Generador de senyal. Rs2. Q2. Realitzeu l anàlisi en petit senyal i determineu els guanys en corrent i tensió de l amplificador en qüestió.

Download (0)

Full text

(1)

Pràctica 3. Etapa amplificadora amb transistor MOSFET en font

comú

Electrònica Analògica

Enginyeria Tècnica en Telecomunicacions (Telemàtica)

Curs 2003-2004

1. Introducció

En aquesta pràctica analitzareu el comportament d’un circuit amplificador basat en transistors d’efecte camp (MOSFET), més concretament un amplificador d’una etapa en configuració de font comú.

Recordeu que en els transistors d’efecte de camp el corrent de drenador, ID està controlat per

la tensió de porta VG. La pràctica requereix, en primer lloc realitzar l’anàlisi teòric, desprès

fer una simulació Spice i finalment verificar experimentalment el funcionament del circuit proposat.

2. Anàlisi del circuit

El circuit a analitzar, en que apareix un transistor de canal n (NMOS), és el que es presenta a la Figura 1. Vdd=15V C1= 33 nF C2= 33 nF RL=100kΩ RD=22kΩ RS2=1kΩ RG1= potenciometre d’1 MΩ RG2=1MΩ

La resistència interna del generador es de 50Ω. Rs RL C1 vS C2 RG1 RG2 VDD RD NMOS Generador de senyal Rs2 Rs RL C1 vS C2 RG1 RG2 VDD RD NMOS Generador de senyal Rs2

Q1. Calculeu el valor de RG1 necessari per obtenir ID=0.30mA. Determineu el punt de treball

en continua (suposeu kn=20uA/V2, VT0=1.4V, W=124µm, L=5µm)

Q2. Realitzeu l’anàlisi en petit senyal i determineu els guanys en corrent i tensió de

l’amplificador en qüestió.

Q3. Calculeu la resistència d’entrada i sortida de l’amplificador.

3. Simulació SPICE

Q4. Escriviu una netlist SPICE pel circuit de la Figura 1. Utilitzeu el següent model pel

(2)

Model NMOS .model mnmos NMOS (Level=1 Gamma= 0 Xj=0

+ Tox=108n Phi=.6 Rs=0 Kp=20u Vto=2.0 Lambda=0.01 + Rd=0 Cbd=2.0p Cbs=2.0p Pb=.8 Cgso=0.1p

+ Cgdo=0.1p Is=16.64p )

Model PMOS .model mpmos PMOS (Level=1 Gamma= 0 Xj=0

+ Tox=108n Phi=.6 Rs=0 Kp=6u Vto=-1.4 Lambda=0.02 + Rd=0 Cbd=4.0p Cbs=4.0p Pb=.8 Cgso=0.2p

+ Cgdo=0.2p Is=16.64p )

* S’utilitzen els valors per defecte dels paràmetres W i L (124 i 5µm respectivament pel transistor NMOS, i 480 i 5µm pel PMOS)

Nom SPICE Valor

predeterminat Paràmetre Unitat VTO LAMBDA RD RS GAMMA TOX KP UO BETA PHI 1 0 0 0 0 1e-7 20e-6 600 100e-6 0.65 Tensió llindar Modulació de canal

Resistència Ohmica del drenador Resistència Ohmica de la font Efecte de substrat

Gruix de l’òxid

Transconductància del procés Mobilitat superficial Transconductància total Potencial d’interficie V V-1 ohm ohm V-1/2 m A/V2 cm2/Vs A/V2 V

Taula 1: Principals paràmetres del MOSFET (el model complet pot tenir fins a 80 paràmetres). SI el paràmetre BETA, no apareix, la transconductància del procés se calcula com KP*W/L.

3.1 Anàlisi OP

Q5. Mitjançant una anàlisi .OP determineu RG1 per tal que en el punt de treball (punt

d’operació) s’obtingui ID=0.30mA. Per tal de realitzar amb Spice un escombrat de valors de la

resistència RG1 de forma automàtica, haureu de definir el seu valor com un paràmetre i

després utilitzar l’opció .STEP per variar el valor.

Com exemple, a continuació es mostra com es definiria el paràmetre pot amb valor inicial 1MΩ i com aquest paràmetre s’utilitza per fer un escombrat de valors per la resistència RG1

entre 0.5MΩ i 5MΩ amb increments de 0.25MΩ. .param pot = 1Meg

RG1 3 0 {pot}

.step param pot 100K 1Meg 50K

Determineu el valor de les tensions de porta i drenador pel valor de RG1 obtingut.

(3)

Nom SPICE Paràmetre GM GDS GMB CBD CBS CGS CGD CGB Transconductància 1/ ro (resistència de sortida) Transconductancia de bulk Capacitat Bulk-drain Capacitat Bulk-source Capacitat gate-source Capacitat gate-drain Capacitat gate-bulk ro gm·vGS rS rD S G D gm·vBS B + vGS -vBS + ro gm·vGS rS rD S G D gm·vBS B + vGS -vBS +

Taula 2: Paràmetres de petit senyal del MOSFET calculats al fer un anàlisis .OP (s’han inclòs també els paràmetres de petit senyal que determinen la resposta en freqüència)

3.2 Anàlisi AC

Q6. Per obtenir Av, Ai, Ri i Ro, haureu de realitzar dues simulacions per separat. La primera

per calcular el corrent de sortida, el voltatge de sortida i el corrent d’entrada per un voltatge d’entrada determinat (per exemple de 10mV) i el segon per determinar el voltatge de sortida i el corrent de sortida quan s’anul·la la font de senyal.

Per obtenir el corrent de sortida de l’amplificador utilitzarem una font de voltatge de 0V situada en sèrie amb RL (consulteu l’informe de la pràctica 2).

Q7. Feu el diagrama de Bode per l’amplitud de vo pel rang de freqüències comprés entre

1Hz-10MHz. Caldrà que la font vi la definiu com una font AC d’amplitud 1V, i llavors realitzeu

una anàlisi .AC:

.ac dec 10 1 10MEG

Q8. Modifiqueu els valors de C1 i C3 prenent valors 10 vegades més petits que els inicials i

observeu com canvia el diagrama de Bode. Expliqueu raonadament el que observeu. Repetiu el mateix per valors 10 vegades majors que els inicials.

3.3 Anàlisi transitòria

Q9. Determineu vo(t) quan vi(t)=0.1sin(10t), repetiu per cada una de les freqüències 1kHz,

(4)

4. Muntatge experimental

Per implementar el circuit de la figura 1, utilitzareu el circuit integrat CD4007. Aquest circuit conté un parell de transistors NMOS, un parell de transistors PMOS i un inversor CMOS.

Per montar el circuit amplificador de la figura 1, únicament heu d’utilitzar un dels transistors NMOS (connectant adequadament els terminals 3=porta, 4=font, 5=drenador i 7=substrat).

Q10. Ajusteu RG1 per establir el punt de treball del transistor a una intensitat de drenador de

ID=0.30mA (sense font sinusoïdal vi). Es pot mesurar directament ID posant l’amperímetre en

sèrie. Mesureu amb el multímetre el valor final de RG1.

Q11. Amb el generador de funcions, exciteu el circuit amb un senyal sinusoïdal d’amplitud

adient. Modifiqueu la freqüència per tal d’obtenir valors suficients per dibuixar el diagrama de Bode de l’amplitud de Vo.

Mesureu a més el guany en corrent a f=10kHz. Per fer això connecteu una resistència RS2 =1k

entre la sortida de la font1 i el condensador C1, i feu una mesura en AC amb el multímetre de

la caiguda a la resistència. Llavors mesureu la caiguda a la resistència de càrrega, RL (això és,

vo) i feu el quocient de les dues mesures AC.

Que li passa al guany si s’elimina la resistència RG1 ?

Q12. (activitat optativa)

Mesureu la corba de transferència, vo(vi). del circuit inversor que hi ha al CD4007:

(i) Polaritzeu a 10V el terminals 11 i connecteu el terminal 9 a gnd

(ii) Connecteu una font DC ajustable al terminal 10 (aquesta font actua de vi)

(iii) Varieu el valor de vi, per a cada valor mesureu la tensió de sortida al terminal 12 (vo)

Comenteu a partir dels resultats obtinguts, si aquest circuit es pot utilitzar com a amplificador.

Apèndix

Full de dades del circuit integrat CD4007:

http://scgproducts.motorola.com/Collateral/DataSheet/mc14007ubrev3.pdf http://www-s.ti.com/sc/psheets/schs018/schs018.pdf

(5)

Aquest full resolt o be una copia del mateix. L’heu d´entregar al professor de laboratori abans de l’inici de la pràctica i representa un 30% de la nota total. A més, es necessari haver llegit el guió corresponent.

TREBALL PREVI: PRÀCTICA DE SIMULACIÓ PSPICE

(i) Entregueu la solució als exercicis Q1, Q2 i Q3

(ii) Entregueu la Netlist de PSPICE necessària per completar els exercicis Q4-Q7

TREBALL PREVI: PRÀCTICA DE MUNTATGE

(i) Si encara no ho heu fet, entregueu la solució als exercicis Q1, Q2 i Q3.

(6)

INFORME PRÀCTICA 3

Etapa Amplificadora MOSFET Font Comú

Les respostes a aquest full representen el 40% de la nota de la pràctica . L’heu d´entregar abans de la data fixada pel professor, les pràctiques entregades després d´aquesta data poden tenir penalització. El 60% restant de la nota ve donada, pel full de càlculs previs (30%) i per un conjunt de criteris variats con son assistència, puntualitat, interès, habilitat, netedat , claredat... (30% restant)

SPICE:

(1) Quin és el punt de treball d’aquest amplificador ? Punt de treball Valor

obtingut: VDS

ID

RG1

(2) Presenteu els valors obtinguts pels següents paràmetres del transistor MOSFET.

Nom SPICE Paràmetre petit senyal Valor obtingut:

GM GDS GMB CBD CBS CGS CGD CGB Transconductància 1/ ro (resistència de sortida) Transconductancia de bulk Capacitat Bulk-drain Capacitat Bulk-source Capacitat gate-source Capacitat gate-drain Capacitat gate-bulk

(3) Presenteu els resultats de l’apartat 3.2. Compara’l amb el resultat calculat analíticament.

Paràmetre Formula Càlcul manual Spice Error %

Ri Ro Av Ai

(7)

(5) Presenteu els resultats de l’apartat 3.3. A partir de quina amplitud d’entrada l’amplificador deixa de funcionar adequadament? per què?.

MESURES EXPERIMENTALS:

(6) Quin és el valor de RG1? Quin és el punt de treball mesurat experimentalment?

(7) Quin és el guany de l’amplificador? Concorda el valor mesurat amb el valor calculat analíticament i el valor obtingut amb Spice?

Paràmetre Mesura Experim. Càlcul manual Spice Error %

Av

(8) Quin és el guany en corrent?

(9) Dibuixeu el diagrama de Bode corresponent al guany obtingut a partir de les mesures experimentals.

(10) Que li passa al guany quan s’elimina la resistència RG1?

Figure

Updating...

References

Related subjects :