Transcript Metoda de calcul a PSF-ului pentru tranzistorul MOS

Curs 05
Tranzistoare bipolare si
tranzistoare MOS
Tranzistorul bipolar
Simbolul electronic al tranzistoarelor bipolare.
Marimile electrice la terminalele tranzistoarelor
3 curenţi – curenţii prin cele 3 terminale:
iE – curentul de emitor
iB – curentul de bază
iC – curentul de colector
3 tensiuni – tensiunile între terminalele
tranzistoarelor:
vBE – tensiunea bază-emitor
vBC – tensiunea bază-colector
vCE – tensiunea colector-emitor
Ecuatiile de functionare
iE  iB  iC
vBE  vBC  vCE
NPN
vEB  vCB  vEC
PNP
v 
iC  I S  exp BE 
 VT 
Regiuni de functionare
•
REGIUNEA ACTIVĂ NORMALĂ (RAN):
–
–
•
REGIUNEA DE SATURAŢIE:
–
–
–
•
condiţia de funcţionare: vBE > 0V şi vBC > 0V
în această regiune de funcţionare vCE < 0,1V
este o regiune de funcţionare în care tranzistorul bipolar poate fi utilizat pentru prelucrarea
digitală a semnalelor sau pentru generarea semnale digitale (biţi);
REGIUNEA DE BLOCARE:
–
–
–
•
condiţia de funcţionare: vBE > 0V şi vBC < 0V
în această regiune tranzistorul bipolar poate fi utilizat pentru prelucrarea analogică
semnalelor (informaţiilor), fiind singura regiune de funcţionare în care tranzistorul bipolar
poate AMPLIFICA LINIAR semnale (se va reveni asupra acestui amănunt, care stă la baza
construirii amplificatoarelor cu tranzistoare bipolare);
condiţia de funcţionare: vBE < 0V şi vBC < 0V
în această regiune de funcţionare toţi curenţii sunt zero
este o regiune de funcţionare în care tranzistorul bipolar poate fi utilizat pentru prelucrarea
digitală a semnalelor sau pentru generarea semnale digitale (biţi);
REGIUNEA ACTIVĂ INVERSĂ:
–
–
condiţia de funcţionare: vBE < 0V şi vBC > 0V
în această regiune de funcţionare, tranzistorul poate fi utilizat pentru prelucrarea analogică a
semnalelor (informaţiilor), dar, datorită amplificării foarte slabe a semnalelor, se evită
utilizarea tranzistorului în această regiune;
Modelarea functionarii tranzistorului bipolar in RAN si in regim variabil
de semnal mare
Ecuatiile modelului:
vBE  VD  0,6V
Circuitul echivalent care modelează comportamentul
tranzistorului bipolar în RAN si in regim variabil de
semnal mare; VD0,6V
 = factorul (coeficientul) de amplificare în curent:
variaza puternic cu variatia temperaturii;
prezinta dispersie tehnologica
Modelarea functionarii tranzistorului bipolar in regim variabil de semnal
mic: Vbe<13mV
Circuitul echivalent a modelului în regim variabil de
semnal mic, pentru frecvenţe joase si medii.
panta tranzistorului
I
gm  C
VT
gm   Siemens  Amper
Volt
Circuitul echivalent a modelului în regim
variabil de semnal mic, pentru frecvenţe înalte.
rezistenta de semnal mic dintre baza si emitor
r 

gm
r   
Vbe reprezinta amplitudinea tensiunii intre baza si emitor; nu trebuie confundata cu valoarea VBE
care reprezinta tensiunea continua dintre baza si emitor si are valoarea de aproximativ 0,6V
Tranzistorul MOS
• În funcţie de structură, există două categorii de tranzistoare MOS:
– ca canal indus
– cu canal iniţial
• în funcţie de tipul canalului, aceste tranzistoare MOS sunt de 2 tipuri
şi anume:
– cu canal de tip N
– cu canal de tip P
Simbolul electronic al tranzistoarelor MOS.
Mărimile electrice ale tranzistorului MOS
• 1 curent – curentul care este generat între DRENĂ şi SURSĂ:
– iD – curentul de drenă
• 3 tensiuni – tensiunile între terminalele tranzistoarelor:
– vGS – tensiunea grilă-sursă
– vGD – tensiunea grilă-drenă
– vDS – tensiunea drenă-sursă
Funcţionarea tranzistorului MOS.
REGIUNEA DE BLOCARE:
condiţia de funcţionare: vGS < VTH (canal N)
iD  0
REGIUNEA LINIARĂ:
condiţia de funcţionare: vGS > VTH şi vDS < vGS - VTH
v


i D  2  k   v GS  VTH  DS   v DS
2 

REGIUNEA DE SATURAŢIE:
condiţia de funcţionare:
vGS > VTH şi vDS > vGS - VTH
i D  k  v GS  VTH 2
VTH = tensiune de prag; k = parametru constructiv al tranzistorului
Modelarea funcţionării tranzistorului MOS.
Circuitul echivalent a modelului în regim
variabil de semnal mic, pentru frecvenţe
joase şi medii.
g m  2 k  ID
g m   Siemens  Amper
Volt
Circuitul echivalent a modelului în regim
variabil de semnal mic, pentru frecvenţe
înalte.
panta tranzistorului
Curs 06
Circuite de polarizare pentru
tranzistoare
Rolul circuitelor de polarizare pentru
tranzistoare
• stabilesc regimul de funcţionare al tranzistorului
• impun PUNCTUL STATIC DE FUNCTIONARE al tranzistoarelor =
valorile marimilor electrice CONTINUE prin terminalele acestora;
PSF-ul tranzistorului ofera informatii despre regiunea in care
functioneaza tranzistorul:
– Tranzistor bipolar: PSF=(IC, VCE)
– Tranzistor MOS: PSF=(ID, VDS)
– Tranzistoarele trebuie polarizate astfel incit sa functioneze in:
• Tranzistor bipolar: Regiunea Activă Normală
• Tranzistor MOS: Regiunea de Saturaţie
• Asigura independenta PSF-ului de variatia conditiilor de lucru:
variatii de temperatura, dispersia tehnologica a parametrilor
componentelor, variatia tensiunii de alimentare.
Circuit elementar de polarizare cu rezistor în bază
Sursa de alimentare: sursa
de tensiune continua
Rezistoare de polarizare
Valorile punctului static de functionare
V  VBE
IC    CC
RB
VCE  VCC  IC  RC
Tranzistorul functioneaza in RAN daca:
0,5V  VCE  VCC  1V
 = variaza puternic cu variatia temperaturii si prezinta dispersie tehnologica => IC
depinde direct proportional cu  => PSF-ul variaza
Metoda de calcul a PSF-ului pentru tranzistorul bipolar
1. Se calculeaza IC: se identifica tensiunea VBE
si se aplica TK2 pe bucla de circuit care
contine aceasta tensiune si nu contine
tensiunile VBC si VCE:
IC
RB
RB I BVBE  VCC  0
RC
Se presupune ca TB functioneaza in RAN:
VCE
VBE
+
IB
-
VCC I B 
IC
β
V  VBE
I C  β  CC
RB
2. Se calculeaza VCE: se identifica tensiunea
VCE si se aplica TK2 pe bucla de circuit care
contine aceasta tensiune si nu contine
tensiunea VBC:
RC I CVCE  VCC  0 VCE  VCC  RC I C
3. Se verifica daca tranzistorul functioneaza in
RAN: 0,5V  V
 V  1V
CE
CC
Exemplul 1: a. Să se determine PSF-ul tranzistorului pentru cazul în care VCC=10V, RB=1M,
RC=2.2k, iar =100. să se verifice dacă tranzistorul funcţionează în RAN. b. Să se
recalculeze PSF-ul tranzistorului pentru cazul în care, în urma variaţiei temperaturii la care
lucrează circuitul, valoarea lui  s-a modificat la valoarea =480. Să se verifice dacă
tranzistorul funcţionează în RAN.
V  VBE
10[V ]  0,6[V ]
940[V ]
IC    CC
 100

 0,94[m A]
RB
1000[k]
1000[k]
VCE  VCC  RC I C 10[V ]  2,2[k]  0,94[m A] 
 10[V ]  2,11[V ]  7,93[V ]
0,5[V ]  VCE  VCC  1[V ]  0,5V  7,93[V ]  9[V ]  ADEVARAT
TB functioneaza
in RAN
V  VBE
10[V ]  0,6[V ] 4512[V ]
IC    CC
 500

 4,512[m A]
RB
1000[k]
1000[k]
VCE  VCC  RC I C 10[V ]  2,2[k]  4,512[mA]  0,0736[V ]
0,5[V ]  VCE  VCC  1[V ]  0,5V  0,0736[V ]  9[V ]  FALS
TB NU
functioneaza in
RAN
Circuit elementar de polarizare cu rezistor în emitor
Valorile punctului static de functionare
IC 
  VCC  VBE 
  RE  RB
VCE  VCC  IC  RC  RE 
Tranzistorul functioneaza in RAN daca:
Daca β  RE  10 RB
V  VBE
I C  CC
RE
0,5V  VCE  VCC  1V
Pentru acest circuit, aceste conditii nu pot fi
indeplinite simultan => PSF-ul variaza
Circuit elementar de polarizare cu divizor rezistiv în
bază
Valorile punctului static de functionare
IC 
  VBB  VBE 
  RE  RB
VCE  VCC  IC  RC  RE 
Tranzistorul functioneaza in RAN daca:
Daca β  RE  10 RB
RB1
VBB 
 VCC
RB1  RB 2
RB 
RB1  RB 2
RB1  RB 2
V V
IC  BB BE
RE
0,5V  VCE  VCC  1V
Pentru acest circuit, aceste conditii pot fi
indeplinite simultan => PSF-ul nu variaza
Circuite de polarizare pentru tranzistoarele MOS
Circuit de polarizare cu
divizor rezistiv in grila
Tranzistorul functioneaza in regiunea
de saturatie daca:
VGS  VTH
VDS  VGS  VTH
Circuit cu autopolarizare a grilei –
valabil numai pentru tranzistoarele
MOS cu canal iniţial.
Metoda de calcul a PSF-ului pentru tranzistorul MOS - 1
0. Se calculeaza curentul prin divizorul rezistiv
din grila tranzistorului MOS:
RG
2
RD
IG=0
+
I
-
I
RG
1
RS
RG 2  I  RG1  I  VDD  0
VDD
VDD
 I 
RG1  RG 2
Metoda de calcul a PSF-ului pentru tranzistorul MOS - 2
RG
2
1. Se calculeaza ID: se identifica tensiunea VGS
si se aplica TK2 pe bucla de circuit care
contine aceasta tensiune si nu contine
tensiunile VGD si VDS:
RD
RS I DRG1  I  VGS  0
+
-
I
RG
1
ID
VGS
RS
VDD
Se presupune ca MOS functioneaza in
regiunea de saturatie:
I D k  VGS  VTH 2
Se rezolva sistemul in necunoscuta VGS,
pentru care se alege solutia care este mai
mare decit VTH (daca nu exista o astfel de
solutie => tranzistorul functioneaza in
regiunea de blocare => ID=0); apoi se
determina ID
Metoda de calcul a PSF-ului pentru tranzistorul MOS - 3
ID
RD
VDS
RD I DVDS  RS I DVDD  0
+
RG
2
2. Se calculeaza VDS: se identifica tensiunea
VDS si se aplica TK2 pe bucla de circuit care
contine aceasta tensiune si nu contine
tensiunea VGD:
-
VDD VDS  VDD  RD  RS I D
ID
RG
1
RS
3. Se verifica daca tranzistorul functioneaza in
regiunea de saturatie:
VDS  VGS  VTH
Exemplul 2: Să se determine PSF-ul tranzistorului pentru cazul în care VDD=10V, RG1=RG2
=100K, RD=3.3k, RS= 1k iar VTH=1V si k=0,1mA/V2. Să se verifice dacă tranzistorul
funcţionează în regiunea de saturatie.
I
VDD
RG1  RG 2
 I 
10[ V ]
10[ V ]

0,05[ m A]
100[ k ]  100[ k ] 200[ k ]
RS I DRG1  I  VGS  0
1[ k ] I D5[ V ]  VGS  0
I D k  VGS  Vth 2
 mA
I D 0,1 2   VGS  1[V ]2
V 
2
0,1VGS  0,8 VGS  4,9  0
VGS4V
VGS-12V < VTH
 mA
I D 0,1   4[ V ]  1[ V ] 2  0,9[ mA]
V 2 
VDS  VGS  VTH
VDS  10[ V ]  4,3[ k ]  0,9[ m A]
VDS  10[ V ]  3,87[ V ]  6,13[ V ]
6,13[ V ]  4[ V ]  1[ V ]  3[ V ]  adevar at