Öğrenci No Ad ve Soyad İmza DENEY 3. Tümleşik Devre Ortak Source Yükselteci

Transkript

1 Öğrenci No Ad ve Soyad İmza Masa No DENEY 3 Tümleşik Devre Ortak Source Yükselteci Not: Solda gösterilen devre Temel Yarı İletken Elemanlar dersi laboratuvarında yaptığınız 5. deneye ilişkin devre olup, dejenere edilmiş ortak source yükseltecidir. Bypass kapasitesi içermekte ve kazancı aşağıdaki gibi ifade edilmektedir. = g m (R D //r o ) Şekil-1 Yukarıda gösterilen ortak source yükselteci çoğunlukla ayrık elektronik devrelerinde kullanılmaktadır. Bu devrenin evrimini ve herbir elemanın niçin bu devreye dahil edildiğini ve devre elemanı değerinin nasıl seçildiğini Temel Yarı-iletken Elemanlar dersinde görmüştünüz. Bu deneyde ise tümleşik devrelerde kullanılan ortak source yükseltecini inceleyeceğiz. Aşağıdaki devre aktif yüklü tümleşik devre ortak source yükseltecidir. Yani NMOS lu ortak source yükseltecine yük olarak akım kaynağı bağlanmıştır. Şekil-2

2 Bu devrede M3 transistöründen Rbiyas değeri ile ayarlanmış olan akım değeri akmaktadır. M3 ve M2 transistörleri yardımıyla akım aynalanmış ve böylece yükseltme işlemini yapan M1 transistörünün biyaslanması sağlanmıştır. Ayrık uygulamadaki M1 in drain ucuna bağlı olan RD yükü yerine M2 transistörü ile oluşturulmuş akım kaynağı yük olarak bağlanmıştır. Burada yükün, akımdan gerilime dönüşümün sağlanması için gerekli olduğunu hatırlayınız. Dolayısıyla elimizde akım kaynağı ile yüklenmiş bir ortak source topolojisi bulunmaktadır. Akım kaynağı da akım aynası üzerinden elde edilmektedir. Biyas akımının değeri ise Rbiyas direnci vasıtasıyla ayarlanabilmektedir. Akım kaynağı ile yüklenmiş olan ortak source yükselteç kazancının sadece bir direnç yükü (RD) içeren yükseltece göre daha fazla olacağını teorik dersinizde görmüştünüz. Ders notlarınızdan bu devrenin küçük sinyal gerilim kazancının denklem 3.1 de verildiği gibi olduğu biliyorsunuz. Diğer yandan λm3=0 için Rbiyas değeri de denklem 3.2 kullanarak seçilebilir. (NOT: Bu denklemin türetilişini raporunuzda gösteriniz.) = g v m1 (r o1 //r o2 ) = 2μ w nc OX L in I D_biyas (λ n +λ p ) (3.1) (NOT: Bu denklemin türetilişini raporunuzda gösteriniz.) R biyas = 1 (V I DD V TH 2I biyas ) (3.2) biyas w μ p C ox L

3 Tasarım özellikleri CD4007 CMOS entegre devresinden faydalanarak NMOS ve PMOS elemanları yardımıyla Şekil-2 de verilen devreyi kurunuz. CD4007 iki adet NMOS/PMOS transistör ve bir adet CMOS inverter içerir. Pin 14 VDD ye Pin 7 toprağa bağlanmalıdır. NOT: Besleme kaynağına bypass kapasitelerini bağlamayı unutmayınız. = 50 (+/- %20) olacak şekilde DC çalışma noktasını Vout=VDD/2=6V seçiniz. M1 ve M2 MOS larının her ikisininde doyumda olduğu bir DC çalışma noktasında kazanç denklem 3.3 de verildiği gibi olacaktır. = g m1 (r o1 //r o2 ) (3.3) Transkondüktans (gm1) ise elemanların çıkış dirençleri olan ro1 ve ro2 ile biyas akımı ve elemanların parametrelerine bağlıdır. Tasarım: Kazancın (-50) olmasını sağlayacak şekilde NMOS ve PMOS parametlerini ve kazanç ifadesini kullanarak ilk olarak bir biyas akımı sonrasında da bu biyas akımını sağlayacak Rbiyas değerlerini seçiniz. Tasarımınızı raporunuzda gösteriniz. Tasarımınızı kontrol etmek için spice ı kullanınız. DC transfer karakteristiğini çiziniz ve Vout=6 V etrafındaki karakteristiğin eğimini bulunuz. Sonuçları rapor ediniz. M2 için g m2=7.284e-04, r o2= 1.492e+05, λ p= V -1, V TH=1.69 V M1 için g m1= e-03, r o1= 3.968e+04, λ n= V -1, V TH= V μ n C ox w L = e 03 A/V2 M3 için V TH=1.677 V μ p C ox w L = 3.234e 04 A/V2

4 Deneysel CMOS Yükselteç Yükseltecin devre şemasını ve CD4007 entegresinin verilen pin diyagramını kullanarak devrenin nasıl oluşturulacağına karar veriniz. Sinyal jeneratörünün DC kaynağını vin olarak kullanınız. VDD için bypass kapasitelerini bağlamayı unutmayınız. Kullanılmayan CD4007 transistörlerini boşta bırakabilirsiniz. Rbiyas harici ayrık bir direnç olup, tasarım aşamasında seçtiğiniz değer ile başlayabilirsiniz. Raporunuz CD4007 etrafında tüm bağlantılarınızı gösteren bir devre şeması içermelidir. DC Transfer Fonksiyonu Deneyi 1. Sinyal jeneratörünün DC kaynağını kullanarak yükseltecin DC transfer karakteristiğini ölçünüz: Vout u Vin in fonksiyonu olarak Vout=6V etrafında DC transfer karakteristiğinin eğiminden kazancı (Av) bulunuz. 2. Gerekli kazanç -50(+/- %20) yi elde edecek şekilde tasarımı (örneğin Rbiyas ı) değiştiriniz. 3. Deneyi rapor ediniz ve sonuçlar üzerinde yorum yapınız. Deneysel sonuçlar ile analizi ve simülasyonu karşılaştırınız.

5 1kΩ ile simülasyon ortamında devrenin giriş çıkış karakteristiğinden eğim yani kazanç -10 olarak bulunuyor. Sizde yaptığınız simülasyonda kazancın -50(+/- %20) olmasını sağlayacak şekilde Rbiyas direncini değiştiriniz. Deneyinize bu direnç değerini kullanarak başlayınız. AC Sinyal Girişi ile Yükselteç Testi Aktif olarak yüklenmiş CMOS ortak source yükselteci yüksek kazanca sahip olduğundan, DC çalışma noktasının hem M1 hem de M2 için saturasyonda (ve Vout=VDD/2=6V) olacak şekilde ayarlanması zordur. Source dejenere direncinin (RS) DC çalışma noktasını stabilize etmek amacıyla yerleştirildiği ayrık devre ortak source yükseltecine kıyasla, aktif olarak yüklenmiş CMOS yükseltecinde böyle bir DC stabilize mekanizması yoktur. Sonuç olarak Vin deki (veya sıcaklık veya eleman parametrelerindeki) en küçük değişimler bile çıkış geriliminin kolaylıkla VDD ye veya sıfıra doğru kaymasına sebep olabilir. Yüksek kazançlı bir yükselteçde DC çalışma noktasını stabilize etmek için genel bir teknik negatif geri besleme kullanmaktır. Aşağıdaki devrede RF=1 MΩ ve C1 = 10 μf kullanılmıştır. Bu aşamada sizin göreviniz deneyler, simülasyonlar ve analizleri raporu tamamlayabilecek şekilde yapmaktır.

6 1. Raporda takip eden soruları cevaplayınız: Vg ve Vout nedir? Tüm transistörler doyumda mı çalışır? DC çalışma noktası sıcaklık ve parametre değişimlerine karşı çok duyarlı mıdır? Niçin veya niçin değil? Laboratuvardaki gözlemleriniz sonuçlar ile uyumlu mudur? 2. Sinyal jeneratörünü tepeden tepeye 100 mv, 1 khz lik sinüsoidal sinyal olarak ayarlayınız. Kuvvetlendirici girişindeki gerilim bölücü dirençlerin (390 Ω and 50 Ω) sinyali zayıflattığına dikkat ediniz. Bu durumda kuvvetlendirici girişindeki sinyal Vin_pp=10 mv olacaktır. 3. Sinyal kazancını (Av=Vout_pp/Vin_pp) görebilmek için osiloskobu kullanınız. VIN(t), VG(t), ve VOUT(t) sinyal şekillerini çizdiriniz. Elde ettiğiniz kazanç değerini kaydediniz. Av = 4. M2 MOS unun source ucuna RS=220Ω luk bir dejenere direnci bağlayınız ve kazancın yeni değerini osiloskopta inceleyiniz. Kazanç ifadesinin aşağıda verildiği gibi olduğunu derste görmüştünüz. = g m1 [r o1 //((1 + g m2 r o2 )R S + r o2 )]

7 5. Geri besleme direncine (RF) sahip yükseltecin DC çalışma noktası istenilen nokta olan Vout=VDD/2=6V olacak şekilde devreyi değiştiriniz. (İpucu: M1 in gate i ile toprak arasına bir direnç eklemeyi düşününüz.) 6. Raporda değiştirilmiş devrenin nasıl çalıştığını açıklayınız. Devredeki modifikasyon sinyal kazancını etkiler mi? Çıkış gerilimindeki salınım nedir? Yaptığınız deneyi tanımlayınız ve yükseltecein çıkış salınımını doğrulayan deneysel sonuçları gösteriniz. 7. Devreyi aşağıdaki gibi kendinden biyaslamalı devreye dönüştürünüz ve kazancını gözleyiniz. Bütün cihazları kapattınız mı? Malzemeleri ve kabloları toplayarak aldığınız yere koydunuz mu? Oturaklarınızı masanın altına ittiniz mi? Cihazların yerini değiştirmemeniz gerekiyordu. Ders görevlisinin bilgisi dahilinde değiştirdiyseniz tekrar aldığınız yere koydunuz mu? Evet Hayır