electrónica geral

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC)
Área Científica de Electrónica
ELECTRÓNICA GERAL
2ºTrabalho de Laboratório
TRANSISTORES METAL-ÓXIDO-SEMICONDUTOR
Inversor CMOS
2º Semestre 2010/11
João Costa Freire
Março de 2011
Laboratório de Electrónica Geral
TRANSISTORES METAL-ÓXIDO-SEMICONDUTOR (HEF 4007)
Inversor CMOS
I. Objectivos
Estudar as características principais que definem o funcionamento de um inversor CMOS, que
é o elemento básico dos circuitos CMOS, nomeadamente os digitais, usando as relações
teóricas clássicas i(v) para um transístor MOS. Com o recurso a ferramentas de CAD são
verificadas as condições de funcionamento dum inversor excitado por um sinal forte
(varrimento em DC), por um sinal sinusoidal em regime linear (AC) e por uma onda quadrada
(comutação). Para o efeito usam-se modelos dos transístores para o simulador PSPICE,
disponíveis. Finalmente, são verificadas experimentalmente algumas das características do
amplificador e verificada a validade de alguns parâmetros dos modelos disponíveis. Note-se
que os parâmetros dos modelos correspondem a valores típicos (médios). No entanto, há uma
elevada dispersão de valores devido aos processos de fabrico dos circuitos.
II. Estudo analítico
Considere o circuito dum inversor CMOS da figura II.1. Este é constituído por dois
transístores complementares de reforço NMOS e PMOS com terminais de fonte ligados aos
respectivos terminais de substrato, não havendo assim efeito de corpo. Para construir este
circuito utilizar-se-á um dos pares de transístores complementares existentes no circuito
integrado (CI) monolítico HEF4007 (características de catálogo no anexo 1). Usar-se-á o par
que tem as portas ligadas ao terminal 6 e ambas as fontes já ligadas aos respectivos substratos.
Note-se, figura 1 do anexo, que este circuito integrado inclui 3 pares de transístores MOS
complementares: nos 3 pares de transístores as portas dos dois transístores estão ligadas
internamente (terminais 3, 6 e 10), e os substratos dos transístores N ou P estão todos
interligados (terminal 7 ou 14); um dos pares (portas ligadas ao terminal 6) tem ambas as
fontes ligadas ao respectivo substrato (vSB=0), por isso será o utilizado; outro dos pares
(portas no terminal 10) tem os drenos interligados (terminal 12) estando pois montados como
um inversor CMOS; e o terceiro par (portas no terminal 3) tem as fontes e os drenos
independentes (terminais 1, 2, 4 e 5), para poderem ser utilizadas em portas lógicas não
elementares.
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VDD
T2
vI
vO
T1
VSS
Figura II.1 – Circuito inversor CMOS
1. Trace a característica de transferência vO(vI) do circuito da figura II.1, recorrendo aos
modelos simplificados de cada um dos transístores obtidos com base nos parâmetros da
Tabela II.1, lambda=0, k=(KP/2)(W/L) e Vt=VTO, e para as tensões de alimentação
dadas na Tabela II.2. Determine os pontos desta característica onde tem lugar a
alteração dos modos de operação (corte, saturação e tríodo) de cada um dos transístores.
Compare a curva obtida com as fornecidas pelo fabricante (anexo I figuras 3, 4 ou 5).
Tabela II.1 – Especificações gerais dos modelos dos transístores do circuito integrado HEF 4007
Modelo dos transístores MOS a utilizar nos cálculos e simulação
NMOS
PMOS
.MODEL N4007 NMOS (TOX=70N
KP=73u
VTO=*V
GAMMA=2.0
CBD=0.2p CBS=0.2p MJ=0.75 L=5u
W=100u LAMBDA=20m)
.MODEL P4007 PMOS (TOX=70N
KP=16u
VTO=*V
GAMMA=1.0
CBD=0.2p CBS=0.2p MJ=0.75 L=5u
W=300u LAMBDA=20m)
* Ver tabela II.2
Tabela II.2 – Especificações dependentes da turma e grupo
VTO dos transístores circuito integrado HEF 4007 e tensões de alimentação
Turma
VTn (V) -VTp (V) Grupo VDD (V) VSS (V)
2ªf 15h
1,6
1,8
1
15
0
2ªf 17h
1,8
1,6
2
13
0
3ªf 12h
2,0
2,0
3
11
0
3ªf 14h30
2,2
2,0
4
9
0
5
7
0
6
5
0
7
10
0
2. Considerando o valor de lambda dado na Tabela II.1, e que permite calcular o parâmetro
ro do modelo dinâmico dos TECMOS, obtenha uma estimativa do ganho a meio da zona
onde o inversor pode operar como amplificador, a partir de uma análise incremental.
-2-
Compare este valor com o obtido a partir da curva típica do ganho em função da tensão
de alimentação VDD (supondo VSS=0) – figura 6 do anexo.
3. A partir da característica vO(vI) obtida no ponto 1, obtenha graficamente uma estimativa
das margens de ruído do inversor, quando funciona como circuito lógico básico, bem
como das tensões limites destas margens de ruído. Considere o limite inferior da tensão
vI que leva a saída vO ao nível lógico 0 e o limite superior de vI que mantém a saída vO
no nível 1 definidos pelos pontos onde o ganho de tensão é igual a 1, isto é, os pontos da
característica de transferência de tensão vO(vI) que limitam a zona onde o inversor tem
ganho maior do que 1 (opera como amplificador). Esta é uma das formas de definir as
margens de ruído.
III Trabalho de simulação
1. DC sweep - Utilizando os modelos disponíveis para os transístores do circuito integrado
HEF 3046 para o Pspice (tabelas II.1 e II.2), obtenha por simulação a característica
vO(vI) do circuito da figura II.1, fazendo um varrimento da tensão vI de 0 a VDD (DC
sweep com gerador vI do tipo VDC).
2. DC sweep - Utilizando o programa PROBE do PSPICE, obtenha também o gráfico da
derivada dvO/dvI com o comando Add Traces e recorrendo à função D( ) cujo
argumento é a tensão do nó correspondente a vO. Obtenha o valor de vI para o qual o
módulo do ganho é máximo (VIMAX). Note que, como a curva tem uma derivada com vI
muito elevada na zona central pelo que deve fazer um zoom na zona de ganho máximo.
3. AC sweep - Obtenha também por simulação, mas agora em regime AC (AC sweep com
gerador vI do tipo VAC), o ganho em sinais fracos para o ponto de funcionamento de
ganho máximo obtido na alínea anterior (VIMAX) e que corresponde mais ou menos a
meio da zona de transição (zona de funcionamento do inversor como amplificador).
Para o efeito aplique na entrada vI um gerador com duas componentes, uma alternada
sinusoidal (AC) e outra contínua (DC: tensão de desvio – offset). Faça um varrimento na
frequência para detectar as frequências de corte do ganho de tensão a -3dB inferior e
superior do inversor. Considere que o inversor está terminado na saída por uma
capacidade de 50pF em paralelo com uma resistência de 1MΩ, valor correspondente à
impedância do cabo coaxial de ligação ao osciloscópio.
-3-
Compare o valor do ganho máximo obtido com o calculado na alínea anterior. Comente
as diferenças encontradas em relação ao amplificador com um transístor bipolar
estudado no 1º trabalho de laboratório.
4. Transient - Aplicando à entrada do circuito da figura I.1 uma onda trapezoidal de
amplitude máxima VDD e mínima VSS, com tempos de subida e descida muito mais
rápidos que os tempos de transição entre estados previstos para o inversor CMOS com
uma carga capacitiva de 50pF (condições da tabela da página 3 do anexo e condições
de medida no laboratório, como já se referiu atrás) e com uma duração de 0,5µs em
cada estado (cerca de 1µs de período – frequência de repetição de 1MHz), obtenha por
simulação os tempos de comutação de subida (rise time) e de descida (fall time), bem
como o tempo de atraso de propagação (delay time) do inversor (Transient com
gerador vI do tipo VPULSE).
Compare com os valores fornecidos pelo fabricante (anexo 1 página 3).
IV. Trabalho experimental
Efectue a montagem do inversor CMOS da figura I.1 usando a base de montagem TEE 03
representada na figura IV.1 que contem um circuito integrado HEF4007 e duas resistências
R1= 22kΩ e R2=100kΩ.
Figura IV.1 – Base de montagem TEE 03
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ATENÇÃO: Antes de ligar a fonte de alimentação DC, ligue o terminal VDD
(terminal 14 do CI HEF 4007) ao terminal positivo da fonte de tensão VDD e a
referência (terminal 7 do CI HEF 4007) ao terminal negativo. Como indicado na nota da
página 8 do anexo, se não se efectuarem previamente estas ligações, pode-se deteriorar
definitivamente o circuito integrado (CI).
Ligue o gerador de sinais e as duas entradas do osciloscópio à base de montagem da
Figura IV.1 de acordo com o esquema da Figura IV.2.
VDD
vI
+
-
v0
gerador
VSS
CH1
OSC.
CH2
Figura IV.2 – Montagem para teste dum inversor CMOS
1. Na primeira parte das medidas o gerador vI é um gerador de funções. Ajuste o gerador de
funções para um sinal de saída sinusoidal de 100Hz. Como tem uma alimentação DC
assimétrica, VSS=0, ajuste a tensão de desvio (offset) do gerador para VDD/2 e a amplitude
máxima deve ser igual a VDD/2, isto é, vI varia de 0 a VDD. Não ultrapasse estes valores.
Deve ligar os aparelhos do laboratório ao circuito inversor sempre por esta ordem: 1º
osciloscópio; 2º fonte de alimentação DC; e 3º gerador de funções. A fonte de
alimentação e o gerador de funções devem ser ajustados aos valores de amplitude
desejados só depois de serem ligados ao circuito inversor. Portanto ao ligar devem ter
ambos um sinal de amplitude 0 (zero). Deve fazer os ajustes de valores lentamente, sempre
a visualizá-los no osciloscópio, para NÃO ultrapassar os valores desejados. Cuidado com
as massas dos cabos coaxiais: têm de estar todas ligadas ao mesmo ponto do circuito
para evitar curto-circuitos indesejáveis. Estes cuidados devem-se a fragilidade das portas
dos TECMOS que é um condensador. Valores excessivos de tensão na portas ou suas
variações bruscas (provocam picos de corrente - iC=CdvC/dt) podem destruir a porta. A
camada de óxido, que é o dieléctrico do condensador, pode degradar-se permanentemente.
Esta camada é muito fina e por isso não suporta só tensões baixas. Cargas eléctricas
-5-
estáticas Q ao manusearmos TECMOS também os podem destruir (v = Q/C: como C é
muito pequeno podem-se facilmente atingir tensões V elevadas). Os transístores têm
normalmente circuitos de protecção para evitar este problema. Normalmente usa-se díodos
para limitar a tensão.
Visualize as tensões de entrada vI e de saída vO no osciloscópio. Visualize a característica
vO(vI) usando o osciloscópio no modo XY ou equivalente: a entrada relativa a vI é aplicada
na deflexão horizontal (eixo dos xx); e a entrada relativa a vO na deflexão vertical (eixo dos
yy). Faça um esboço desta característica (pode usar uma das quadrículas fornecidas no
anexo 2) ou fotografe-a e coloque a figura no seu relatório. Não se esqueça de colocar as
escalas em todos os gráficos que efectuar.
2. Na segunda parte o gerador vI é um gerador de impulsos. Ligue o gerador de impulsos
directamente ao osciloscópio e ajuste-o para impulsos de 100ns (pulse spacing e pulse
width) na forma onda quadrada (square). Ajustar o período do sinal para 1µs. Após ligar o
gerador ao inversor CMOS ajuste o nível dos impulsos de forma a serem iguais às tensões
de alimentação DC (VDD e VSS). Visualize as tensões de entrada vI e de saída vO. Obtenha
os tempos de subida e descida bem como o tempo de atraso de propagação do inversor. Se
pretender, pode usar os cursores do osciloscópio. Faça um esboço do mostrador do
osciloscópio (pode usar uma das quadrículas fornecidas no anexo 2) ou fotografe-o e
coloque a figura no seu relatório. Não se esqueça de colocar as escalas em todos os
gráficos que efectuar.
3. Alínea facultativa - Para ter uma noção da dispersão de fabrico sugere-se que faça os
seguintes testes experimentais.
Ligue os transístores NMOS T1 e T2 da base de montagem às resistências R1 ou R2 de
acordo com as ligações da Figura IV.3.
VDD
VDD
R
T2
vO
vO
T1
R
Figura IV.3 – Montagem dos TECMOS para obter os parâmetros K e Vt.
Nestas condições ambos os transístores têm a tensão vGD = 0, o que garante que está a
operar na zona de saturação. Portanto, em primeira aproximação tem-se: iD = k (vGS-Vt)2.
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Para os dois valores de resistências vai obter para cada transístor dois pares de valores (ID,
VGS) pelo que é possível obter uma estimativa dos parâmetros do modelo K e Vt.
Compare os valores obtidos experimentalmente com os que pode obter do catálogo. Notese que o catálogo não dá directamente os valores de Vt e de k. No entanto, uma estimativa
dos Vt é facilmente obtida dos gráficos das figuras 3 a 5 e 7. Quanto a k, lembrando que a
transcondutância em AC é dada por gm = diD/dvGS|PFR = 2(kID)½ (PFR – ponto de
funcionamento em repouso) tem-se k = (gm/2)2/ID. Da curva A (valores médios) da Fig.10
do catálogo tira-se o valor de gfs para um dado VDD e da curva da Fig.7 o correspondente ID
ou IDD como é denominado no catálogo. O significado de gfs é a transcondutância directa (f
de forward) com o inversor em curto-circuito em AC (s de short-circuit). O circuito de
teste usado para calcular gfs está representado na Fig. 9. Note-se que, ao colocar um
amperímetro na saída se está a introduzir um curto-circuito na saída em AC (condensador
de 100µF a bloquear a corrente DC). Deste modo, toda a corrente dos geradores
comandados que estão entre o dreno e as fontes dos modelos do NMOS e do PMOS,
2gmvgs (admitindo que têm o mesmo gm), vai para o amperímetro, não influenciando a
medida as resistências ro dos modelos dos dois transístores. Em conformidade, gm = gfs /2.
Note-se que em AC, regime dinâmico, os transístores estão em paralelo, logo as correntes
somam-se e os gm também. Assim pode-se escrever que k = (gfs/4)2 / IDD.
Compare também os valores experimentais obtidos para os k e Vt dos transístores com os
usados no modelo do PSpice. Note-se que a constante k = 2 KX W/L, com X = N ou P
consoante se trata do NMOS ou do PMOS. Quanto a Vt é denominado no modelo PSpice
por VTO.
V. Conclusões e críticas
1. Compare os resultados obtidos experimentalmente, parte IV, com os valores obtidos por
via teórica, analítica na parte II, e por simulação com o programa PSpice na parte III.
Comente, nomeadamente: a característica vO(vI), obtida em II.1, III.1 e IV.1, bem como os
valores das margens de ruído e do ganho delas obtidos; os tempos de comutação e atraso
na propagação, obtidos em III.4 e medidos em IV.2. Compare estas curvas e estes valores
numéricos com os dados típicos fornecidos pelo fabricante do circuito integrado (anexo 1).
2. O que aprendeu com este trabalho? Teça comentários à execução do trabalho e proponha
alterações que no seu entender o tornarão mais útil e aliciante.
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Anexo 2
Quadrícula do osciloscópio
Tensão vin
Tensão vout
Escala
Escala
…………V/div
…………V/div
Base de tempo t: Escala …………s/div
Figura ilustrativa podendo usar uma semelhante editando-a.
Quadrícula do osciloscópio
Tensão vin
Modo XY
Escala
…………V/div
Tensão vout : Escala …………V/div
Figura ilustrativa podendo usar uma semelhante editando-a.
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Anexo 3
Exemplo de gráficos do Probe a introduzir no relatório.
Atenção que os gráficos devem permitir uma leitura fácil pelo que devem ter dimensão
adequada. Para o caso da análise transitória apresentam-se 2 níveis de ampliação dos gráficos.
Sugere-se que num programa de processamento de imagem se inverta as cores para tornar a
leitura mais fácil e poupar tinta na impressão.
Análise DC
Análise AC
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Análise Transitória
Ampliação
de cerca
de meio
período:
tempo de
subida de
50% cerca
de 1/6 de
divisão; e
uma
divisão é
50µs.
Ampliação
da zona de
subida da
tensão de
saída para
se notar o
atraso:
cerca de
1/5 de
divisão; e
uma
divisão é
5ns.
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