Année Universitaire 2020-2021 2ème année GEC Circuits Intégrés : Travaux Dirigés N° 1 Exercice 1 Soit un transistor MOS à canal N avec une tension de seuil VT = 2V et une polarisation VS =0, VD = VG = 3V. Dans ces conditions, on mesure un courant de drain ID = 1mA. Répondre aux questions suivantes en utilisant le modèle simplifié du MOS (sans effet de substrat). a) Le point de fonctionnement est-il dans la zone de conduction (non saturée) ou dans la zone saturée des caractéristiques ? b) Que devient le courant ID si la polarisation est portée à VD = 5 V et VG = 4 V ? c) Quelle est la résistance du canal Ron autour de VDS = 0 V lorsque VG = 4 V ? Exercice 2 Soit le circuit suivant : Caractéristiques du MOST : VT = 1 V, ß = 0.2 mA/V a) Pour R =10 kΩ, calculer la tension Vout pour les deux valeurs de la tension d’entrée Vin = 0 V et Vin = 5 V. b) Déterminer la valeur minimum de R pour que Vout soit inférieur à 1 V lorsque Vin = 5 V. Exercice 3 Soit le montage de la figure suivante utilisant un transistor MOS. 1/ Pour quelles valeurs de U1 le transistor ne conduit-il pas ? 2/ Quelle est la condition sur U2 pour que le MOS soit en saturation ? 1 Année Universitaire 2020-2021 3/ Déterminer dans un plan (U1 ; U2) les différentes zones de fonctionnement du transistor. 4/ Calculer dans chaque zone, la tension U2 = f(U1) et la représenter sur un diagramme en fonction de U1. Application numérique : VT = 0.5 V R1=10 kW K = 50 mA/V2 Vcc = 4.5 V Exercice 4 On donne : La tension de seuil Vt=1V Le paramètre de transconductance Kn=10mA/V2 La tension VD=8.4V 1. Déterminer les coordonnés de point de repos (VGS, ID, VDS) 2. Calculer les paramètres « petit signal » (transconductance gm et résistance de sortie ro) 3. Donnez le schéma équivalent en alternatif. En déduire le gain en tension sans charge En déduire le gain en tension avec charge Déterminez les impédances d'entrée et de sortie du montage. 4. Reprendre la question 3 tout en éliminant la capacité Cs Exercice 5 Soit le montage ci-dessous : 2 Année Universitaire 2020-2021 1. Donnez la nature du transistor 2. Déterminez les coordonnées du point de repos, on donne : Vp=-5V ; C1=0,33µF ; IDSS=6mA ; C2=1µF ; RG=20Méga ohm VDD=15V ; RD=RL=1K ; Ri=10K 3. Calculez la valeur de la transconductance gm au point Q (point de repos) 4. Donnez le schéma équivalent en alternatif. En déduire le gain en tension v0/vi et A0=v0/vgs Déterminez les impédances d'entrée et de sortie du montage. Déterminez l'expression de v0 lorsque vi=10sin(377t) (mv) 5. Calculez les fréquences de coupure haute et basse de cet amplificateur sachant que Cgs=5pF; Cgd=2pF; Cds=1pF. En déduire la bande passante. Exercice 6 Soit la cellule CMOS donnée ci-dessous. Données concepteur : · Largeur des transistors M1 et M2 : W1=W2=100mm ; · Tous les transistors sont à la longueur minimale L=Lmin=10mm ; · VDD=5V. Paramètres fondeur : 3 Année Universitaire 2020-2021 · NMOS : VTO=1V ; KP=20e-6 ; LAMBDA=0.01 ; TOX=200e-10 ; CGDO=200e-12 ; CGSO=200e-12 · PMOS : VTO=-1V ; KP=10e-6 ; LAMBDA =0.01 ; TOX=200e-10 ; CGDO=200e-12 ; CGSO=200e-12 1 / Polarisation a) Dimensionnez les transistors M3 et M4 de façon à polariser le point A à 3V. Aide à la résolution : M3 et M4 ne servent qu'à assurer la polarisation de la grille de M2 à la valeur souhaitée. Pour déterminer le rapport des largeurs W3/W4 des transistors, il faut égaler les expressions des courants des deux transistors. La relation liant VDD et les VGS des transistors donne une seconde équation qui, combinée à la première, permet de trouvez la valeur du rapport W3/W4. Sachant que la plus petite dimension possible pour un W est donnée par la dimension Lmin du fondeur et sachant que l'on cherche à minimiser la surface de silicium, on en déduit les valeurs numériques de W3 et W4. b) Calculez les courants qui parcourent tous les transistors du montage. c) Calculez la tension continue à appliquer sur la grille de M1 pour positionner la sortie Vo à VDD/2, en régime continu. d) Calculez les paramètres gm et go des quatre transistors. 2 / Régime dynamique a) Donnez le schéma équivalent basses fréquences de la cellule. Aide à la résolution : en régime dynamique, seuls les transistors de la cellule amplificatrice doivent être modélisés. b) Calculez les impédances d'entrée et de sortie du montage Rin et Rout de cette cellule. Calculez son gain en tension AV=vo/vi. 3 / Etude en fréquence a) Calculez la valeur des capacités parasites qui interviennent dans le modèle en fréquence des transistors. Aide à la résolution : le calcul se fait à partir des données fondeurs et des dimensions des transistors (cellule de base seulement) b) Donnez le schéma dynamique en fréquence (avec prise en compte des capacités parasites des transistors) en prenant en compte l'existence d'une source de tension petit signal vs d'impédance Rs=100kΩ connectée sur l'entrée du montage. c) Retrouver les expressions du cours pour les fréquences des pôles f1, f2 et du zéro fz. d) A partir de ces expressions (non simplifiées) calculez la fréquence des pôles et du zéro. 4
