Fundamentos de Electrónica Laboratório

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1 Fundamentos de Electrónica Laboratório Transístor de Efeito de Campo MOS-FET IST-2013/2014 2º Semestre

2 I-Introdução Com este trabalho pretende-se atingir os seguintes objectivos: a. Caracterizar o comportamento dum transístor de efeito de campo, canal n, medindo aos seus terminais as suas características corrente-tensão e extrair daí os parâmetros fundamentais do respectivo modelo de primeira ordem. b. Realizar uma aplicação experimental onde se mostra a utilização dum MOS-FET enquanto porta lógica e enquanto amplificador e comparar os resultados experimentais com os obtidos por simulação. c. Ilustrar a ligação entre os modelos dos dispositivos utilizados na indústria dominante de circuitos integrados - Tecnologia CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) - e os princípios físicos que lhes subjazem. placa de ensaio para a caracterização do comportamento do transístor de efeito de campo bem como para a extracção de parâmetros do correspondente modelo de primeira ordem será a representada na Fig. 1. Fig.1- Placa de ensaio para o estudo do transístor de efeito de campo. 1

3 O transístor de efeito de campo é obtido a partir do integrado HEF4007, Fig.2. Este integrado de tecnologia CMOS contém três transístores de efeito de campo, canal n (NMOS) e três de canal complementar p, PMOS. O corpo dos transístores NMOS coincide com o substrato p do integrado. Neste substrato é implantada uma região n que irá constituir o corpo comum dos transístores PMOS. junção p-n assim constituída, como aliás todas as junções secundárias que estão presentes na constituição de cada transístor de efeito de campo, não deverão estar directamente polarizadas. ssim, ao substrato p é usual atribuir o potencial de referência mais baixo do integrado (V SS ) e ao corpo n, o potencial de referência mais elevado (V ). V SS e V por sua vez assegurarão, do ponto de vista dinâmico, um caminho de baixa impedância do corpo dos transístores para a massa do circuito onde o integrado se insere. Neste trabalho usaremos apenas um transístor de canal n, o transístor N2(NMOS) com os terminais dreno-n2(5), porta-g2(3), fonte-sn2(4) e corpo-v SS (7). Os transístores de canal p não serão utilizados. Para que o corpo destes transístores não se encontre a um potencial flutuante, um condensador de 1µF é colocado entre o terminal 14 (V ) e terminal 7(V SS ). Fig.2- Representação do circuito integrado HEF4007 com o seu esquema funcional. II-ctividade pré-laboratorial II.1 Caracterização do transístor Considere o circuito de polarização do transístor M1 indicado na Fig.3 onde o divisor potenciométrico constituído por R G1 e R G2 fixa o valor do potencial do terminal de porta, RG 1 = 150kΩ, R Ω, RS Ω, RL = 1M Ω e V = 20V. baixo vem indicado o modelo de primeira ordem do transístor utilizado quer na análise teórica quer na simulação com o PSPICE. Considere que o parâmetro do modelo teórico do transistor é definido por = K W / L. Para poder usar esse modelo na simulação, seleccione o transístor MbreakN4 da lista de símbolos do programa Schematics, edite o respectivo modelo com edit>model>edit instance Model (Text.), e com Copy/Paste substitua-o pelo modelo do N4007. p 2

4 MOELO PR O PSPICE Fig.3.model N4007 NMOS(Level=1 Kp=438u Vto=1.3 Lambda=.01 W=30u L=10u Gamma= 2 Xj=0 Tox=1200n Phi=.6 Cbd=2.0p Cbs=2.0p Pb=.8 Is=16.64p N=1 Cgso=.1p Cgdo=.1p) *$. etermine analiticamente R G2 para que se verifique U GS =2.5V (utilize a aproximação lambda=0). Indique os valores das grandezas que definem o ponto de funcionamento em repouso do transístor MOS e determine o valor dos parâmetros g m, r ds e c gs do respectivo modelo incremental (ver teoria- Cap 4-Regime dinâmico). Considere ε ox = 3,96 ε 0. B. esenhe o circuito equivalente ao da figura 3 mas apenas para as componentes incrementais. etermine o valor do ganho de tensão G = VO / VG = vo / vi admitindo que, para a frequência de operação não se fazem sentir os efeitos capacitivos associados às capacidades do MOS e que as capacidades presentes no circuito exterior têm uma impedância desprezável. C. 1. esenhe o esquema da Fig.3. no Schematics do PSPICE com inclusão do modelo acima indicado do transístor de efeito de campo canal n (N4007) com o terminal do corpo do MOS ligado à fonte. Considere CG = CL = CS = 3,3µ F RL = 1M Ω e o gerador vi do tipo VSIN com VOFF=0, VMPL=100mV e FREQ=1kHz. 3

5 2. nálise C. eterminação do ponto de funcionamento em repouso Entre em Setup nalysis, active os botões Bias Point etail e Temperature para a análise à temperatura de 27ºC e posteriormente para 40ºC. Por consulta do ficheiro de saída output file justifique as diferenças encontradas nos valores do ponto de funcionamento em repouso do MOS a estas temperaturas. penas para 27ºC, e por consulta do ficheiro output file indique quais os valores dos respectivos parâmetros do modelo incremental g m, r ds e c gs. 3. nálise de regime transitório para componentes incrementais Entrando em Setup nalysis e activando o botão Transient, realize uma análise de regime transitório durante 5ms com um passo(step ceiling) de 10us. i. Obtenha uma cópia das formas de onda da tensão na porta e no dreno. ii. etermine o ganho do amplificador G = V / V = v / v e o valor médio da tensão v O. O G o i iii. esligue da fonte (S) o terminal do corpo do transístor Mos e ligue-o à massa. Qual o novo valor do ganho G?Justifique a alteração.. Execute a análise de regime transitório para a amplitude do sinal vi igual a 1,5V para a situação em que o terminal de corpo do transístor Mos está ligado à fonte. Mostre os andamentos de vi, v GS e v S (para v GS e v S utilize as pontas de prova diferenciais (Marker Voltage ifferential). Indique também para que valores de vi o transístor opera na região de corte. II.2 Função de transferência duma montagem de fonte comum 1. esenhe no Schematics do PSPICE o circuito da Fig.5 onde V=10V e substitua v I por uma fonte de tensão contínua VI. Para o intervalo de varrimento 0 V I 10V: a) Obtenha a característica de transferência v O (v I ) e sobre esse gráfico, assinale os pontos de fronteira entre cada uma das regiões de funcionamento do transistor e trace a recta vs = vgs VT que separa a região de saturação da região de não saturação. b) Obtenha o gráfico do ganho incremental G=dv O /dv I em função de v I entrando no menu dd>dd Trace do PSIPCE /, activando a função () e escolhendo v O como argumento. c) Iindique os intervalos de v I onde o transístor se comporta como porta lógica ( dv O /dv I <1). 4

6 III-ctividade laboratorial III.1 eterminação de V T, =K p W/L do MOS de tipo n Na saturação a corrente de dreno pode ser expressa como função da tensão de porta na seguinte forma: 1 W i = ( vgs VT ) = K p ( vgs VT ) para vgs VT (1) 2 2 L onde V T é a tensão de limiar e Kp é o parâmetro de transcondutância. Como i é linear com v GS, o valor de V T é obtido da intersecção com o eixo dos xx e a inclinação da recta permite obter / 2. Esta recta deverá poder interpolar a região linear do gráfico experimental i vgs correspondente à região de funcionamento do MOS com inversão forte do canal. Procedimento: 1. Estabeleça o esquema de ligações mostrado na Fig.4.a, começando por verificar se os shunts S1 e S2 estão nas posições indicadas. tensão V é obtida da fonte de alimentação PS503. O amperímetro é conseguido com o multímetro M502 depois de seleccionar a função m>c, o campo de medida 20m e escolher o terminal de entrada m e o de saída LOW. O voltímetro V é conseguido também com um multímetro M502 depois de seleccionar a função VOLTS>C, o campo de medida 20V e escolher os terminais VOLTS/Ω-LOW. 2. Varie a tensão de porta VGS = VS de 0 a 7V com um passo de 0,5V até 3V e de 2V de 3 até 7V, registe os valores medidos e os valores correspondentes de corrente de dreno. Para continuação da parte experimental passe para o ponto 1 de III.2 estabelecendo as alterações do circuito aí requeridas. 3. Com base no gráfico obtido no plano i vgs e partindo da recta que melhor se adapta à região da característica correspondente à inversão forte do canal determine os parâmetros, V T e Kp(admita a relação W/L=3). 4. Calcule di dvgs quando VGS = VS = 2,5V. 5

7 R = 680Ω 1 R = 5.1kΩ 1 G V S B S1 + _ V S3 G S B S1 V + _ V RS Ω S2 (a) 0 2 Rg = 12kΩ + _ V G R S (b) S2 0 Fig.4-a) Montagem do transístor como dispositivo de dois terminais b) Polarização do transístor com duas fontes de tensão independentes. III.2 eterminação do parâmetro de efeito de corpo γ No caso em que o terminal de corpo B está acessível, e não curto-circuitado com a fonte, a aplicação duma tensão traduz-se numa alteração da tensão de limiar descrita por ( ) 1/ 2 1/ 2 VT = γ φsinv U BS φsinv (2) onde φsinv representa a tensão de inversão do canal para a qual se assume o valor de 0.6V. Procedimento: 1. Imponha VGS = VS = 5V na montagem correspondente à Fig. 4.a. Em seguida retire o shunt S2 e registe o novo valor de corrente de dreno. Reponha de novo o shunt, desligue o gerador e querendo continuar a execução da parte experimental passe para o ponto 1 de III.3 procedendo às alterações aí requeridas. 2. etermine U BS nesse circuito bem como o novo valor da tensão de limiar V T que possa ajustar-se à equação (1) e o valor do parâmetro γ. III.3 eterminação de r ds λ e g m do MOS tipo n Se a modulação do comprimento do canal λ for considerada, a corrente de saturação de dreno assume a forma: i ( ) 2 = vgs Vt (1 + λvs ) (4.3) 2 resistência incremental de saída nestas condições será dada para o ponto de funcionamento em repouso (V GS0, V S0 ) e para V GS constante por 6

8 r ds -1 i 1 V = = v λi I V I S S V GS (4.4) resistência incremental e o parâmetro de Early V são assim obtidos a partir da recta que interpola a característica experimental I VS na vizinhança dum dado V S na região de saturação supondo constante V GS. resistência incremental é o inverso da inclinação dessa recta e o parâmetro V é encontrado a partir da intersecção com o eixo dos xx (I =0, V S =-V ). Para um dado V S0 e para V GS constante a transcondutância incremental será expressa por: di 2I gm = 2I dvgs V V GS Vt S (4.5) I V GS Procedimento: 1. Retire o condutor que une o terminal ao terminal G da montagem da Fig. 4.a e, conforme a Fig. 4.b, estabeleça a ligação do dreno para a resistência R Ω. Ligue o ponto 2 do circuito ao gerador VG de modo a garantir no voltímetro V o valor V GS =2,5V. 2. Meça a corrente no amperímetro e a tensão V S no voltímetro V e faça variar V de modo a que V S varie de 0 a 2V com um passo de 0,5V e de 3V a 7V com um passo de 2V. Registe os valores medidos. 3. Registe também o valor de I para V S =3V e V GS =3V. 4. etermine, conforme a definição, os parâmetros incrementais g m, r ds e λ para o ponto de funcionamento V GS =2,5V e V S =3V. III.4 Característica de transferência O circuito representado na Fig.5 permite ilustrar a utilização do transístor de efeito de campo quer como porta lógica quer como amplificador de fonte comum. derivada da curva v GS -v S representa o ganho incremental do amplificador. O sinal negativo da derivada dv S /dv GS dá conta da função inversora da montagem. região da curva onde a derivada é em módulo superior a 1 tem interesse no domínio analógico para a amplificação linear. s regiões onde a derivada é inferior a 1 têm interesse no domínio digital. Procedimento: 1. Previamente ao estabelecimento do esquema de ligações procure visualizar no canal 1 do osciloscópio o sinal v I. Este sinal é obtido do gerador de funções FG503 começando por rodar o botão FUNCTION no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio de forma a seleccionar o sinal sinusoidal com C OFFSET. Seguidamente, com os botões de ajuste, assegure-se que esse sinal satisfaz as seguintes especificações: V offset =5V, V pico-a-pico =10V, frequência=100hz. 7

9 2. Ligue o módulo PS503 e, com o voltímetro, assegure-se que a tensão aos seus terminais é V=10V. 3. Estabeleça o esquema de ligações mostrado na Fig. 5 com todos os instrumentos desligados. 4. Obtenha uma cópia das formas de onda v I (t) e v O (t) bem como da característica de transferência v O (v I ). 5. Indique sobre esta característica os intervalos de valores de v I correspondentes às diferentes regiões de funcionamento do transístor. Trace a recta tangente à curva em v I =2,5V. Para esse mesmo ponto determine o ganho incremental G V =dv O /dv I e calcule a transconductância do transístor(g m ). R Ω Rg = 12kΩ G v O S B Osc.-Ch-2 + _ V ~ v G Osc.-Ch-1 Fig 5 Montagem de fonte comum. 8