Le transistor MOS en mode commuté et l interface numérique à analogique

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1 Laboratoire 4 ELE Circuits électroniques Département de Génie Electrique Hiver 2012 Titre Le transistor MOS en mode commuté et l interface numérique à analogique Chargé de laboratoire Nom Mohammed Mekideche Bureau L5661 Téléphone (514) Courriel Disponibilité Sur rendez-vous, ou avant la séance de laboratoire Date de la séance 29 Février 2012 (Gr. 2) 14 Mars 2012 (Gr. 1) Horaire et salle 13h45-16h35 L5656 Date de remise Chute M Mars Mars 2012 École Polytechnique de Montréal 1

2 1. Note La préparation du laboratoire et les simulations sont à effectuer avant la séance de laboratoire. La feuille de préparation personnelle en page 8 ainsi que les résultats de simulation doivent être remis avec votre rapport de laboratoire. 2. Objectifs Ce laboratoire a pour but de vous familiariser, de façon générale, avec le fonctionnement du transistor à grille isolée (MOS) en mode commuté ainsi qu à l utilisation simple de transistors bipolaires. À la fin de cette manipulation l étudiant sera en mesure de : - comprendre l utilisation du transistor MOS comme commutateur de courant, - appréhender l usage du transistor bipolaire comme source de courant simple, - mesurer les temps de propagation et de transition de portes logiques, - comprendre les principes et les limites des convertisseurs numériques à analogiques. 3. Mandat Étudier, réaliser et tester le fonctionnement d un inverseur logique et d un convertisseur numérique- analogique construits à l aide de transistors à effet de champ (VN2222LL). 4. Travail préparatoire (à faire avant de venir au laboratoire) (5pts) 1. Répondre, sur la feuille de préparation, aux questions de la page Simuler le circuit de la figure 1 qui représente un inverseur logique. Tracer la tension de sortie V out en fonction de V in. Identifier les temps de montée t m, de descente t d, de propagation «high to low» t PHL et de propagation «low to high» t PLH (voir annexe pour les définitions). On vous laisse le soin de décider et de justifier la valeur de la tension d alimentation V in (note : si dans votre librairie vous n avez pas le composant VN2222LL le remplacer par le AO6408 ou IRF150 et ce pour les besoins de la simulation). Identifier la fréquence maximum de fonctionnement de l inverseur? École Polytechnique de Montréal 2

3 5. Travail à effectuer au niveau du laboratoire (15pts) 1. Monter le circuit de la figure 1. Lui appliquer une tension carrée d amplitude oscillant entre 0 et 10V à une fréquence que vous choisirez assez basse de façon à ce que chaque transitoire se termine bien avant la suivante. Mesurer et noter avec soin et précision les temps de propagation t PLH, t PHL, ainsi que les temps de montée t m et de descente t d (voir l annexe pour les définitions). 2. Pour cette question, il faut considérer le transistor bipolaire T 1, comme une boîte noire ayant trois nœuds identifiés par B, C, et E (voir l annexe pour savoir comment repérer les trois nœuds). Montez le circuit de la figure 2 qui représente la source de courant constituée par le transistor bipolaire (2N3906) T 1, en veillant à bien choisir la valeur de la résistance R E de façon à assurer un courant Ic proche de 10mA. Vérifier la valeur réelle de ce courant et l ajuster au besoin en agissant sur la résistance R E en conséquence. 3. Tester la source de courant ainsi réalisée par la mesure du courant fourni à diverses résistances reliées à la masse (joindre le tableau des mesures au rapport). Noter la plus grande valeur de résistance pouvant être utilisée sans que la valeur du courant fourni Ic ne varie de plus de 5%. Tracer un graphique illustrant la relation entre la tension Vc mesurée au nœud C du transistor et le courant de sortie Ic. 4. Monter le circuit de la figure 4 qui représente un convertisseur numérique analogique. Tracer la tension de sortie V out en fonction du niveau de la tension V x. Un bit est considéré comme vrai, ou bien 1, si la tension appliquée est inférieure à 0.5V, et faux, ou bien 0, si la tension appliquée est supérieure à 10V. Pour cette étape prendre R E =220Ω, R=100Ω, R G1 =1MΩ, R G2 =2MΩ, V 1 =15V et V 2 =12V. Par contre pour la matérialisation des sources de tension aux niveaux des entrées V x, on en laisse le soin à votre imagination. 5. Relever la valeur de V out pour chacune des deux états possibles de V x,. Présenter ces résultats sur un tableau. 6. Contenu du rapport Introduction : Décrivez le sujet de ce laboratoire (une demi-page de texte différent de l énoncé). Analyse des circuits : Donner les schémas des circuits utilisés et détailler les étapes de calcul des valeurs des composants réellement utilisés. Résultats et discussion : Décrivez les tests réalisés pour vérifier la conformité de votre circuit au mandat. Donner les valeurs mesurées ainsi que les graphiques pertinents. Commentez les résultats de mesure obtenus, les comparer aux résultats de la simulation. Noter les différences École Polytechnique de Montréal 3

4 et donner les raisons qui, à votre avis, expliqueraient les écarts entre la théorie et la pratique. Identifiez les principales erreurs. Note : il faut respecter la date limite de remise des rapports (-1pt/jour de retard) 7. Questions (à répondre sur la feuille de préparation) Q1 : En vous référant aux spécifications du transistor VN2222LL (voir la page web : calculer les valeurs typiques de la constante k=k n =µ n C ox W/L et de la tension seuil V t du transistor utilisé (indication : utiliser les courbe I D -V DS ou I D -V GS ). Q2 : En vous référant au circuit de l inverseur logique de la figure 1, et en utilisant les constantes trouvées à la question précédente, donnez la plus petite valeur V in qui garantisse une tension V out < 1V. Donnez la plus grande tension V in qui garantisse une tension V out >10V (indication : il faut trouver le courant de drain permettant de satisfaire la condition exprimée). Q3 : En vous référant au circuit de la figure 3 qui représente un commutateur de courant et compte tenu des valeurs typiques de k et V t du transistor VN2222LL et des valeurs suivantes R G1 =1 MΩ, R G2 =2 MΩ, R L = 100 Ω, et I C = 10 ma : 2.1 Pour V in = 12 V, quelle est la valeur de la tension appliquée au niveau de la grille? 2.2 Quelle sera la tension de drain dans le pire des cas (i.e. tout ou presque tout le courant traverse le transistor)? 2..3 Dans ces conditions quelle sera alors la valeur du courant traversant la diode (on suppose que pour la diode, on a : 1) région directe : nv t =50 mv et I s = A, et 2) région inverse : I s = 10-9 A) : a) Si on force V out = 0 V b) Si on force V out = 5 V Q4 : Reprendre la question Q2 avec V in = 0.5 V. Q5 : Si on admet que les courants calculés en Q2 et Q3 représentent une erreur par rapport au cas idéal et sachant que la limite d erreur acceptable pour un convertisseur numérique à analogique à n bits est fixée à 2 (n+1) à combien de bits ceci limite-t-il la résolution d un convertisseur utilisant ces commutateurs avec une source de courant de 10 ma? Q6 : Considérez le schéma de la figure 4. En supposant que le transistor T 1 fonctionne comme une source de courant qui délivre un courant Ic de 10 ma (voir le circuit de la figure 3) et que R = 100 Ω, trouver l équation exprimant la tension de sortie V out en fonction de l état (on = 0, off = 1) du transistor M 1. École Polytechnique de Montréal 4

5 Fig. 1 : Inverseur logique. Fig. 2 : Source de courant. École Polytechnique de Montréal 5

6 Fig. 3 : Commutateur de courant. Fig. 4 : Convertisseur numérique à analogique 1 bit. École Polytechnique de Montréal 6

7 8. Feuille de préparation personnelle à conserver Nom et Prénom : Q1. k = V t = Q2. V H(min) = V L(max) = Q3. 1. V G = 2. V D = 3. I diode = (pour V out = 0V) I diode = (pour V out = 5V) Q4. 1. V G = 2. V D = 3. I diode = (pour V out = 0V) I diode = (pour V out = 5V) Q5. Nombre maximum de bits = Q6. V out = École Polytechnique de Montréal 7

8 9. Feuille de préparation personnelle à remettre en arrivant au laboratoire Nom et prénom : Note / 5 Q1. k = V t = Q2. V H(min) = V L(max) = Q3. 4. V G = 5. V D = 6. I diode = (pour V out = 0V) I diode = (pour V out = 5V) Q4. 4. V G = 5. V D = 6. I diode = (pour V out = 0V) I diode = (pour V out = 5V) Q5. Nombre maximum de bits = Q6. V out = École Polytechnique de Montréal 8

9 ANNEXE 1. Transistor bipolaire Le transistor bipolaire utilisé est le 2N3906 (PNP). Le boîtier du 2N3906 est montré à la figure 1 ci-contre. Pour plus de détails sur les spécifications du transistor 2N3906, voir la page web des laboratoires à l adresse suivante : 1. Définitions des délais École Polytechnique de Montréal 9

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