Laboratoire 4
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Laboratoire 4 ELE2302 - Circuits électroniques Département de Génie Electrique Hiver 2008 Titre Le transistor MOS en mode commuté et l’interface numérique à analogique Professeur Nom Abdelhakim Khouas Bureau Téléphone Courriel Disponibilité M5416 (514) 340-4711 – 5116 [email protected] Lundi 10-12h et sur rendez-vous Chargé de laboratoire Nom Mohammed Mekideche Bureau Téléphone Courriel Disponibilité L5661 (514) 340-4711 – 7539 [email protected] Mardi 15h30-18h30 et sur rendez-vous Date de la séance Horaire et salle 25 février 2008 (Gr.B) 10 mars 2008 (Gr. A) 14h45-17h35 A 429-3 École Polytechnique de Montréal Date de remise Chute M-5405 16 mars 2008 30 mars 2008 1 1. Note La préparation du laboratoire et les simulations sont à effectuer avant la séance de laboratoire. La feuille de préparation personnelle en page 8 ainsi que les résultats de simulation doivent être remis en début de séance. 2. Objectifs Ce laboratoire a pour but de vous familiariser, de façon générale, avec le fonctionnement du transistor à grille isolée (MOS) en mode commuté ainsi qu’à l’utilisation de transistors bipolaires. À la fin de cette manipulation l’étudiant sera en mesure de : - comprendre l’utilisation du transistor MOS comme commutateur de courant, - appréhender l’usage du transistor bipolaire comme source de courant simple, - mesurer les temps de propagation et de transition de portes logiques, - comprendre les principes et les limites des convertisseurs numériques à analogiques. 3. Mandat Étudier, réaliser et tester le fonctionnement d’un inverseur logique et d’un convertisseur numériqueanalogique construits à l’aide de transistors à effet de champ (VN2222LL). 4. Travail préparatoire (à faire avant de venir au laboratoire) (5pts) 1. Répondre, sur la feuille de préparation, aux questions de la page 4. 2. Simuler le circuit de la figure 1 qui représente un inverseur logique. Tracer la tension de sortie Vout en fonction de Vin. Identifier les temps de montée tm, de descente td, de propagation «high to low» tPHL et de propagation «low to high» tPLH (voir annexe pour les définitions). On vous laisse le soin de décider et de justifier la valeur de la tension d’alimentation Vin (note : si dans votre librairie vous n’avez pas le composant VN2222LL le remplacer par le AO6408 ou IRF50 et ce pour les besoins de la simulation). Identifier la fréquence maximum de fonctionnement de l’inverseur ? École Polytechnique de Montréal 2 5. Travail à effectuer au niveau du laboratoire (15pts) 1. Monter le circuit de la figure 1. Lui appliquer une tension carrée d’amplitude oscillant entre 0 et 10V à une fréquence que vous choisirez assez basse de façon à ce que chaque transitoire se termine bien avant la suivante. Mesurer et noter avec soin et précision les temps de propagation tPLH, tPHL, ainsi que les temps de montée tm et de descente td (voir l’annexe pour les définitions). 2. Pour cette question, il faut considérer le transistor bipolaire T1, comme une boîte noire ayant trois nœuds identifiés par B, C, et E (voir l’annexe pour savoir comment repérer les trois nœuds). Montez le circuit de la figure 2 qui représente la source de courant constituée par le transistor bipolaire (2N3906) T1, en veillant à bien choisir la valeur de la résistance RE de façon à assurer un courant Ic proche de 10mA. Vérifier la valeur réelle de ce courant et l’ajuster au besoin en agissant sur la résistance RE en conséquence. 3. Tester la source de courant ainsi réalisée par la mesure du courant fourni à diverses résistances reliées à la masse (joindre le tableau des mesures au rapport). Noter la plus grande valeur de résistance pouvant être utilisée sans que la valeur du courant fourni Ic ne varie de plus de 5%. Tracer un graphique illustrant la relation entre la tension Vc mesurée au nœud C du transistor et le courant de sortie Ic. 4. Monter le circuit de la figure 4 qui représente un convertisseur numérique analogique. Tracer la tension de sortie Vout en fonction du niveau de la tension Vx. Un bit est considéré comme vrai, ou bien 1, si la tension appliquée est inférieure à 0.5V, et faux, ou bien 0, si la tension appliquée est supérieure à 10V. Pour cette étape prendre RE=220Ω, R=100Ω, RG1=1MΩ, RG2=2MΩ, V1=15V et V2=12V. Par contre pour la matérialisation des sources de tension aux niveaux des entrées Vx, on en laisse le soin à votre imagination. 5. Relever la valeur de Vout pour chacune des deux états possibles de Vx,. Présenter ces résultats sur un tableau. 6. Contenu du rapport Introduction : Décrivez le sujet de ce laboratoire (une demi-page de texte différent de l’énoncé). Analyse des circuits : Donner les schémas des circuits utilisés et détailler les étapes de calcul des valeurs des composants réellement utilisés. Résultats et discussion : Décrivez les tests réalisés pour vérifier la conformité de votre circuit au mandat. Donner les valeurs mesurées ainsi que les graphiques pertinents. Commentez les résultats de mesure obtenus, les comparer aux résultats de la simulation. Noter les différences et donner les raisons qui, à votre avis, expliqueraient les écarts entre la théorie et la pratique. Identifiez les principales erreurs. Note : il faut respecter la date limite de remise des rapports (-1pt/jour de retard) École Polytechnique de Montréal 3 7. Questions (à répondre sur la feuille de préparation) Q1 : En vous referant aux spécifications du transistor VN2222LL (voir la page web : http://www.cours.polymtl.ca/ele2302/pages/labo.php), calculer les valeurs typiques de la constante k=kn=µn•Cox•W/L et de la tension seuil Vt du transistor utilisé (indication : utiliser les courbe ID-VDS ou IDVGS). Q2 : En vous referant au circuit de l’inverseur logique de la figure 1, et en utilisant les constantes trouvées à la question précédente, donnez la plus petite valeur Vin qui garantisse une tension Vout< 1V. Donnez la plus grande tension Vin qui garantisse une tension Vout>10V (indication : il faut trouver le courant de drain permettant de satisfaire la condition exprimée). Q3 : En vous referant au circuit de la figure 3 qui représente un commutateur de courant et compte tenu des valeurs typiques de k et Vt du transistor VN2222LL et des valeurs suivantes RG1=1 MΩ, RG2=2 MΩ, RL = 100 Ω, et IC = 10 mA : 2.1 Pour Vin = 12 V, quelle est la valeur de la tension appliquée au niveau de la grille ? 2.2 Quelle sera la tension de drain dans le pire des cas (i.e. tout ou presque tout le courant traverse le transistor) ? 2..3 Dans ces conditions quelle sera alors la valeur du courant traversant la diode (on suppose que pour la diode, on a : 1) région directe : nVt =50 mV et Is = 10-14 A, et 2) région inverse : Is = 10-9 A) : a) Si on force Vout = 0 V b) Si on force Vout = 5 V Q4 : Reprendre la question Q2 avec Vin = 0.5 V. Q5 : Si on admet que les courants calculés en Q2 et Q3 représentent une erreur par rapport au cas idéal et sachant que la limite d’erreur acceptable pour un convertisseur numérique à analogique à n bits est fixée à 2–(n+1) à combien de bits ceci limite-t-il la résolution d’un convertisseur utilisant ces commutateurs avec une source de courant de 10 mA ? Q6 : Considérez le schéma de la figure 4. En supposant que le transistors T1 fonctionne comme une source de courant qui délivre un courant Ic de 10 mA (voir le circuit de la figure 3) et que R = 100 Ω, trouver l’équation exprimant la tension de sortie Vout en fonction de l’état (on = 0, off = 1) du transistor M1. École Polytechnique de Montréal 4 Fig. 1 : Inverseur logique. Fig. 2 : Source de courant. École Polytechnique de Montréal 5 Fig. 3 : Commutateur de courant. Fig. 4 : Convertisseur numérique à analogique 1 bit. École Polytechnique de Montréal 6 8. Feuille de préparation personnelle à conserver Nom et Prénom : Q1. k = Vt = Q2. VH(min) = VL(max) = Q3. 1. VG = 2. VD = 3. Idiode = Idiode = (pour Vout = 0V) (pour Vout = 5V) 1. VG = 2. VD = 3. Idiode = Idiode = (pour Vout = 0V) (pour Vout = 5V) Q4. Q5. Nombre maximum de bits = Q6. Vout = École Polytechnique de Montréal 7 9. Feuille de préparation personnelle à joindre à votre rapport de laboratoire Nom et prénom : Note /5 Q1. k = Vt = Q2. VH(min) = VL(max) = Q3. 4. VG = 5. VD = 6. Idiode = Idiode = (pour Vout = 0V) (pour Vout = 5V) 4. VG = 5. VD = 6. Idiode = Idiode = (pour Vout = 0V) (pour Vout = 5V) Q4. Q5. Nombre maximum de bits = Q6. Vout = École Polytechnique de Montréal 8 ANNEXE 1. Transistor bipolaire Le transistor bipolaire utilisé est le 2N3906 (PNP). Le boîtier du 2N3906 est montré à la figure 1 ci-contre. Pour plus de détails sur les spécifications du transistor 2N3906, voir la page web des laboratoires à l’adresse suivante : http://www.cours.polymtl.ca/ele2302/pages/labo.ph. 1. Définitions des délais École Polytechnique de Montréal 9 École Polytechnique de Montréal 10
