Pràctica 3. Etapa amplificadora amb transistor MOSFET en font comú Electrònica Analògica Enginyeria Tècnica en Telecomunicacions (Telemàtica) Curs 2003-2004

1. Introducció

En aquesta pràctica analitzareu el comportament d’un circuit amplificador basat en transistors d’efecte camp (MOSFET), més concretament un amplificador d’una etapa en configuració de font comú.

Recordeu que en els transistors d’efecte de camp el corrent de drenador, I_D està controlat per la tensió de porta V_G. La pràctica requereix, en primer lloc realitzar l’anàlisi teòric, desprès fer una simulació Spice i finalment verificar experimentalment el funcionament del circuit proposat.

2. Anàlisi del circuit

El circuit a analitzar, en que apareix un transistor de canal n (NMOS), és el que es presenta a la Figura 1.

Vdd=15V C1= 33 nF C2= 33 nF RL=100kW RD=22kW RS2=1kW RG1= potenciometre d’1 MW RG2=1MW La resistència interna del generador es de 50W.

Q1. Calculeu el valor de R_G1 necessari per obtenir I_D=0.30mA_. Determineu el punt de treball en continua (suposeu k_n=20uA/V², V_T0=1.4V, W=124μm, L=5μm)

Q2. Realitzeu l’anàlisi en petit senyal i determineu els guanys en corrent i tensió de l’amplificador en qüestió.

Q3. Calculeu la resistència d’entrada i sortida de l’amplificador.

3. Simulació SPICE

Q4. Escriviu una netlist SPICE pel circuit de la Figura 1. Utilitzeu el següent model pel transistor MOSFET:

Model NMOS	.model mnmos NMOS (Level=1 Gamma= 0 Xj=0 + Tox=108n Phi=.6 Rs=0 Kp=20u Vto=2.0 Lambda=0.01 + Rd=0 Cbd=2.0p Cbs=2.0p Pb=.8 Cgso=0.1p + Cgdo=0.1p Is=16.64p )
Model PMOS	.model mpmos PMOS (Level=1 Gamma= 0 Xj=0 + Tox=108n Phi=.6 Rs=0 Kp=6u Vto=-1.4 Lambda=0.02 + Rd=0 Cbd=4.0p Cbs=4.0p Pb=.8 Cgso=0.2p + Cgdo=0.2p Is=16.64p )

* S’utilitzen els valors per defecte dels paràmetres W i L (124 i 5μm respectivament pel transistor NMOS, i 480 i 5μm pel PMOS)

Nom Spice	Valor predeterminat	Paràmetre	Unitat
VTO LAMBDA RD RS GAMMA TOX KP UO BETA PHI	1 0 0 0 0 1e-7 20e-6 600 100e-6 0.65	Tensió llindar Modulació de canal Resistència Ohmica del drenador Resistència Ohmica de la font Efecte de substrat Gruix de l’òxid Transconductància del procés Mobilitat superficial Transconductància total Potencial d’interficie	V V^-1 ohm ohm V^-1/2 m A/V^2 cm^2/Vs A/V^2 V

Taula 1: Principals paràmetres del MOSFET (el model complet pot tenir fins a 80 paràmetres). SI el paràmetre BETA, no apareix, la transconductància del procés se calcula com KP*W/L.

3.1 Anàlisi OP

Q5. Mitjançant una anàlisi .OP determineu R_G1 per tal que en el punt de treball (punt d’operació) s’obtingui I_D=0.30mA. Per tal de realitzar amb Spice un escombrat de valors de la resistència R_G1 de forma automàtica, haureu de definir el seu valor com un paràmetre i després utilitzar l’opció .STEP per variar el valor.

Com exemple, a continuació es mostra com es definiria el paràmetre pot amb valor inicial 1MW i com aquest paràmetre s’utilitza per fer un escombrat de valors per la resistència R_G1 entre 0.5MW i 5MW amb increments de 0.25MW.

.param pot = 1Meg

RG1 3 0 {pot}

.step param pot 100K 1Meg 50K

Determineu el valor de les tensions de porta i drenador pel valor de R_G1 obtingut.

En el fitxer de resultats de sortida també podreu trobar el valor dels diferents paràmetres de petit senyal per a cada transistor del circuit

Nom Spice	Paràmetre
GM GDS GMB CBD CBS CGS CGD CGB	Transconductància 1/ ro (resistència de sortida) Transconductancia de bulk Capacitat Bulk-drain Capacitat Bulk-source Capacitat gate-source Capacitat gate-drain Capacitat gate-bulk

Taula 2: Paràmetres de petit senyal del MOSFET calculats al fer un anàlisis .OP (s’han inclòs també els paràmetres de petit senyal que determinen la resposta en freqüència)

3.2 Anàlisi AC

Q6. Per obtenir A_v, A_i, R_i i R_o, haureu de realitzar dues simulacions per separat. La primera per calcular el corrent de sortida, el voltatge de sortida i el corrent d’entrada per un voltatge d’entrada determinat (per exemple de 10mV) i el segon per determinar el voltatge de sortida i el corrent de sortida quan s’anul·la la font de senyal.

Per obtenir el corrent de sortida de l’amplificador utilitzarem una font de voltatge de 0V situada en sèrie amb R_L (consulteu l’informe de la pràctica 2).

Q7. Feu el diagrama de Bode per l’amplitud de v_o pel rang de freqüències comprés entre 1Hz-10MHz. Caldrà que la font v_i la definiu com una font AC d’amplitud 1V, i llavors realitzeu una anàlisi .AC:

.ac dec 10 1 10MEG

Q8. Modifiqueu els valors de C₁ i C₃ prenent valors 10 vegades més petits que els inicials i observeu com canvia el diagrama de Bode. Expliqueu raonadament el que observeu. Repetiu el mateix per valors 10 vegades majors que els inicials.

3.3 Anàlisi transitòria

Q9. Determineu v_o(t) quan v_i(t)=0.1sin(10t), repetiu per cada una de les freqüències 1kHz, 10kHz i 100kHz. Determineu v_o(t) per v_i(t)=1sin(10000t), expliqueu el resultat obtingut.

4. Muntatge experimental

Per implementar el circuit de la figura 1, utilitzareu el circuit integrat CD4007. Aquest circuit conté un parell de transistors NMOS, un parell de transistors PMOS i un inversor CMOS.

Per montar el circuit amplificador de la figura 1, únicament heu d’utilitzar un dels transistors NMOS (connectant adequadament els terminals 3=porta, 4=font, 5=drenador i 7=substrat).

Q10. Ajusteu R_G1 per establir el punt de treball del transistor a una intensitat de drenador de I_D=0.30mA (sense font sinusoïdal v_i). Es pot mesurar directament I_D posant l’amperímetre en sèrie. Mesureu amb el multímetre el valor final de R_G1.

Q11. Amb el generador de funcions, exciteu el circuit amb un senyal sinusoïdal d’amplitud adient. Modifiqueu la freqüència per tal d’obtenir valors suficients per dibuixar el diagrama de Bode de l’amplitud de V_o.

Mesureu a més el guany en corrent a f=10kHz. Per fer això connecteu una resistència R_S2 =1k entre la sortida de la font[1] i el condensador C₁, i feu una mesura en AC amb el multímetre de la caiguda a la resistència. Llavors mesureu la caiguda a la resistència de càrrega, R_L (això és, v_o) i feu el quocient de les dues mesures AC.

Que li passa al guany si s’elimina la resistència R_G1 ?

Q12. (activitat optativa)

Mesureu la corba de transferència, v_o(v_i). del circuit inversor que hi ha al CD4007:

(i) Polaritzeu a 10V el terminals 11 i connecteu el terminal 9 a gnd

(ii) Connecteu una font DC ajustable al terminal 10 (aquesta font actua de v_i)

(iii) Varieu el valor de v_i, per a cada valor mesureu la tensió de sortida al terminal 12 (v_o)

Comenteu a partir dels resultats obtinguts, si aquest circuit es pot utilitzar com a amplificador.

Apèndix

Full de dades del circuit integrat CD4007:

http://scgproducts.motorola.com/Collateral/DataSheet/mc14007ubrev3.pdf

http://www-s.ti.com/sc/psheets/schs018/schs018.pdf

Aquest full resolt o be una copia del mateix. L’heu d´entregar al professor de laboratori abans de l’inici de la pràctica i representa un 30% de la nota total. A més, es necessari haver llegit el guió corresponent.

TREBALL PREVI: PRÀCTICA DE SIMULACIÓ PSPICE

(i) Entregueu la solució als exercicis Q1, Q2 i Q3

(ii) Entregueu la Netlist de PSPICE necessària per completar els exercicis Q4-Q7

TREBALL PREVI: PRÀCTICA DE MUNTATGE

(i) Si encara no ho heu fet, entregueu la solució als exercicis Q1, Q2 i Q3.

(ii) Feu un esquema que indiqui com es conectaran els diferents instruments i dispositius necessaris per muntar el circuit amplificador de la figura 1.

INFORME PRÀCTICA 3

Etapa Amplificadora MOSFET Font Comú

Les respostes a aquest full representen el 40% de la nota de la pràctica . L’heu d´entregar abans de la data fixada pel professor, les pràctiques entregades després d´aquesta data poden tenir penalització. El 60% restant de la nota ve donada, pel full de càlculs previs (30%) i per un conjunt de criteris variats con son assistència, puntualitat, interès, habilitat, netedat , claredat... (30% restant)

SPICE:

(1) Quin és el punt de treball d’aquest amplificador ?

Punt de treball	Valor obtingut:
VDS ID RG1

(2) Presenteu els valors obtinguts pels següents paràmetres del transistor MOSFET.

Nom Spice	Paràmetre petit senyal	Valor obtingut:
GM GDS GMB CBD CBS CGS CGD CGB	Transconductància 1/ ro (resistència de sortida) Transconductancia de bulk Capacitat Bulk-drain Capacitat Bulk-source Capacitat gate-source Capacitat gate-drain Capacitat gate-bulk

(3) Presenteu els resultats de l’apartat 3.2. Compara’l amb el resultat calculat analíticament.

Paràmetre	Formula	Càlcul manual	Spice	Error %
Ri Ro Av Ai

(4) Quin és l’ample de banda de l’amplificador?

(5) Presenteu els resultats de l’apartat 3.3. A partir de quina amplitud d’entrada l’amplificador deixa de funcionar adequadament? per què?.

MESURES EXPERIMENTALS:

(6) Quin és el valor de R_G1? Quin és el punt de treball mesurat experimentalment?

(7) Quin és el guany de l’amplificador? Concorda el valor mesurat amb el valor calculat analíticament i el valor obtingut amb Spice?

Paràmetre	Mesura Experim.	Càlcul manual	Spice	Error %
Av

(8) Quin és el guany en corrent?

(9) Dibuixeu el diagrama de Bode corresponent al guany obtingut a partir de les mesures experimentals.

(10) Que li passa al guany quan s’elimina la resistència R_G1?

(11) (Opcional) Comenteu el que s’observa al realitzar l’apartat Q12.

---

[1] Recordeu que la font continua tenint una resistència interna de 50 Ohm.