CIRCUITE CU PORŢI DE TRANSFER CMOS

CIRCUITE CU PORŢI DE TRANSFER CMOS I. OBIECTIVE a) Înţelegerea funcţionării porţii de transfer. b) Determinarea rezistenţelor porţii în starea de blocare, respectiv de conducţie. c) Înţelegerea modului de folosire a porţilor de transfer la realizarea unui amplificator cu reglaj digital al amplificării şi la realizarea unui integrator pasiv cu reţea de capacităţi comandate digital. II. COMPONENTE ŞI APARATURĂ În acestă lucrare se foloseşte montajul experimental prezentat în Fig. 7. Folosim circuitul integrat 4066 care conţine 4 porţi de tranfer CMOS. În Fig. 1. este prezentată semnificaţia pinilor circuitului 4066. În Fig. 2. a) este reprezentată schema internă a unei porţi de transfer bidirecţională, iar în Fig. 2.b) simbolul porţii de transfer. V DD V CA V CD D D C C 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7 A A B B V CB V CC V SS V DD, V SS : tensiunile de alimentare pozitivă, respectiv negativă A,A; B,B ; C,C ; D,D : intrare/ieşire, respectiv ieşire/intrare pentru porţile de transfer A, B, C, respectiv D V CA, V CB, V CC, V CD : tensiunile de comandă a celor 4 porţi de transfer Fig. 1. CI 4066 - semnificaţia terminalelor V DD INTRARE IEŞIRE T IEŞIRE INTRARE T b) COMANDĂ v Co a) COMANDĂ -V SS INTRARE IEŞIRE TG IEŞIRE INTRARE Fig. 2. Poarta de transfer CMOS a) Structura internă, b) Simbol (TG - Transmission Gate) 1

Pentru alimentarea circuitului avem nevoie de o sursă dublă de tensiune stabilizată. Deoarece aplicăm şi măsurăm tensiuni variabile avem nevoie de un generator de semnal, de un osciloscop catodic cu două canale şi de un voltmetru de c.a. III. ASPECTE TEORETICE 1. Comutatoare analogice Un comutator analogic (CA) este un circuit care permite sau blochează trecerea semnalului de intrare către ieşire în funcţie de un semnal de comandă. Un comutator analogic CA poate fi reprezentat şi are funcţionarea descrisă ca în Fig. 3, unde C este semnal logic de comandă. v in in CA C out v O C=0; CA-blocat; v O =0 C=1; CA-conduce; v O =v I Fig. 3. Comutator analogic 2. Comutatoare analogice cu TECMOS porți de transfer Comutatorul analogic poate fi implementat (realizat practic) cu TECMOS sau TB. Datorită performanţelor slabe ale CA cu TB acestea nu se folosesc practic. CA implementate cu TECMOS se găsesc sub formă de circuite integrate care conţin mai multe comutatoare în aceeaşi capsulă. Schema electrică, în care V DD şi V SS sunt tensiunile de alimentare pozitivă, respectiv negativă ale circuitului integrat CMOS, este prezentată în Fig. 4.a). Circuitul se mai numeşte şi poarta de transfer (TG Transmission Gate, în engleză). Deoarece se folosesc tranzistoare MOS complementare (şi cu canal n şi cu canal p) pentru realizarea aceluiaşi circuit integrat, tehnologia folosită este CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Poarta de transfer CMOS este bidirecţională, semnalele putând trece prin ea în orice direcţie, oricare terminal putând fi considerat intrare pentru semnal. Fiind un circuit real poarta de transfer are o rezistenţă în conducţie diferită de zero, după cum se observă din Fig. 4.b). Pentru circuitul integrat clasic 4066, care conţine patru porţi de transfer, alimentat la ± 10V, rezistenţa în conducţie r on este în jur de 150Ω. Există şi circuite cu porţi de transfer cu r on mai scăzută. Astfel circuitul cu porţi de transfer din seria DG400 de la Siliconics are o valoare scăzută a rezistenţei în conducţie, în jur de 20Ω. La terminalul de comandă se aplică V CoH =V DD pentru conducţie şi V CoL =V SS pentru blocare. Semnalul de intrare trebuie sa fie în domeniul v I Є(V SS ; V DD ). 2

T p C S p D p in/out V D V SS out/in a) v I D n S n v O R L T n v C r c r DS T p r on r DS T n V SS V DD v I b) Fig. 4. Poartă de transfer integrată CMOS a) schema electrică; b) rezistenţa echivalentă intrare/ieşire în conducţie IV. EXERCIŢII PREGĂTITOARE P1. Poarta de transfer CMOS P1.1. Conducţia şi blocarea porţii de transfer Porţile de transfer din circuitul integrat MMC 4066 sunt în starea de conducţie pentru tensiuni de comandă de nivel înalt și în starea de blocare pentru tensiuni de comandă de nivel scăzut. a) Cum arată tensiunea de ieşire v O (t) a porţii de transfer pentru tensiune de intrare v I (t) sinusoidală cu amplitudinea de 3V şi frecvenţă de 1KHz, dacă tensiunea de comandă a porţii este v CO = 5V? Dar dacă v CO = -5V? Circuitul integrat din care face parte poarta de transfer este alimentat cu V DD = +5V; V SS = -5V. Mărimea tensiunii de ieşire va fi afectată de valoarea rezistenţei de sarcină legată la ieşirea porţii? Dacă da în ce fel, şi în care stare a porţii (conducţie/blocare)? b) Circuitul integrat este alimentat la ± 5V. Cum arată v O (t) pentru v I (t) sinusoidală cu amplitudinea de 7V, v Co = 5V? P1.2. Rezistenţa echivalentă a porţii de transfer Deoarece poarta de transfer nu este ideală, între terminalele de intrare/ieşire există o rezistenţă echivalentă mai mare ca zero în starea de conducţie a porţii r ON, respectiv diferită de infinit în starea de blocare r OFF. 3

Cum se determină r ON şi r OFF dacă pentru fiecare stare a porţii se cunosc tensiunea de intrare, tensiunea de ieşire şi rezistenţa de sarcină? P2. Amplificator cu reglaj digital al amplificării Pentru schema din Fig. 5., care este valoarea rezistenţei echivalente R ech între punctele A şi B, pentru următoarele combinaţii ale tensiunilor ce comandă stările celor două porţi de transfer: v Co1 v Co2 I 5V 5V II -5V 5V III 5V -5V IV -5V -5V Care este valoarea amplificării în tensiune, A v, și cum arată v O (t), în fiecare din cele patru cazuri de mai sus, dacă v I este sinusoidală cu frecvenţa de 1KHz şi amplitudine 100 mv? Relaţia dintre v O şi v I este: R AB vo = Avv I = vi R P3. Integrator pasiv cu reţea de capacităţi comandată digital Pentru schema din Fig. 6, care este capacitatea echivalentă C ech între punctele A şi B pentru următoarele combinaţii ale tensiunilor ce comandă porţile de transfer: 1 v Co1 v Co2 I 5V 5V II -5V 5V III 5V -5V IV -5V -5V Care este constanta de timp a circuitului în fiecare din situaţile de mai sus? Cum arată v O (t), dacă v I (t) este tensiune dreptunghiulară între 0 şi 5V cu frecvenţa de 100Hz? V. EXPERIMENTARE ŞI REZULTATE 1. Poarta de transfer CMOS 1.1. Conducţia şi blocarea porţii de transfer a) Se alimentează montajul cu tensiune diferenţială (V DD = +5V; V SS = -5V; masa = 0V) de la sursa de tensiune dublă stabilizată. Pentru acest experiment se alege, din cele 4 porţi de transfer notate A, B, C si D, poarta D. La intrarea porţii In/Out se aplică tensiunea v I (t) = 3sin(2π1000t) [V], [Hz]. 4

La ieşirea porţii Out/In se leagă, printr-un fir, rezistenţa de sarcină R L2 = 1KΩ (J11 închis). La intrarea de comandă a porţii V CoD se aplică nivel înalt de tensiune, prin legarea la V DD, (v Co = +5V). Atentie: verificați să nu fie conectată în circuit ieșirea amplificatorului operațional la rezistența de sarcină. Se vizualizează cu osciloscopul calibrat în modul de lucru Y-t, tensiunile de intrare v I (t) şi de ieşire v O (t). La intrarea de comandă a porţii se aplică nivel coborât de tensiune, prin legare la V SS, (v Co = -5V). Se vizualizează cu osciloscopul calibrat în modul de lucru Y-t, tensiunile de intrare v I (t) şi de ieşire v O (t). Se repetă cele două vizualizări de mai sus şi pentru rezistenţa de sarcină R L1 = 100Ω (J10 închis, J11 deschis). Cronogramele tensiunilor de intrare şi de ieşire pentru v Co = 5V şi pentru v Co = -5V atât pentru rezistenţa de sarcină R L2 = 1KΩ cât şi pentru R L2 = 100Ω. b) Cu tensiunea de comandă de nivel înalt v CO = +5V şi rezistenţa de sarcină R L2 = 1KΩ, se vizualizează v I (t) şi v O (t). Se creşte amplitudinea v I până când v O se distorsionează. Pentru ce valoare a amplitudinii v I apar distorsiuni ale tensiunii de ieşire? 1.2. Rezistenţa echivalentă a porţii de transfer Pentru poarta de transfer aleasă se aplică la intrare semnal sinusoidal cu frecvenţa de 1KHz şi amplitudine mai mică de 5V. a) r ON v CO = +5V; rezistenţa de sarcină R L1 = 100Ω. Se măsoară amplitudinile v I şi v O (de pe osciloscop). Valorile amplitudinilor v I şi v O. Se calculează r ON, având în vedere divizorul rezistiv format de r ON şi R L1. 5

b) r OFF v CO = -5V; rezistenţa de sarcină R L3 = 470KΩ (J12 închis, J10 deschis, J11 deschis ). Se măsoară amplitudinile v I şi v O (de pe osciloscop). Valorile amplitudinilor v I şi v O. Se calculează r OFF. 2. Amplificator cu reglaj digital al amplificării Se deconectează toţi jumperii din circuit. Porţile de transmisie folosite sunt cele notate A şi B. Se construieşte schema din Fig. 5 prin conectarea: J14 cu J15, J5 cu J6, J8 cu J9, iesirea amplificatorului operational (OUT), printr-un fir, la rezistenţa de sarcină, J11 închis, J2 închis (rezistenţele R2 cu R3). v CoA v CoB TG A TG B A R 2 R 3 B R 1 3,9k 33k _ 6 k + v I v O 1k R L Fig. 5. Amplificator cu amplificare comandată Se alimentează montajul cu tensiune diferenţială (V DD = +5V; V SS = -5V; masa= 0V). Se aplică la intrare semnalul v I = 100 sin(2π1000t) [mv], [Hz]. Tensiunea de ieşire se vizualizează în punctul V O. Tensiunile de comandă se aplică la V coa şi V cob, după combinaţiile de mai jos: v CoA v CoB I 5V 5V II -5V 5V III -5V -5V 6

Cu osciloscopul se vizualizează v I (t) şi v O (t) în cele trei cazuri. Cronogramele tensiunilor v I şi v O în cele trei cazuri. Ce valoare are amplificarea în tensiune în fiecare caz, calculată ca raport al amplitudinilor tensiunilor v O şi v I? 3. Integrator pasiv cu reţea de capacităţi comandată digital Se deconectează toţi jumperii din circuit. Se construieşte circuitul din Fig. 6 prin realizarea următoarelor conexiuni: J14 cu J13, J4 cu J3, J7 cu J8, J1 închis (scurtcircuitarea rezistentei R2). R A 3,9K v CoA v CoB v I TG A TG B v O C 1 68nF C 2 2,2nF B Fig. 6. Integrator cu reţea de capacităţi comandată Se alimentează montajul cu tensiune diferenţială (V DD = +5V; V SS = -5V; masa = 0V). v I (t) semnal dreptunghiular variabil între 0 şi 5V, cu frecvenţa de 100Hz, obţinut de la generatorul de semnale. Tensiunea de ieşire se vizualizează în punctul V O1. Tensiunile de comandă se aplică la V coa si V cob conform combinaţiilor de mai jos. Se vizualizează v I (t) şi v O (t) pentru următoarele combinaţii ale celor două tensiuni de comandă a porţilor de transfer: v CoA v CoB I 5V 5V II 5V -5V III -5V -5V Cronogramele tensiunilor v I şi v O pentru toate cele trei cazuri. 7

BIBLIOGRAFIE 1. Oltean, G., Dispozitive și circuite electronice. Dispozitive electronice, Risoprint, Cluj- Napoca, ISBN 973-656-433-9, 316 pag, 2003, retipărită în 2004 2. http://www.bel.utcluj.ro/dce/didactic/de/de.htm 3. Miron, C., Introducere în circuitele electronice, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 1983. 4. Ardelean, I., ş.a., Circuite integrate CMOS, Manual de utilizare, Editura tehnică, Bucureşti, 1986 Fig. 7. Montaj experimental 8