MARQUES William DEBITON Nicolas TRANSISTOR MOS Applications analogiques But du TP : Nous désirons visualiser les différentes caractéristiques d’un transistor MOS à l’aide des différentes applications. 1. Caractéristiques du transistor NMOS Nous désirons visualiser les caractéristiques Id=f(Vgs) à Vds=2.5V(constante) et Id=f(Vds) pour Vgs=2.5V. Nous déterminons ces courbes à l’aide du logiciel Spice. Les caractéristiques obtenues sont les suivantes : Id=f (Vds) Zone ohmique Pour Vgs=2.5V, la transconductance (pente de la courbe dans la zone de saturation) gm=0.4mA/V. 1 MARQUES William DEBITON Nicolas Id=f (Vgs) Vto=1.20V Nous relevons Vto=1.20V tension de seuil du transistor. 2. Amplificateur NMOS 2.1 Caractéristique de transfert « grand signal » Nous désirons étudier la variation de la tension de sortie Vs (drain du transistor) en fonction de Ve (tension grille-source). Nous réalisons le montage suivant : Remarque : Le substrat pour un NMOS doit être relié à la masse. Grandeurs utilisées pour ce montage : -Vdd=5V ; R=10kΩ ; -Ve=signal triangulaire de fréquence 100Hz et variant de 0 à 5V. a. Visualisons Vs=f (Ve) Nous utilisons le mode XY de l’oscilloscope et relevons l’oscillogramme suivant : 2 MARQUES William DEBITON Nicolas Zone bloquée X= 500 mV/div Y= 1 V/div Zone pincé e Amplification max Zone ohmique b. Nous distinguons donc les différentes zones de fonctionnement du transistor. A noter que pour réaliser un amplificateur grâce à ce transistor, il faut polariser celuici dans la zone pincée. Le maximum d’amplification sera obtenu si nous polarisons le transistor autour du centre du « segment » de la zone pincée (la pente est maximum au milieu du « segment »). c. Nous réalisons ce même montage mais en le simulant à l’aide de Spice : L’oscillogramme est le suivant : Amplification max Zone bloquée Zone pincée Zone ohmique Nous observons donc une courbe identique à l’étude expérimentale. 3 MARQUES William DEBITON Nicolas 2.2 Utilisation en amplification « petit signal » a. Nous désirons réaliser la fonction « amplification linéaire » grâce au transistor, il faut donc le polariser au milieu de la partie linéaire de la zone pincée. (Amplification maximale). Nous réalisons pour ce faire le montage suivant : Caractéristiques du circuit : Ve=signal sinusoïdal de fréquence 1kHz dont l’amplitude doit être déterminée expérimentalement pour obtenir Vs sans déformation. -R1=100kΩ R2=10kΩ ; -C1=100nF (correspondant à une fréquence de coupure basse de 100Hz). -Vdd=5V ; Déterminons la valeur de la résistance R2 afin de polariser le transistor pour le point de fonctionnement précédent : Vs=3V et Ve=2.3V. Le courant dans R1 et R2 sont quasiment identique puisque le courant de grille du MOS est pratiquement nulle. Nous pouvons donc appliquer la règle du pont diviseur. Vg= (Vdd*R2) / (R1+R2) Vg*R1 + Vg*R2 = Vdd*R2 R2 = (Vg*R1) / (Vdd – Vg) R2= 83 kΩ. b. Nous utilisons un potentiomètre (R2) et réalisons cette polarisation de manière expérimentale. Nous relevons R2=88 kΩ et Vdso=3.4V. Ces valeurs diffèrent légèrement des valeurs théoriques, différences dues aux imprécisions expérimentales. c. Nous désirons déterminer l’amplification à vide. Nous utilisons le modèle « petits signaux » du transistor. Nous avons rd=1/gd très supérieur à R. Nous pouvons donc considérer la résistance rd comme étant un circuit ouvert. L’amplification à vide A= Vs / Ve = (-gm*Vgs*R) / (Vgs) = -gm*R 4 MARQUES William DEBITON Nicolas Or gm=0.4 mA/V et R=10 kΩ A= -4. Remarque : Le MOS sature lorsque Vs = 5V= Vdd, il ne faut donc pas appliquer une tension supérieur à (Vdd/A) 1.25V afin de ne pas observer de saturation sur Vs. Nous relevons expérimentalement une amplification de -3.7V. La légère différence entre la valeur théorique et pratique provenant des imprécisions de mesures ainsi qu’à l’imperfection du transistor. d. L’oscilloscope utilisé durant ce TP ne nous permettait pas de déterminer le taux de distorsion. Nous avons pu néanmoins le visualiser sur un oscilloscope METRIX où nous nous sommes aperçus que plus Ve augmentait plus le taux de distorsion est important pour cause de linéarité imparfaite de la zone pincée. e. Nous désirons vérifier nos résultats en simulant ce montage à l’aide de Spice. Nous relevons dans ce cas une amplification A= -3.7. (Quasi similaire au résultat précédent ; le signe « -« correspondant à un déphasage de 180° entre Ve et Vs). Imprécisions du au fait que nous avons négligé la résistance de sortie du transistor rd. Les taux de distorsion pour les différentes valeurs de Ve s’obtiennent en réalisant une FFT à l’aide de Spice et en visualisant le fichier de sortie Output file. Nous obtenons alors : -Ve=100 mV taux de distorsion= 1.51% -Ve=200 mV taux de distorsion= 2.48% -Ve=400 mV taux de distorsion= 8.21% Ce qui confirme que plus Ve augmente plus le taux de distorsion augmente. 5 MARQUES William DEBITON Nicolas 3. Amplificateur CMOS Nous réalisons un amplificateur CMOS à l’aide d’une charge active évitant les éventuels problèmes lorsque nous intégrons cet amplificateur dans une puce de silicium. Nous réalisons le montage suivant : Remarque : Le substrat du PMOS relié à Vdd. Caractéristiques du montage : -Vdd= 5V ; Ve : signal sinusoïdal de fréquence 1kHz. -Vp : tension continue à déterminer expérimentalement. -R1 et R2 de même valeur que précédemment. a. Nous désirons retrouver la même valeur Vdso que précédemment en ajustant Vp. Nous relevons Vdso= 2.5V pour Vp= 2.9V. b. Nous cherchons désormais la valeur de l’amplification à vide (A) afin de la comparer à la valeur de l’amplificateur NMOS. Nous relevons A= Vs/Ve = 725/25 = -28 (« -« déphasage de 180° entre Vs et Ve) supérieur au montage amplificateur NMOS. Dans le cas de l’amplificateur NMOS celle-ci s’exprimait suivant le produit de gm et R (rd étant négligé) contrairement au montage CMOS où gm est toujours présent mais cette fois les résistances de sortie de chacun des transistors ne sont pas négligés et constituent 2 résistances en parallèles d’où l’augmentation du coefficient d’amplification. Rd (CMOS)= rd (NMOS) // rd (PMOS)gd (CMOS)= gd (NMOS)+gd (PMOS). Vérifions nos résultats à l’aide d’une simulation Spice. L’oscillogramme obtenu est le suivant. 6 MARQUES William DEBITON Nicolas Nous relevons une amplification de -26 (proche de la valeur expérimentale). Cette valeur peut être déterminée grâce au valeur de gm et gd récupérés dans le fichier de sortie. -PMOS gm1=5.60Е-04 gd1=1.07 Е-05. -NMOS gm2=4.00Е-04 gd2=3.58 Е-06. Déterminons l’expression de l’amplification grâce au montage « petits signaux » de l’étage de sortie : Nous avons A = Vs / Ve= gm2*(Rd1//Rd2)=gm2* (1/gd1 + 1/gd2). (Ve=Vgs) D’où A= gm2 / (gd1+gd2) = -28,011. 4. Commutateur CMOS Nous étudions les transistors MOS lorsqu’ils sont utilisés en tant qu’interrupteur. 4.1 Commutateur unipolaire Nous réalisons un commutateur NMOS qui permet de commuter que des tensions unipolaires négatives. Nous réalisons le schéma suivant : 7 MARQUES William DEBITON Nicolas Caractéristiques du montage : -R=100 kΩ. -Ve tension triangulaire [-5 ; 5V]. -Vgn tension de commande soit à +5V soit à -5V. Nous voulons observer Vs en fonction des valeurs prises par Vgn. Cas où Vgn= 5V, le transistor est passant. Nous visualisons : Ve Ch1= 2 V/div Ch2= 2 V/div 1ms/div Vs Lorsque Ve est négative le transistor est passant (interrupteur fermé) lorsque Ve>2V le transistor est saturé. Cas où Vgn= -5V, le transistor est bloqué. Ve Ch1= 2 V/div Ch2= 2 V/div 0.5 ms/div Vs Vs est nulle, le transistor est bloqué (interrupteur ouvert). 8 MARQUES William DEBITON Nicolas Nous remplaçons R par une résistance de 220Ω avec Vgn= 5V (transistor passant). Nous obtenons l’oscillogramme suivant : Ve Ch1= 2 V/div Ch2= 500 mV/div 0.5 ms/div Vs Nous pouvons nous apercevoir que lorsque la résistance de charge R est petite la commutation ne s’effectue pas correctement lorsque Ve est négative Vs ne suit pas exactement l’entrée (Vsmax=0.25V). Nous pouvons en déduire la valeur de la résistance du commutateur. En effet lorsque le transistor est passant il est assimilable à un interrupteur fermé idéalement, il dispose néanmoins d’un résistance interne Rdson. Nous pouvons appliquer le pont diviseur de tension : Vsmax= Ve*R / (Rdson + R) Rdson= 5.2kΩ. 4.2 Commutateur bipolaire On utilise deux MOS complémentaires de façon à symétriser la caractéristique de transfert. Le transistor NMOS commutera seulement les tensions négatives et le transistor PMOS seulement les tensions positives. Nous réalisons le montage suivant : Caractéristiques du montage : -R=100 kΩ. -Ve tension triangulaire [-5 ; 5V] de fréquence 100Hz. -Vgn et Vgp tension de commande rectangulaire alternatif [-5V ; 5V] de fréquence 2kHz. 9 MARQUES William DEBITON Nicolas Lorsque Vgn=+5V et Vgp=-5V, le commutateur est fermé, Ve=Vs. Lorsque Vgn=-5V et Vgp=+5V, le commutateur est ouvert, Vs=0V. Suivant les valeurs de Vgn et Vgp (opposée l’une de l’autre) le commutateur conduit ou non, l’interrupteur est commandée par ces 2 tensions. 10