Electrónica Geral Transístor metal- óxido- semicondutor
Propaganda
Electrónica Geral Mestrado em Eng. Biomédica 2ºSemestre, 2012/2013 Transístor metal- óxidosemicondutor: Inversor CMOS Relatório do 2º Trabalho de Laboratório Prof: João Costa Freire Realizado por: Joana Chim 69550 Mariana Costa 69939 Joana Morais 69946 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Índice Introdução: .................................................................................................................................... 3 Introdução Teórica .................................................................................................................... 3 2. Estudo Analítico......................................................................................................................... 5 Pergunta 2.1 .............................................................................................................................. 5 Pergunta 2.2 .............................................................................................................................. 8 Pergunta 2.3 ............................................................................................................................ 10 3. Trabalho de Simulação ............................................................................................................ 13 Pergunta 3.1. ........................................................................................................................... 13 Pergunta 3.2. ........................................................................................................................... 14 Pergunta 3.3. ........................................................................................................................... 16 Pergunta 3.4. ........................................................................................................................... 18 4. Trabalho experimental ............................................................................................................ 22 Pergunta 4.1 ............................................................................................................................ 22 Pergunta 4.2. ........................................................................................................................... 23 Pergunta 4.3. ........................................................................................................................... 24 Conclusão .................................................................................................................................... 27 Considerações finais ................................................................................................................ 28 Referencias .................................................................................................................................. 29 2 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Introdução: O intuito deste trabalho laboratorial é analisar as caracteristicas principais que definem o funcionamento de um inversor CMOS, sendo este formado por dois transístor complementares de esforço: NMOS e PMOS, como indicado na figura 1. Conforme indicado no enunciado, primeiro é efectuado um estudo analítico em termos das grandezas caracteristicas do circuito, tendo em conta apenas as relações teóricas clássicas iD(vGS, vDS), para cada zona de funcionamento. Posteriormente, são verificadas por Figura 1: Circuito inversor simulação computacional, com recurso ao software LTSpice, as CMOS condições de funcionamento do circuito de três formas distintas: excitação por acção de um sinal forte (varrimento DC), por acção de uma onda sinusóidal em regime linear (AC) e por acção de uma onda quadrada (comutação). Por fim, é executada a parte experimental, onde são avaliadas as características reais do circuíto e é comprovada a validade das suposições teóricas anteriores. Introdução Teórica Um transístor Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) é o tipo mais comum de transístores de efeito de campo em circuitos tanto digitais como analógicos. Apesar de ser formado por 4 terminais: Gate (Porta), Drain (Dreno), Body (Substrato) e Source (Fonte), o substrato encontra-se, geralmente, ligado à fonte. Por esta razão, consideramos que o MOSFET é constituido apenas por 3 terminais. Figura 2: Estrutura e terminais de um transístor MOSFET: NMOS à esquerda e PMOS à direita 3 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Os transístores MOSFETs podem ser de dois tipos: NMOS e PMOS, devido ao isolamento entre o terminal Gate e o substrato. Esta caracteristica leva a que a corrente iG seja nula. Para transístor tipo N, os terminais Source e Drain assentam sobre regiões do tipo n e o Body assenta num substrato tipo p. É criado um canal n entre a fonte e o dreno, devido ao efeito de campo e esta característica verifica-se a partir do momento em que a tensão VGS ultrapassa a tensão Vt. Para o tipo P, este canal está assente num poço de substrato tipo n. Como o canal p e o substrato n estão inversamente polarizados, não há passagem significativa de corrente entre estas duas regiões, logo pode-se considerar que os dois transístores ficam isolados. Assim, a corrente que sai do canal p é muito mais baixa do que a corrente do canal n. Para compensar esta diminuição, o primeiro é ligeiramente maior que o n. Como consequência, os transístores NMOS (tabela 1) e PMOS (tabela 2) podem operar em três zonas de funcionamento distintas: Corte Tríodo Saturação Tabela 1: características do NMOS nas diferentes zonas de funcionamento Corte Tríodo Saturação Tabela 2: características do PMOS nas diferentes zonas de funcionamento Para a análise em regime dinâmico (AC) recorremos ao esquema incremental do MOSFET (modelo π Híbrido). Para o circuito desta actividade laboratorial consideramos r0 = . 4 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Figura 3: Esquema incremental do NMOS à direita e do PMOS à esquerda Para a realização do trabalho experimental utilizámos os seguintes valores para os diversos componentes: VTon -VTOp VDD VSS 1.6V 1.8V 9V 0V Tabela 3: Valores das tensões usadas no circuito do trabalho laboratorial 2. Estudo Analítico Pergunta 2.1 De forma a calcular os pontos onde há alteração do funcionamento de cada um dos transístores e a traçar a característica de transferência, vo(vi), do circuito integrado monolítico HEF4007, utilizam-se os dados fornecidos pelo protocolo experimental: NMOS PMOS .MODEL N4007 NMOS (TOX=70N; KP=73u; .MODEL P4007 PMOS (TOX=70N; KP=16u; VTO=1,6V; ϒ=2.0; CBD=0.2p; MJ=0.75; L=5u; W=100u; λ=20m) CBS=0.2p; VTO=-1,8V; ϒ =1.0; CBD=0.2p; CBS=0.2p; MJ=0.75; L=5u; W=300u; λ=20m) Tabela 4: especificações gerais dos modelos dos transístores do circuito integrado HEF 4007 [2.01] [2.02] Para o estudo da característica de transferência vo(vi), temos de ter em conta que devido à geometria do circuito existem, no conjunto dos dois transístores,cinco zonas possíveis de funciomento: 5 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS 1ª Zona: NMOS cortado e Como NMOS está cortado, Como e ,e , então PMOS está em tríodo: PMOS tríodo Sendo , então: Estando NMOS em saturação: Considerando PMOS em tríodo: 2ª Zona: NMOS saturação e PMOS tríodo Como as correntes de PMOS e NMOS são iguais, então: Recorrendo às equações das zonas 1 e 3, obtemos os limites inferior e superior de VI, respectivamente: Nesta região, há que ter em conta que a característica tem declive infinito, pois VI=constante. 3ª Zona: NMOS saturação e PMOS saturação Para NMOS em saturação: Para PMOS em saturação: Como Pelos limites da região: Para NMOS em tríodo: PMOS em saturação: 4ª Zona: NMOS tríodo e PMOS saturação 6 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Como Recorrendo às equações das zonas 3 e 5, obtemos os limites inferior e superior de VI, respectivamente: Como , então PMOS está cortado e 5ª Zona: NMOS tríodo e PMOS OFF Sendo Tabela 5: características das diferentes zonas de funcionamentos do inversor CMOS Recorrendo ao programa Wolfram Mathematica e usando as equações das diferentes zonas da tabela anterior, obtemos a seguinte característica de transferência. Gráfico 1: Característica de transferência do circuito, obtida pela análise teórica Em que : Ponto A (1.6;9): limite direito da 1ª zona; Ponto B (4.11;5.91): intersecção entre a 2ª e a 3ª zona; Ponto C (4.11; 2.91): intersecção entre a 3ª e a 4ª zona; 7 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Ponto D (7.2;0): limite esquerdo da 5ª zona. Figura 4: Característica de transferência esperada do circuito para uma tensão VDD=5V(à esquerda) e para uma tensão VDD=10V(à direita) A característica de transferência obtida no gráfico 1 (VDD=9V) está de acordo com o esperado teoricamente. Também o podemos verificar comparando o gráfico obtido com os fornecidos pelo fabricante(figura 4), já que a curva obtida está entre as duas situações acima apresentadas. A partir da comparação dos dois gráficos, retiramos que o gráfico obtido teoricamente é muito próximo do que representa o real funcionamento do circuito em causa. Pergunta 2.2 Nesta etapa pretendemos obter uma estimativa do ganho de tensão a meio da zona em que o inversor pode trabalhar como amplificador, recorrendo a uma análise incremental em AC. Para tal, subtituímos o circuito pelo seu modelo incremental equivalente, em que λ=0.02V-1.Assim, a corrente no dreno depende da tensão entre o dreno e a fonte iD, quando o transístor está em saturação. Figura 5: Esquema incremental do circuito 8 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS [2.03] [2.04] [2.05] Pela Lei de Ohm: [2.06] Como vgs=vi, então: [2.07] A zona onde o inversor opera como amplificador é a 3ª zona descrita na pergunta anterior, onde os dois transístores estão em saturação. Assim, consideram-se os valores médios da zona de característica de transferência desta zona: Pela análise do circuito da figura 4: Subtituindo as tensões obtidas nas equações 2.03-2.07: 9 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Assim, Pela comparação da figura ao lado com os cálculos anteriores, podemos verificar que estes não estão concordantes, pois segundo a figura 6, para um VDD=9 obtém-se um ganho de tensão . Tal facto pode ser justificado tanto por os modelos usados pelo fabricante serem diferentes do software e da análise teórica, bem como o facto de que quanto menor a tensão de alimentação, maior a discrepância obtida entre os valores. Assim, pode ser desprezada esta diferença. Figura 6: Curva do ganho de tensão do CMOS para um VDD de 0 a 15V, fornecida pelo fabricante Pergunta 2.3 Neste ponto, pretende-se obter graficamente, a partir da caracterítica calculada na pergunta 2.1, uma estimativa das margens de ruído do inversor, que são limitadas pelos pontos da característica de transferência : e . Para a análise, vamos considerar que os transístores PMOS e NMOS estão nas regiões 2 ou 4, descritas anteriormente. Para além disso, e atendendo ao indicado no protocolo, vamos considerar que mantém a saída no nível lógico 1 ( )e o limite superior o limite inferior que leva à saída ao nível lógico 0. Também iremos desprezar o efeito de λ (λ=0). Para confirmar a validade da resolução gráfica, iremos, numa primeira instância, resolver analiticamente esta pergunta: Para o limite inferior da margem de ruído superior , tem-se que o NMOS se encontra em tríodo e o PMOS em saturação, logo pelas equações da região 4: 10 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Derivando ambos os membros em ordem a , e utilizando Para o limite superior da margem de ruído inferior e : , tem-se que o NMOS se encontra na zona de saturação e o PMOS em tríodo, logo pelas equações da região 2: Derivando ambos os membros em ordem a , e utilizando e : Recorrendo ao programa Mathematica para resolver o sistema de equações: Figura 7: Característica de transferência do circuíto inversor CMOS com margens de ruído assinaladas 11 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Como podemos observar, os valores calculados estão de acordo com o gráfico da Figura 8. E como seria de esperar, as margens de ruido não apresentam o mesmo valor, que se deve ao facto dos transístores não serem simétricos. 12 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS 3. Trabalho de Simulação Para o trabalho de simulação deste trabalho de laboratório, recorreu-se ao programa CAD LTspice. Neste, tendo como base o circuito fornecido pelo procedimento, foram criados vários circuitos portadores de alterações necessárias para a obtenção de gráficos e valores pedidos em cada questão. Para este circuito utilizou-se um dos pares de transístores complementares, NMOS e PMOS, existentes no circuito integrado (CI) monolítico HEF4007, para os quais foi também preciso alterar algumas das suas características, nomeadamente as tensões VT. A simulação serve para verificar resultados teóricos, e ainda para analisar o circuito a alterações que lhe são impostas. No geral, obteve-se pontos de funcionamento em repouso, ganhos de tensão através de respostas em frequência, tempos de subida e descida dos sinais e ainda atrasos entre tensões de entrada e de saída. Como tal, para esta diversidade de resultados é necessária uma análise com diferentes características, ou seja, recorrer a diferentes funcionalidades do programa, nomeadamente de simulação, como DC Sweep, AC analysis e Transient. Pergunta 3.1. Para o estudo do funcionamento DC do circuito da figura 8, selecionou-se o modo DC Sweep. Este modo permite obter a tensão de saída, Vo, em função de um varrimento que é feito à tensão de entrada, Vi, desde o valor 0 até à tensão de alimentação do transístor PMos, VDD. Tendo-se obtido o gráfico da característica vo(vi), gráfico 2. Figura 8: Circuito utilizado para análise em modo DC 13 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Gráfico 2: Característica vo(vi) para o funcionamento DC Pergunta 3.2. Utilizando o circuito da figura 5, analisou-se também a curva representativa da derivada da tensão de saída, gráfico 3 e 4, adicionando ao gráfico anterior a derivada do sinal de saída. Em ambos os gráficos é possível observar a existência de um patamar onde o ganho de tensão é máximo, ou seja, há vários valores de valor de ganho máximo obtido foi para os quais a tensão de saída é mais elevada. O para uma tensão , valor que se encontra concordante com a análise teórica do circuito ( ). 14 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Gráfico 3: Gráfico que relaciona a tensão de saída com a sua derivada Gráfico 4: Ampliação do gráfico 3 na zona de ganho máximo Nas condições para as quais VO é máximo, procedeu-se à análise do ponto de funcionamento em repouso de ambos os transístores. Para isso procedeu-se à simulação no modo DC Operating point do funcionamento do circuito da figura 9, no qual se substituiu o valor da tensão de entrada para , tendo-se obtido os seguintes resultados para as tensões e correntes, figura 10. 15 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Figura 9: Circuito com fonte de tensão de entrada em modo DC (VI=4.086 V) Figura 10: Ponto de Funcionamento em Repouso para VI=4.086V No ponto de funcionamento em repouso, para transítores Mos, considera-se o seu funcionamento na zona de saturação. Neste caso, observa-se que para uma tensão de entrada muito semelhante dos limites previstos, ( ), a tensão de saída encontra-se dentro ( ). Pergunta 3.3. Tendo em consideração o valor de ganho máximo em modo DC, analisou-se o ganho do circuito para sinais fracos em função da frequência. Nomeadamente foi necessário alterar o funcionamento do circuito para o modo AC, através da opção de simulação AC analysis (Type of Sweep: Octave; Number of points: 1000; Start frequency: 1 e Stop Frquency: 10Meg), para uma tensão de entrada com amplitude igual a 1V. Para além disso, foram adicionados ao circuito da figura 9, 2 condensadores e uma resistência, com cargas capacitivas de 11pF e 16 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS 100pF e resistiva de 1MΩ. Sendo que a adição dos componentes, condensador de maior capacidade e resistência, pretendem ilustrar o efeito capacitivo e resistivo imposto pelos instrumentos utilizados em laboratório, como os cabos axiais e o próprio osciloscópio. Figura 11: Circuito obtido por adicionar os condensadores Cf e Cc e a resistência Rf. Como já foi referido, esta simulação permitiu obter a resposta em frequência deste circuito inversor, gráfico 5. É de salientar a inexistência de frequência de corte explicada pela ausência de condensadores no circuito. O mesmo não se verifica para frequências elevadas, onde é sentida a influência dos efeitos capacitivos dos componentes introduzidos. Gráfico 5: Gráfico obtido pela razão entre a tensão de saída e a de entrada O ganho de tensão, Av é obtido através da razão entre a tensão de saída e a de entrada. Como se arbitrou a tensão de entrada para 1V, neste caso o ganho vai corresponder à tensão de 17 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS saída, , valor concordante com o obtido na alínea anterior. Para descobrir o limite superior da banda de frequências, ou seja, a frequência a partir da qual o ganho começa a diminuir significativamente (pólo da função de transferência), subtraiu-se ao valor do ganho máximo 3 dB, então uma frequência, , a que corresponde . Pergunta 3.4. Para o estudo dos tempos de subida e descida e os atrasos dos sinais das tensões de entrada e saída, foi necessário fornecer ao circuito um sinal de forma trapezoidal. Esta onda é vista com um Pulse, com uma amplitude correspondente a VDD (neste caso, de 0 a 9V) e é caracterizada pelos seguintes parâmetros, Tdelay: 0s, Trise e Tfall: 1ns, Ton: 0.5µs e Tperiod: 1µs. O funcionamento do circuito foi simulado através do modo Transient, que permite analisar a resposta do circuito em função do tempo. Figura 12: Circuito com os condensadores e resistência e uma tensão de entrada de forma trapezoidal 18 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Gráfico 6: Curvas para as tensões de entrada e saída em função do tempo Gráfico 7: Curva ampliada para a subida de VO e descida de VI 19 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Gráfico 8: Curva ampliada para a subida de VI e descida de VO No primeiro gráfico, estão representados os sinais de saída e de entrada, sendo possível observá-las na totalidade, ilustrando a forma mais rectangular de VI e ligeiramente mais arredondada de VO. Os gráficos F e G, ampliações do gráfico E, permitem o cálculo do tempo que as curvas de tensão demoram a atingir quer o máximo, quer o mínimo dos seus valores. Para ambas as ondas analisaram-se estas variações em apenas 80% do seu percurso, isto é, a diferença de tempos foi calculada tendo em conta os valores de tensão para 10% e 90%, tal como representado na tabela 6 e de acordo com o anexo [1]. Catálogo (80%) Tempo de subida 10% 90% Vo 504.95 551.81 46.86 Vi 999.9 1000.7 0.8 Tempo de descida 10% 90% Vo 1003 1031.7 28.7 Vi 501.08 501.92 0.84 Atraso 50% (Vo) 50% (Vi) 502.11 501.5 18.61 27.62 1012.8 1000.6 12.2 27.62 44.5 44.5 Tabela 6 Tempos de subida, descida e atraso para Vo e Vi No caso do sinal de entrada, VI , dado que foram selecionados os parâmetros, sabe-se à priori que para um funcionamento ideal, numa análise de 80% do sinal, e deveriam ser iguais a 0.8µs, o que é possível comprovar pela tabela. Em relação ao sinal de saída foi necessário comparar com as equações fornecidas pelo anexo, para as transições do sinal de saída utilizou20 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS se e para os atrasos entre o sinal de saída e o de entrada, Sendo que se utilizaram as equações para uma tensão VDD de 10V, mais próximo dos 9V, e como condensador de saída, . Através da análise destas equações e dos valores obtidos em simulação, observaramse algumas diferenças, que se podem dever aos componentes utilizados pelo próprio software e às aproximações das equações. 21 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS 4. Trabalho experimental Neste trabalho experimental foi testado o funcionamento de um protótipo de um circuito integrado (CI) monolítico HEF4007 (com um circuito inversor CMOS), como indicado na figura 13 Dos instrumentos utilizados para análise constam um osciloscópio digital (modelo DSO-X2024 da Agilent), um gerador de funções (Centrad GF 467F), e ainda um multímetro e um gerador de sinais (utilizado para alimentação DC). Figura 13: Base de montagem TEE03 [2] Pergunta 4.1 Para traçar a característica de transferência vO(vI) do circuito utilizado no laboratório, foi necessário aplicar-lhe um sinal sinusoidal de frequência 100Hz com uma amplitude correspondente a . Sendo que a este se somou uma componente de tensão de desvio (offset), para que a tensão de entrada, vI, pudesse então variar de 0V a 9V. Quanto às tensões de alimentação DC, VSS foi utilizado como a referência e VDD com 9V. De modo a que se pudesse observar esta característica, figura 14, recorreu-se ao modo XY do osciloscópio, em que a entrada relativa a vI é aplicada na deflexão horizontal e a entrada de vO na deflexão vertical. 22 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Figura 14: Característica de transferência vo(vi) Nesta figura, tanto as escalas horizontal como vertical apresentam 2V/div, permitindo verificar que quando vI é zero vO atinge os 9V, e vice-versa. Para além disso, observa-se também uma mudança de concavidade para aproximadamente nos 4.5V, como era de esperar. Pergunta 4.2. De seguida, alterou-se o gerador vI para uma onda quadrada com uma frequência de aproximadamente 1MHz (período do sinal 1µs), ajustando o nível dos impulsos de forma a serem iguais às tensões de alimentação DC, ou seja, VIH= VDD=9V e VIL= VSS= 0V. Obteve-se então os sinais de entrada e saída em função do tempo, figura 15. Figura 15 Sinais de entrada (canal 1) e saída (canal 2) (escalas com 5V/div) A partir do gráfico da figura 15 e das funcionalidades do osciloscópio foi possível obter os tempos de subida e descida (para as variações de 10% e 90% do sinal) e ainda os tempos de 23 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS atraso de propagação entre ambos sinais (para as variações a 50%), como indicado na tabela 7 e na figura 16. É ainda importante salientar que os tempos de subida e descida a ter em conta para as conclusões foram obtidos através da subtracção entre o tempo correspondente ao sinal de saída e o de entrada, uma vez que é necessário ter em conta que o sinal de entrada fornecido ao circuito não é instantâneo, ou seja, o gerador não é suficientemente rápido para gerar sinais ideais. Tempo de subida Experimental Vo 60 Vi 28 Tempo de descida Experimental Vo 66 Vi 26 Atraso Experimental 32 40 58 41 Tabela 7: Tempos de subida, descida e atraso dos sinais de entrada e saída Figura 16 Sinais de entrada (canal 1) e saída (canal 2) (escalas com 5V/div) para os cálculos dos atrasos Pergunta 4.3. Para ter noção das dispersões de fabrico dos transístores, calculou-se os valores de Kn e Kp e VTn e VTp para os circuitos na figura17. 24 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Figura 17: Montagens utilizadas no cálculo dos parâmetros dos transístores Recorrendo a um multímetro em modo DC, medimos as resistências R1 e R2 bem como as tensões aos terminais das mesmas (V1 e V2). Obteve-se os resultados apresentados na tabela8. T1(NMOS) T2(PMOS) R1=101,3 kΩ V1 =8,5 V V1=7,8 V R2=2,178 kΩ V2=5,5 V V2=4v Tabela 8: Valores das resistencias e das tensões aos seus terminais obtidos experimenttalmente Como vGD=0V ambos os transísteores encontram-se em saturação. Resolvendo os seguintes sistemas de equações obtivemos os valores reais de ID, K e Vtpara cada um dos transístores (resumidos na tabela 9): Para transístor 1 Escolhendo , pois se encontra em saturação: Para transístor 2 25 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Grandeza ID(mA) Vt(V) K(mA/V2) T1 (NMOS) 2,525 0,96254 0,3922 T2(PMOS) ---------------- Tabela 9: Valores das grandezas ID Vt e K para cada transístor Sendo que o transístor está em saturação, seria suposto obter um valor de Vt <0. No entanto tal não se verificou em ambiente laboratorial. Deste modo os valores calculados para o transístor PMOS não são viáveis. 26 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Conclusão Este trabalho experimental tinha como objectivo a análise e simulação do funcionamento de um circuito CMOS inversor e amplificador. Relativamente às curvas de transferência vO(vI), observou-se que nos 3 casos, se encontram bem delineadas as diferentes zonas de funcionamento do transístor (corte, saturação, tríodo), e semelhantes entre si, demonstrando então um funcionamento similar. Do mesmo modo, o ganho obtido para as 3 análises do circuito é aproximadamente igual . No entanto, estes resultados não são concordantes com os fornecidos pelo anexo do fabricante, provavelmente devido ao uso de um método de análise diferente e ainda a aproximações analíticas aquando da utilização do modelo π-híbrido. Tempo de subida Simulação Experimental Vo 46.86 60 Vi Tempo de descida 0.8 28 Simulação Experimental Vo 28.7 66 Vi 0.84 26 Atraso Simulação Experimental 18.61 58 12.2 41 Catálogo (80%) 32 44.5 40 44.5 27.62 Tabela 10: Valores de simulação, experimentais e do catálogo para os tempos de subida, descida e atraso No que diz respeito aos tempos de subida e descida das tensões de entrada e saída, tal como se verifica pela tabela 8, existe uma grande diferença entre os vários valores. Nomeadamente verifica-se que a nível experimental, tLH (tempo de subida) é superior a tHL (tempo de descida), ao contrário do que indicado na simulação. Para se poder avaliar os tempos fornecidos pela simulação foi necessário recorrer a fórmulas de extrapolação fornecidas no catálogo, de modo a adequar os valores do fabricante ao condensador que efectivamente foi utilizado. Apesar desta aproximação, constatou-se que apenas tLH é parecido com o valor fornecido. O tempo de atraso é um parâmetro importante na caracterização de circuitos integrados ao nível digital, e é preferencial que apresente valores baixos (inferior a 10 ns), no entanto verifica-se que apenas a simulação se encontra perto destes valores. 27 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Estas variações nos resultados podem, mais uma vez, ser explicadas pela utilização de modelos que não se adequam à realidade e por erros intrínsecos à montagem do circuito em estudo. É ainda importante salientar as componentes internas dos componentes, como os cabos coaxiais, o osciloscópio, o condensador e a resistência, que têm grande influência nos resultados experimentais. No trabalho experimental, aquando da análise da dispersão de fabrico dos componentes electrónicos observou-se que estes efeitos existem e não podem ser desprezados, na medida em que os valores de K e VT calculados são inferiores aos considerados na teoria, para o transístor NMOS. No que toca ao transístor PMOS não podemos tirar conclusões, como já foi referido. Tal pode dever-se a erros de medição ou ao comportamento dos componentes ser diferente do esperado. Considerações finais A realização deste trabalho experimental permitiu aprofundar conhecimentos sobre os transístores MOSFET’s (transístores de metal-óxido semicondutor de efeito de campo), de tipo NMOS e PMOS. Nomeadamente o funcionamento de circuitos CMOS como inversores e amplificadores, comprovado pelo ganho elevado e de valor negativo. Mais uma vez constatou-se que os circuitos reais apresentam variações em relação às análises teóricas e de simulação, devido às características dos materiais e aproximações do software utilizado. 28 Trabalho Laboratorial 2: Transístor Metal-Óxido Semicondutor- Inversor CMOS Referencias [1] Integrated circuits, HEF4007UB Data Sheet, January 1995 [2] FREIRE, João Costa; Electrónica Geral - 2.º Trabalho de Laboratório – Transístores Metal- Óxido-Semicondutor Inversor CMOS; 2.º Semestre 2012/13; IST-DEEC; Lisboa; 2013. SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth C., Microelectronic Circuits; 5ª ed.; Oxford; Oxford University Press; 2004. 29
