Universidad Universidad Nacional Nacional De Colombia Facultad acultad De Ingenier´ ıa ´ctrica Y Electronica ´ nica Depart Dep artamento De Ingenier´ ıa Electrica e o
´ nica Electronica o ´ loga I Analoga a 2014-I
El tran transi sist stor or MOSF MOSFET ET.. Cara Caract cter eriz izac aci´ i´ on on y aplicaci´ ones en compuertas l´ ones ogicas ogicas digitales
1.
Obje Objetivo ivos
1.1. 1.1.
Objeti Objetiv vo Gene Genera rall
Verificar el comportamiento f´ f´ısico del transitor MOSFET y algunas aplicaciones.
1.2.
Objetiv Obj etivos os espec´ espec´ıficos Caracterizar Caracteri zar el e l transisto tr ansistorr MOSFET MO SFET en t´erminos erminos de su s u curva cu rva caracter caracte r´ıstica. Aplicar las propiedades del transistor mosfet en el dise˜no, no, implementaci´on on y verificaci´on on de circuitos l´ogicos ogicos digitales.
2.
Materi Materiale aless e Instru Instrume men ntos Requ Requeri eridos dos 1 Osciloscopio de 2 Canales. 1 Generadores de se˜ nal con resistencia de salida de 50 Ω . nal
Mult´ımet ım etro ro Fluke . 1 Mult´ 1 Fuente Dual. 3 Sondas.
Resistencias de 1/4 [W] (seg´ un un c´alculos) alculos) Transistores MOSFET canalN de enrriquecimiento (de preferencia en chip, por ejemplo TC4007).
3.
Pr´ actica actica
´ DISENADA ˜ ´ DE LABORATORIO, ESTA PRACTICA ESTA PARA DESARROLLARSE EN UNA (1) SESION se divide en 2 partes. partes. Cada una de ellas implica implica trabajo previo al d´ıa de la pr´ actica actica y en el d´ıa de la pr´actica. actica.
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3.1.
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Caracterizaci´ o n de el transistor MOSFET usandolo como fuente de corriente ”Modelo SCS”(Switch Current Source)
Previo al d´ ıa de la p´ ractica
Analic´e el circuito de la figura 1 y responda las siguientes preguntas: ¿Qu´e funci´on cumple el diodo dentro de este circuito? ¿Por qu´e la fuente de excitaci´on es alterna y triangular? ¿Para qu´e se mide la se˜nal en los dos canales y qu´e se mide en cada uno de ellos? ¿Por qu´e se tiene un potenciometro antes del Gate, cu´al es su funci´on? ¿C´ omo se puede caracterizar el transistor MOSFET mediante el uso de este circuito? ¿Qu´e forma tendr´a la curva caracter´ıstica de transistor (I D vs. V DS )?
Figura 1: Circuito en configuraci´ on de transistor mosfet como fuente de corriente El d´ ıa de la pr´ actica
1. Obtenga la gr´ afica I D vs. V DS en el osciloscopio, comp´arela con sus predicciones. 2. Mida Vt variando el voltaje de Gate hasta el punto en el cual la corriente reci´en comienza a fluir en el terminal drain de su dispositivo. 3. Grafique en el osciloscopio la curva caracter´ıstica del Mosfet para 5 valores distintos de VGS. Etiquete sus ejes con la corriente ID en mA. 4. Encuentre k W/L a partir de una de estas curvas en la regi´on de saturaci´on.
5. Disminuya la amplitud del voltaje V DS (entrar a la regi´on triodo) y encuentre la Resistencia lineal R DS para un valor espec´ıfico de V DS por ejemplo. V DS = V t + 1. Compare sus resultados con la teor´ıa.
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Figura 2: Uso del transistor mosfet en circuitos l´ogicos digitales
3.2.
El Mosfet como un Switch “Modelo S”
Previo al d´ ıa de la p´ ractica
1. Investigue acerca de las familias l´ogicas NMOS, PMOS y CMOS. Especifique cuales son las diferencias entre las diferentes familias e indague en el porqu´e se usar´a la familia NMOS en esta pr´actica. 2. Teniendo en cuenta el diagrama mostrado en la figura 2. Identifique los valores de salida de cada circuito ante las posibles entradas (Tabla de verdad) considerando que el switch ’S’ se comporta como un circuito abierto (OC) cuando la se˜ naal de control es cero y como un circuito cerrado (SC) en caso contrario. 3. Investigue cu´al es el circuito (incluyendo en mosfet) y el nombre de la compuerta que genera la siguiente tabla de verdad. A 0 0 1 1
B 1 0 0 1
C 0 0 0 1
4. Analice diferentes configuraciones entre los 3 circuitos analizados hasta ahora y obtenga, mediante combinaciones de los mismos, otras 2 compuertas l´ogicas. 5. Investigue a que se refieren y como se encuentran los parametros V OL , V OH , V IL , V IH en el proceso de caracterizaci´ on de una compuerta l´ogica. 6. Identifique el esquema correspondiente al inversor MOSFET, verifique mediante mediciones en el laboratorio con el montaje correspondiente: V OL , V OH , V IL , V IH . Compare los valores obtenidos con los especificados en el datasheet de su dispositivo. El d´ ıa de la pr´ actica
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Monte los circuitos descritos anteriormente con transistores MOSFET cumpliendo la funci´on del switch, compruebe el funcionamiento de cada circuito, grafique anal´ıticamente la funci´on de transferencia del MOSFET como inversor. Verifique los valores VOL, VOH, VIL, VIH para el circuito inversor implementado. Con respecto a los resultados obtenidos: ¿El resultado obtenido es el esperado?, ¿Qu´ e consideraciones puede hacer acerca de la funci´on de transferencia del inversor MOSFET?
3.3.
El Mosfet en la regi´ on triodo “Modelo SR”
Previo al d´ ıa de la p´ ractica
1. Analice el circuito inversor MOSFET de la secci´ on anterior incluyendo el valor de las resistencias R ON = 40Ω y ROF F = 5M Ω del transistor, ¿C´omo cambia la curva iD /vDS con respecto a la suposici´on del MOSFET como circuito abierto o corto? 2. ¿Cu´ ales son los valores l´ımites de V DS , en los que se observa el comportamiento lineal (Regi´on Triodo.) en el MOSFET? El d´ ıa de la pr´ actica
1. Basados en el circuito inversor MOSFET que han venido trabajando, obtengan los valores de R ON y R OF F para su dispositivo. 2. Compruebe el funcionamiento del MOSFET en la regi´on triodo.
4.
Observaciones importantes
Manipule muy cuidadosamente las terminales de su dispositivo (TC4007 recomendado), no toque los pines del integrado con los dedos, puesto que este es bastante vulnerable a la electricidad est´atica. Las preguntas sugeridas se encuentran distribuidas a lo largo de la gu´ıa, sin embargo, no se limiten a estas y exploren el an´alisis de cada implementaci´on desde sus propios puntos de vista de acuerdo a la teor´ıa del curso.
Referencias Para el desarrollo de esta pr´actica se sugiere consultar: MIT-OpenCourseWare. Circuits and Electronics. Lecture 5: Inside the Digital Gate. [Online]. Available: http://ocw.mit.ed engineering-and-computer-science/6-002-circuits-and-electronics-spring-2007/video-lectures/ Manuales y hojas de especificaciones de los equipos. Boylestad R. & Nashelsky L. Electr´onica y Teor´ıa de Circuitos. Prentice Hall. Sedra K. Smith. Dispositivos electr´ onicos y amplificadores de se˜nales. Interamericana.
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