Podstawowe układy pracy tranzystora MOS

Transkrypt

L
P
A B O R A T O R I U M
O D S T A W
E
L E K T R O N I K I
M
I
E T R O L O G I I
4B
Podstawowe układy
pracy tranzystora MOS
Ćwiczenie opracował Bogdan Pankiewicz
d) zmierzyć dolną i górną 3-decybelową częstotliwość
graniczną ( f 3dBL , f 3dBH ). Pomiar należy wykonać w
1. Wstęp
Ćwiczenie umożliwia pomiar i porównanie właściwości trzech
podstawowych konfiguracji pracy tranzystora MOS. Są to
kolejno układ wspólnego źródła (CS), wspólnej bramki (CG)
oraz wspólnego drenu (CD). W ramach ćwiczenia wykonuje
się pomiary: wzmocnienia w środku pasma przepustowego,
rezystancji wejściowej oraz wyjściowej, dolnej oraz górnej 3dBowej częstotliwości granicznej a także amplitudowej
charakterystyki
częstotliwościowej
poza
pasmem
przepustowym wzmacniacza. Poszczególne konfiguracje
wybiera się przy pomocy przełącznika obrotowego, który
poprzez przekaźniki, przełącza pomiędzy trzema układami CS,
CG i CD. Czwarta pozycja przełącznika wykorzystana jest do
bezpośredniego zwarcia gniazda sygnału wejściowego z
gniazdem wyjściowym. Umożliwia to pomiar napięcia
wejściowego i wyjściowego przy pomocy jednego i tego
samego przyrządu. Poszczególne układy wykonano tak, aby
zapewniały
niemalże
identyczne
warunki
zasilania
tranzystorów. Różnice pomiędzy parametrami wzmacniaczy
wynikają więc głównie z różnych konfiguracji pracy elementu
aktywnego, co umożliwia jakościowe porównanie układów. Dla
uniezależnienia się od parametrów przyrządów pomiarowych
oraz jakości połączeń, w każdym ze wzmacniaczy wbudowano
bufor o wzmocnieniu jednostkowym.
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy
zapoznać się z teorią dotyczącą pracy tranzystora MOS
jako wzmacniacza liniowego (zamieszczona jest ona w
niniejszym opracowaniu). Prowadzący ma obowiązek
sprawdzić przygotowanie do ćwiczenia.
Dla każdego z układów CS, CG i CD należy:
a) zmierzyć wzmocnienie dla środka pasma vo/vs (warunki
pomiaru: sygnał wejściowy o częstotliwości 5kHz i napięciu ok.
30mV dla CS oraz CG, dla układu CD ok. 300mV).
b) zmierzyć rezystancję wejściową (sygnał wejściowy jw., opis
w części teoretycznej).
Aby zmierzyć rezystancję wejściową należy (dla ustalonej
amplitudy napięcia na wejściu):
- zmierzyć napięcie na wyjściu układu vo;
- rozewrzeć rezystor RSZER (poprzez naciśnięcie i
przytrzymanie przycisku
RIN
)
i zmierzyć napięcie
wyjściowe vo';
- wyznaczyć rezystancję wejściową ze wzoru:
v o'
v o − v o'
⋅ R SZER − RGEN
(1)
c) zmierzyć rezystancję wyjściową (sygnał wejściowy jak w pkt.
a, opis w części teoretycznej).
Aby zmierzyć rezystancję wyjściową należy (dla ustalonej
amplitudy napięcia na wejściu):
- zmierzyć napięcie na wyjściu układu vo;
- zewrzeć rezystor RRÓW (poprzez naciśnięcie i
przytrzymanie przycisku ROUT
)
i zmierzyć napięcie
wyjściowe vo';
- wyznaczyć rezystancję wyjściową ze wzoru:
ROUT =
300mV / 2 , uzyskana wartość jest odpowiednią
częstotliwością graniczną.
e) zmierzyć amplitudową charakterystykę częstotliwościową w
zakresie od 30Hz do f 3dBL oraz od f 3dBH do 2MHz w rastrze
częstotliwości 1, 2, 4, 7, 10 (tj. np. dla 10Hz, 20Hz, 40Hz,
70Hz, 100Hz, ... ). Zmierzoną charakterystykę należy nanieść
na wykres. Oś pionowa powinna być wzmocnieniem
wyrażonym w mierze logarytmicznej tj. 20 log 10 VO V IN , oś
pozioma (częstotliwość sygnału pomiarowego) powinna być
logarytmiczna.
Przykłady tabel pomiarowych
CS
CG
⎛ v ⎞
R L RBUF ⎜ 1 − 0' ⎟
⎝ v0 ⎠
R L RBUF
v0
−
'
v0 R L RBUF RRÓW
(2)
30
40
...
f 3dBL f 3dBH ...
1M
2M
V0/VIN
3. Opracowanie wyników
Dla układów CS, CG oraz CD należy obliczyć teoretycznie:
• punkty pracy tranzystorów,
• wzmocnienie małosygnałowe vo/vin,
• częstotliwości 3-decybelowe górne i dolne,
• rezystancję wejściową i wyjściową.
Wyniki obliczeń należy umieścić tak, aby można było łatwo
porównać je z pomiarami (np. we wspólnej tabeli). Dla
każdego z układów narysować zmierzone charakterystyki
częstotliwościowe modułu wzmocnienia a następnie nanieść
na nie wyniki obliczeń (tj. wzmocnienie w środku pasma i
częstotliwości graniczne górną i dolną). Zamieścić własne
wnioski i spostrzeżenia. Porównać układy pomiędzy sobą, a
także skomentować zgodność obliczeń z pomiarami.
4. Teoria (dla zainteresowanych)
W ćwiczeniu wykonane są trzy wzmacniacze oznaczone
konfiguracjami pracy tranzystorów tj. CS, CG oraz CD.
Wszystkie układy posiadają wbudowane bufory wejściowy i
wyjściowy. Bufory te są identyczne a ich parametry
przedstawia poniższa tabela:
Parametr
Wzmocnienie
Rezystancja wejściowa R BUF
Rezystancja wyjściowa RGEN
2009.04.22
CD
Vo/Vin [V/V]
Rin [kΩ]
Rout [kΩ]
f3dBL [Hz]
f3dBH [kHz]
f [Hz]
2. Pomiary
R IN =
następujący sposób:
- ustawić częstotliwość generatora na 5kHz,
- ustalić wartość napięcia wejściowego w ten sposób, aby
na wyjściu badanego układu uzyskać 300mV,
- zmniejszać (dla pomiaru częstotliwości granicznej
dolnej) lub zwiększać (dla pomiaru częstotliwości
granicznej górnej) częstotliwość sygnału wejściowego
aż do uzyskania napięcia wyjściowego równego
Jednostki Wartość
V/V
1
1
MΩ
Ω
50
4B-2
pF
Pojemność wejściowa C BUF
VGS = VG − I D R S ; natomiast prąd
3
można wyrazić wzorem:
drenu można wyznaczyć z układu równań:
Częstotliwość graniczna
MHz
4
Małosygnałowy
model
zastępczy
przedstawiony jest na rysunku 1,
tranzystora
MOS
⎪⎧VGS = VG − I D R S
⎨
2
⎪⎩ I D = K N (VGS − VT )
(4)
Rozwiązaniami powyższego układu równań są dwa różne
prądy, z których ten prawidłowy spełnia nierówność:
VGS = VG − I D R S > VT . Znając wartość prądu drenu można
wyznaczyć napięcia na źródle i drenie tranzystora MOS jako:
VS = I D R S oraz V D = V DD − I D R D . W przypadku, gdy
VDS ≥ VGS − VT
spełniona jest nierówność:
, tranzystor
pracuje w zakresie nasycenia, a jego transkonduktancja
Rys. 1. Małosygnałowy schemat zastępczy tranzystora
MOS.
gdzie:
gm = 2 K N I D ,
I D = K N (VGS − VT )2 ,
rO = V A I D , VT - napięcie progowe, K N = 0,5k n W L parametr transkonduktacyjny tranzystora MOS, W, L - wymiary
geometryczne obszaru kanału elementu, k n - ruchliwość
nośników w kanale. Parametry tranzystorów wykorzystanych w
ćwiczeniu podane są w tabeli na końcu opracowania. Ze
względu na dużą wartość napięcia V A tych elementów,
rezystancja wyjściowa tranzystorów MOS
ćwiczeniu została pominięta.
w
wynosi: g m = 2 K N I D .
4.1.2 Analiza małosygnałowa:
Środek pasma:
Zastępczy schemat małosygnałowy w zakresie średnich
częstotliwości (w paśmie przepustowym) jest tworzony przy
założeniu, że pojemności sprzęgające i bocznikujące stanowią
zwarcie dla sygnałów zmiennych, natomiast pojemności
pasożytnicze tranzystora są rozwarciem.
niniejszym
4.1 Układ w konfiguracji wspólnego
źródła (CS):
Rys. 4. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w
układzie CS dla zakresu częstotliwości średnich.
R IN = RG1 RG 2
(5)
ROUT = R D
(6)
(
v 0 = − g m v gs R D R L R BUF
v gs =
Rys. 2. Schemat wzmacniacza z tranzystorem MOS w
konfiguracji wspólnego źródła (CS).
)
(7)
R IN
v in
R IN + RGEN
(8)
(
v0
R IN
g m R D R L R BUF
=−
v in
R IN + RGEN
)
(9)
4.1.1 Punkt pracy
Ze względu na brak przepływu prądu przez bramkę tranzystora
MOS napięcie stałe na jej wyprowadzeniu można obliczyć
korzystając z zależności na dzielnik napięciowy:
VG = V DD
RG 2
R G1 + R G 2
(3)
Wysokie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna górna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe, powiązane z odpowiednimi pojemnościami
pasożytniczymi tranzystora MOS. Korzystając z twierdzenia
Millera, pojemność CGD można zamienić (patrz rys. 5) na
pojemności CM1 i CM2.
K=
(
vo
= − g m R D R L R BUF
v gs
)
(10)
C M 1 = C gd (1 − K )
(11)
1⎞
⎛
C M 2 = C gd ⎜ 1 − ⎟
⎝
K⎠
(12)
Rys. 5. Zastępczy schemat małosygnałowy dla
wyznaczenia częstotliwości granicznej górnej.
Rys. 3. Schemat do wyznaczenia punktu pracy
tranzystora.
Napięcie na wyprowadzeniu źródła jest równe spadkowi
napięcia na rezystorze R S , stąd napięcie bramka - źródło
Po zamianie CGD , w układzie są dwie stałe czasowe o
następujących wartościach:
τ H1 = ( C M 1 + CGS ) ⋅ ( Rin RGEN )
(13)
(
τ H 2 = ( C M 2 + C BUF + C DS ) ⋅ RD RL RBUF
)
(14)
4B-3
Przybliżona częstotliwość graniczna górna może być
określona wzorem:
f H 3dB ≈
1
2π ⋅ (τ H 1 + τ H 2 )
(15)
Niskie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna dolna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe, powiązane z odpowiednimi pojemnościami
sprzęgającymi lub bocznikującymi (licząc stałe czasowe dla
każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako
zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora MOS traktuje
się jako rozwarcia.
Rys. 8 Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w
układzie CG z rys. 7 dla zakresu częstotliwości
średnich.
R IN = R S
1
gm
ROUT = R D
(20)
(
v 0 = − g m v gs R D R L R BUF
v gs = −
Rys. 6. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza z
rys. 2 dla częstotliwości niskich.
Wykorzystując schemat zastępczy z rys. 6 poszczególne stałe
czasowe związane z kolejnymi pojemnościami można wyrazić
nastąpująco:
τ L1 = C G ( RGEN + RG1 RG 2 )
⎛
τ L 2 = C S ⎜⎜ R S
⎝
1 ⎞
⎟
g m ⎟⎠
τ L 3 = C D ( R D + R L R BUF )
(16)
(17)
(18)
Przybliżona częstotliwość graniczna dolna może być określona
wzorem:
f L 3dB
1 ⎛ 1
1
1 ⎞
≈
+
+
⎜
⎟
2π ⎝ τ L1 τ L 2 τ L 3 ⎠
4.1.1 Punkt pracy
Punkt pracy liczy się identycznie jak dla układu w konfiguracji
CS.
Środek pasma:
Zastępczy schemat małosygnałowy w zakresie średnich
pasożytnicze tranzystora są rozwarciem.
(22)
R IN
v
R IN + RGEN in
(
(23)
)
(24)
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
pasożytniczymi tranzystora MOS. Stałe te liczy się dla danej
pojemności pasożytniczej przy założeniu, że pozostałe
pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie. Z rys. 9 wynika,
że poszczególne stałe czasowe są równe:
⎛
τ H1 = CGS ⎜⎜ RGEN R S
⎝
1 ⎞⎟
g m ⎟⎠
(
τ H 2 = (C GD + C BUF ) ⋅ R D R L R BUF
τ H3
konfiguracji wspólnej bramki (CG).
)
v0
R IN
g m R D R L R BUF
=
v in R IN + RGEN
(19)
4.2 Układ w konfiguracji wspólnej
bramki (CG):
(21)
(25)
)
⎛
⎞
⎜
⎟
R
R
R
g
−
1
D
L
BUF m
⎟
= C DS ⎜ R D R L R BUF +
⎜
⎟
1
− gm ⎟
⎜
RGEN RS
⎝
⎠
(26)
(27)
Rys. 9. Zastępczy schemat małosygnałowy układu CG dla
wyznaczenia częstotliwości granicznej górnej.
Przybliżona częstotliwość graniczna górna może być
określona wzorem:
f H 3dB ≈
1
2π ⋅ (τ H 1 + τ H 2 + τ H 3 )
(28)
każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako
zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora MOS traktuje
się jako rozwarcia. Stała czasowa związana z pojemnością
CG nie występuje ze względu na nie przechodzenie sygnału z
wyprowadzenia źródła na wyprowadzenie bramki (ze względu
na nieskończenie wielką rezystancję bramki).
4B-4
Rys. 12. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza
w układzie CD z rys. 11 dla zakresu częstotliwości
średnich.
z rys. 7 dla częstotliwości niskich.
Wykorzystując schemat zastępczy z rys.10, poszczególne
stałe czasowe są równe:
⎛
1 ⎞
⎟
g m ⎟⎠
(29)
τ L 2 = C D ( R D + R L R BUF )
(30)
τ L1 = C S ⎜⎜ RGEN + R S
⎝
Przybliżona częstotliwość graniczna dolna może być określona
wzorem:
f L 3dB
1 ⎛ 1
1 ⎞
≈
+
⎜
⎟
2π ⎝ τ L1 τ L 2 ⎠
(31)
4.3 Układ w konfiguracji wspólnego
drenu (CD):
Na podstawie schematu przedstawionego na rys. 12
poszczególne rezystancje, napięcia oraz wzmocnienie można
określić następująco:
R IN = RG1 RG 2
(32)
ROUT = R S
(
1
gm
(33)
v 0 = g m v gs R S R L R BUF
vg =
)
(34)
R IN
v
R IN + RGEN in
(35)
(
v gs = v g − v s = v g − v 0 = v g − g m v gs R S R L R BUF
v gs = v g
(
1
1 + g m R S R L R BUF
(
)
konfiguracji wspólnego drenu (CG).
4.3.1 Punkt pracy
Punkt pracy liczy się jak dla układu w konfiguracji CS. Jedyną
różnicą jest to, że napięcie stałe na wyprowadzeniu drenu
tranzystora jest równe napięciu zasilania.
Środek pasma:
Zastępczy schemat małosygnałowy z zakresie średnich
pasożytnicze tranzystora są rozwarciem. Dodatkowa niewielka
pojemność C 0 (35pF) ma wpływ na wysokie częstotliwości,
(36)
(37)
)
g m R S R L R BUF
v0
R IN
=
v in R IN + RGEN 1 + g m R S R L R BUF
(
)
)
(38)
pasożytniczymi tranzystora MOS. Stałe te liczy się dla danej
pojemności pasożytniczej przy założeniu, że pozostałe
pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie. Korzystając z
rys. 13 poszczególne stałe czasowe są równe:
(
τ H1 = CGD RGEN RG1 RG 2
)
(39)
⎛ 1
⎞
R S R L R BUF ⎟
g
⎝ m
⎠
τ H 2 = (C DS + C0 + C BUF ) ⋅ ⎜
⎛R
⎞
⎜ GEN RG1 RG 2 + R S R L R BUF ⎟
⎟
1 + g m R S R L R BUF
⎜
⎟
⎝
⎠
τ H 3 = CGS ⎜
f H 3dB ≈
1
2π ⋅ (τ H 1 + τ H 2 + τ H 3 )
(40)
(41)
(42)
więc w środku pasma można ją traktować jako rozwarcie.
Rys. 13. Zastępczy schemat małosygnałowy układu CD z
rys. 11 dla wyznaczenia częstotliwości granicznej
górnej.
4B-5
każdej z
pojemności, pozostałe należy traktować jako zwarcie).
Pojemności pasożytnicze tranzystora oraz niewielką
pojemność C 0 traktuje się jako rozwarcia.
4.5 Pomiar rezystancji wyjściowej
wzmacniaczy
Rezystancję wyjściową mierzy się wykorzystując dodatkowy
rezystor R RÓW włączany równolegle z rezystancją obciążenia
wzmacniacza R L . Podczas normalnej pracy rezystor R RÓW
jest odłączony. W czasie pomiaru rezystancji dołącza się go
przełącznikiem umieszczonym na płycie czołowej i
oznaczonym ROUT
.
z rys. 11 dla częstotliwości niskich.
Według rys. 14 poszczególne stałe czasowe odpowiadające za
częstotliwość graniczną dolną są równe:
τ L1 = CG ( RGEN + RG1 RG 2 )
(43)
⎛ 1
⎞
R S + R L R BUF ⎟
⎝ gm
⎠
τ L2 = CS ⎜
(44)
f L 3dB
Oznaczając odpowiednio napięcia wyjściowe przy odłączonym
i
Częstotliwość trzydecybelową dolną można wyznaczyć za
pomocą wzoru przybliżonego:
1 ⎛ 1
1 ⎞
≈
+
⎜
⎟
2π ⎝ τ L1 τ L 2 ⎠
Rys. 16. Metoda pomiaru rezystancji
wyjściowej wzmacniacza.
dołączonym
(45)
vo = K ⋅
v o' = K ⋅
Rezystancję wejściową mierzy się wykorzystując dodatkowy
RSZER włączony szeregowo z rezystancją
rezystor
vo
v o'
=
wewnętrzną generatora RGEN . Podczas normalnej pracy jest
on zwierany przez przełącznik umieszczony na płycie
Po
naciśnięciu
przycisku
oznaczonego
R RÓW
jako
v0
oraz
v 0' ,
otrzymujemy:
4.4 Pomiar rezystancji wejściowej
wzmacniaczy
czołowej.
rezystorze
R IN
następuje rozwarcie, powodujące dołączenie rezystora R SZER ,
co prowadzi do zmniejszenia wzmocnienia.
ROUT
RL
⋅v
R L + ROUT in
(50)
R L R RÓW
R L R RÓW + ROUT
R L R RÓW + ROUT
R L R RÓW
⋅ v in
(51)
RL
R L + ROUT
(52)
⎛ v ⎞
R L ⎜⎜ 1 − 0' ⎟⎟
⎝ v0 ⎠
=
v0
RL
−
v 0' R L R RÓW
(53)
4.6 Dane elementów i parametry
tranzystorów w poszczególnych
konfiguracjach układowych.
Rys. 15. Metoda pomiaru rezystancji
wejściowej wzmacniacza.
Oznaczając odpowiednio napięcia wyjściowe przy zwartym i
'
rozwartym rezystorze R SZER jako v 0 oraz v 0 , otrzymujemy:
R IN
⋅v
R IN + RGEN in
R IN
v o' = K ⋅
⋅ v in
R IN + RGEN + R SZER
vo = K ⋅
vo
v o'
=
R IN + RGEN + R SZER
R IN + RGEN
R IN =
v o'
v o − v o'
⋅ R SZER − RGEN
(46)
(47)
(48)
(49)
Parametr
KN
VT
CDS
CGS
CGD
RGEN
RBUF
CBUF
C0
RSZER
RRÓW
CG
CS
CD
RG1
RG2
RS
RD
RL
VDD
Jednostki
μA/V2
V
pF
pF
pF
Ω
MΩ
pF
pF
kΩ
kΩ
nF
μF
nF
kΩ
kΩ
kΩ
kΩ
kΩ
V
CS
312,32
1,272
12,34
9,33
1,7
50
1
3
nie ma
300,8
21,8
9,15
0,98
100
752,8
479
21,97
46,68
46,8
12
CG
323,46
1,264
12,36
9,74
1,84
50
1
3
nie ma
2,87
20,49
9,20
0,98
100
755,5
481,3
22,26
46,83
46,78
12
CD
309,15
1,252
11,42
8,99
1,93
50
1
3
35
306,5
3,142
9,17
1,001
100
754,5
480,6
22,31
nie ma
13,35
12
4B-6
Rys. 17. Widok płyty czołowej ćwiczenia.
Literatura:
[1]
Z. J. Staszak, J. Glinianowicz, D. Czarnecki, „Materiały
pomocnicze do przedmiotu Układy elektroniczne
liniowe”.
[2]
A. Guziński, „Liniowe elektroniczne układy analogowe”,
WNT, Warszawa 1992.
[3]
A. Filipkowski, „Układy elektroniczne analogowe i
cyfrowe”, WNT, Warszawa 1978.

Podstawowe układy pracy tranzystora MOS

Transkrypt

Podobne dokumenty

Uszczelnienie statyczne X-RING/QUAD-RING

Alternatywne układy chromatografu preparatywnego/procesowego

CO POWINNO ZANIEPOKOIĆ RODZICÓW?

Instrukcja instalacji iFK w sieci lokalnej

Wzmacniacz tranzystorowy - Pracownia Elektroniczna