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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.
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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 :
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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.
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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
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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.
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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.
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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 :
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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).
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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.
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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.
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