Zesilovač SE s tranzistorem MOSFET
MOSFET Řešení harmonického ustáleného stavu obvodu s tranzistorem MOSFET (NLO)
UDD
Aplikace tranzistoru MOSFET jako řízeného proudového zdroje RD
R1
Zesilovač s tranzistorem - základní zapojení (SS, SD, SG) C1
Tranzistor MOSFET jako spínač
C2
BS170
Aplikace v logických obvodech NMOS, CMOS
RZ
Realizace tranzistorů MOSFET
Δu1
R2
Rs
Δu2
Cs
Význam jednotlivých obvodových prvků: UDD napětí stejnosměrného napájecího zdroje Δu1 vstupní harmonický signál C1 vazební kapacita pro navázání vstupního signálu R1 R2 napěťový dělič pro nastavení napětí UGS (P0) RD zatěžovací odpor tranzistoru RS nastavení zpětné vazby pro stabilizaci P0, příp. nastavení napěťového zisku CS blokovací kondenzátor pro střídavé přemostění odporu RS C2 vazební kapacita pro navázání výstupního signálu do zátěže RZ RZ zátěž zesilovače
Využití NLO pro harmonickou analýzu zesilovače Příklad: Určete napěťové zesílení Au=Δu2/Δu1 zesilovače s tranzistorem MOSFET. Zadáno: UDD=15V, RD=680, R1=820k, R2=220k, RZ=1M, C1= 100n, C2=10μ, f=1kHz, tranzistor je zadán charakteristikou. UGS [V] 25 ID [mA]
3.6
Řešení: A. Stejnosměrná (DC) analýza = nalezení P0 tranzistoru 1. Zjednodušení obvodu - odstranění střídavých zdrojů - odstranění obvodových prvků, které se při DC řešení neuplatní: - kapacitory = rozpojené svorky - induktory = zkrat
20
UDD
15
3.4
R1
10
R1
C1 Δu1
R2
RD
C1
3.2
UDD
5
C2
0
3.0 2.8 0
2
4
6
8
10
12
14
16
UDS [V] RZ
Δu2
Δu1
R2
RD
UDD R1
C2
RZ
R2
DC řešení:
DC řešení: UDD= 15V
ID
R1=820k
I1
IG=0
R2=220k
G
UGS
UDD= 15V
1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou
RD = 680
R1=820k
D S
I1
UDS
R2=220k
ID [mA]
5
ID= (UDD-UDS)/RD
0
2
4
6
8
10
12
14
R2=220k
IG=0
G
UGS
RD = 680
UGS0= 3.17V
D S
vybrat nejbližší vrstevnici charakteristiky pro UGS0
UDS
ID= (UDD-UDS)/RD
(1)
vynést graf (1) v charakteristice
25
Pracovní bod tranzistoru P0 je dán průsečíkem grafu rovnice (1) s vrstevnicí výstupní charakteristiky pro UGS0=3.2V.
UDD/RD
15
3.4
P0
10
3.2
ID0= 7.5mA
5
UDD3.0
P0= [UGS0, UDS0,ID0] P0= [3.2V, 9.75V ,7.5mA]
0
2.8
0
2
4
6
8
10
12
UDS0= 9.75V
14
16
UDS [V]
0
3.0 2.8 0
2
4
gmΔuGS
ΔuGS
8
10
12
14
16
B. Určení parametrů NLO pro daný P0:
D
G
6
UDS [V]
ΔiD
P0= [UGS0, UDS0,ID0]
ro
P0= [3.2V, 9.75V, 7.5mA] ΔuDS S
S
ΔuDS=0
25
UGS [V]
ID [mA]
3.6
20
5
UGS0= 15V (220/(220+820)) = 3.17V
UGS [V]
ID [mA]
3.2
(2)+(3)
ΔiG=0
1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. Sestavit obvodové rovnice 3. Grafické řešení
3.4
10
nezatížený napěťový dělič R1 R2
UDS [V]
3.6
15
(1)
UGS= UDD(R2/(R1+R2))
16
DC řešení:
UGS [V]
20
zatěžovací charakteristika zdroje UDD RD
3.0 2.8
(3)
ID [mA]
3.4
3.2
ID
UGS= R2I1
Úpravou
10
I1
S
UGS
UDD= R1I1+ R2I1 (2)
UDS
3.6
15
R1=820k
G
25
20
UDD= 15V
UDD= RDID + UDS (1)
D
UGS [V]
25
0
RD = 680
ID IG=0
1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. Sestavit obvodové rovnice
ΔuDS =0
⎛ ΔiD ⎞ ⎟⎟ gm = y21 = ⎜⎜ ⎝ ΔuGS ⎠P0 gm =
13.7mA - 3.5mA 3.4V - 3.0V
gm = 25.5 mS
3.6
20
uGS1
15
ΔiD
3.4
ΔuGS= uGS1-uGS2
P0
10
3.2 uGS2
5 0
3.0 2.8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
UDS [V]
ΔiG=0
Určení parametrů NLO pro daný P0:
ΔiD D
G gmΔuGS
ΔuGS
P0= [UGS0, UDS0,ID0]
ro
P0= [3.2V, (9.75V,7.5mA] ΔuDS
Řešení: C. AC analýza = řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 1. Zjednodušení obvodu - odstranění ss zdrojů: - ss zdroje napětí zkratovat (dU/dt = 0) - ss zdroje proudu odpojit (dI/dt = 0) UDD
S
S
UGS [V]
25
ID [mA] ΔuGS =0
r0 = 1/ y 22
⎛ ΔuDS ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎝ ΔiD ⎠P0
r0 = 14 kΩ
Δu1
15
P0
ΔiD ΔuGS=0
5 0
zisk klesá vlivem kapacit C1, C2 a CS
Δu2
C1
2
4
6
8
střední kmitočtové pásmo všechny kapacity lze zanedbat u
C2
3.0 2.8
0
RD
R1
3.2
10
12
14
Δu1
16
RZ
R2
Δu2
UDS [V]
Řešení: C. AC analýza = řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 1. Zjednodušení obvodu - odstranění ss zdrojů: - ss zdroje napětí zkratovat (dU/dt = 0) - ss zdroje proudu odpojit (dI/dt = 0) 2. Náhrada tranzistoru jeho NLO (pozor na správné připojení!)
Přenosová charakteristika zesilovače
nf pásmo
RZ
R2
3.4
ΔuDS
Au
C2
C1
3.6
20
10
14V - 0V r0 = 8mA - 7mA
RD
R1
vf pásmo RD
R1
zisk klesá vlivem kapacit Cgs a Cgd
C1 Δu1
D G
R2
C1
Δu1
C2
R1//R2
RZ
S
Δu2
G
D gmΔuGS
ΔuGS
S
r0
C2
RD
RZ
Δu2
Řešení: C. AC analýza = řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 3. Uvážení uplatnění vazebních kapacit G
C1
gmΔuGS
ΔuGS
R1//R2
Δu1
D
Řešení: C. AC analýza = řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 3. Uvážení uplatnění vazebních kapacit C1
C2
r0
RZ
RD
Δu2
gmΔuGS
ΔuGS
R1//R2
Δu1
D
r0
C2
RD
RZ
Δu2
S
S
Pro optimální navázání vstupního signálu musí platit:
Pro optimální navázání výstupního signálu musí platit:
X C1 =
1 << R 1//R 2 2π f C1
C1 >>
1 1 = = 0.92 nF 2 π f (R 1//R 2 ) 2 ⋅ 3.14 ⋅1000 ⋅ (220k//820 k)
tj. reaktance C1 je zanedbatelná vůči R1//R2
Vzhledem k tomu, že C1= 100 nF, podmínka platí a kapacitor C1 lze nahradit zkratem.
X C2 =
1 << ( R Z + r0 //R D ) 2π f C2
C2 >>
1 1 = = 0.16 nF 2 π f (R Z + r0 //R D ) 2 ⋅ 3.14 ⋅1000 ⋅ (1M + 14k//680)
G
R1//R2
tj. reaktance C2 je zanedbatelná vůči RZ a Rvýst
Vzhledem k tomu, že C2= 10 μF, podmínka platí a kapacitor C2 lze nahradit zkratem.
Vliv RS a blokovací kapacity CS
Řešení: C. AC analýza = řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 4. Sestavení obvodových rovnic a řešení
Δu1
G
Cin
G
D
D gmΔuGS
ΔuGS
r0
RD
RZ
Δu2
Δu1
RG1//RG2
gmΔuGS
ΔuGS
S
S
Rs
Cs
ΔuGS = Δu1
Δu2 = − gm ⋅ ΔuGS ⋅ (r0 //R D // R Z )
B. Blokovací kapacitor CS se neuplatní pokud X CS =
Au =
Cout
Δu2 = − gm ⋅ (r0 //R D // R Z ) Δu1
Au= - 25.5mS · (14kΩ//680Ω//1MΩ) = - 16.6
CS <<
r + R D //R Z 1 1 >> R S // 0 ≅ R S // 2π f CS gmr0 + 1 gm 1 2 π f (R S //
1 ) gm
= 7.5 μF
r0
RD
RZ
Δu2
B. Blokovací kapacitor CS se neuplatní resp. CS Výsledný NLO
G
Δu1
Tranzistor MOSFET jako řízený proudový zdroj
D gmΔuGS
ΔuGS
RG1//RG2
je nulová
r0
UDD RD
RZ
Δu2
IDmax
RD
R1
S
ID[mA]
R2
ΔuGS = Δu1 − R S ΔiD
Au =
r0 → ∞
P0
S
!!!
gm r0 R D //R Z Δu2 =− = − 7.8 Δu1 r0 + R S + R D //R Z + gm r0 R S
R D << R Z
G
Ptot= UDS·ID
UGS
D
Rs
ΔiG=0
0
ΔiD
gmΔuGS
ΔuGS
Aplikace → zesilovač
ΔuDS S
S
Zesilovač a jeho parametry
UDSmaxBUDSS
D
G
gm R D 0.037 × 1000 = − 9.7 Au = − =− 1 + gmR S 1 + 0.037 × 100
UDS [V]
Zapojení Společný Emitor (SE) využívající řízený proudový zdroj
Rsig
Δivst
Δivýst
Δuvst
Δusig
Δuvýst
Δivst
RZ
Δusig Rsig
napěťový zisk proudový zisk
vstupní odpor
Δuvýst Δuvst Δi Ai = výst Δi vst
Au =
Rvst =
Δuvst Δivst
napěťový zisk naprázdno Au = proudový zisk nakrátko výstupní odpor Δuvýst =0
Rvýst =
Ai = Δuvýst Δivýst
Δuvýst Δuvst
Δivýst Δivst
Δuvst = 0
RZ = ∞
Δusig
Δuvst
Δivst
Δivýst
Δuvýst
RZ
D
G gmΔuGS
Δuvst=ΔuGS
Δivýst
RD
RZ
Δuvýst
S
RZ = 0
Rvst → ∞
Au = − g m RD // RZ
Rvýst = RD
Zapojení Společný Kolektor (SK)
Zapojení Společný Kolektor (SK)
využívající řízený proudový zdroj
využívající řízený proudový zdroj Δivst
Δuvst
Δusig Rsig
Δivst
G
Δuvýst
gmΔuGS
Rsig
Δivýst
RZ
RS
Δuvýst
Δivst
G
Rvýst = 1/(g m + 1/ RS ) =
RS 1 ≈ g m RS + 1 g m
Zesilovač SE s tranzistorem MOSFET
Δuvýst
gmΔuGS
RD
C1
Δuvst = ΔuGS + Δuvýst Δuvýst = g m ΔuGS RS // RZ
Rin = R1 // R2
Rin = r0 // RD
Rs
⎛ ⎞ 1 Δuvst = Δuvýst ⎜⎜ + 1⎟⎟ ⎝ g m RS // RZ ⎠ g m RS // RZ <1 Au = g m RS // RZ + 1
R1
C2
C1 Δu2
Cs
odpor RS se neuplatňuje
Au = − g m ⋅ (r0 //RD // RZ ) odpor RS se uplatňuje
g m r0 RD //RZ Au = − r0 + RS + RD //RZ + g m r0 RS
velký vstupní odpor invertuje, relativne velký napěťový zisk relativně velký výstupní odpor stupeň s Rs má nižší zisk
Δuvýst
Zesilovač SC s tranzistorem MOSFET
BS170
R2
RZ
RS
UDD
RZ
Δu1
Δivýst
D
UDD R1
RZ
S
ΔuGS
Δuvst
Δusig
D Rvst → ∞
Δivýst
Δuvst
Δusig
RZ
S
ΔuGS
Δuvst
Δusig
Δivst
Δivýst
Δu1
BS170
R2
Rin = R1 // R2 R out =
1 1 // ro ≅ gm gm
C2
Rs
RZ
Δu2
Au =
ro // R Z
1 ro // R Z + gm
velký vstupní odpor napěťový zisk se blíží nebo je mensí než jedna relativně malý výstupní odpor
≈1
Zesilovač SG s tranzistorem MOSFET
Tranzistor MOSFET jako spínač
UDD RD
R1
CG
IDmax
C2
BS170
RD
C1 R2
ID[mA]
UDD
Rs
RZ
D
Δu2
Δu1
uON
G
UGS
P0ON
Ptot= UDS·ID
S
P0OFF
uOFF
Au = g m (R D // R Z )
Rin = 1/ g m R out = R D
malý vstupní odpor neinvertuje, napěťový zisk se blíží stupni SE relativně velký výstupní odpor výborné vf vlastnosti (malý vstupní odpor)
UDD RD D uON
G
iD =UDS/RON
S
CGS
uDS
uGS
S
D
CGS
RON
uDS S
uDS S
S
Ptot= UDS·ID
• MOSFET funguje jako elektronicky řízený spínač • napětí UGS řídí spenutí/rozepnutí vodivé dráhy mezi DS
d nMOS
UDS [V]
d
d OFF
g
UDSmaxBUDSS
g=1
ON
s
s
s
d
d
d
odporová oblast
W ⎡ 2 ⎤ (UGS − UT )UDS − 1 UDS ⎢ ⎥⎦ L ⎣ 2 W (UGS − UT )UDS U DS < UGS − UT pak ID = μn Cox L U W ⎡ (UGS − UT )⎤⎥ R ON = DS = 1/ ⎢μn Cox ID L ⎦ ⎣ ID = μn Cox
D
RON
G
P0OFF 0
CGS
D
UDSmaxBUDSS
iD =UDS/RON
g=0
ON
uGS
G
UDS [V]
IDmax
S
G
iG
0
MOSFET aplikace v logických IO
uOFF
iG
iD ~ nA
S
UGS
P0ON
iG
uGS
Tranzistor MOSFET jako spínač ID[mA]
ON
OFF
pMOS
g
OFF
ON s
s
s
Invertor CMOS A 0 1
VDD
Y
A
Invertor CMOS A 0 1
VDD
Y
OFF
0
Y
A=1
Y=0
ON A
Y
GND
Invertor CMOS A 0 1
VDD
Y 1 0
ON A=0
Y=1
OFF A
Y
GND
A
Y
GND
Invertor CMOS
Invertor CMOS převodní charakteristika
CMOS hradlo NAND A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
CMOS hradlo NAND A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 1
OFF A=0 B=1
ON
ON Y=1
A=0
OFF
B=0
OFF
CMOS hradlo NAND
ON Y=1 OFF ON
Y 1
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 1 1
ON A=1 B=0
OFF Y=1 ON OFF
CMOS hradlo NAND A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 1 1 0
OFF A=1 B=1
OFF Y=0 ON ON
Realizace tranzistorů NMOS a PMOS Invertor CMOS ukázka technické realizace
CMOS hradlo NOR A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 0 0 0
A B Y
Základní operace při výrobě integrovaných obodů Testování
Základní křemíková deska
Epitaxe
Zpracovaná deska
Depozice/růst Žíhání Generace masek
CMP Iontová implantace
CD SEM Metrologie
Kontrola defektů
Litografie
Leptání Courtesy of Dr. Bill Flounders, UC Berkeley Microlab
Difúze n-jámy (maska #1)
Difúze N+ (maska #4)
Definice aktivních oblastí (maska #2)
Difúze P+ (maska #5)
LOCOS oxidace
Otvory kontaktů (maska #6)
Poly-Si hradlo (maska #3)
Metalizace (maska #7)
Difúze n-jámy (maska #1)
Difúze P+ (maska #5)
Definice aktivních oblastí (maska #2)
Otvory kontaktů (maska #6)
Poly-Si hradlo (maska #3)
Metalizace (maska #7)
Difúze N+ (maska #4)
CMOS hradlo NAND relizace
Integrovaná realizace dalších elektronických prvků
