GEL-3000 Électronique des composants intégrés. Hiver MOSFET et amplificateurs de base -

Transcription

1 GEL-3000 Électronique des composants intégrés - MOSFET et amplificateurs de base -

2 MOSFET et amplificateurs de base Conditions préalables: Chapitre 5, sections 5.1 à 5.3 (rappel) Amplificateurs de base: sections 7.1 à 7.3 (pas les circuits à BJT) Plan du cours (sujets): Rappel sur les MOSFET Topologies d amplificateurs de base Résultats attendus: Comprendre lefonctionnement des MOSFET Savoir analyser et concevoir des amplificateurs simples à base de MOSFET GEL-3000 Électronique des composants intégrés 2

3 MOSFET et amplificateurs de base Composants semiconducteurs à 3 terminaux Plus utiles que les composants à 2 terminaux comme la diode car utilisés dans beaucoup plus d applications: amplificateurs, circuits numériques et mémoires. Permettent de réaliser des sources commandées par un troisième terminal: c est la base des amplificateurs et des commutateurs GEL-3000 Électronique des composants intégrés 3

4 MOSFET et amplificateurs de base Transistors à effet de champ 1. Type: MOSFET à enrichissement et déplétion type n et p 2. Conduction: Implique un seul type de porteur de charge (électrons ou trous) 3. Caractérisation: Source de courant commandée par une tension Transistors bipolaires 1. Type: BJT npn et pnp 2. Conduction: Implique les deux types de porteurs de charge (électrons et trous) 3. Caractérisation: Source de courant commandée par un courant GEL-3000 Électronique des composants intégrés 4

5 NMOS à enrichissement Structure physique GEL-3000 Électronique des composants intégrés 5

6 NMOS à enrichissement: Fonctionnement Création du canal entre la source et le drain v GS > V t v DS = 0 La profondeur du canal est proportionnelle à v ov = v GS - V t GEL-3000 Électronique des composants intégrés 6

7 NMOS à enrichissement: Fonctionnement Région linéaire (triode) v GS > V t v DS > 0 (faible) Le courant i D passe du drain vers la source i D est proportionnel à v DS GEL-3000 Électronique des composants intégrés 7

8 NMOS à enrichissement: Fonctionnement Région triode: caractéristique i D -v DS (petit) Courant dans le canal W i D = µ n C ( ox L v V GS t )v DS Comme une résistance linéaire r DS = 1 W µ n C ( ox L v V ) GS t GEL-3000 Électronique des composants intégrés 8

9 NMOS à enrichissement: Fonctionnement Région de triode v GS > V t v DS augmente (> 0) Canal en biseau i D est proportionnel à v DS GEL-3000 Électronique des composants intégrés 9

10 NMOS à enrichissement: Fonctionnement Région de triode Q dans le canal est proportionnelle à l aire de la section du canal Soit v ov ½ v DS W i D = µ n C ( ox L v ov )v DS ' W i D = k n ( 2 ) Chute de tension dans le canal L v ov v DS 1 2v DS et profondeur GEL-3000 Électronique des composants intégrés 10

11 NMOS à enrichissement: Fonctionnement Région de triode / saturation GEL-3000 Électronique des composants intégrés 11

12 NMOS à enrichissement: Fonctionnement Région de saturation v GS > V t v DS v ov Canal en biseau Étranglement (pinchoff) près du Drain i D presque constant i D = 1 2 k ' W ( n L v V ) 2 GS t GEL-3000 Électronique des composants intégrés 12

13 NMOS à enrichissement Résumé: caractéristiques i D -v DS Source de courant commandée par une tension i D = 1 2 k ' W ( n L v V ) 2 GS t GEL-3000 Électronique des composants intégrés 13

14 Complementary MOS (CMOS) Section d un circuit intégré CMOS GEL-3000 Électronique des composants intégrés 14

15 PMOS à enrichissement Structure physique GEL-3000 Électronique des composants intégrés 15

16 NMOS à enrichissement Symboles Grille isolée Polarité GEL-3000 Électronique des composants intégrés 16

17 PMOS à enrichissement Symboles GEL-3000 Électronique des composants intégrés 17

18 NMOS à enrichissement Résumé: formation du canal Si v GS < V tn : pas de canal; en cutoff Si v GS = V tn + v ov : le canal existe (triode ou sat.) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 18

19 NMOS à enrichissement Résumé: régions d opération Si v GS < V tn : pas de canal; en cutoff Si v GS = V tn + v ov : le canal existe (triode ou sat.) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 19

20 NMOS à enrichissement Résumé: caractéristiques i D -v DS Région de triode: v GS = V tn + v ov ; v DS < v ov Canal continu ou légèrement en biseau ' W i D = k ( n L v 1 2v ov DS )v DS ou i D = k n ' W L "( v V 2 # GS tn)v DS 1 2v DS $ % GEL-3000 Électronique des composants intégrés 20

21 NMOS à enrichissement Résumé: caractéristiques i D -v DS Région de saturation: v GS = V tn + v ov ; v DS v ov Canal en biseau et étranglé i D = 1 2 k ' W ( n L v V ) 2 GS t ou i D = 1 2 k ' W n L v 2 ov GEL-3000 Électronique des composants intégrés 21

22 NMOS à enrichissement Résistance de sortie (r o ) en saturation Si i D est indépendant de v DS, r o est infinie En réalité, si v DS augmente (>> v ov ), i D change GEL-3000 Électronique des composants intégrés 22

23 NMOS à enrichissement Résistance de sortie en saturation Lorsque v DS augmente, le point d étranglement est poussé vers la source, ce qui réduit L par ΔL Phénomène: Modulation de la longueur du canal GEL-3000 Électronique des composants intégrés 23

24 NMOS à enrichissement Résistance de sortie en saturation On ajuste i D : i D = 1 2 k ' W ( n L v V ) 2 ( 1+ λv ) GS t DS V A = 1/λ V A : Early voltage (V) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 24

25 NMOS à enrichissement Résistance de sortie en saturation Modélisation de la dépendance de i D sur v DS r o = 1 λi D = V A I D avec I D = 1 2 k ' W ( n L V V ) 2 GS t GEL-3000 Électronique des composants intégrés 25

26 NMOS à enrichissement Exemple 5.3: Circuit en DC Déterminez R D et R S pour que le circuit fonctionne à I D = 0.4 ma et V D = 0.5V V t =0.7V, μ n C ox = 100 μa/v 2, L=1 μm, W=32 μm Négligez la modulation de canal (λ = 0) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 26

27 NMOS à enrichissement Opération et modèle petit signal GEL-3000 Électronique des composants intégrés 27

28 NMOS à enrichissement Opération et modèle petit signal I D 1 2 k ' W ( n L V V ) 2, V GS tn ov =V GS V tn V DS =V DD R D I D Si v GS =V GS v gs, i D 1 2 k n ( V +v V ) 2 GS gs tn Courant de polarization I D Courant petit signal i d = 1 2 k ( V V ) 2 + k ( n GS tn n V GS V tn )v gs k v 2 n gs GEL-3000 Électronique des composants intégrés 28

29 NMOS à enrichissement Opération et modèle petit signal (suite) Il faut 1 2 k v 2 << k ( n gs n V GS V tn )v gs Soit, v gs << 2( V GS V tn ), 2V ov Si cette condition est respectée, i D = I D i d, avec i d = k n ( V GS V tn )v gs Transconductance: g m = i d v gs = k n V GS V tn ( ), où g m = i D v GS v GS =V GS GEL-3000 Électronique des composants intégrés 29

30 NMOS à enrichissement Opération et modèle petit signal (suite) v DS =V DD R D i D =V DD R D (I D + i d ) =V DD R D I D R D i d =V DS R D i d Tension petit signal v ds Ainsi, avec i d = g m v gs, v ds = R D i d = g m v gs R D Enfin, A v = v ds v gs = g m R D GEL-3000 Électronique des composants intégrés 30

31 Analyse petit signal systématique Étapes d analyse petit signal 1. Éliminer les sources de signal et déterminer le point d opération, en particulier I D 2. Calculer les paramètres petit signal: g m, r o 3. Éliminer les sources DC: source de tension = court-circuit, source de courant = circuit ouvert 4. Remplacer les MOSFETs par le modèle petit signal équivalent 5. Analyser le circuit obtenu pour déterminer les quantités (R in, A vo, R o ) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 31

32 NMOS à enrichissement Opération et modèle petit signal Dépendance de i D sur v DS négligée Modélisation de la modulation de canal Paramètres du modèle: g m et r o Transconductance ( ) g m i d ' W = k v n gs L v V GS t ; résistance de sortie r o = 1 λi D = V A I D GEL-3000 Électronique des composants intégrés 32

33 NMOS à enrichissement Applications: amplificateurs de base GEL-3000 Électronique des composants intégrés 33

34 Amplificateurs de base Application: configuration source commune R i? A v? R o? GEL-3000 Électronique des composants intégrés 34

35 Amplificateurs de base Résumé: configuration source commune GEL-3000 Électronique des composants intégrés 35

36 Amplificateurs de base Résumé: configuration source commune A v : R i : R o : v o v i = g m (R D r o ) R i = R o = R D r o GEL-3000 Électronique des composants intégrés 36

37 Amplificateurs de base Application: configuration source commune avec résistance de source GEL-3000 Électronique des composants intégrés 37

38 Amplificateurs de base Résumé: configuration source commune avec résistance de source (A v?) v i = v gs + g m v gs R s = v gs (1+ g m R s ) v gs = v i 1+ g m R s v o = g m v gs R D = g m v i 1+ g m R s R D v o v i = g m R D 1+ g m R s = R D 1 g m + R s GEL-3000 Électronique des composants intégrés 38

39 Amplificateurs de base Résumé: configuration source commune avec résistance de source (R o si R D =?) 1) On pose 2) Courant dans r o : 3) Loi des mailles: v gs = i x R s i x g m v gs = i x g m ( i x R s ) = i x + g m i x R s v x = r o (i x + g m i x R s ) + i x R s v x i x = r o (1+ g m R s ) + R s = (1+ g m r o )R s + r o R o g m r o R s GEL-3000 Électronique des composants intégrés 39

40 Amplificateurs de base Résumé: configuration source commune avec résistance de source (R o si R D?) On pose Courant dans r o : v gs = (i x v x )R R s D i x g m v gs v x R D = i x g m " (i x v % x $ )'R # R s v x D & R D i x (1+ g m R s ) g m v x R s R D v x R D = i x (1+ g m R s ) g m v x R D (R s +1) Loi des mailles: " v % ( v x = r o $ i x (1+ g m R s ) g x m (R R s +1) '+ i x v x * # D & ) R D + -, R s GEL-3000 Électronique des composants intégrés 40

41 Amplificateurs de base Résumé: configuration source commune avec résistance de source (R o si R D?) v v x + g x m (R R s +1)r o + v x R D R s = r! o i x (1+ g m R s )# " $ + i R x s D v x i x! (R v x 1+ g s +1) # m " R D = r o (1+ g m R s ) + R s r o + R s R D! # " ( ) 1+ g m (R s +1) ( ) R s g m r o +1! R $ s # (g R m r o +1) & " D % $ & % = r ' i (1+ g R ) ) o ( x m s * + i R x s r R o + R 1 $ s D R & D % 1 = R D GEL-3000 Électronique des composants intégrés 41

42 Amplificateurs de base Application: configuration drain commun (suiveur de tension) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 42

43 Amplificateurs de base Application: configuration drain commun (suiveur de tension) R i, A v, R o? GEL-3000 Électronique des composants intégrés 43

44 Amplificateurs de base Résumé: configuration drain commun (A v?) v o = g m v gs (R L r o ) v gs = v o g m (R L r o ) v i = v gs + v o = v o g m (R L r o ) + v o = v o! 1+ g m (R L r o ) $ # & " g m (R L r o ) % v o = g (R r ) m L o v i 1+ g m (R L r o ) = (R L r o ) 1 + (R g L r o ) m 1 Si r o et R L sont très grands GEL-3000 Électronique des composants intégrés 44

45 Amplificateurs de base Résumé: configuration drain commun (R o?) i x = g m v gs + v x r o v gs = v x i x = g m v x + v x r o R o = v x i x = v x g m v x + v x r o = 1 g m + 1 r o 1 g m Si r o est très grand GEL-3000 Électronique des composants intégrés 45

46 Amplificateurs de base Application: configuration grille commune R i, A v, R o? GEL-3000 Électronique des composants intégrés 46

47 Amplificateurs de base Résumé: configuration grille commune On pose Courant au nœud v o : v gs = v i v o R D + v o r o g m v i = 0 A v : R o : v o v i = g m (R D r o ) R o = R D (r o + R sig ) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 47

48 R i : i s Amplificateurs de base Résumé: configuration grille commune R i = v i i s i s = v i g m + v i v o v o = i s R D i s = v i # g m + 1 " r o! r o $ & % i R s D! 1+ R $ D # " r & o % = v! g i m + 1 $ # " r o % & i = v! g + 1 $! r o s i # " m r &# %" r o o + R D r o $ & % R i = v i i s! = g m + 1 $ # " r & o % 1! # " r o + R D r o $ & % 1 g m Si r o est très grand GEL-3000 Électronique des composants intégrés 48

49 Amplificateurs de base Résumé des circuits de base (Table 5.4, p. 306) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 49

50 Amplificateurs de base Exercice: suiveur de tension GEL-3000 Électronique des composants intégrés 50

51 Amplificateurs de base Exercice Étage de sortie d un ampli CMOS multi-étage On veut R o = 200 Ω Paramètres du MOSFET: k n=0.4 ma/v 2, V ov =0.25V 1. Trouver W/L et I D 2. Trouver la plage v o /v i pour 1kΩ < R L < 10kΩ, si r o >> R L et 1/g m v o v i = (R L r o ) 1 + (R g L r o ) m GEL-3000 Électronique des composants intégrés 51

52 MOSFET et amplificateurs de base Exercices suggérés Sedra and Smith Exercices 5.2, 5.4, 5.6, 5.7, 7.1, 7.2, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8, 7.10 Problèmes 5.9, 5.11, 5.18, 5.20, 5.30, 5.31, 5.45, 5.55, 5.56, 7.4, 7.5, 7. 6, 7. 8, 7.9 Lectures à faire Chapitre 8, sections 8.1 à (sauf les circuits à BJT) GEL-3000 Électronique des composants intégrés 52