AC-Verhalten von Halbleiterbauelementen

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1 Interdisziplinäres Laborpraktikum Master ET Versuch 76 AC-Verhalten von Halbleiterbauelementen Institut für Nanoelektronik Technische Universität Hamburg-Harburg

2 Inhalt. Einleitung. Literatur. Der Transistor. Aufgaben 5. Erzeugung der Kennlinien 5. AC-Analyse 8. Bode-Diagramm 9

3 Einleitung Das Ziel dieses Projektes ist es, die Studierenden mit den AC- und DC-Eigenschaften von MOSFET-Transistoren durch die Entwicklung einer Common-Source-Verstärkerschaltung mit einem NMOS Transistor vertraut zu machen. Im Verlauf des Projekts werden die Studenten: die Bias-Ströme für einen Common-Source-Verstärker unter drei verschiedenen Lastbedingungen bestimmen; die MOSFET-Kennlinien für die drei verschiedenen Arbeitspunkte generieren; die MOSFET-Parameter gm und gd für die drei verschiedenen Arbeitspunkte berechnen; Verstärkung und Bandbreite für die drei Verstärker auf der Grundlage von gm, gd und des Lastwiderstands berechnen; die berechnete DC-Verstärkung und AC-Bandbreite mit einer AC-Analyse der Hardware-Schaltung überprüfen.. Literatur R. Jacob Baker, CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, IEEE Press, 5 Yuan Taur, Tak H. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge University Press, 998 Willy M. C. Sansen. Analog Design Essentials (The International Series in Engineering and Computer Science). Springer Verlag New York, Inc., Secaucus, NJ, USA, 6.. Der Transistor Das Halbleiterelement ist der VN MOSFET.

4 J7 bias J8 Vsupply uh RL k RL k RL k u Vg_bias VN k u J9 Vout J6 Vin N Cbig VN Cload n V V out R gd r out BW = g m in f = DC GBW = I = V = = g ds ds ds r R load π R C I = V = g m ds gs out ( r rload ) gm π C load load Figure.: MOSFET Schaltung (.) (.) (.) (.4) (.5) (.6) (.7) Figure.: MOS Device Parameter Formulas 4

5 Aufgaben. Erzeugung der Kennlinien Messen Sie die Parameter gm, gd, und Rout.. Bestimmen Sie bei einer Versorgungsspannung von = den Bias-Drain-Strom Ids so, dass über jeden der drei Lastwiderstände R, R und R eine Ausgangsspannung abfällt. Schreiben Sie diese Werte in die Tabelle (.).. Konfigurieren Sie die Testplatine wie in Abbildung. dargestellt, und stellen Sie die Bias-Ströme aus Schritt am Bias-Eingang ein. Diese Bias- Ströme werden in den verstärkenden Transistor gespiegelt.. Variieren Sie die Spannungsquelle von bis VDC. Zeichnen Sie die Ids vs. Vds Kurven für jede der drei Vorspannungsbedingungen in Abbildung. ein. 4. Bestimmen Sie mit den Kurven aus Abbildung. und Gleichung (.) den Parameter gd für jeden der drei DC-Arbeitsspunkte. 5. Berechnen Sie und Rout mit den Gleichungen (.) und (.) für alle drei Verstärker. 6. Berechnen die Open-Loop-Bandbreite der Verstärker mit (.4). 7. Variieren Sie den Referenzstrom um ± %, und messen Sie ΔVgs. 8. Berechnen Sie gm für jeden der drei Arbeitspunkte mit (.5). 9. Berechnen Sie die Gleichspannungsverstärkung des Verstärkers mit (.6) für jede Lastbedingung.. Berechnen Sie das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt des Verstärkers für jede Last mit (.7). 5

6 R R= kω load R= kω R= kω Vds = Vdd Ids gd = Vds r = gd R = r R Drain current at out load BW = π R C I ds gm = V out load gs DCgain= gmr out GBW = DCgain * BW = gm πc load Table.: MOSFET Bias values 6

7 Figure.: Characteristic curves 7

8 C urrent Source J bias RL4 k RL5 k RL6 k u uh J Vsupply Open Circuit Vg_bias VN k u J Vout J4 Open Circuit Vin Cbig N VN Cload n Ammeter Voltage Source Figure.: Device characteristic extraction setup. AC-Analyse In diesem Abschnitt werden die Berechnungen aus Abschnitt. mit Hilfe von AC- Simulationen verifiziert. Konfigurieren Sie die Testplatine wie in Abbildung. dargestellt, messen Sie die DC-Verstärkung, die Open-Loop-Bandbreite und das Verstärkungs- Bandbreite-Produkt, und zeichnen Sie diese Werte in Tabelle. ein.. Stellen Sie eine möglichst kleine Wechselspannung am Verstärkereingang Vin ein.. Verändern Sie die Signalfrequenz von einer niedrigen Frequenz auf eine hohe Frequenz und bestimmen Sie aus die folgenden charakteristischen Kleinsignalkenngrößen: Verstärkungsfaktor und Phase bei niedrigen Frequenzen (wo die Verstärkung frequenzunabhängig ist). Notieren Sie diese Werte als und Θ in Tabelle.; die Frequenz und die Phase wo die Verstärkung der DC- Verstärkung ist. Notieren Sie diese Werte als BW und Θ in Tabelle.; die Frequenz und die Phase wo die Verstärkung des Verstärkers Eins ist. Notieren Sie diese Werte als GBW und Θ in Tabelle.. 8

9 . Bode-Diagramm Zeichnen Sie in Abbildung.4ein Bode-Diagramm mit den Werten aus Tabelle.. C urrent Source J bias J Vsupply Vg_bias RL4 k RL5 k RL6 k u uh Voltage Source VDD = VDC VN k Function Generator J4 Vin u Cbig N VN Cload n J Vout Oscilloscope Vout Vin Figure.: AC test setup 9

10 R R R A and BW and θ θ GBW and θ Table.: Small signal behavior AdB f Figure.: Bode Plot