Tranzistorul bipolar - bel.utcluj.ro · CIA – Laborator 1 – Tranzistoare bipolare şi MOS 3 Pentru a simula caracteristica de transfer este nevoie de o analiză de tipul .DC în

CIA – Laborator 1 – Tranzistoare bipolare şi MOS

1

1. Tranzistorul bipolar

1.1. Punctul static de funcţionare Schema de test (tranzistorBJT-psf.asc):

Schema de test conține un tranzistor bipolar Q1 în conexiune de diodă (baza conectată la colec-

tor), în care se injectează un curent continuu de valoare 50μA. Sursa V1 reprezintă alimentarea cir-cuitului cu 3V. Simbolul tranzistorului bipolar (npn.asy) se găseşte în directorul rădăcină al pro-iectului. Pentru a avea acces la modelul Spice corespunzător tranzistorului, acesta va fi redenumit npnver după plasarea componentei pe schemă. Deasemenea, trebuie specificată calea spre biblioteca în care simulatorul să caute descrierea modelului. Biblioteca se specifică prin plasarea pe schemă a comenzii Spice .lib bipolar.lib.

Exerciţii propuse:

1. Creaţi profilul de simulare corespunzător şi simulați punctul static de funcționare

Se accesează meniul Simulate și se alege opțiunea Edit Simulation Cmd. În următoarea fereastră se alege tipul simulării .OP (DC op pnt), specific punctului static de funcționare. După acceptarea opțiunii alese, pe schemă se va plasa comanda Spice .OP care instruiește simulatorul să ruleze o analiză a PSF. Rezultatul analizei .OP este un set de valori care include toate potențialele la noduri, toți curenții prin ramuri și parametrii tipici ai dispozitivelor semiconductoare.

După specificarea analizei prin comanda .OP, din meniul Simulate se alege opțiunea Run. La terminarea simulării programul afișează o fereastră cu potențialele la noduri și curenții prin ramurile circuitului de test. Aceste valori pot fi citite și direct în bara de jos a ferestrei principale, mișcând cursorul deasupra conexiunilor și terminalelor elementelor schemei. Semnul negativ ai curenților arată sensul de curgere, astfel încât curenții care intră într-un nod de circuit vor fi pozitivi, iar curen-


2

ții care ies vor fi negativi.

Parametrii tranzistorului bipolar sunt returnați în fișierul de ieșire prin accesarea meniului View și a opțiunii Spice Error Log (sau cu ajutorul combinației de taste CTRL+L).

2. Completaţi tabelul:

IB IC β VBE VCE gm rBE rCE

1.2. Caracteristica de transfer(tranzistorBJT-dc.asc) Schema de test:

Exerciţii propuse:

3. Creaţi profilul de simulare corespunzător şi simulați caracteristica de transfer a tranzistorului bipolar.


3

Pentru a simula caracteristica de transfer este nevoie de o analiză de tipul .DC în care se variază tensiunea Vb între 0V şi 700mV cu un increment de 1mV. Tensiunea colector-emitor este stabilită cu o a doua sursă de tensiune continuă, Vc. Pentru a reproduce punctul static de funcționare de la punctul precedent se vor alege tensiunile VBE=VCE=608mV, valori măsurate anterior. Pentru a crea profilul de simulare se accesează meniul Simulate cu opțiunea Edit simulation cmd.

După rularea simulării (Simulate → Run) în fereastra grafică se selectează meniul Plot Settings și opțiunea Add Trace (sau combinația de taste CTRL+A). Din fereastră se selectează curentul de colector al tranzistorului, Ic(Q1). Rezultă caracteristica tipică exponențială a tranzistorului bipolar.


4

4. Măsuraţi panta caracteristicii în jurul PSF stabilit la exerciţiul 1 (Ic=50µA, VBE=608mV) şi comparaţi cu transconductanţa de semnal mic (gm) notată anterior în tabel.

Se reglează scările axelor Ox și Oy pentru a obține o vedere de detaliu asupra regiunii de interes a caracteristicii de transfer. Se mută cursorul deasupra axelor până când apare un mic liniar, apoi un clic deschide ferestrele de reglaj.

Panta caracteristicii se măsoară cu ajutorul celor două cursoare. Pentru activarea cursoarelor se dă un clic dreapta pe numele curbei deasupra graficului (pe Ic(Q1)), apoi se atașează ambele cursoa-re caracteristicii de transfer.

Transconductanța de semnal mic se măsoară poziționând cursoarele în două puncte distincte în jurul punctului static de funcționare și citind rubrica Slope a ferestrei de măsurare. Rezultă o valoare gm=1.92mS, care corespunde cu transconductanța calculată de simulator în urma analizei PSF.

1.3. Caracteristica de ieşire Schema de test este identică cu cea de la caracteristica de transfer, dar sursa de tensiune variată

va fi Vc. Gama de variație se ajustează ținând cont de dependența slabă a curentului de colector de tensiunea colector-emitor și de regimurile de funcționare ale tranzistorului.

Exerciţii propuse:


5

5. Modificaţi profilul de simulare astfel încât sursa Vc să varieze liniar între 0V şi 3V cu incre-mentul de 1mV. Tensiunea Vb se reglează la valoarea 608mV, corespunzătoare PSF.

Accesând meniul Simulate cu opțiunea Edit Simulation Cmd se completează detaliile în profilul de simulare .DC. Pe schemă comanda Spice se va schimba în .dc Vc 0 3 1m.

După rularea simulării (Simulate → Run) în fereastra grafică se afișează același curent de colec-tor Ic(Q1).

6. Măsuraţi inversa pantei caracteristicii în jurul punctului static de funcționare stabilit la exerciţiul 1 (Ic=50µA, VBE=608mV, VCE=608mV) şi comparaţi cu rezistența colector-emitor de semnal mic (rCE) notată anterior în tabel.

Se poziționează cursoarele în două puncte diferite în jurul PSF impus și se citește valoarea mă-surată a pantei (Slope). Rezistența colector emitor va fi

7

1 1 1.96M5.11 10CEr

Slope

,

valoare corespunzătoare cu cea calculată de simulator în urma analizei PSF și notată în tabel.

7. Ridicați caracteristica de ieșire a tranzistorului bipolar și arătați dependența acesteia de ten-siunea bază-emitor.

Se adaugă o analiză parametrică în care sursa Vc este variabila principală (parametrii analizei nu


6

se modifică în profilul de simulare), iar variabila secundară Vb se modifică după următoarea listă de valori: 580mV, 600mV, 620mV, 640mV. Comanda Spice de pe schemă se modifică în .dc Vc 0 3 1m Vb list 580mV 600mV 620mV 640mV.

După rularea simulării se afișează curentul de colector Ic(Q1).

2. Tranzistorul MOS

2.1. Punctul static de funcţionare (tranzistoareMOS-psf.asc) Schema de test pentru NMOS şi pentru PMOS:

Simbolurile pentru tranzistoare se găsesc în directorul rădăcină al proiectului (nmosb.asy şi


7

pmosb.asy). După poziţionarea componentelor pe schemă, tipul modelului se schimbă în n018 şi p018 pentru a avea acces la modelele Spice. Conexiunea de test pentru simularea PSF este similară cu cea a tranzistorului bipolar. Atenţie la modul de conectare a tranzistorului PMOS – pentru o funcţionare corectă este necesar ca terminalele sursă şi substrat să fie conectate la potenţiale mai mari decât grila şi drena.

Exerciţii propuse:

8. Creaţi profilul de simulare .OP care să permită evaluarea punctului static de funcţionare şi calculul parametrilor de semnal mic.

Profilul de simulare va fi similar cu cel creat la analiza punctului static de funcționare al tranzis-torului bipolar. Dupa rulare simulatorul va întoarce o fereastră cu toate potențialele la nodurile cir-cuitului și cu toți curenții prin ramuri. Detaliile legate de PSF ale tranzistoarelor MOS din schemă se obțin accesând fișierul de ieșire (View → Spice Error Log).

Structura tranzistoarelor PMOS fiind complementară celor NMOS, toate tensiunile și curentul de drenă vor fi negative.

9. Folosind datele din fişierul de ieşire completaţi tabelul:

VGS VDS VBS VTh VDSat ID gm gmb rDS

NMOS

PMOS 814mV 814mV 0V 446mV 257mV 50µA 252µS 68.2µS 176kΩ

10. Completaţi următorul tabel de referință (se va folosi la fiecare laborator):

ID W/L Vod (VDSat)

VTh (VBS=0)

NMOS PMOS 50µA 15µ/1µ 257mV 446mV


8

11. Modificaţi parametrii tranzistorului și schema de test astfel încât la un curent de 30μA Vod să rămână constant. Utilizaţi o procedură de scalare și verificați modificarea PSF prin simulare.

Pentru a scala punctul static de funcționare, se scrie ecuația curentului, odată pentru PSF de refe-rință corespunzător tabelului de la exercițiul 10, iar apoi pentru noul PSF impus.

2

2

2

2

ox refD ref od ref

ref

oxD od

C WI V

LC WI V

L

Dacă se înlocuiesc parametrii de referință din tabelul de la exercițiul 10 (pentru tranzistorul PMOS), ID cu 30μA și Vod cu 257mV, iar apoi se împart ecuațiile, se obține noua geometrie a tran-zistorului.

2 215 30 240 9μ1 50 240 1μ

ref od refD

ref D ref od

W VIWL L I V

Pentru noua geometrie se recalculează parametrii AS, AD, PS, PD:

20.2μ 9μ 0.2μ 1.8pm2 0.2μ 2 9μ+0.2μ 18.4μm

AS AD WPS PD W

Parametrii tranzistoarelor se accesează cu un clic dreapta pe PMOS. După introducerea noilor valori se rulează din nou simularea, iar modificarea PSF se verifică în fișierul de ieșire. La un curent de drenă egal cu 30μA tensiunea Vod a rămas 257mV.

12. Modificaţi parametrii tranzistorului și schema de test astfel încât la un curent de 70μA să re-zulte Vod de 200mV. Verificați modificarea PSF prin simulare.

Pentru a determina noua geometrie a tranzistorului PMOS, corespunzătoare PSF cerut, se proce-dează în mod similar ca și la exercițiul precedent. După înlocuirea parametrilor în setul de ecuații și efectuarea calculelor rezultă W=34.7μm, L=1μm, AS=AD=6.94pm2 și PS=PD=69.8μm. Din fișierul de ieșire se observă că la un curent ID=70μA tensiunea Vod este 204mV, aproximativ egală cu valoa-rea impusă.

2.2. Caracteristica de transfer (tranzistoareMOS-dc.asc)

Schema de test:


9

Tensiunile Vgn,p şi Vdn,p au aceleaşi semnificaţii ca şi în cazul tranzistorului bipolar. Sursele adi-ţionale Vbsn și Vsbp reprezintă diferenţele de potenţial variabile dintre terminalele sursă şi substrat, influențând direct tensiunile de prag.

Exerciţii propuse:

13. Creaţi profilul de simulare pentru a obţine caracteristica de transfer a tranzistorului PMOS.

Caracteristica de transfer se obține printr-o analiză de curent continuu .DC care presupune varia-ţia liniară a sursei VGp. Ținând cont de faptul că la tranzistorul PMOS toate tensiunile sunt negative, iar potențialele terminalelor se raportează la tensiunea de alimentare VDD în loc de masă, sursa VGp se va modifica liniar între VDD-0V şi VDD-800mV cu incrementul de 1mV. Deoarece VDD utilizată este 3V și simulatorul impune ca limitele gamei de variație să fie specificate în ordine crescătoare, parametrii StartValue și Stop Value în profilul de simulare vor lua valorile 2.2V și 3V. Pe schemă rezultă comanda Spice corespunzătoare .dc Vgp 2.2 3 1m. Pentru a reproduce punctul static de func-ționare, tensiunea sursă-drenă VSD a tranzistorului trebuie să rămână aceeași ca în tabelul de la exer-cițiul 9. Astfel, sursa Vdp va avea valoarea VDD-814mV=2.19V.

După rularea simulării, în fereastra grafică se accesează meniul Plot Settings cu opțiunea Add Trace (sau combinația de taste CTRL+A). Pentru a obține caracteristica de transfer, conform ecuați-ei de funcționare în regim saturat ar trebui afișat curentul de drenă Id(Mp). Acest curent va fi nega-tiv datorită convenției de semne aplicate de simulator. Astfel, dacă ne interesează doar valoarea ab-solută, se afișează –Id(Mp) sau curentul prin terminalul sursă Is(Mp)= –Id(Mp).

În caracteristica obținută variabila de pe axa Ox este potențialul din grila tranzistorului, Vgp. Ca-racteristica de transfer finală rezultă după schimbarea variabilei în tensiunea sursă-grilă a tranzisto-rului PMOS. Această modificare se face accesând fereastra de reglaje specifică axei orizontale (ca la ajustarea scării de la exercițiul 4) și schimbând parametrul Quantity plotted în 3-Vgp.

14. Măsuraţi panta caracteristicii de transfer în jurul PSF stabilit la exerciţiul 9. Comparaţi va-loarea măsurată cu transconductanţa de semnal mic gm notată anterior în tabel.


10

Pe caracteristica de transfer se reglează scara de pe axa Ox între 750mV și 850mV cu un pas de 20mV, iar scara de pe axa Oy între 35µA și 65µA cu un pas de 5µA. Ambele cursoare se atașează curbei Is(Mp) și se poziționează în jurul valorii 50µA pe axa curentului. Din fereastra de măsurare se citește panta caracteristicii (Slope). Transconductanța măsurată va fi aproximativ 250µS, cores-punzătoare valorii calculate de simulator la analiza PSF și notate în tabelul de la exercițiul 9.

15. Adăugaţi o analiză parametrică pentru a demonstra faptul că tensiunea de prag creşte cu di-ferența Vbsn.

Simularea fundamentală .DC utilizată la ridicarea caracteristicii de transfer rămâne aceeași, dar a doua variabilă folosită ca și parametru adițional va fi tensiunea dată de sursa Vsbp. În profilul de si-mulare se activează analiza parametrică prin completarea câmpurilor specifice din 2nd Source. Sursa Vsbp se variază conform următoarei liste de valori: 100mV, 200mV, 300mV și 400mV.

2.3. Caracteristica de ieşire Schema de test este aceeaşi ca şi în cazul caracteristicii de transfer. Tensiunea Vbsn se consideră

0V, iar tensiunea sursă-grilă se alege astfel încât să corespundă punctului static de funcționare de la exerciţiul 9 (814mV). Astfel, potențialul din grila tranzistorului va fi Vgn=VDD-814mV=2.19V.

Exerciţii propuse:

16. Ridicați caracteristica de ieşire a tranzistorului PMOS.

Caracteristica de ieșire se obține modificând profilul de simulare de la exercițiul 13 astfel încât curentul de drenă să varieze cu tensiunea sursă-drenă a tranzistorului. Pentru aceasta în profilul de simulare la variabila principală se trece sursa Vdp care variază liniar între 0 și 3V cu un increment de 1mV. Comanda Spice corespunzătoare de pe schemă devine .dc Vdp 0 3 1m.

După rularea simulării, în fereastra grafică se afișează curentul de drenă cu semnul negativ sau curentul de sursă Is(Mp) (din aceleași considerente legate de convenția de semne ca și la caracteris-tica de transfer). Curba astfel obținută reprezintă variația curentului cu potențialul din drena tranzis-torului. Caracteristica finală de ieșire rezultă după schimbarea variabilei de pe axa Ox în 3-Vdp.

17. Măsuraţi inversa pantei caracteristicii în jurul PSF stabilit la exerciţiul 9. Comparaţi valoa-rea măsurată cu rezistența drenă-sursă notată anterior în tabel.

Se poziționează cele două cursoare în jurul curentului de 50µA și se citește Slope din rubrica corespunzătoare a ferestrei de măsurare. Panta va fi chiar conductanța drenă-sursă de semnal mic gDS. Inversa pantei va fi rezistența drenă-sursă la semnal mic rDS.


11

Valoarea măsurată pe caracteristica de ieșire corepunde aproximativ rezistenței calculate de simulator și trecute în tabelul de la exercițiul 9.

6

1 1 1 181k5.52 10DS

DS

rSlope g

,

18. Adăugaţi o analiză parametrică pentru a obţine familia caracteristicilor de ieşire pentru dife-rite tensiuni sursă-grilă.

Variabila principală Vdp va fi aceeași, dar în profilul de simulare se adaugă o variație adițională a sursei Vgp conform listei de valori: 2.15V, 2.2V, 2.25V, 2.35V. Comanda Spice de pe schemă devine .dc Vdp 0 3 1m Vgp list 2.15 2.2 2.25 2.35. Se afișează curentul de sursă Is(Mp), iar apoi se modifică variabila de pe axa Ox în 3-Vdp.

Temă de casă:

Repetaţi simulările şi măsurătorile pentru tranzistorul NMOS.

Documents

Tranzistorul bipolar - bel.utcluj.ro · CIA – Laborator 1 – Tranzistoare bipolare şi MOS 3 Pentru a simula caracteristica de transfer este nevoie de o analiză de tipul .DC în