הרצאה 3 – טרנזיסטור MOSFET (המשך)
Transcription
הרצאה 3 – טרנזיסטור MOSFET (המשך)
הרצאה – 3טרנזיסטור ) MOSFETהמשך( תוכן עניינים: .1גורמי השפעה נוספים בטרנזיסטור :MOSFET ב .אפקט המצע. א .קיבולים. .2סיכום מעגל התמורה של ה.MOSFET - .3ניתוח מגבר MOSFETבסיסי. .4פירוט הגברים שונים. .1גורמי השפעה נוספים בטרנזיסטור MOSFET גורמים נוספים בעלי השפעה משמעותית: א /קיבולים הקיבולים המשמעותיים הם אלו שבין Gלבין שאר ההדקים: • הקיבול Cgsאשר מחושב ע"י 2 W ⋅ C gs = ⋅ Cox 3 L קיבול זה נוצר עקב חפיפה שנוצרת בין שטח ה S-ל.G - • הקיבול הפרזיטי . Cgd קיבול זה נוצר עקב חפיפה שנוצרת בין שטח ה D-ל.G - לקיבולים Cgd , Cgb , Csb , Cdbקיימת השפעה מועטה יחסית. כזכור: 1 jω c = . xאם ∞ → , ω ⋅ cהרי ש , x → ∞ -דהיינו שהזרמים אשר נובעים מהקיבולים בתדר נמוך קטנים מאוד עד כדי הזנחתם ביחס לזרמים דרך נגדים ומקורות תלויים. ב /אפקט המצע נוצר במקרה בו קיים מתח בין Sלבין . Bכתוצאה מכך : ב – VT N-MOSגדל. ב VT P-MOS -קטן. דבר זה ,פוגע בזרם ,ולכן הוא קטן. הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן 2011 עמוד מס' 1מתוך 9 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן מקדם אפקט המצע: תעלת NMOS - n תעלת PMOS - p γ >0 γ <0 G S D Bulk • אם ישנו אפקט מצע ,אז מתווסף מקור הזרם g mb ⋅ vbsכמקור זרם מבוקר: D G r0 g m vgs g mb vbs S ⋅ gm ) γ 2 ⋅ VSB + 2φF VSB + 2φF − 2φF ( = g mb ⋅ VT = VT0 + γ ובהתאמה :אם המצע מחובר למקור ,אזי למצע אין השפעה. .2הרחבת מעגל התמורה של הMOSFET - המעגל השלם יותר יכלול את g m , rds , C gs , C gd , C gb , Csb , Cdb , g mb כלומר ,סכמת תמורה כללית עבור הטרנזיסטור: G Cgd r0 g mb vbs Cgs g m vgs Cgb Cd b Csb עמוד מס' 2מתוך 9 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן עם זאת ,החישובים הידניים כוללים בדרך כלל רק את ; g m , rds , Cgsכמו כן ,בתדר נמוך Cdsאיננו משמעותי ,ובדרך כלל נהוג להזניח קבלים בגודל pFבתדרים נמוכים. ערכי הרכיבים נקבעים ע"י ערכי ה DC -ומשפיעים על אות ה. AC - 1 • אימפדנס הקבל הינו jωC = . Zלכן ,אם Cמאוד קטן ,צריך תדר מאוד גבוה כדי לקבל אימפדנס סופי .אחרת ,הקבל מתפקד כנתק ולא מגיע אליו זרם כמעט. .3ניתוח מגבר MOSFETבסיסי להלן מגבר MOSFETבסיסי בו נתונים ערכי כל הרכיבים. הקבלים מקיימים ∞ → , C1 , C2כלומר לכל תדר חילופין הם בעלי עכבה אפס. הערה :אם ) Bהמצע( אינו מסומן ,אזי מניחים כי הוא מחובר ל. S - RD R2 C2 VDD vout RL C1 R1 vin במעגל זה יש למצוא את הקשר בין voutלבין . vin יצוין שמעגל מסוג זה ,בו ה Source -מחובר הן לכניסה והן ליציאה ,ז"א משותף למעגל הכניסה ולמעגל היציאה ,נקרא ; Common − Sourceהוא מסומן כ. CS - דרך הניתוח כמגבר ליניארי במעגל זה ישנם שני סוגי רכיבים: R1 , R2 , RL , RD , C1 , C2 .1הינם רכיבים ליניאריים .2ה MOSFET -הינו רכיב לא ליניארי .בנוסף ,מקור המתח VDDקבוע ולכן אינו ליניארי. עמוד מס' 3מתוך 9 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן ניתוח המעגל • שלב א -חישובי ה :DC -נחשב תחילה את נקודת העבודה של הטרנזיסטור ) ) . (VDS , I DS • שלב ב -חישובי ה :AC -יצירת סכמה לאות קטן ע"י החלפת רכיבים לא לינארים בקירובים לינארים וביצוע החישובים הנדרשים. שלב א בשלב ראשון נתחיל בחישובי רכיבי ה , DC -כיון שערכי נקודת העבודה חשובים לקביעת מעגל התמורה לאות קטן .בחישובי ה – , DCכל הקבלים האידיאליים הם נתק וכל הסלילים האידיאליים הם קצר – ללא תלות בגודלם. לפיכך ,המעגל הרלוונטי לניתוח הינו: RD R2 VDD R1 ב MOSFET -אין זרם ב , G -ושני הנגדים ) ( R1 , R2מחלקים את המתח: R1 ⋅ VDD R1 + R2 =V =V R1 GS על פיו ניתן לחשב את , I DSתוך שימוש במשוואה המתאימה ובהנחת רוויה ,קטעון או אוהמי. נניח רוויה )לרוב נעבוד עם מצב זה עבור טרנזיסטור :( MOSFET 1 W 2 2 ) Cox µ (VGS − VT ) = K (VGS − VT 2 L = I DS על פי התוצאה ,נבדוק אם מתקיים תנאי רוויה . VDS ≥ VGS − VT :אם לא מתקיים, נבדוק אוהמי ,וכו. כעת ידועים , VDS , I DSוניתן להחליף את הטרנזיסטור במעגל התמורה שלו לאות קטן .לצורך ניתוח עקרוני נסתפק במודל המקורב הבא: עמוד מס' 4מתוך 9 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן ids vds g m vgs r0 vgs על פי נקודת העבודה ) (VDS , I DSנחשב את r0ו. g m - שלב ב לאחר חישובי ה DC -ומציאת נקודת העבודה ,נעבור לחישובי ה ,AC -עבור אות קטן נשרטט מעל שקול למגבר ,ע"י: .1החלפת הטרנזיסטור במעגל התמורה שלו. .2החלפת קבלים גדולים מאוד בקצר לכל ωסופי C →∞ .3החלפת סלילים גדולים מאוד בנתק לכל ωסופי ) ∞→ L 1 →0 jωC . ∞ → . ( jω L .4מקור המתח הקבוע VDDאוגר מטענים כמו קבל גדול מאוד ולכן מתנהג ל AC -כקצר. .5באופן שקול ,מקור זרם אידיאלי ,אם קיים ,מתנהג ל AC -כנתק. לפיכך ,השרטוט שיתקבל יראה כך: iin G D io RD vout RL r0 g m vgs R2 R1 ~ vin S במעגל זה אנו מבקשים למצוא את הקשר בין voutלבין . vin חישוב הגבר המתח: ) vout = − g m vin ( r0 RL RD ∆ v ) − g m ⋅ ( r0 RL RD = Av =out vin המינוס מעיד על היפוך מופע. ההגבר בערך מוחלט גדל עם הגדלת RDאו RLאו r0או . g m חישוב הגבר הזרם: עמוד מס' 5מתוך 9 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן vin R1 R2 = ) vgs (v in r0 RD r0 RD + RL = iin = io ⋅ − g m ⋅ vin r R ∆ io = − g m ⋅ ( R1 R2 ) ⋅ 0 D = Ai iin r0 RD + RL • נבחן את. Rin , Rout : - Rinמתאר את העמסת המקור . vin vin ראינו כי R1 R2 v iin ∆ in =. R = iinולכן נקבל= R1 R2 : in למגבר מתח רצוי Rinגבוה. למגבר זרם רצוי Rinנמוך. - Routמתאר את התנהגות דרגת המוצא ,ומוגדר בהעדר עומס ומקורות כניסה ע"י: vtest itest ∆= . Rout • נסתכל על אופן החיבור של . RL מבחינת , RLהמגבר המחובר אליו יכול להיות מתואר ע"י שקול תבנין או נורטון. נורטון: תבנין: Ro RL Vth RL Ro I th כדי לקבל מתח מקסימאלי על , RLרצוי , Ro << RLמכיוון שאז על פי מעגלתבנין מתקיים: RL Ro + RL ⋅ Vout= Vth כדי לקבל זרם מקסימאלי דרך , RLרצוי , Ro >> RL :מכיוון שאז על פי מעגלנורטון מתקיים: עמוד מס' 6מתוך 9 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן Ro Ro + RL =I ⋅ I th o כלומר ,למקסימום מתח על RLנדרוש , Ro → 0 ולמקסימום זרם דרך RLנדרוש ∞ → . Ro .4ניתוח הגברים: א( מגבר מתח: Ro Rm Rin Av′vin vo vin vm RL על אות הכניסה , vm ,עוברים שלושה שלבים: Rin בכניסה: Rin + Rm ⋅ . vin= vm בתהליך ההגברה :הכפלה ב. Av ' - RL ביציאה: RL + Ro ⋅ . vo = Av′ ⋅ vin vo v • יש להבדיל בין Av =∆ oהמחושב בנוכחות , RLלבין vin vin ) RLמנותק( ,הנקרא הגבר בריקם. = Av′בהעדר RL ∆ • לקבלת Avגדול רצוי Av′ , Rm << Rin , Ro << RL :גדול Av′ , Rin , Ro ) .הם גדלים הנשלטים בתכנון המגבר ע"י המהנדס(. עמוד מס' 7מתוך 9 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן ב( מגבר זרם: iin io RL Ro Ai′ ⋅ iin im Rm Rin גם כאן על אות הכניסה , im ,עוברים שלושה שלבים: Rm בכניסה: Rin + Rm ⋅ . iin= im בתהליך ההגברה הכפלה ב , Ai′ -וחלוקת זרם במעגל היציאה: Ro ביציאה: RL + Ro ⋅ . io = Ai′ ⋅ iin io i • יש להבדיל בין Ai =∆ oבנוכחות , RLלבין iin iin ∆= Ai′בהעדר RL ) RLמקוצר(, הנקרא הגבר בריקם. • לקבלת Aiגדול נדרוש Ai′ , Rin << Rm , RL << Ro :גדול ) Ai′ , Rin , Roהם גדלים הנשלטים בתכנון המגבר ע"י המהנדס(. • לקבלת ערכו של ' ) Aiהגבר זרם בריקם( יש לקצר את העומס ולחישוב ' Av )הגבר מתח בריקם( יש לנתק את העומס. ג( מגבר הספק: Rm Ro vo Rin בכניסה מתקיים: Rin + Rm Rin Av′ ⋅ vin ⋅ vin= vm ; vm Rin + Rm vin =iin לכן ההספק בכניסה הינו: עמוד מס' 8מתוך 9 vm 2011 הרצאה מס' 3 הרצאות לפי ד"ר משה פורת מהדורה שלישית .עורכת :נועה רוטמן Rin 2 ) ( Rin + Rm ∆ ⋅ pin = vin ⋅ iin = vm 2 בתכנון המגבר ניתן לשלוט על . Rin כדי למצוא את הספק הכניסה המקסימאלי: ∂pin עבור=0 → pmax ,in → Rin =Rm : ∂Rin באופן דומה מתקבל להספק היציאה המקסימאלי: עבורpo =io ⋅ vo → pmax ,out → Ro =RL : כאן האופטימיזציה היא ל. RL - יש להדגיש שאם נעשה אופטימיזציה לפי , Roנקבל הספק מקסימאלי עבור . Ro = 0 במקרה כזה אפשר לכאורה לקבל הספק אינסופי ,עבור בחירה של RLאפסי. • הכללה :במעגלים רבים יש שרשור ,ואז Rinשל דרגה אחת הופך ל RL -של הדרגה שלפניו: Rin 3 = RL 2 Rin 2 Rin1 = RL1 במקרה כזה כן מתכננים את RL1ע"י תכנון . Rin 2 =R =R =R תכנון מקובל למקסימום הספק הואRL 2 : =. R in1 in 2 in 3 L1 עמוד מס' 9מתוך 9