ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο (FET FET) Ι Κεφάλαια 4 ο και 6 ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Το MOS τρανζίστορ σε ενισχτές. Ενισχτής κοινής πύλης 3. Ενισχτής κοινής πηγής 4. Ενισχτής κοινής ποδοχής 5. Καθρέπτης ρεύματος 6. CMOS ενισχτής VLS Techly ad Cputer rchtecture Lab Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ
Τοπολογία το πό Μελέτη Ενισχτή Για να χρησιμοποιηθεί τρανζίστορ MOSFET σε κκλώματα ενισχτών θα πρέπει να λειτοργεί, με την κατάλληλη πόλωση, στην περιοχή κόρο. = d Ο S Δίθρο Δικτύωμα Ι S Έξοδος Είσοδος MOS S Ενισχτής s Σήμα S S S = V S s V S Πόλωση Ι (t) Ο (t) S = V S ds V Τροφοδοσία Είσοδος Έξοδος Στο σχήμα δίδεται κύκλωμα ενισχτή με χρήση MOS τρανζίστορ. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 3 Το MOS ως Ενισχτής (Ι) Κόρος V C Ανάλση V Ο V S Στο κύκλωμα το σχήματος, η εύρεση το σημείο λειτοργίας (C πόλωσης) επιτγχάνεται θέτοντας s =0. V Ι V S Είσοδος MOS Έξοδος Το ρεύμα στον απαγωγό, για την περιοχή το κόρο, θα δίνεται από τη σχέση: S Ενισχτής V S K V V S t V S χωρίς να λαμβάνεται π όψιν το φαινόμενο διαμόρφωσης καναλιού, δηλ. λ 0. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 4
Το MOS ως Ενισχτής (ΙΙ) Κόρος V Επιπλέον ισχύει (από KVL): V S V Το τρανζίστορ θα λειτοργεί στην περιοχή το κόρο όταν V S > (V S V t )>0. MOS V S Καθώς θα πρέπει να λάβομε π όψιν και τη μεταβαλλόμενη σνιστώσα της S το V S θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο το (V S V t )! V S Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 5 Κόρος V Το MOS ως Ενισχτής (ΙΙ) ΑC Ανάλση Με δεδομένο ότι S = V S s, θα ισχύει: K V K V V S t S s t MOS K V V K V V K S t S t s s s S S V S Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 6 3
Κόρος V Το MOS ως Ενισχτής (ΙV) Ισοδύναμα γράφομε: K V S V t s K s μη γραμμικός όρος MOS s S V S Αν κρατήσομε το σήμα εισόδο s μικρό έτσι ώστε: K s K VS Vt s ή αλλιώς: s << (V S V t ) τότε καθώς = d θα ισχύει: d K VS Vt s Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 7 Το MOS ως Ενισχτής (V) Κόρος Η παράμετρος πο σνδέει τα d και s είναι η και ονομάζεται διαγωγιμότητα: V d W K V V V V s S t t x L S t s MOS S V S ή / t x W/L Η διαγωγιμότητα αντιπροσωπεύει την κλίση της d s χαρακτηριστικής στο σημείο πόλωσης: d s S V S Ι Σημείο Λειτοργίας (Πόλωσης) V t V S S Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 8 4
Κόρος V Το MOS ως Ενισχτής (V) Για την τάση στον απαγωγό θα ισχύει (KVL): S V V ( d ) S V d VS d s MOS S V S Επειδή S = V S ds ισχύει ότι το σήμα στον απαγωγό θα δίνεται από τη σχέση: ds d Σνεπώς η απολαβή (κέρδος) τάσης θα είναι: s Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 9 ds Το μείον στη σχέση δηλώνει διαφορά φάσης των δύο σημάτων 80 ο s ax V χαρακτηριστική εισόδο εξόδο στον κόρο Το MOS ως Ενισχτής (V) Q κλίση = V κλίση Q V S V χαρακτηριστική εξόδο κόρος Sax V S S V S V V t S Sax S S V S εθεία φόρτο Sax S S V pp_ S V pp_ t Είσοδος t Έξοδος Sax < V S Sax V t Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 0 5
Πηγή Ρεύματος Ελεγχόμενη από Τάση S V εθεία φόρτο d s σημείο λειτοργίας s Sax Ι V S Ι V S S V t V S S t t ds S Το MOS σμπεριφέρεται ως μία πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ Ισοδύναμο Μοντέλο Ασθενούς Σήματος / t x W/L r V Μοντέλο Ασθενούς Σήματος για Λειτοργία στον Κόρο Το μοντέλο είναι το ίδιο και για pmos και για MOS τρανζίστορ s s d r Λαμβάνοντας πόψιν το μοντέλο ασθενούς σήματος το τρανζίστορ στον προηγούμενο ενισχτή, το κέρδος τάσης θα είναι: s S ds //r Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 6
Μη Γραμμική Λειτοργία εθεία φόρτο > ax Sax V S S V S V S t t S Μη γραμμική παραμόρφωση καθώς το στιγμιαίο σημείο λειτοργίας εισέρχεται στην τρίοδο περιοχή. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 3 Ενισχτής V =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. Η αντίσταση L είναι ο φόρτος στην έξοδο το ενισχτή. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 4 7
V =5V =0ΚΩ Παράδειγμα 4(ΙΙ) Εύρεση Σημείο Λειτοργίας C Ανάλση Ισχύει ότι V S =V S Λειτοργία στον κόρο καθώς εξασφαλίσαμε ότι V S > V S V t! =0MΩ K V V S t =0 L =0ΚΩ K V V S t Στο C οι πκνωτές δρον ως ανοικτοκκλώματα! Λύνοντας έχομε το σημείο λειτοργίας: V S και: V =.06 και V S =V S =4.4V Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 5 Παράδειγμα 4(ΙΙΙ) =0ΚΩ C Ανάλση Μικρού Σήματος Η αντίσταση εξόδο r θα είναι: =0MΩ L =0ΚΩ r V 47KΩ Στην C λειτοργία οι πκνωτές δρον ως βραχκκλώματα! Η διαγωγιμότητα θα είναι: Στην ΑC ανάλση οι C πηγές τάσης βραχκκλώνονται και οι C πηγές ρεύματος ανοικτοκκλώνονται! Δηλ. οι C πηγές μηδενίζονται! K V V 0.75 / V S Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 6 t 8
Παράδειγμα 4(ΙV) s s s L r S S Ν. Oh Χρήση ισοδύναμο κκλώματος ασθενούς σήματος. Αγνοούμε το ρεύμα μέσα από την καθώς =0MΩ >>>. s // //r // // r L L Σνεπώς το κέρδος τάσης θα είναι: // //r 3. 3 Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 7 L Παράδειγμα 4(V) s s r L S S Μοντέλο Τρανζίστορ Ενισχτής Το ρεύμα εισόδο θα είναι: Ν. Oh Η αντίσταση εισόδο θα είναι: ed Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 8.33MΩ ( ) 9
Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής () Κόρος V Ι Βασικό Κύκλωμα Μελέτης Ενισχτών με MOSFET Z 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. Z V SS Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 9 C Ανάλση Μικρού Σήματος Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής (Ι) Αντικατάσταση MOSFET με το ισοδύναμο κύκλωμα ασθενούς σήματος. Για την εύρεση της αντίστασης εισόδο εφαρμόζομε στην είσοδο τάση και λαμβάνοντας πόψιν το ρεύμα προκύπτει: Z s s L r Τρανζίστορ άπειρη S Ενισχτής * Η L είναι ο φόρτος και δεν αποτελεί τμήμα το ενισχτή ( L θεωρείται ) Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 0 0
Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής (ΙΙ) Για την εύρεση της αντίστασης εξόδο ut θέτομε =0 και L = * Σνεπώς, s = = 0! Εφαρμόζομε τάση z στην έξοδο και λαμβάνοντας ας πόψιν το ρεύμα z προκύπτει: ut z z // r =0 βραχκκλωμένη μηδενίζεται Z s s L r Τρανζίστορ S Ενισχτής ut * Η L είναι ο φόρτος και δεν αποτελεί τμήμα το ενισχτή ( L θεωρείται ) Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ άπειρη z z Ο Ενισχτής Κοινής Πηγής (ΙV) Κέρδος Τάσης ut Ανοικτού Κκλώματος L (χωρίς την s = L ) Τρανζίστορ s // //r // L s r L ut Κέρδος Τάσης Z L S Ενισχτής Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ
Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης () Κόρος V Z 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. Z V SS Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 3 Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης (Ι) Αντικατάσταση MOSFET 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! s = = βραχκκλωμένη μηδενίζεται s Ενισχτής s L r Τρανζίστορ r Z * Η S L είναι ο φόρτος και δεν αποτελεί τμήμα το ενισχτή ( L θεωρείται ) Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 4 άπειρη
Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης (ΙΙ) Για την εύρεση της αντίστασης εξόδο ut θέτομε =0 & L =! Εφαρμόζομε τάση z στην έξοδο το ενισχτή. s = 0 ut = // r (r ) Τρανζίστορ Ενισχτής s s r L z S =0 Z ut Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 5 άπειρη Ο Ενισχτής Κοινής Πύλης (V) s = L // r Κέρδος Τάσης Δεχόμαστε ότι η r είναι μια πολύ μεγάλη αντίσταση και σνεπώς μπορεί να παραληφθεί! Τρανζίστορ Ενισχτής Z s s r L S Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 6 3
Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής () Κόρος V Z 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 Surce Fllwer V SS Z Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 7 Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής (Ι) Αντικατάσταση MOSFET με το ισοδύναμο κύκλωμα ασθενούς σήματος. Για την εύρεση της αντίστασης εισόδο εφαρμόζομε στην είσοδο τάση και λαμβάνοντας πόψιν το ρεύμα προκύπτει: Τρανζίστορ s S Ενισχτής s r L Z άπειρη * Η L είναι ο φόρτος και δεν αποτελεί τμήμα το ενισχτή ( L θεωρείται ) Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 8 βραχκκλωμένη μηδενίζεται 4
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 s = y y y y ) ut y < < r r =0 βραχκκλωμένη μηδενίζεται Τρανζίστορ s y S Ενισχτής y s y L r ut Z Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 9 Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής (V) Κέρδος Τάσης Ανοικτού Κκλώματος < s r sr / r L Τρανζίστορ s Ενισχτής s r Z S sr L Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 30 5
Ο Ενισχτής Κοινής Υποδοχής (V) Κέρδος Τάσης //r //r L s L L //r //r / L Τρανζίστορ s Ενισχτής s r Z αν L >>/ S L Χρήση ως απομονωτής Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 3 Ενισχτής Μόνο με Χρήση MOS (Ι) V Μόνιμα στον κόρο τρίοδος Q Καμπύλη Φόρτο κόρος = Q s Ο S V S S S S O S = S = V S = V O = K ( S V t ) = K (V S V t ) Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 3 6
Ενισχτής Μόνο με Χρήση MOS (Ι) V Μόνιμα στον κόρο Κόρος Τρίοδος Q Q Αποκοπή Χαρακτηριστική Μεταφοράς (εισόδο εξόδο) s V S S Ο S Θεωρούμε ότι V t =V t =V t. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 33 Ενισχτής Μόνο με Χρήση MOS (Ι) = =. V Στον κόρο το Q ισχύει: = K ( S V t ) = K ( V t ) S S s V S S Q Q Ο Θεωρούμε ότι V t =V t =V t. = K ( S V t ) = K (V Ο V t ) 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 Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 34 7
Ενισχτής Μόνο με Χρήση MOS (ΙV) Σμπεριφορά το ενισχτή σε ασθενή σήματα. Χρήση μοντέλων ασθενούς σήματος. = s [(/ ) // r // r ] και s = /r /r (W/L) (W/L) S C x W/L s s / s r s r Στην ΑC ανάλση οι C πηγές τάσης βραχκκλώνονται! S Q: MOS Q: MOS Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 35 Καθρέπτης Ρεύματος Λειτοργεί στον κόρο O Κλίση V S = V S V S V O Πρέπει να λειτοργεί στον κόρο όριο Κόρο Τριόδο EF = K (V S V t ) O = K (V S V t ) O EF K K O EF W/L W/L Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 36 8
MOS Καθρέπτες Ρεύματος Cascde Βασικός Wls Τροποποιημένος Wls Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 37 Ο CMOS Ενισχτής (Ι) Q : ενεργό φορτίο Q στην τρίοδο Q στον κόρο Κλίση S Χαρακτηριστική Q S = V Ο και S = 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 S V Ο Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 38 9
Ο CMOS Ενισχτής (ΙΙ) Q στην τρίοδο Q στον κόρο κλίση r Κέρδος Ασθενούς Σήματος: r //r S Χαρακτηριστικές Q (Q : σνδεσμολογία κοινής πηγής) C x W/L EF 4KEF Αν r =r r r K EF V V EF V Q : Αποκοπή Q : Κόρος Q : Τρίοδος Q : Κόρος Q : Κόρος Q : Τρίοδος Q : Κόρος Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 39 Ο CMOS Ενισχτής (ΙΙΙ) = s (r // r ) και s = Στην ΑC ανάλση οι C πηγές τάσης βραχκκλώνονται και οι C πηγές ρεύματος ανοικτοκκλώνονται! (r //r ) s (r //r ) s s s 0 ο r s r s =0 S Q: MOS Q: pmos Χρήση μοντέλων ασθενούς σήματος για Q και Q. Το Q 3 δεν επηρεάζει την ανάλση μικρού σήματος! Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 40 S 0
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 Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 4 Παράδειγμα 5(ΙΙ) (β) Προσδιορισμός της τάσης V S των Q και Q 3, όπο ισχύει = EF. Χρήση σχέσης ρεύματος στον κόρο. K p Έτσι V S =.44V. V S VS Vtp V Q στην τρίοδο Q στον κόρο Άρα: V O = V (V S V tp ) = 8.586V. S V O = Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 4
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 VS Vtp V V V O EF K Vt EF V Αντικαθιστώντας: O = V O = 8.585V και =V παίρνομε V =.963V Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 43 Παράδειγμα 5(ΙV) V O 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 Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 44
Παράδειγμα 5(V) V O 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 V Το κέρδος τάσης ισχρού σήματος θα είναι: 3 O V 99. V Κλίση της εθείας ed Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 45 Το MOS Τρανζίστορ ως Διακόπτης V s V V Ι s V T T t Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 46 3
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 Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 47 Παράδειγμα 6(Ι) 00μ V. V S = V V S = 0V V S = 8V s 0V.V 00μΑ K( S Vt) V S = 6V V S V t =.V 0V V S =V V =0V Η S χαρακτηριστική θεωρείται δεδομένο το προβλήματος S S =V T=5s ed Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίο ΙΙ 48 t 4