Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

1. Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι Π. Δ. Δημητρόπουλος Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας - Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών & Δικτύων

2. Η δομή του MOST(Metal-Oxide-Semicoductor Transistor) PMOST NMOST Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

3. Καταστάσεις λειτουργίας MOST • Το MOST ως πυκνωτής • Κατάσταση Συσσώρευσης • Κατάσταση Απογύμνωσης • Κατάσταση Αναστροφής • Δυναμικό Κατωφλίου  Τάση VGB για την οποία το κανάλι γίνεται n-τύπου Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

4. Δυναμικό v(x), v(L)-v(0)=vDS Φορτίο καναλιού (Cb/m2) Ρεύμα μετατόπισης Συνολική εξίσωση ρεύματος Διαμόρφωση Μήκους Καναλιού Ρεύμα κορεσμού Προσέγγιση μεγάλου καναλιού Φαινόμενο Σώματος, vSB>0 DC χαρακτηριστικές I-V Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

5. Συνολικές Χαρακτηριστικές MOST • P-Channel MOS Transistor • N-Channel MOS Transistor Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

6. IV χαρακτηριστικές Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

7. To MOST ως πηγή ρεύματος • Λειτουργία στην περιοχή κορεσμού: • Πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από την τάση vGS: • Πολύ μεγάλη αντίσταση εξόδου παράλληλα με την πηγή: Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

8. Το κέρδος Διαγωγιμότητας gm • Στην πηγή VGS προστίθεται ένα μικρό χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα vgs: • Η μεταβολή του ρεύματος της πηγής είναι: • Το ρεύμα iDO είναι η υπέρθεση των IDO(VGS) και ido(vgs): Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

9. Η CMOS πηγή ρεύματος Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

10. To MOST ως αντίσταση • Περιοχή “Deep Triode”: • Το MOST έχει γραμμικές χαρακτηριστικές • Η αντίσταση rΟΝυπολογίζεται: Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

11. Ο CMOS Διακόπτης Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

12. Το MOST ως δίοδος • Ορθή πόλωση επαφών SB και DB • “Diode Connected Load” • Δίοδος παράλληλα με αντίσταση ro Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

13. Το μοντέλο SPICE MOS LEVEL 1 • Παράμετρος υπολογισμού ρεύματος: • Παράμετρος καθορισμού μοντέλου: • LEVEL=1 • Βασικές παράμετροι: • KP, VTO • Διαμόρφωση Μήκους Καναλιού: • LAMBDA • Φαινόμενο Σώματος: • GAMMA, PHI • Κατασκευαστικές Παράμετροι: • LD, WD, NSUB • Παρασιτικάκαι επαφές SB, DB • RSH, CGDO, CGSO, CGBO, CJ, MJ, CJSW, MJSW, PB, IS, N .MODEL MOSP PMOS (LEVEL=1 +KP=10U VTO=-0.5LAMBDA={LAMBDA} +PHI=0.7 GAMMA=0.6 +LD=0 WD=0 +RSH=0 CGDO=0 CGSO=0 CGBO=0 +CJ=0 MJ=0.5 CJSW=0 MJSW=0.1 +PB=0.1) .MODEL MOSN NMOS (LEVEL=1 +KP=10U VTO=0.5 LAMBDA={LAMBDA} +PHI=0.7 GAMMA=0.6 +LD=0 WD=0 +RSH=0 CGDO=0 CGSO=0 CGBO=0 +CJ=0 MJ=0.5 CJSW=0 MJSW=0.1 +PB=0.1) MN 5 3 1 1 MOSN L=1U W=10U MP 5 4 2 2 MOSP L=1U W=10U Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

14. Ισοδύναμο Κύκλωμα Ασθενούς ΣήματοςΙσοδύναμο Κύκλωμα Ασθενών Μεταβολών • Οι πηγές (τάση ή ρεύμα) ενός κυκλώματος έχουν DC τιμή. Μερικές εξ αυτών έχουν επιπλέον και μία μικρή AC συνιστώσα: • Πηγή τάσης DC σε σειρά με πηγή τάσης AC • Πηγή ρεύματος AC παράλληλα με πηγή ρεύματος AC • Τα δυναμικά κόμβων και τα ρεύματα κλάδων αποτελούνται: • Από μία DC συνιστώσα, λόγω των DC πηγών (Σημείο Πόλωσης) • Από μία AC συνιστώσα, λόγω των AC πηγών (Ασθενή Σήματα) • Το Ασθενές Σήμα είναι μία μεταβολή πέριξ του Σημείου Πόλωσης • Όταν το ΑΣ είναι αρκετά μικρό, τότε: • Το ΙΚΑΣ (ΙΚΑΜ) είναι το γραμμικό κύκλωμα, στο οποίο αν εφαρμοσθούν μόνο οι AC πηγές, τα δυναμικά κόμβων και ρεύματα κλάδων είναι τα ΑΣ. • Οι εξισώσεις, του ΙΚΑΣ (Kirchoff και Συντακτικές) προκύπτουν από τις αντίστοιχες του αρχικού κυκλώματος με διαφόριση. • Τα συνολικά ρεύματα και δυναμικά υπολογίζονται από υπέρθεση των ΑΣ του ΙΚΑΣ και των τιμών πόλωσης (Ανάλυση σε σειρά Fourier). Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

15. Το ΙΚΑΣτου MOST • Η μεταβολή του iD, που οφείλεται στις μεταβολές των vGS, vDS και vBS είναι: • Ισοδύναμα όταν λ→0: • Επιπλέον είναι: • Οι παραπάνω εξισώσεις περιγράφουν το ΙΚΑΣ του MOST Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

16. Γραμμικά Κυκλώματα με MOST • Αρχικά μηδενίζονται οι AC πηγές: • Οι AC πηγές τάσης βραχυκυκλώνονται • Οι AC πηγές ρεύματος ανοικτοκυκλώνονται • Υπολογίζεται το Σημείο Πόλωσης: • DC δυναμικά κόμβων • DC ρεύματα κλάδων • Κατασκευάζεται το συνολικό ΙΚΑΣ: • Από το ΣΠ υπολογίζονται τα gm, roκαι gmb • Τα MOST αντικαθίστανται από το ΙΚΑΣτους • Συνδέονται οι AC πηγές • Μηδενίζονται οι DC πηγές • Υπολογίζονται τα Ασθενή Σήματα: • AC δυναμικά κόμβων • AC ρεύματα κλάδων • Τα συνολικά ρεύματα και τάσεις υπολογίζονται με υπέρθεση του ΣΠ και των ΑΣ Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

17. Ενισχυτής Κοινής Πηγής (CS) με ωμικό φορτίο • Περιοχή λειτουργίας (Κορεσμός): • Κέρδος Τάσης κορεσμού (λ→0): • Επίδραση λ≠0: • Τρίοδος → Διαιρέτης Τάσης: • Ισχύει πάντα: Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

18. Ενισχυτής CS με ωμικό φορτίο - ΙΚΑΣ • Λόγω του gmτοΑΣ vgs μετατρέπεται σε ΑΣ ρεύματος id , που διαρρέει την RLκαι επάγει ΑΣ vοστα άκρα της. • Το δυναμικό εξόδου είναι: • Τα δυναμικά πόλωσης VGS , VDS: • Καθορίζουν τα gmκαι ro • Καθορίζουν το Αv • Καθορίζουν το μέγιστο επιτρεπτό πλάτος του ΑΣ vgs • Το VGS επιλέγεται στο μέσο του διαστήματος της περιοχής κορεσμού Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

19. Σημειώσεις για τα στοιχεία του ΙΚΑΣ • Η ακριβής τιμή του κέρδους διαγωγιμότητας όταν λ≠0 είναι: • Συνήθως όμως λαμβάνεται: • Ομοίως ισχύουν: Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

20. Ενισχυτές CS με φορτίο Διόδου • Περιοχή λειτουργίας (Κορεσμός): • Σχέση Εισόδου-Εξόδου (λ→0): • Κέρδος Τάσης: • Body Effect: Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

21. Ενισχυτές CS με φορτίο Διόδου - ΙΚΑΣ • Το ΙΚΑΣ του Diode Connected MOS είναι ισοδύναμο με μία αντίσταση: • Το κέρδος τάσης υπολογίζεται από το ΙΚΑΣ: Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

22. Χαρακτηριστικά συνδεσμολογίας CS με Δίοδο • Άριστη γραμμικότητα αντιστρόφως ανάλογη του FS • Το δυναμικό πόλωσης VIN επιλέγεται στο μέσο του FS • Το κέρδος τάσης είναι μικρό και για να αυξηθεί χρειάζεται: • Αύξηση των διαστάσεων W/L του 1ουMOST • Αύξηση του ρεύματος πόλωσης του 1ουMOST Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

23. Ενισχυτής CS με πηγή ρεύματος • Περιοχή λειτουργίας (Κορεσμός): • Σχέση Εισόδου-Εξόδου (λ2=0): • Κέρδος Τάσης: • Όταν vB=vIN (Inverter): Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

24. Ενισχυτής CS με πηγή ρεύματος - ΙΚΑΣ Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

25. Ενισχυτής CS με αντίσταση πηγής • Ρεύμα φορτίου στον κορεσμό: • Διαγωγιμότητα (dvOUT=0): • Κέρδος Τάσης(vOUT=VDD-iD·RL): • Αντίσταση Εξόδου(dvIN=0): Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

26. Ενισχυτής CS με αντίσταση πηγής - ΙΚΑΣ • Στοιχεία ΙΚΑΣ: • Διαγωγιμότητα (vout=0): • Κέρδος Τάσης(vout=-id·RL): • Αντίσταση Εξόδου(vin=0): Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

27. Φαινόμενο Σώματος σε CS ενισχυτή με αντίσταση πηγής • Φαινόμενο Σώματος: • Διαγωγιμότητα (vout=0): • Κέρδος Τάσης(vout=-id·RL): • Αντίσταση Εξόδου(vin=0): Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

28. Παρατηρήσεις στους CS ενισχυτές • Οι ενισχυτικές διατάξεις CS αποτελούν Ενισχυτές Διαγωγιμότητας. • Όταν RS=0 τότε ισχύει: • Στην περίπτωση, όπου RS0 τότε: • Παρατηρεί κανείς, ότι: • Τα Avκαι Gm εξαρτώνται λιγότερο από την πόλωση VIN. • Η καμπύλη vOUT~vINγίνεται περισσότερο γραμμική. • Η αντίσταση εξόδου αυξάνεται και το MOST πλησιάζει περισσότερο την ιδανική πηγή ρεύματος εξαρτώμενη από τάση. Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

29. Σύγκριση Ενισχυτών CS με και χωρίς αντίσταση πηγής Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

30. Ακόλουθος Πηγής (Source Follower) • Ρεύμα φορτίου στον κορεσμό: • Δυναμικό Εξόδου: • Κέρδος Τάσης: • Αντίσταση Εξόδου(dvIN=0): Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

31. Ακόλουθος Πηγής - ΙΚΑΣ • Στοιχεία ΙΚΑΣ: • Δυναμικό Εξόδου: • Κέρδος Τάσης: • Αντίσταση Εξόδου(vin=0): Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

32. Χρήσεις του σταδίού SF • Το SF στάδιο λειτουργεί ως Ενισχυτής Τάσης • Ότανλ=γ=0 τότε ο ενισχυτής είναι ιδανικός με κέρδος Av=1 • Το στάδιο SF χρησιμοποιείται ωςΑπομονωτής (Buffer) • Δίνεται η δυνατότητα μεγάλου κέρδους τάσης σε μικρό φορτίο • Επίσης το SF χρησιμοποιείται ως Level Shifter • Πόλωση σε ενισχυτές πολλών σταδίων Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

33. Το στάδιο Push-Pull • Τα δυναμικά vN και vP μπορούν με επαλληλία να υπολογισθούν ως εξής: • Το δυναμικό εξόδου είναι: • Για να ισχύει η προηγούμενη εξίσωση θα πρέπει VB>|VT|. Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

34. Cross-Over Distortion • Στην περίπτωση κατά την οποία VB=0, όταν π.χ. IB=0και RL, τότε ισχύει: • Όταν VB=0 τότε: • Ένα MOST είναι σε αποκοπή. • Το MOST, που άγει συνδυάζεται με την RL και δίνει ένα στάδιο SF. • Προφανώς vOUT=0όταν RL • Όταν VB>|VT| τότε: • Τα MOST λειτουργούν ως δύο SF συνδεδεμένα παράλληλα • Η αντίσταση εξόδου έχει τη μισή τιμή Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

35. Περισσότερα στάδια CS και SF μπορούν να συνδεθούν σε σειρά. Σύνδεση μεταξύ κόμβων ίσου δυναμικού: Δεν προκύπτει ροή ρεύματος, οπότε δεν επηρεάζεται η πόλωση. Τα ΙΚΑΣ των συνδεόμενων σταδίων παραμένουν αμετάβλητα. Σύνδεση μεταξύ κόμβων διαφορετικού δυναμικού: Παρεμβάλλεται πυκνωτής πολύ μεγάλης χωρητικότητας(uF). Ο πυκνωτής εμποδίζει τα dc ρεύματα να διέλθουν διαμέσου του. Ο πυκνωτής μπορεί να θεωρηθεί βραχυκύκλωμα για τα AC σήματα. Τα ΙΚΑΣ των συνδεόμενων σταδίων παραμένουν αμετάβλητα Οι πυκνωτές απομονώνουν τα στάδια στην είσοδο και την έξοδο τους. Ενισχυτές πολλών σταδίων Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι

36. Ανάλυση ενισχυτών πολλών βαθμίδων • Ένα κύκλωμα πολλών βαθμίδων μπορεί να αναλυθεί σε βασικά στάδια SF και CS • Ο χωρισμός του κυκλώματος γίνεται σε κλάδους μηδενικού ρεύματος, ώστε να μην επηρεάζεται η πόλωση • Κάθε στάδιο μπορεί να περιγραφεί αυτούσια με ένα από τις τέσσερις ισοδύναμες περιγραφές διθύρου ενισχυτή • Τα CS στάδια περιγράφονται κατά προτίμηση ως ενισχυτές διαγωγιμότητας (μεγάλη αντίσταση εξόδου) • Τα SF στάδια περιγράφονται κατά προτίμηση ως ενισχυτές τάσης (μικρή αντίσταση εξόδου) Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι