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

Παρουσίαση με θέμα: "Διαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι Π. Δ. Δημητρόπουλος Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας - Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών & Δικτύων."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

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

2 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 2 Η δομή του MOST (Metal-Oxide-Semicoductor Transistor) PMOST NMOST

3 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 3 Καταστάσεις λειτουργίας MOST Το MOST ως πυκνωτής Κατάσταση Συσσώρευσης Κατάσταση Απογύμνωσης Κατάσταση Αναστροφής Δυναμικό Κατωφλίου  Τάση V GB για την οποία το κανάλι γίνεται n-τύπου

4 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 4 DC χαρακτηριστικές I-V Δυναμικό v(x), v(L)-v(0)=v DS Φορτίο καναλιού (Cb/m 2 ) Ρεύμα μετατόπισης Συνολική εξίσωση ρεύματος Διαμόρφωση Μήκους Καναλιού Ρεύμα κορεσμού Προσέγγιση μεγάλου καναλιού Φαινόμενο Σώματος, v SB >0

5 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 5 Συνολικές Χαρακτηριστικές MOST P-Channel MOS Transistor N-Channel MOS Transistor

6 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 6 IV χαρακτηριστικές

7 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 7 To MOST ως πηγή ρεύματος Λειτουργία στην περιοχή κορεσμού: Πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από την τάση v GS : Πολύ μεγάλη αντίσταση εξόδου παράλληλα με την πηγή:

8 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 8 Το κέρδος Διαγωγιμότητας g m Στην πηγή V GS προστίθεται ένα μικρό χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα v gs : Η μεταβολή του ρεύματος της πηγής είναι: Το ρεύμα i DO είναι η υπέρθεση των I DO (V GS ) και i do (v gs ):

9 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 9 Η CMOS πηγή ρεύματος

10 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 10 To MOST ως αντίσταση Περιοχή “Deep Triode”: Το MOST έχει γραμμικές χαρακτηριστικές Η αντίσταση r ΟΝ υπολογίζεται:

11 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 11 Ο CMOS Διακόπτης

12 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 12 Το MOST ως δίοδος Ορθή πόλωση επαφών SB και DB “Diode Connected Load” Δίοδος παράλληλα με αντίσταση r o

13 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις 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 Παρασιτικά και επαφές SB, DB RSH, CGDO, CGSO, CGBO, CJ, MJ, CJSW, MJSW, PB, IS, N.MODEL MOSP PMOS (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).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

14 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 14 Ισοδύναμο Κύκλωμα Ασθενούς Σήματος Ισοδύναμο 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).

15 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 15 Το ΙΚΑΣ του MOST Η μεταβολή του i D, που οφείλεται στις μεταβολές των v GS, v DS και v BS είναι: Ισοδύναμα όταν λ →0 : Επιπλέον είναι: Οι παραπάνω εξισώσεις περιγράφουν το ΙΚΑΣ του MOST

16 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις 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 g m, r o και g mb Τα MOST αντικαθίστανται από το ΙΚΑΣ τους 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

17 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις 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:

18 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 18 Ενισχυτής CS με ωμικό φορτίο - ΙΚΑΣ Λόγω του g m το ΑΣ v gs μετατρέπεται σε ΑΣ ρεύματος i d, που διαρρέει την R L και επάγει ΑΣ v ο στα άκρα της. Το δυναμικό εξόδου είναι: Τα δυναμικά πόλωσης V GS, V DS : Καθορίζουν τα g m και r o Καθορίζουν το Α v Καθορίζουν το μέγιστο επιτρεπτό πλάτος του ΑΣ v gs Το V GS επιλέγεται στο μέσο του διαστήματος της περιοχής κορεσμού

19 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις 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:

20 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 20 Ενισχυτές CS με φορτίο Διόδου Περιοχή λειτουργίας (Κορεσμός): Σχέση Εισόδου-Εξόδου (λ →0) : Κέρδος Τάσης: Body Effect:

21 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις 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:

22 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 22 Χαρακτηριστικά συνδεσμολογίας CS με Δίοδο Άριστη γραμμικότητα αντιστρόφως ανάλογη του FS Το δυναμικό πόλωσης V IN επιλέγεται στο μέσο του FS Το κέρδος τάσης είναι μικρό και για να αυξηθεί χρειάζεται: Αύξηση των διαστάσεων W/L του 1 ου MOST Αύξηση του ρεύματος πόλωσης του 1 ου MOST

23 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 23 Ενισχυτής CS με πηγή ρεύματος Περιοχή λειτουργίας (Κορεσμός): Σχέση Εισόδου-Εξόδου (λ 2 =0): Κέρδος Τάσης: Όταν v B =v IN (Inverter):

24 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 24 Ενισχυτής CS με πηγή ρεύματος - ΙΚΑΣ

25 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 25 Ενισχυτής CS με αντίσταση πηγής Ρεύμα φορτίου στον κορεσμό: Διαγωγιμότητα (dv OUT =0): Κέρδος Τάσης (v OUT =V DD -i D ·R L ): Αντίσταση Εξόδου (dv IN =0):

26 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 26 Ενισχυτής CS με αντίσταση πηγής - ΙΚΑΣ Στοιχεία ΙΚΑΣ: Διαγωγιμότητα (v out =0): Κέρδος Τάσης (v out =-i d ·R L ): Αντίσταση Εξόδου (v in =0):

27 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 27 Φαινόμενο Σώματος σε CS ενισχυτή με αντίσταση πηγής Φαινόμενο Σώματος: Διαγωγιμότητα (v out =0): Κέρδος Τάσης (v out =-i d ·R L ): Αντίσταση Εξόδου (v in =0):

28 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 28 Παρατηρήσεις στους CS ενισχυτές Οι ενισχυτικές διατάξεις CS αποτελούν Ενισχυτές Διαγωγιμότητας. Όταν R S =0 τότε ισχύει: Στην περίπτωση, όπου R S 0 τότε: Παρατηρεί κανείς, ότι: Τα A v και G m εξαρτώνται λιγότερο από την πόλωση V IN. Η καμπύλη v OUT ~v IN γίνεται περισσότερο γραμμική. Η αντίσταση εξόδου αυξάνεται και το MOST πλησιάζει περισσότερο την ιδανική πηγή ρεύματος εξαρτώμενη από τάση.

29 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 29 Σύγκριση Ενισχυτών CS με και χωρίς αντίσταση πηγής

30 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 30 Ακόλουθος Πηγής (Source Follower) Ρεύμα φορτίου στον κορεσμό: Δυναμικό Εξόδου: Κέρδος Τάσης: Αντίσταση Εξόδου (dv IN =0):

31 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 31 Ακόλουθος Πηγής - ΙΚΑΣ Στοιχεία ΙΚΑΣ: Δυναμικό Εξόδου: Κέρδος Τάσης: Αντίσταση Εξόδου (v in =0):

32 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 32 Χρήσεις του σταδίού SF Το SF στάδιο λειτουργεί ως Ενισχυτής Τάσης Όταν λ=γ=0 τότε ο ενισχυτής είναι ιδανικός με κέρδος A v =1 Το στάδιο SF χρησιμοποιείται ως Απομονωτής (Buffer) Δίνεται η δυνατότητα μεγάλου κέρδους τάσης σε μικρό φορτίο Επίσης το SF χρησιμοποιείται ως Level Shifter Πόλωση σε ενισχυτές πολλών σταδίων

33 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 33 Το στάδιο Push-Pull Τα δυναμικά v N και v P μπορούν με επαλληλία να υπολογισθούν ως εξής: Το δυναμικό εξόδου είναι: Για να ισχύει η προηγούμενη εξίσωση θα πρέπει V B >|V T |.

34 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 34 Cross-Over Distortion Στην περίπτωση κατά την οποία V B =0, όταν π.χ. I B =0 και R L , τότε ισχύει: Όταν V B =0 τότε: Ένα MOST είναι σε αποκοπή. Το MOST, που άγει συνδυάζεται με την R L και δίνει ένα στάδιο SF. Προφανώς v OUT =0 όταν R L  Όταν V B >|V T | τότε: Τα MOST λειτουργούν ως δύο SF συνδεδεμένα παράλληλα Η αντίσταση εξόδου έχει τη μισή τιμή

35 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις στην Ηλεκτρονική Ι 35 Ενισχυτές πολλών σταδίων 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.

36 University of Thessaly Computer & Telecommunications Engineering Dpt. Π. Δ. ΔημητρόπουλοςΔιαλέξεις 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)