Laboratoire 4

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 M5416
Téléphone [phone] – 5116
Courriel [email protected]
Disponibilité Lundi 10-12h et sur rendez-vous
Chargé de laboratoire
Nom Mohammed Mekideche
Bureau L5661
Téléphone [phone] – 7539
Courriel [email protected]
Disponibilité Mardi 15h30-18h30 et sur rendez-vous
Date de la séance Horaire et salle Date de remise
Chute M-5405
25 février 2008 (Gr.B)
10 mars 2008 (Gr. A)
14h45-17h35 A 429-3 16 mars 2008
30 mars 2008
École Polytechnique de Montréal 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 numérique-
analogique 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 ?
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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)
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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 ID-
VGS).
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.
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Fig. 1 : Inverseur logique.
Fig. 2 : Source de courant.
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