρχη συχνότητα υπάρχουν και άλλες αρμονικές συχνότητες λόγω της παραμόρφωσης που προκαλείται από τον ψαλιδισμό που περιγράφηκε παραπάνω.

5 2.2 Ενισχυτής CC. o Μέτρηση εισόδου εξόδου R B = 0 kω V i =0 6 V R B = 100 kω V i =0 6 V o Περιοχές λειτουργίας - Παλμογράφος σε λειτουργία ΧΥ R B = 100 kω V i =0 6 V Όσο αυξάνεται η R B τόσο αυξάνει και η κλίση της χαρακτηριστικής

6 o Εύρεση κέρδους ενισχυτή με παλμογράφο R B = 100 kω V i =2 4 V R B = 100 kω V i =2 4 V Όπως φαίνεται και παραπάνω για V i = 2 4 V όταν η R B είναι στην ελάχιστη τιμή της το κέρδος του ενισχυτή πλησιάζει τη μονάδα ενώ όσο αυξάνουμε την τιμή της R B το κέρδος τάσης πέφτει σχεδόν στο μισό.αναμενόμενο από την θεωρεία καθώς ο ενισχυτής CC δεν ενισχύει τάση αλλά ρεύμα. Παρατηρήσεις : Το κέρδος τάσης μπορεί να βρεθεί προσεγγιστικά από την σχέση. Όταν η τιμή της R B είναι μικρή τότε το ρεύμα εκοπομπού I E είναι μέγιστο για το συγκεκριμένο κύκλωμα επομένως "θεωρητικά" το κέρδος είναι μέγιστο.από μαθηματικής πλευράς όσο αυξάνω την R B τόσο θα το κέρδος θα πέφτει.πρακτικά επειδή το ρεύμα εκπομπού I E είναι της τάξης των ma ο λόγος V T /I E θα είναι πάντα της τάξης των μερικών Ω.Επειδή R E >> (V T /I E ) το κέρδος Α δεν επηρρεάζεται σημαντικά από το ρευμα εκπομπού. Η είσοδος είναι σε φάση με την έξοδο. Υπάρχει ψαλιδισμός κόρου. Έχουμε ενίσχυση ρέυματος και κατα συνέπεια ενίσχυση ισχύος που αν θεωρήσουμε το Ι Ε = Ι C, δίνεται προσεγγιστικά από την σχέση.αν υπολογιστεί για το συγκεκριμένο κύκλωμα και για β = 100 και R B = 100 kω το κέρδος ισχύος θα είναι G = 98.

7 2.3 Ενισχυτής CB. o Μέτρηση εισόδου εξόδου R C = 0 kω V i =-4 0 V R C = 2 kω V i =-4 0 V R C = 10 kω V i =-4 0 V

8 o Περιοχές λειτουργίας - Παλμογράφος σε λειτουργία ΧΥ R C = 0 Ω V i =-4 0 V R C = 10 kω V i =-4 0 V Παρατηρήσεις : Όπως φαίνεται και από τις εργαστηριακές μετρήσεις ο ενισχυτής κοινής βάσης έχει παρόμοια συμπεριφορά με τον ενισχυτή κοινού εκπομπού. Κυρίαρχη διαφορά τους είναι οτι η εισόδος είναι σε φάση με την εξόδο. Επίσης η ενίσχυση είναι ελαφρώς μικρότερη. Η ενίσχυση όταν δεν υπάρχει αντίσταση φορτίου R L προσεγγιστηκά δίνεται από την σχέση. Για R c = 0 Ω η τάση V CE είναι ίση με την τάση τροφοδοσίας V CC και επομένως το τρανζίστορ βρίσκεται στην αποκοπή και δεν έχω έξοδο.καθώς αυξάνεται η αντίσταση R c η τάση συλλέκτη μειώνεται και το τρανζίστορ αρχίζει και δουλεύει στην ενεργό περιοχή. Υπάρχει ψαλιδισμός ο οποίος ξεκινάει από το πάνω μέρος της εξόδου καθώς το τρανζίστορ εισέρχεται νωρίτερα στην αποκοπή.

9 2.4 Ενισχυτής CC-CE. o Μέτρηση εισόδου εξόδου R b = 0 Ω V i =0 6 V R b = 100 kω V i =0 6 V R b = 100 kω V i =0 6 V

10 2.4 Ενισχυτής CC-CE. o Μέτρηση εισόδου εξόδου R C1 = R C2 = 10 kω, R E1 = R E1 = 220 Ω V i = 0 2 V 1V DC level Παρατηρήσεις : Όπως παρατηρούμε δεν υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου - εξόδου εξαιτίας της ύπαρξης δύο σταδίων ενισχυτή κοινού εκπομπού. Υπάρχει ψαλιδισμός κόρου και αποκοπής ο οποιός συμβαίνει για τον εξής λόγο. Το πρώτο στάδιο ενισχυτή όπως θα φανεί παρακάτω σε υπολογισμούς μέσω matlab έχει το σημείο λειτουργίας Q πάνω στον κόρο επομένως η τάση στη βάση του επόμενου τρανζίστορ είναι μηδαμινή (μερικά mv). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο δεύτερος ενισχυτής να δουλεύει στην αποκοπή. Έτσι το σήμα στην έξοδο είναι ψαλιδισμένο τόσο απο πάνω όσο και από κάτω. Transistor T 1 Transistor T 2 Για να μπορέσει να λειτουργήσει ο ενισχυτής χωρίς να ψαλιδίζει το σήμα εισόδου θα πρέπει αρχικά να φέρουμε το σημείο λειτουργίας του πρώτου τρανζίστορ Τ 1 στη μέση της ενεργού περιοχής.όπως φαίνεται από τη γραμμή φορτίου του T 1 για να ισορροπήσουμε το σημείο λειτουργίας του πρέπει να μειώσουμε το ρεύμα στον συλλέκτη ή τον εκπομπό.

11 Αυτό θα γίνει αν αυξήσουμε τις αντιστάσεις R C1, R E1. Για παράδειγμα υπολογίστηκε ότι για R C1 = 11000 και R E1 = 1200 το σημείο Q έρχεται σε ισορροπία και η τάση στη βάση του T 2 μετρήθηκε ότι είναι 1.82 V. Οπότε γνωρίζοντας την προηγούμενη πληροφορία μπορούμε να σχεδιάσουμε την επόμενη βαθμίδα ενισχυτή για το T 2. Με δεδομένη την τάση στη βάση του T 2 και τις υπάρχουσες τιμές των αντιστάσεων του δευτερου ενισχυτή το σημείο Q αυτή τη φορά βρίσκεται πάνω στον κόρο επομένως πρέπει και εδώ να μειώσουμε το ρεύμα στο συλλέκτη - εκπομπό "παίζοντας" με τις αντιστάσεις R C2, R E1. Εφόσον κάνουμε τους υπολογισμούς βρίσκουμε ότι R C2 = 10000 Ω και R E2 = 4700 Ω.Παρακάτω φαίνονται τα αποτελέσματα. Transistor T 1 Transistor T 2 Στην προσομοίωση του κυκλώματος μέσω του προγράμματος TiNA παίρνουμε πάλι ψαλιδισμένο σήμα. Αυτό προκύπτει καθώς η AC ενδοτικότητα είναι περίπου ίση με 4 V P-P.Θα μπορούσαμε αρχικά να αυξάναμε την τάση τροφοδοσίας με επανασχεδιασμό των επιμέρους ενισχυτών ή να αλλάξουμε τρανζίστορ.επειδή όμως η άσκηση χρησιμοποιεί 6 volt τροφοδοσία θα χαμηλώσουμε το σήμα στην είσοδο του ενισχυτή.αν το κάνουμε αυτό για μία τάση στην είσοδο ίση με 180mV p-p θα πάρουμε στην έξοδο 4 V P-P μέγιστο απαραμόρφωτο σήμα.και αν διαιρέσουμε το την είσοδο προς την έξοδο θα δουμε ότι έχουμε κέρδος ενίσχυσης τάσης A v = A V = 22.2.To V in στον παλμογράφο είναι στην κλίμακα 100 mv.

12 3. Ενισχυτές με MOS τρανζίστορς. 3.1 Ενισχυτής CS. o Έξοδοι για τιμές R d = 1 Ω, 4 kω, 10 kω R d = 1 Ω R d = 4 kω R d = 10 kω

13 o Περιοχές λειτουργίας - Παλμογράφος σε λειτουργία ΧΥ R d = 0 Ω R d = 5 kω R d = 10 kω Όσο αυξάνεται η τιμή της R d έχω αύξηση στην τάση εξόδου. Αυτό συμβαίνει καθώς αυξάνοντας την R d αυξάνω και την αντίσταση εξόδου R out η οποία είναι ανάλογη του κέρδους τάσης όταν δεν υπάρχει αντίσταση φορτίου ή R L =. Όσο αυξάνεται η τιμή της R d,το σημείο λειτουργίας Q μετατοπίζεται προς στην περιοχή της αποκοπής και παρατηρείται ψαλιδισμός. Έχουμε κέρδος τάσης και όχι ρεύματος. Διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου εξόδου. Όμοια συμπεριφορά με το κύκλωμα κοινού εκπομπού (BJT)

Output 14 3.2 Ενισχυτής CD. o Έξοδοι για τιμές R s = 0 Ω, 4 kω, 10 kω T 6.00 Vin[3]: 10k[Ohm] 4.00 Vout[3]: 10k[Ohm] 2.00 Vout[2]: 5k[Ohm] Vout[1]: 0[Ohm] 0.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m Time (s) R s = 0 Ω R s = 4 kω R s = 10 kω

15 o Περιοχές λειτουργίας - Παλμογράφος σε λειτουργία ΧΥ R s = 0 Ω R s = 4 kω R s = 10 kω Παρατηρούμε ψαλιδισμό τριόδου. Ενίσχυση ρεύματος. Όσο αυξάνω την R s τόσο αυξάνεται η τάση στην έξοδο (και ο ψαλιδισμός), χωρίς όμως να ξεπερνάει την τάση εισόδου (κέρδος λίγο μικρότερο της μονάδας). Πιο μεγάλη εξάρτηση παρουσιάζει η έξοδος για μικρές τιμές της R d και αυτό φαίνεται από το κέρδος ανοιχτού βρόχου που είναι. Δεν υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου εξόδου.

Output 16 3.3 Ενισχυτής CG. o Μετρηση εξόδου για τιμές R d = 0 Ω, 1 kω, 3 kω, 5 kω,10 kω T 8.00 6.00 Vout[3]: 3k[Ohm] Vout[1]: 0[Ohm] 4.00 Vout[4]: 5k[Ohm] Vout[2]: 1k[Ohm] 2.00 Vout[5]: 10k[Ohm] 0.00-2.00-4.00 Vin -6.00-8.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m Time (s) R d = 0 Ω R d = 1 kω R d = 3 kω R d = 5 kω R d = 10 kω

17 o Περιοχές λειτουργίας - Παλμογράφος σε λειτουργία ΧΥ R d = 0 Ω R d = 5 kω R d = 10 kω Παρατηρούμε οτι υπάρχει ψαλιδισμός καθώς είσέρχεται στην περιοχή της τριόδου. Όσο αυξάνεται η R d τόσο μεγαλώνει η έξοδος (και ο ψαλιδισμός). Αυτό συμβαίνει γιατί το κέρδος τάσης είναι ανάλογο της αντίστασης R d //r 0. Το κέδος τάσης είναι λίγο μικρότερο από αυτό του ενισχυτή CS. Έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με τον ενισχυτή CS με τη διαφορά ότι δεν έχω διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου - εξόδου. Παρόμοια χαρακτηριστικά με τον ενισχυτή κοινής βάσης BJT.

Output 18 3.4 Ενισχυτής CS με ενεργό φορτίο o Φορτίο με PMOS για τιμές τάσεων στην V g = 0, 2, 4, 6 Volts T 6.00 Vin 4.00 Vout[1]: 0[V] Vout[2]: 2[V] 2.00 Vout[3]: 4[V] Vout[4]: 6[V] 0.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m Time (s) V g = 0 V V g = 2 V V g = 4 V V g 5 V

19 o Αναγνώριση περιοχών λειτουργίας - παλμογράφος σε λειτουργία ΧΥ. Για V g = 0 Volts Για V g = 4 Volts Για V g 5 Volts Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνουμε την τάση στην πύλη του PMOS, μειώνεται η τάση μεταξύ πύλης - πηγής V GS με αποτέλεσμα να αυξάνεται η αντίσταση του.σαν συνέπεια αυτού έχουμε αύξηση στο κέρδος του ενισχυτή αφού η συνολική αντίσταση R out του NMOS αυξάνει και είναι ανάλογη του κέρδους. Παρατηρούμε ότι για τιμές της V g > 5 volts δεν έχω έξοδο καθώς η V GS γίνεται μικρότερη ή ίση από την V t (V GS V t ) και το PMOS δεν άγει.

20 Όσο αυξάνω την V g στο NMOS έχω παραμόρφωση στο σήμα εισόδου, τόσο από ψαλιδισμό στην τρίοδο όσο και στην αποκοπή και αυτό φαίνεται για τάση V g = 4 volts στην αναγνώριση περιοχών λειτουργίας του ενισχυτή (παλμογράφος ΧΥ). o Φορτίο με NMOS για τιμές τάσεων στην V g = 0, 2, 4, 6 Volts V g = 0 Volts V g = 2 Volts V g = 4 Volts Vg = 6 Volts

21 o Αναγνώριση περιοχών λειτουργίας - παλμογράφος σε λειτουργία ΧΥ. V g = 0 Volts V g = 2 Volts V g = 4 Volts V g = 6 Volts

22 Παρατηρήσεις : Αρχικά η V gs είναι μικρότερη της τάσης κατωφλίου V t. Όταν η τάση πύλης - πηγής γίνει μεγαλύτερη της V t τότε το NMOS παρουσιάζει μεγιστη ωμική συμπεριφορά.καθώς η τάση V gs είναι αντιστρόφως ανάλογη της ωμικής συμπεριφοράς του NMOS, όσο θα αυξάνεται η τάση στην πύλη του transistor τόσο θα μειώνεται η αντίσταση r ds. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της συνολικής R out του ενισχυτή και κατά συνέπεια την μείωση του κέρδους του. Τα προηγούμενα επιβεβαιώνουν οι περιοχές λειτουργίας XY όπου όπως φαίνεται στην αρχη παρουσιάζεται ψαλισμός τόσο στην γραμμική περιοχή όσο και στην περιοχή της αποκοπής, ο οποίος αυξάνοντας την τάση υποχωρεί. 3.5 Αντιστροφέας CMOS Παρακάτω φαίνονται μόνο οι μετρήσεις σε επίπεδο προσομοίωσης του κυκλώματος αντιστροφέα. Η λειτουργία του παλμογράφου σε λειτουργία ΧΥ δέιχνει ότι έχουμε τόσο ψαλιδισμό στην περιοχή της τριόδου όσο και στην περιοχή της αποκοπής.

Όπως φαίνεται ο αντιστροφέας ενισχύει το σήμα εισόδου.για σημα στην είσοδο ίσο με 2 V P-P το κύκλωμα παρουσιάζει κέρδος τάσης περίπου ίσο με 3. Ενώ η έξοδος όπως αναμενόταν έχει διαφορά φάσης με την είσοδο 180 0. 23