Curs 11 TRANZISTOARE BIPOLARE ȘI CMOS · DE C11 21 Tranzistoare CMOS Problemă Altămodalitate de rezolvare iii) : compararea valorii i D în (a F) cu i Dex 6.67 3, 20 R V R V v

Curs 11 TRANZISTOARE BIPOLARE ȘI CMOS

DE C11

2

CUPRINS

TB

Punct static de funcționare – problemă

Tranzistoare CMOS

Simboluri

Structura fizică

Principiul de funcționare

Caracteristici de transfer

Carateristici de ieșire

Regiuni de funcționare

Punct static de funcționare

Moduri de utilizare

pentru TMOS cu canal n indus şi canal p indus.

DE C11

3

TB

Problemă

Pentru circuitul dat, β = 100 şi vBE,o n = 0.7V.

a) care este PSF Q(VCE , IC)?

b) în ce regiune se află T ?

Rezolvare

a) Deoarece IB este foarte mic şi IC = IE + IB, rezultă IC = IE.

VRB2 - divizorul de tensiune

DE C11

4

TB

și IC = IE

Q(2.15mA; 4.25V)

Așadar

DE C11

5

TB

TB → regiunea activă

b) Deoarece VRB2 > vBE, on,

T se află în regiunea activă sau în regiunea de saturaţie.

IC > ICex

IC < ICex ?

mAkk

ICex 96.2105

8.14

23

2.0153

IC < ICex

2.15mA < 2.96mA

DE C11

6

Tranzistoare CMOS

Simboluri

D – drenă

G – grilă

S – sursă

B – bază (substrat)

- tranzistoare cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor

DE C11

7

Tranzistoare CMOS

Structura fizică

Canal n indus

formarea unui canal cu purtători majoritari de tip n de la drenă la

sursă

crearea unei diferențe de potențial pozitive drenă – sursă care

să antreneze purtătorii pentru a creea un curent electric

Condiții pentru a avea curent între drenă și sursă:

DE C11

8

Tranzistoare CMOS

Structura fizică

VP - tensiunea de prag

OPȚIONAL

DE C11

9

Tranzistoare CMOS

Structura fizică

ID = 0

OPȚIONAL

DE C11

10

Tranzistoare CMOS

Structura fizicăOPȚIONAL

Curentul depinde liniar de VGS

DE C11

11

Tranzistoare CMOS

Structura fizică OPȚIONAL

Curentul depinde neliniar de (VGS –VP)2

DE C11

12

Tranzistoare CMOS

Curentul prin tranzistor

VGS - formarea canalului

VDS – deplasarea dirijată a purtătorilor între D și S

Curentul prin tranzistor ID depinde de:

),( DSGSD VVfI

DE C11

13

Tranzistoare CMOS

Principiu de funcționare

Pentru a înţelege funcţionarea TMOS vom utiliza

caracteristicile statice la terminalele TMOS cu canal n:

SD

G

SGD

ii

i

iii

0

curentdenod

AlDS

CoGS

vv

vv

Familia de caracteristici de transfer

DSGSD vvi parametrulcu )(

Familia de caracteristici de ieșire

GSDSD vvi parametrulcu )(

),( DSGSD VVfI

DE C11

14

Tranzistoare CMOS

Caracteristici de transfer

,DSsatDS Vv

])(2[2

DSDSPGSD vvVvi

• Regiunea liniară vDS – mic,

iD – depinde liniar de tensiunea de comandă vGS

- depinde de tensiunea de ieșire vDS,

VP=0.58V, β=104μA/V2

PGSDSsat VvV

2)( PGSD Vvi

• Regiunea de saturațieDSsatDS Vv

iD – depinde doar de pătratul vGS

DSGSD vvi parametrulcu )(

tensiunea drenă-sursă

de saturație

DE C11

15

Tranzistoare CMOS

Caracteristici de ieșire

])(2[2

DSDSPGSD vvVvi

• Regiunea liniară

2)( PGSD Vvi

• Regiunea de saturație (activă)

DSsatDS Vv

DSsatDS Vv

GSDSD vvi parametrulcu )(

DE C11

16

Tranzistoare CMOS

Exemplu

V5

• Ce valori au VGS, ID, VDS, VGD, VDSsat

pentru următoarele valori ale VCo? V3

V2

V5.0

3

2

1

Co

Co

Co

V

V

V

• Plasați punctele statice de

functionare Q(VDS, ID), în planul

caracteristicilor de ieșire.

• În ce regiuni de funcționare

lucrează tranzistorul?

)( GSD vi

)( GSD viVP=0.58V, β=104μA/V2

DE C11

17

Tranzistoare CMOS

Regiuni de funcționare

Regiunea liniară

])(2[2

DSDSPGSD vvVvi

β – parametru constructiv al tranzistorului TMOS;

– factorul beta se măsoară în µA/V2, mA/V2, A/V2;

– pentru tranzistoare discrete se poate extrage din caracteristicile de catalog

L

WK

2 2

2PGSD Vv

L

WKi

Pentru tranzistoarele integrate avem:

regiunea activă

K - parametrul transconductanţă şi se măsoară în µA/V2

W - lăţimea canalului prin care circulă iD

L - este lungimea canalului prin care circulă iD

Regiunea activă

2)( PGSD Vvi

DE C11

18

Tranzistoare CMOS

Punct static de funcționare

Punctul static de funcționare Q(ID, VDS) se află

la intersecţia dintre drepta de sarcină și

caracteristica corespunzătoare tensiunii vGS

Dreapta de sarcină:

vDS =VAl -RD iD

VDS

DE C11

19

Tranzistoare CMOS

Moduri de utilizare

T – (aF): VP < VGS < VGS3

T – (b): VGS < VP

T – (cex): VGS >VGS3

VD

S

IDex

Moduri de

utilizare

în comutare (b) (cex)

ca amplificator (aF)

rezistenta liniară comandată în tensiune, vDS mică (cex)

Regiunile (cex) şi (aF) sunt separate de curba

VDSsat=VGS –VP

DE C11

20

Tranzistoare CMOS

Problemă Pentru T se cunosc VP=1V, β=2mA/V2

i) vGS=0.8V; ii) vGS=2.5V; iii) vGS =4V

a) În ce regiune se află T pentru:

b) Valoarea minimă a vGS pentru care T este în (cex)?

a) i) vGS<VP, deci T (b)

ii) vGS>VP, deci T (cex) sau (aF)

comparam vDS cu vDSsat vDS =VAl -RD ·iD

presupunem T în (aF) iD= β (vGS –VP)2

iD =2·(2.5 -1)2= 4.5mA vDS =20-3 · 4.5= 6.5V

vDS sat= vGS –VP=2.5-1= 1.5V

vDS>vDssat

Rezolvare

iD =2·(4-1)2 =18mA

vDS =20-3·18= -34V

iii) vGS=4V>VP, deci T (cex) sau (aF) presupunerea T - (aF) este falsă

T este în (cex)

presupunerea T - (aF) este adevărată

T este în (aF)

DE C11

21

Tranzistoare CMOS

Problemă

Altă modalitate de rezolvare iii) : compararea valorii iD în (aF) cu iDex

67.63

20,

R

V

R

vVi AlexDSAl

Dex mA

iD=18mA > iDex=6.67mA T - (cex)

Dacă se dorește determinarea Q în (cex) se utilizează pentru iD ecuația din regiunea liniară și ecuația dreptei de sarcină.

b) Valoarea minimă vGSmin pentru care T este în (cex) corespunde plasării lui T pe curba vDSsat.

vDSsat = vGSmin-VP

vDSsat = VAl -R·iD

VAl -R·iD= vGsmin -VP

iD = β·(vGSmin-VP)2

(vGSmin-VP) -VAl + R·β(vGSmin -VP)2 = 0

din soluţia (vGSmin -VP )>0 VGSmin =2.744V

DE C11

22

Activitate curs - P10

Pentru circuitul din figură se dă caracteristica de comanda iD(vGS).

Să se determine regiunea de funcționare a tranzistorului și punctul static de funcționare Q(ID,VDS) pentru:

a) R1=4.5 MΩ; R2=0.5 MΩ.

b) R1=12 MΩ; R2=6 MΩ.

Observații ajutătoare pentru rezolvare:

- din caracteristica de comandă se observă că VP=2V și β=0.5mA/V2 (de ex. pt vGS=4V valoarea curentului este iD=2mA);

- tensiunea din grila T se determină cu ajutorul divizorului de tensiune.

DE C11

23

Ce am învățat azi despre tranzistoarele CMOS?

Simboluri

Structura fizică

Principiul de funcționare

Caracteristici de transfer

Carateristici de ieșire

Regiuni de funcționare

Punct static de funcționare

Moduri de utilizare