2 - Departamento de Ingeniería Electrónica

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
TECNOLOGÍA Y COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y FOTÓNICOS
Problemas de Circuitos con MOSFETs
1) Hallar las corrientes y tensiones de polarización para el transistor de la figura 1 si:
a. Vcc = 12 V, R1 = 20 K, R2 = 10 K, Rd = 5 K
b. Vcc = 12 V, R1 = 10 K, R2 = 20 K, Rd = 4.7 K
c. Vcc = 4.5 V, R1 = 20 K, R2 = 10 K, Rd = 5 K
Datos: W = 6μm, L =3 μm; μn = 60 μm2/V·ns, Cox = 8.75 · 10-8 F/cm2, VT = 2 V
R1
Rd
Vcc
M1
R2
figura 1
2) Hallar las corrientes y tensiones de polarización para el transistor de la figura 2 si:
a. Vcc = 10 V, R1 = 54 K, R2 = 5 K, Rd = 4.8 K, Rs = 300 Ω
b. Vcc = 10 V, R1 = 34 K, R2 = 16 K, Rd = 3 K, Rs = 100 Ω
c. Vcc = 10 V, R1 = 31 K, R2 = 19 K, Rd = 1.6 K, Rs = 58 Ω
Datos: Kn = 1 mA/V2, VT = 1 V
Rd
R1
Vcc
M1
R2
Rs
figura 2
3) Hallar la tensión de drenador para el transistor de la figura 3 si:
Datos: Kp = 2.5 mA/V2, VT = -1 V
12 V
6V
M1
VO
1K
figura 3
4) Hallar los estados de M1 y M2 (tensiones y corrientes) para el intervalo vi∈[0,5v]
Datos: W/L = 4, μn = 580 cm2/V·s, ε = 0.345 ·10-12 F/cm, tox = 0.01 μm, VT = 1 V
5v
40 K
40 K
Vi
M2
M1
10 K
figura 4
5) Para el circuito de la figura 5, hallar:
a. Intensidad que circula por la resistencia y tensión VGS1
b. Tensión del condensador Vc(t) durante todo el tiempo en el que M2
permanece en saturación.
c. Instante de tiempo en el cual el transistor M2 cambia de estado.
d. Ecuación diferencial que da la tensión Vc(t) en el nuevo estado del M2 (no
se pide su resolución)
Datos: Kn = 50 μA/V2, VT = 1 V, R = 20 KΩ, C = 1μF
5v
R
C
M2
M1
figura 5
6) Para el circuito de la figura 6, hallar:
a. Tensión mínima en V1 para garantizar la saturación en M2.
b. Suponiendo que M2, M3 y M4 están saturados, hallar el valor de V1.
c. Valor máximo de R para garantizar la saturación de M3 y M4.
Datos: Kn = 50 μA/V2, VT = 1 V
10 v
R
5V
0.1 mA
R
M3
M4
5V
V1
M2
M1
figura 6
7) Se tiene el circuito de la figura 7, con un transistor nMOS de enriquecimiento. En el
instante t = 0 se cierra el interruptor, conectándose la fuente de 5.5 V al resto del circuito.
La tensión del diodo en conducción es Vd = 0.5 V, y el condensador s considera descargado
antes de t = 0. Se pide:
a. El estado de funcionamiento del transistor inmediatamente después de cerrar
el interruptor. Hallar la intensidad Id en ese instante.
b. Ecuación de carga del condensador durante el tiempo en el que el transistor
permanece en el mismo estado. Hallar el tiempo en el cual se produce ese
cambio de estado.
c. Plantear el sistema de ecuaciones que daría la evolución de la tensión del
condensador en el nuevo estado de funcionamiento del transistor. Deducir la
tensión del condensador en régimen estacionario, es decir, transcurrido un
tiempo infinito.
d. Dimensionar la relación de aspecto del transistor, W/L, para que tras el
cierre del interruptor en t = 0, el transistor aparezca en el otro estado de
funcionamiento.
Datos: Vγ(diodo) = 0.5 V, R = 3 KΩ, C = 1 μF, Na = 104 μm-3, W/L = 3, tox = 0.04 μm, VFB
= -0.2 V, ni = 1.45 · 10-2 μm-3, q = 1.6 · 10-19 C, εox = 3.5 ·10-13 F/cm, εs =1.04 · 10-12 F/cm,
μn = 60 μm2/V·ns
R
C
t0
M
5.5 V
figura 7
10 V
8) Para el amplificador de la figura 8, hallar:
a. Hallar la tensión Vo de polarización.
b. Dibujar el modelo de pequeña señal del amplificador a frecuencias medias.
v
c. Obtener la expresión de la ganancia en tensión AVo = o
vi
d. Calcular la ganancia para los casos en que Rs = 100 Ω y Rs = 0.
e. Comprobar que se ha elegido bien el condensador de desacoplo de la señal
de entrada. Es decir, que a la frecuencia de trabajo (f = 1 MHz), su
impedancia es despreciable frente al paralelo de las resistencias R2 y R3.
Datos: Kn = 1 mA/V2, gm = 2 mA/V, VT = 1 V, R1 = 100 Ω, R2 = 68 KΩ, R3 = 32 KΩ, Rd =
3 KΩ, Rs = 100 Ω, Vcc= 10 V
R2
R1
Rd
100 nF
Vcc
M1
Vi
Vo
R3
Rs
figura 8
9) Del circuito de la figura 9, se conoce:
• Que los dos transistores se encuentran en saturación y son iguales.
• Los valores K, gm y Vt de los dos transistores. IB constante y conocida.
Se pide:
a. La tensión de polarización Vo y en el punto M.
b. Modelo de pequeña señal del circuito.
v
c. Ganancia de pequeña señal AVo = o con la salida a circuito abierto.
vi
d. Resistencia de entrada y de salida del circuito.
VDD
RL
RL
Vo
M1
Vi
M2
M
IB
figura 9
10) Para el amplificador de la figura 10, se pide:
a. Identificar el tipo de transistor utilizado (nMOS o pMOS, enr. o emp.).
b. Identificar la configuración del montaje amplificador (G, S o D común).
c. Hallar la corriente ID de polarización suponiendo despreciable el efecto de
modulación de la longitud de canal.
d. Hallar el parámetro de transconductancia del transistor.
e. Dibujar el modelo de pequeña señal del amplificador a frecuencias medias,
suponiendo despreciable el efecto de modulación de la longitud de canal.
v
f. Hallar los parámetros Ri, Ro, AVo = o del amplificador.
vi
2
Datos: Kp = 100 μA/V , VT = -2 V
15 V
3K
Vi
M1
VO
2V
5K
10 K
figura 10
Resultados:
1)
a) VG = 4 V, VD = 10.95 V, ID = 210 μA
b) VG = 8 V, VD = 4 V, ID = 1.68 mA
c) VG = 1.5 V, VD = 4.5 V, ID = 0 mA
2)
a) VG = 0.87 V, VS = 0 V, VD = 10 V, ID = 0 mA
b) VG = 3.2 V, VS = 0.2 V, VD = 4 V, ID = 2 mA
c) VG = 3.8 V, VS = 0.3 V, VD = 1.8 V, ID = 5.125 mA
3) VD = 11.023 V
4)
a)
b)
c)
d)
e)
5)
0 < Vi < 1.991 V
1.991 V < Vi < x
x < Vi < 2.247 V
2.247 V < Vi < 2.382 V
2.382 V < V < 5 V
a) IR = 100 μA, VGS1 = 3 V
b) Vc(t) = 100t
c) T = 30 ms
dV
2
d) − DS = 50 ⋅ 2VDS − 0.5VDS
dt
[
M1 corte y M2 lineal
M1 saturación y M2 lineal
M1 saturación y M2 saturación
M1 saturación y M2 corte
M1 lineal y M2 corte
]
6)
a) V1 > 2 V
b) V1 = 2.59 V
c) R < 120 K
7)
a) Saturación. Id = 1 mA
b) VC (t ) = 100t con t en segundos. Tiempo de cambio de estado t = 2.92 ms.
⎧
⎪
10 = VD + VDS + VC + RI D
⎪
2
⎤
VDS
W⎡
⎪
c) ⎨ I C = μ n Cox'
(
)
V
V
V
−
⋅
−
T
DS
⎢ GS
⎥
L⎣
2 ⎦
⎪
dV
⎪
IC = C C
⎪⎩
dt
W
=6
d)
L
En t = ∞ →
d
= 0 ⇒ VC = 9.5V
dt
8)
a) Vo = 4 V
R1
Vi
G
R2
D
gm vgs
R3
S
Rd
Vo
Rs
b)
g m Rd
R23
⋅
1 + g m Rs R23 + R1
d) AVo(Rs=100 Ω) = -5 ; AVo(Rs=0) = -6
e) ZCONDENSADOR = 1.6 Ω << R2//R3 = 21.76 KΩ
c) AVo = −
9)
a) Vo = VDD −
IB
⋅ RL
2
G1
Vi
VM = −
D1
gm1 vgs1
IB
− VT
K
D2
RL
RL
b)
c) AV = 0.5 RL g m
d) Ro = RL ; Ri = ∞
S1 = S2
G2
Vo
gm2 vgs2
10)
a)
b)
c)
d)
pMOS de enriquecimiento
Configuración en fuente común
ID = 0.413 mA
gm = 287.5 μA/V
G
Vi
R1
R2
D
gm vgs
R3
S
Vo
e)
f) Ri = 1.875 KΩ ; Ro = 10 KΩ ; AV = −2.875