Atestat - Tranzistoare Cu Efect De Camp

MINISTERUL EDUCAŢIEI ŞI CERCETĂRII Grupul Şcolar “Vasile Sav”, Roman

PROIECT DE SPECIALITATE pentru examenul de certificare a competenţelor profesionale Filiera: Tehnologică Profilul: Tehnic Specializarea: Tehnician în automatizări

Elev:

Profesor Îndrumator:

Lovin Ştefan

Prof. Ing. Vlăduţ Lăcrămioara

2007

MINISTERUL EDUCAŢIEI ŞI CERCETĂRII Grupul Şcolar “Vasile Sav”, Roman

PROIECT DE SPECIALITATE TRANZISTOARE CU EFECT DE CÂMP

Elev:

Profesor Îndrumator:

Lovin Ştefan

Prof. Ing. Vlăduţ Lăcrămioara

2007 2

Grupul Şcolar “Vasile Sav”, Roman Catedra de Cultură Tehnică Cerinţe minimale legate de structura proiectului de specialitate Proiectul de specialitate trebuie să conţină următoarea structură: 1. Titlul proiectului pentru atestarea competenţelor profesionale; 2. Argumentul proiectului, desfăţurat pe 1-2 pagini: se încadrează problema aflată în studiu, în problematica generală a domeniului de pregătire profesională, punându-se în evidenţă importanţa temei în domeniul general al pregătirii tehnicii de specialitate; 3. Cuprinsul propriu-zis al lucrării: va fi dezvoltată şi structurată tema lucrării şi acolo unde este cazul vor fi incluse norme de securitate a muncii specifice, calculul tehnico-economic (unde este cazul), studii de eficienţă, exemple practice, sau studii teoretice, care se pot concretiza ulterior în realizări practice; 4. Anexe, unde, în funcţie de tema lucrării, vor fi incluse exemple de utilizare, scheme, rezultate ale unor măsurători, grafice, date de catalog etc., toate acestea menite să ilustreze şi să menţină concluziile finale ale lucrării; 5. Formulare specifice (doar în cazul studiilor componentelor de circuit); 6. Necesarul de materiale şi echipamente (pentru eventualele exemple practice); 7. Bibliografia şi cuprinsul.

Pentru evaluarea lucrării vor fi luate in vedere următoarele: - capacitatea de a sistematiza cunoştinţele de specialitate - capacitatea de a rezolva problemele teoretice şi practice - utilizarea de soluţii şi tehnologii moderne - disponibilitatea de a realiza studii de caz sau problemele generate de tema lucrării - alegerea şi folosirea adecvată a materialelor şi tehnologiilor - originalitatea şi contribuţia proprie la conferirea elementelor majore de conţinut, structurarea,coordonarea şi prezentarea informaţiei

Notă: Termenele de evaluare parţială a elaborării lucrării sunt: - prima săptămână a fiecărei luni începând cu luna noiembrie. - programul de consultaţii în vederea elaborării proiectului săptămânal este marţi şi miercuri între orele 14-16.

Elev:

Profesor Îndrumator:

Lovin Ştefan

Prof. Ing. Vlăduţ Lăcrămioara 3

CUPRINS

Argument ______________________________________________________________

5 Tranzistoare unipolare (cu efect de câmp)____________________________________ 6 Clafificarea TEC _______________________________________________________________ 6 Tranzistoare cu efect de câmp cu joncţiune (TEC-J)__________________________ 7 Funcţionarea TEC-J cu canal de tip „p”____________________________________________ 8 Funcţionarea TEC-J cu canal de tip „n”____________________________________________ 10 Principalii parametrii folosiţi pentru TEC-J în conexiunea sursă-comună_________________ 12 Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată (TEC-MOS)______________________ 15 Tetroda TEC-MOS______________________________________________________________ 18 Aplicaţii ale TEC______________________________________________________________ 20 Comutatoare analogice___________________________________________________________ 20 Atenuatorul controlat____________________________________________________________ 22 Aplicaţii ale TEC-J______________________________________________________________ 23 Aplicaţii ale TEC-MOS___________________________________________________________ 27 Protecţia muncii_______________________________________________________________ 28 ANEXE_______________________________________________________________________ 30 Bibliografie____________________________________________________________________ 35

4

ARGUMENT Lumea modernă, dominată de efectele ultimelor descoperiri tehnico-ştiinţifice, de mobilitatea profesiunilor şi a forţei de muncă, solicită astăzi, mai mult ca oricând, formarea personalităţilor rapid adaptabile la noile schimbări, ca posibile să caute soluţii originale la problemele din ce în ce mai complexe şi mai neprevăzute. Evoluţia rapidă a civilizaţiei impune şcolii contemporane pregătirea generaţiilor tinere astfel încât acestea să se poată integra, fără dificultăţi, în societatea informaţională de mâine. Automatizarea şi cibernetizarea implică tot mai multe procesele intelectuale în prelucrarea şi interpretarea datelor oferite de computere intensificând domeniile concepţiei, comenzii, controlului, şi organizării muncii. Tehnologia condiţionează cercetarea ştiinţifică modernă, devenind totodată o componentă indispensabilă a culturii generale. Educaţiei îi revine, mai mult ca oricând, un rol decisiv în dezvoltarea socială şi transformările calitative ale vieţii. Ca urmare, programul de instruire în şcoală trebuie să fie conceput din perspectiva pedagogiei prospective, tinerii fiind învăţaţi să descopere noi instrumente ale cunoaşterii, să pună noi probleme, să găsească noi soluţii. Orizontul de cultură generală nu mai este complet fără modulul tehnic şi cel tehnologic, care permit absolvenţilor nu numai policalificări rapide ci şi înţelegerea mai profundă a sensului marilor invenţii şi descoperiri, stimulându-le curiozitatea ştiinţifică, spiritul de cercetare şi descoperire. În acest context, electronica este disciplina de învăţământ căreia îi revine o responsabilitate deosebită. Extraordinara sa dezvoltare, pătrunderea în toate domeniile de activitate ştiinţificotehnice, industriale şi economico-sociale impun pregătirea unei forţe de muncă, atât la nivel mediu cât şi la nivel superior, în rezonanţă cu cerinţele actuale ale societăţii. În lucrarea de faţă, se expune tranzistorul cu efect de câmp, prezentându-se caracteristicile sale, modul de funcţionare, iar la sfârşit nişte aplicaţii ale acestuia.

5

TRANZISTOARE UNIPOLARE (CU EFECT DE CÂMP) Denumirea de tranzistoare unipolare provine de la faptul că la procesul de conducţie participă numai un singur tip de purtători de sarcină: electroni sau goluri. Aceştia circulă printr-un canal de tip p sau n. Funcţionarea tranzistoarelor unipolare se bazează pe variaţia rezistenţei unui strat de material semiconductor, prin care curentul este obligat să circule, cu ajutorul unui câmp electric transversal pe direcţia de curgere a purtatorilor de sarcină, produs de semnalul de comandă. De aceea, aceste tranzistoare se mai numesc şi trazistoare cu efect de câmp (TEC în limba română sau FET – field-effect transistor in limba engleză.) Tranzistorul cu efect de câmp este un dispozitiv cu trei terminale:  Sursa – electrodul de unde pleacă sarcinile electrice  Drena – electrodul către care se îndreaptă sarcinile electrice  Poarta – electrodul care comandă comportarea dispozitivului Există trei principale tipuri de tranzistoare cu efect de câmp:  Tranzistoare cu efect de câmp cu jonctiune (TEC-J)  Tranzistoare cu efect de câmp cu structură metal-oxid-semiconductor (TEC MOS)  Tranzistoare cu pături subţiri Deoarece tranzistorul cu pături subţiri este de fapt tot un tranzistor de tip MOS, se vor prezenta numai primele două tipuri de tranzistoare cu efect de câmp. Datorită următoarelor proprietăţi, TEC sunt preferate sau de neînlocuit cu tranzistoare bipolare:  Ca dispozitive comandate în tensiune TEC prezintă impedanţă de intrare foarte mare – chiar peste 1014 MΩ  TEC pot fi utilizate ca rezistenţe comandate în tensiune şi ocupă, în tehnologie integrată, o arie mai mică decât rezistenţa echivalentă.  TEC au o arie mică în raport cu tranzistoarele bipolare; de aici rezultă avantaje pentru fabricarea circuitelor complexe, ca de exemplu microprocesoare, memorii, etc.

CLASIFICAREA TEC Clasificarea tranzistoarelor cu efect de câmp este complicatã suplimentar de un alt aspect constructiv. Un tip de tranzistoare conduc pânã când se face ceva care sã le micşoreze curentul: sunt tranzistoarele care au canal iniţial (depletion mode în englezã). Toate tranzistoarele TEC-J şi anumite tranzistoare TEC-MOS funcţioneazã dupã acest principiu. Tranzistoarele de celãlalt tip sunt proiectate astfel încât sã nu conducã decât dacã se aplicã un câmp care sã "sape" un canal conductor. Acestea sunt tranzistoarele care au canal indus (enhancement mode în englezã). Marea majoritate a tranzistoarelor TEC-MOS au canal indus. Dacã mai ţinem seama de felul de dopare al canalului, care poate fi n sau p, am avea în total 8 tipuri de tranzistoare cu efect de câmp. Dintre acestea, şase ar putea fi realizate, cinci sunt chiar produse şi numai patru sunt importante. Arborele familiei de tranzistoare cu efect de 6

câmp poate fi vazut în ANEXA 1, FIG 1. Din cauza joncţiunii porţii care trebuie sã fie întotdeauna invers polarizatã, tranzistoarele TEC-J (cu poartã joncţiune) nu pot fi realizate decât cu canal iniţial. Tranzistoarele cu poartã izolatã pot avea oricare dintre aceste tipuri de canale, dar cele cu canal iniţial nu au decât câteva aplicaţii particulare. Ambele categorii pot avea fie canal n, fie canal p.

TRANZISTOARE CU EFECT DE CÂMP CU JONCŢIUNE (TEC-J) Un tranzistor de tip TEC-J este format dintr-un bloc semiconductor, de anumit tip, p sau n. În extremităţile acestui bloc se depun două contacte ohmice numite sursa (S), şi respectiv drenă (D). În zona centrală dintre sursă şi drenă se formează prin impurificare o regiune de tip opus blocului semiconductor, al cărei contact metalic se numeşte poartă (P). O zonă de acelaşi tip ca şi al porţii (un substrat) se creează de cealaltă parte a blocului semiconductor, contactul corespunzător fiind numit bază (B). Electrozii porţii şi bazei sunt legaţi electric între ei (FIG. 1). Prin aplicarea unei surse de alimentare între sursă şi drenă prin canalul de trecere format între ele şi mărginit de regiunile porţii şi bazei, circulă purtătorii majoritari de tipul corespunzător blocului semiconductor central (goluri în cazul blocului p, electroni pentru blocul de tip n). Datorită formării acestui canal, tranzistoarele cu efect de câmp, cu bloc central de tip p se numesc cu „canal de tip p” iar cele de tip n , cu „canal de tip n”. În cazul primei categorii, de tip p, tensiunea de alimentare se aplică cu polul pozitiv pe sursă şi negativ pe drenă, iar la cele cu canal de tip n, cu polul negativ pe sursă şi cel pozitiv pe drenă. Deci, polarizarea sursei corespunde tipului blocului central. Fenomenele ce apar într-un TEC-J sunt asemănătoare la cele două tipuri, dar curentul este dat de purtătorii diferiţi: de goluri – la tipul p şi de electroni – la tipul n.

7

FUNCŢIONAREA TEC-J CU CANAL DE TIP „P” Se va examina un tranzistor cu efect de câmp, având un canal de tip p, tensiunea de alimentare este legată cu polul pozitiv la sursă şi cel negativ la drenă. Studiul comportării tranzistorului trebuie făcut în trei situaţii: a) Cu poartă nepolarizată (liberă); b) Cu poartă legată la polaritatea sursei; c) Cu poartă polarizată separat. a) În cazul tranzistorului cu canal p considerat, la aplicarea sursei de alimentare între sursă şi drenă, în blocul semiconductor central apare un curent dat de goluri – purtători majoritari ai regiunii canalului. La variarea tensiunii continue aplicate, curentul variază în mod proporţional, tranzistorul comportându-se ca o rezistenţă de valoare constantă. b) Poarta se leagă direct la sursă, polarizarea între sursă şi drenă fiind cea descrisă anterior. În această situaţie, datorită trecerii curentului între sursă şi drenă, în interiorul semiconductorului apare o cădere de tensiune, astfel încât fiecare punct are un potenţial negativ faţă de sursă, de o anumită valoare absolută, ce descreşte între drenă şi sursă. În dreptul porţii, respectiv al bazei se formează două joncţiuni pn polarizate invers. Între regiunile p şi n ale fiecărei joncţiuni se formează regiuni de trecere ce constituie izolatoare pentru curentul electric. Porţiunea din blocul central delimitată de regiunile de trecere ale celor două joncţiuni se numeşte canal. Curentul electric poate circula doar prin canal, a cărei formă se poate observa în FIG. 1. Deoarece grosimea regiunii de trecere creşte 8

odată cu creşterea tensiunii inverse, rezultă un canal, a cărui secţiune este mai mare spre sursă având lăţimea cea mai mică în apropierea drenei, la aceeaşi valoare a tensiunii de drenă aplicată. Din acest motiv rezistenţa canalului, care variază invers proporţional cu secţiunea, este mai mare şi curentul de drenă este mai mic decât în cazul când poarta era liberă, pentru o aceeaşi tensiune aplicată între sursă şi drenă. Dacă se variază această tensiune, secţiunea canalului scade şi mai mult. Curentul ce rezultă continuă să crească, până când mărimea tensiunii produce o extindere atât de mare a celor două regiuni de trecere încât acestea aproape că se ating, situaţie ce corespunde valorii minime a canalului. Începând din acest punct creşterea tensiunii de drenă nu mai este însoţită de o mărire a curentului, care îşi păstrează constantă valoarea maximă atinsă. Deoarece curentul nu mai variază la variaţia tensiunii, se spune că tranzistorul a intrat în regiunea de saturaţie (FIG. 2). Tensiunea de drenă nu poate produce o strangulare completă a canalului, deoarece aceasta ar întrerupe curentul, ceea ce ar duce la anularea căderii de tensiune din interiorul blocului p, deci joncţiunile nu ar fi polarizate invers, ci ar reveni la forma iniţială. c) Tranzistorul TEC-J are în acest ultim caz două surse de polarizare aplicate: una între sursă şi drenă ( E D ) şi a doua între poartă şi sursă ( E p ), cu polul pozitiv pe poartă şi cel negativ pe sursă (FIG. 1). Variţia curentului de drenă poate fi urmărită în două situaţii:  Se păstrează tensiunea de poartă E p constantă, variind tensiunea de drenă E D , pentru diferite valori ale tensiunii de poartă (caracteristici de ieşire);  Se păstrează tensiunea de drenă E D constantă şi se variază cea de poartă E p , pentru diverse valori ale tensiunii de drenă (caracteristici de transfer).

9

1. Dacă se păstrează tensiunea de poartă constantă, variind tensiunea de drenă au loc fenomenele descrise anterior. Caracteristica curent-tensiune este reprezentată in FIG. 2.a. Se observă că regiunea de saturaţie apare la o tensiune de drenă mai mică şi că pe măsură ce creşte tensiunea negativă pe poartă, scade valoarea curentului de drenă corespunzător aceleiaşi tensiuni de drenă. Mărind tensiunea de drenă peste o anumită valoare, curentul prin tranzistor creşte brusc, datorită apariţiei fenomenului de multiplicare în avalanşă a purtătorilor de sarcină. 2. În cazul în care se urmăreşte variaţia curentului de drenă la variaţia tensiunii de poartă, pentru o anumită valoare a tensiunii de drenă, se obţin caracteristicile reprezentate în FIG. 2.b. În cazul când tensiunea de poartă este zero, curentul este maxim. Valoarea acestui maxim este cu atât mai mare cu cât tensiune de drenă este mai mare. La creşterea tensiunii de poartă, datorită polarizării inverse puternice, regiunile de trecere se măresc şi curentul scade până la zero, când regiunile de trecere se ating.

FUNCŢIONAREA TEC-J CU CANAL DE TIP „N” Vom examina şi tranzistorul cu efect de câmp cu joncţiune cu canal de tip n. În FIG. 4. este reprezentat simbolul geometric al TEC-J cu canal de tip n, montat în conexiunea cu sursa comună (SC), împreună cu sensurile pozitive alese pentru semnalele de la cele două porţi. Semnalele de intrare sunt tensiunea dintre poartă şi sursă ( V PS ) şi curentul de poartă I P , iar cele de ieşire sunt tensiunea dintre drenă şi sursă ( V DS ) şi curentul de drenă I D . 10

Pentru ca joncţiunea pn a porţii (joncţiunea de comandă) să fie polarizată invers şi să nu consume putere, TEC-J cu canal n lucrează cu tensiuni de drenă pozitive şi tensiuni de poartă negative ( V DS > 0, V PS < 0 ). În aceste condiţii curentul de drenă este pozitiv, iar cel de poartă este atât de mic, încât se admite că este nul; una dintre cele două relaţii caracteristice TEC-J este IP = 0 aşadar :

Pentru descrierea completă a comportării TEC-J este deci sufiecientă o singură familie de caracteristici statice, care poate fi familia caracteristicilor statice de ieşire, având ca parametru tensiunea de intrare (FIG. 5.a.) Pentru tensiuni de poartă mai mici sau egale cu tensiunea de prag ( VPS ≤ V p < 0 ), curentul de drenă se anulează şi tranzistorul se află în regiunea de blocare. Pentru tensiuni de poartă mai mari decât V p (tensiunea de prag) şi tensiuni de drenă foarte mici, VDS << −V p , tranzistorul se află în regiunea liniară, reprezentată în FIG. 5.b. Caracteristicile sunt aici drepte prin origine. Pentru tensiuni de drenă ceva mai mari , dar = VPS − V p ), tranzistorul se află în regiunea de cot, iar

mai mici decât valoarea de cot ( VDS cot pentru VDS > VDS cot , în regiunea de strangulare (numită astfel fiindcă TEC-J funcţionează cu canalul strangulat). 11

În FIG. 5.a. sunt reprezentate regiunile liniare, de cot şi de strangulare pentru caracteristica V PS = 0 . În aceeaşi figură se vede că prelungirile caracteristicilor din regiunea de strangulare intersectează axa absciselor în acelaşi punct, dar de semn contrar: V DS = V B ; valorile tipice ale V B sunt de ordinul a -100V.

Pentru comoditatea analizei TEC-J în regiunea de strangulare se folosesc deseori şi caracteristicile statice de transfer, corespunzătoare acestei regiuni (FIG. 5.c). Observaţie. Regiunea de strangulare este numită de multe ori şi regiune de saturaţie a TEC-J (şi în general a oricărui tip de TEC).

Principalii parametrii folosiţi pentru TEC-J în conexiunea sursă-comună: Conductanţa statică de ieşire g OS este definită prin g OS =:

ID . Definită într-un punct VDS

Q(V DS , I D ) din planul caracteristicilor de ieşire, ea reprezintă panta dreptei OQ. Rezistenţa statică de ieşire rOS este inversa conductanţei g OS . În aplicaţiile TEC (TEC-J, TEC-MOS) prezintă interes valorile minimă şi maximă ce se pot obţine pentru rOS , notate respectiv rOS on şi rOS off . Valoarea minimă se obţine în regiunea liniară şi este cuprinsă între 2 şi 1000 Ω , iar cea maximă în regiunea de blocare şi este cuprinsă între 10 8 şi 10 12 Ω . ∂i D | v PS = const. Definită Conductanţa diferenţială de ieşire g os este definită prin: g os =: ∂v DS în punctul Q(V DS , I D ) al caracteristicii de ieşire de parametru v PS = V PS , ea reprezintă panta acelei caracteristici în punctul Q. 12

Rezistenţa diferenţială de ieşire ros este inversă conductanţei g os . În aplicaţii prezintă interes valorile rezistenţei diferenţiale de ieşire în regiunile rectilinii ale caracteristicilor statice de ieşire: regiunea liniară şi regiunea de strangulare. În interiorul oricăreia dintre ele ros este constantă pentru o caracteristică de ieşire dată. Valorile ei tipice sunt de ordinul 100 kΩ în regiunea de strangulare. Transconductanţa diferenţială cu ieşirea în scurtcircuit (pentru variaţii de semnal, numită şi panta TEC-J, este definită prin: g m =:

∂i D | v DS = const . ∂v PS

Definită în punctul Q (V DS , I D ) al caracteristicii de transfer de parametru v DS = V DS , ea reprezintă panta acelei caracteristici în punctul Q. Domeniul de valori uzuale ale g m este cuprins între 0,1 şi 10 mS. În analiza şi proiectarea circuitelor cu tranzistori se utilizează des ecuaţii simplificate ale caracteristicilor statice. Considerând că valoarea conductanţei diferenţiale de ieşire a TEC-J în conexiunea sursă-comună este nulă în regiunea de strangulare (caracteristicile de ieşire sunt orizontale în această regiune), familia de caracteristici statice de transfer pentru această regiune (FIG. 5.c.) se reduce la o singură caracteristică (FIG. 6.a.). Ea este aproximată cu erori mici de ecuaţia: v i D = I DSS (1 − PS ) 2 dacă V P ≤ v PS ≤ 0 , v DS ≥ v DS cot VP I DSS =: i D | v PS = 0 dacă v DS ≥ v DS cot . unde am notat

Aplicând definiţia g m =:

∂i D | v DS = const , obţinem expresia transconductanţei diferenţiale în ∂v PS

aceeaşi regiune. g m = −2

I DSS VP

 v PS 1 −  VP

  dacă v DS ≥ v DS 

13

cot

.

Ea variază liniar cu v PS , nu este negativă pentru valorile permise ale v PS − 2 I DSS şi are valoarea maximă g mss = VP pentru v PS = 0 (FIG. 6.b.). La un TEC-J cu I DSS = 1 mA şi V P = -2V obţinem g mss = 1 mS. Se poate demonstra teoretic că parametrii TEC-J au următoarea proprietate interesantă: Transconductanţa diferenţială în regiunea de strangulare este egală cu conductanţa diferenţială de ieşire în regiunea liniară şi deci cu conductanţa statică de ieşire în regiunea liniară, pentru o valoare dată a tensiunii v PS : g m | v DS ≥ v DS cot = g os | v DS << v DS cot = g OS | v DS << v DS cot . Simbolul tranzistorului cu efect de câmp cu joncţiune este redat în FIG. 7. Deoarece curentul prin tranzistor este comandat de tensiunea de poartă prin extinderea regiunilor de trecere polarizate invers, rezultă că impedanţa de intrare a tranzistorului este de ordinul rezistenţelor inverse dintre bază-colector, adică de ordinul sutelor de kΩ sau chiar MΩ . Curentul de intrare al TEC-J este foarte mic, de ordinul 10 −9 ÷ 10 −12 A . Deci, faţă de tranzistoarele obişnuite, tranzistoarele cu efect de câmp cu joncţiuni prezintă următoarele deosebiri: • Sunt comandate în tensiune (cele obişnuite fiind comandate în curent) • Au curent de intrare mult mai mic • Au impedanţă de intrare mult mai mare. Pe această ultimă proprietate se bazează numeroase aplicaţii ale trazistorului cu efect de câmp. Deoarece funcţionarea acestui tip de tranzistor cu efect de câmp se bazează pe extinderea regiunilor de trecere sărăcite în purtători, se spune că ele funcţionează în „regim de sărăcie”.

14

TRANZISTOARE CU EFECT DE CÂMP CU POARTĂ IZOLATĂ(TEC-MOS) Aceste tranzistoare au o structură metal – oxid – semiconductor. Structura unui astfel de tranzistor este reprezentată în FIG. 8., împreună cu tensiunile de polarizare necesare.

15

Pentru exemplificare s-a ales un tranzistor cu canal de tip p. Într-un substrat de semiconductori de tip n se creează prin impurificare două regiuni de tip p, sursă (S) şi drenă (D), separate între ele şi având fiecare câte un contact metalic. Pe substratul de tip n , aflat între cele două regiuni p, se depune un strat izolant de dioxid de siliciu, apoi se scoate contactul metalic P al porţii. Datorită succesiunii straturilor de metal, oxid şi semiconductor care formează poarta, tranzistorul se numeşte MOS. În circuit se aplică o tensiune sursă-drenă, cu polul pozitiv pe sursă şi cel negativ pe drenă. Comportarea acestui tranzistor se studiază în trei situaţii: a) Cu poartă nepolarizată (liberă); b) Cu poarta legată la sursă; c) Cu poarta polarizată separat;

•

a) În acest caz poarta nu este polarizată (pe ea nu se aplică nici o tensiune). În circuit nu apare curent de drenă, deoarece nu există continuitate (circuitul nu este închis), regiunile p fiind separate de un strat n. b) Se circuitează poarta de la sursă , deci la polul pozitiv al tensiunii de drenă E D . Se constată că nici în acest caz nu există curent de drenă, deoarece drena fiind legată la polul negativ al sursei E D , joncţiunea schemei este polarizată invers, deci împiedică poate mai mult închiderea circuitului. c) Dacă se aplică o tensiune de polarizare E P cu polarizarea din FIG. 8., structura MOS se comportă ca un condensator plan, elementele lui fiind: Pelicula exterioară şi substratul n – reprezintă cele 2 armături; 16

•

Stratul de dioxid de siliciu – reprezintă dielectricul dintre plăci Pe contactul metalic, care reprezintă una din plăci, apar sarcini negative, ceea ce determină ca, prin influenţă electrostatică, pe cealaltă placă, adică în substrat, să apară sarcini pozitive. Fenomenul de influenţă electrostatică provoacă respingerea electronilor majoritari din straturile superficiale ale semiconductorului de tip n şi concentrarea de goluri în locul lor. Apare astfel o inversiune locală a tipului semiconductorului; se spune că se induce un canal de tip p între sursa şi drena semiconductorului de tip n. Prin acest canal începe să treacă curent între regiunile de tip p ale sursei şi drenei. Curentul de drenă apare numai atunci când tensiunea de poartă E P depăşeşte o anumită valoare de prag U pr . Trasarea variaţiei curentului prin tranzistor se face în două cazuri (FIG.9.a. şi FIG.9.b.): • În funcţie de variaţia tensiunii de drenă, prin valori constante ale tensiunii de poartă E P (caracteristici de ieşire); • În funcţie de variaţia tensiunii de poartă E P , pentru valori constante ale tensiunii de drenă E D (caracteristici de transfer).

17

Se observă în caracteristicile de transfer (FIG.9, b)creşterea curentului odată cu creşterea tensiunii de poartă E P , atunci când tensiunea de drenă E D se menţine constantă. De asemenea, se constată că, la variaţia tensiunii de drenă E D , menţinând E P constant, apare o saturaţie a curentului de drenă asemănătoare celei de la tranzistoarele cu efect de câmp cu joncţiune. Datorită principiului său de funcţionare, tranzistorul MOS descris se numeşte cu canal indus. El este cel mai răspândit tip de TEC. Simbolul TEC-MOS este reprezentat în FIG. 10. Deoarece funcţionarea sa se bazează pe mărimea locală a concentraţiei de purtători minoritari, se spune ca TEC-MOS cu canal p indus funcţionează în regim de îmbogăţire, ceea ce constituie una din deosebirile existente între cele două tipuri de TEC. Alte deosebiri constau în faptul că, la TEC-MOS, curentul de drenă creşte la mărirea tensiunii de poartă, cu aceeaşi tensiune aplicată între drenă şi sursă, respectiv I D = 0 pentru I p = 0 şi creşte cu E p . Asemănările între cele două tipuri de TEC (TEC-J, respectiv TEC-MOS) sunt: • • •

Ambele sunt comandate în tensiune; Au curentul de intrare mic (la MOS, i D = 10 −12 A); Au impedanţa de intrare foarte mare (la TEC-MOS, unde poarta este izolată prin dielectric de SiO2 , impedanţa este de ordinul 1012...1018 Ω ); • Au frecvenţe de lucru foarte mari ( 10 7...108 Hz). TEC-MOS au dimensiuni extrem de mici, ceea ce le face să fie foarte apreciate în aplicaţii legate de circuite integrate. 18

Un dezavantaj al TEC-MOS este fragilitatea lui faţă de apariţia unor tensiuni accidentale de poartă. Grosimea foarte mică a stratului de dioxid de siliciu impune ca tensiunile între poartă şi ceilalţi electrozi să nu depăşească anumite valori, de ordinul zecilor de volţi. Cum capacitatea depunerii metalice a porţii faţă de ceilalţi electrozi este foarte mică (de ordinul 10 −12 ), sarcini extrem de mici, accidentale ( 10 −10 C) pot determina tensiuni de ordinul 10 2 V care pot distruge tranzistorul. Din această cauză, în utilizarea TEC-MOS trebuie luate precauţii speciale , de punere la masă a tuturor elementelor cu care iau contact (ciocan de lipit, masă de lucru, chiar operatorul), iar în timpul transportului şi manipulării, cei doi electrozi se scurtcircuitează între ei. În FIG.10 este reprezentat simbolul convenţional al TEC-MOS:

TETRODA TEC-MOS Tetroda TEC-MOS reprezintă o formă specială de transistor MOS cu canal n. Are două porţi plasate una după alta. Amplificarea este mare şi zgomotul mic, fiind recomandată a fi utilizată în domeniul FIF şi în special UIF. În FIG. 11. se prezintă simbolul şi schema de conectare într-un etaj ARF-FIF.

19

Impedanţa de sarcină, care este filtrul de bandă acordat cu diode varicap, se conectează în c.a între drenă şi sursă. Semnalul de RF se aplică pe poarta G1 care este polarizată la +4,5V cu ajutorul divizorului R1 , R2 (FIG. 11. a). Tensiunea de RAA se aplică similar ca la un tranzitor PNP pe poarta G2 iar sursa S este polarizată extern prin R3 , R4 . În situaţia fără semnal avem : U G2 = 9V , U S = 4,5V , U G2 S = 9 − 4,5 = 4,5V . La semnalul maxim admis tensiunile sunt : U G2 = 1V , U S = 3V , U G2 S = 1 − 3 = −2V . Curentul de lucru al tetrodei variază de la circa 8 mA în situaţia fără semnal, până la 0 mA la semnal maxim. Variaţia de amplificare este de peste 40 dB. Tipurile reprezentative de tetrode TEC-MOS sunt : BF 907, BF 910, BF 960, BF 961. În concluzie, menţionez un aspect de ordin practic legat de utilizarea tranzistoarelor MOS. Datorită impedanţei foarte mare de intrare, există riscul de străpungere al stratului de oxid (rezistă până la circa 100V) prin acumulări de sarcini electrostatice mari. De aceea, stocarea se face în cutii din material conductor electric astfel ca toate terminalele să fie scurtcircuitate împreună. Când se repară circuite în care exista tranzistore MOS, ciocanele de lipit trebuie să fie conectate la pământ (împământare). Unele tipuri, cum ar fi BF 960, BF 961 sunt prevăzute cu circuite interne limitatoare a suprasarcinilor (FIG. 11, b)

Datorită avantajelor menţionate şi a altora, ca de exemplu, zgomot propriu redus, dependenţă mai mică faţă de temperatură, tranzistoarele cu efect de câmp sunt considerate dispozitive semiconductoare cu mare importanţă în viitor.

20

APLICAŢII ALE TEC 1. Comutatoare analogice De foarte multe ori trebuie să fie întreruptă şi apoi să fie restabilită aplicarea unui semnal (tensiune variabilă în timp) la bornele unei sarcini. Curenţii şi puterile implicate sunt mici dar curentul este alternativ, trebuind să circule prin sarcină în ambele sensuri. Se poate rezolva acest lucru cu un comutator mecanic, ca în FIG. 12 a). Când contactul este făcut, comutatorul are rezistenţa , iar pe sarcină ajunge fracţiunea din semnalul aplicat la intrare (regula divizorului rezistiv). Întrerupând contactul, comutatorul prezintă o rezistență foarte mare, astfel încât pe sarcină tensiunea este practic nulă. Deşi au rezistenţa extrem de mică, comutatoarele mecanice sunt lente şi nu pot fi comandate electronic decât prin complicarea dispozitivului (releu electromagnetic). Pentru această aplicaţie nu se poate folosi un tranzistor bipolar deoarece tensiunea între colector şi emitor nu coboară la zero fiind limitată la tensiunea de saturaţie, iar tranzistorul nu se comportă ca un rezistor ohmic. Încercând cu un tranzistor MOS, care nu are joncţiuni între poartă şi canal (FIG. 12.b) presupunem că tensiunea sursei de semnal evoluează între -5 V şi + 5 V iar rezistenţa de sarcină are valoarea ; astfel, curentul prin sarcină evoluează între -0.1 mA și +0.1 mA. Drept comutator utilizăm un tranzistor NMOS de uz general, 3N170, care la tensiunea oferă o rezistenţă drenă-sursă de 200 W şi un curent prag garantată de fabricant este de cel mult 2 V.

. Pentru el, tensiunea de

FIG. 12. Comutatoare analogice. Legăm substratul la un potenţial mai coborât decât orice potenţial din circuit, de exemplu -10 V şi aranjăm să putem comuta potenţialul porţii între - 10 V și +10 V. Cu poarta legată la -10 V, potenţialul acesteia este în orice moment mai coborât decât potenţialele drenei şi sursei, care pot fi aduse de către sursa de semnal numai până la - 5V (FIG. 13 a). În aceste condiţii, tranzistorul este tot timpul blocat, rezistenţa între drenă şi sursă având valori imense, de ordinul GW. Rezultă, astfel, că tensiunea care ajunge pe sarcină este practic nulă; de fapt, prin capacitatea parazită existentă între drenă şi sursă o anumită tensiune ajunge totuşi pe sarcină.

21

FIG. 13. Funcţionarea comutaturului cu tranzistor NMOS: tranzistorul blocat (a), tranzistorul în conducţie cu tensiunea de intrare -5 V (b) şi tranzistorul în conducţie cu tensiunea de intrare +5 V (c). Legăm acum poarta la potenţialul de + 10 V. În momentul în care tensiunea semnalului ajunge la -5 V, ca în FIG. 13b), avem o tensiune poartă-sursă de +15 V şi putem conta pe o rezistenţă drenă-sursă, de . Cum rezistenţa de sarcină are 50 kW, pe sarcină ajunge "numai" 99.8 % din semnalul de intrare. În cealaltă situaţie, tensiunea semnalului este de +5 V și tensiunea poartă-sursă scade la +5 V, ca în desenul c) al figurii. Acum, rezistenţa tranzistorului este de 530 W şi pe sarcină ajunge 98.9 % din semnalul de intrare. Vom avea, deci, o uşoară distorsionare a semnalului, de aproape 0.9 %, datorită variaţiei rezistenţei comutatorului. Verificăm, în final că tranzistorul rămână în regiunea de rezistenţă controlată. Pentru aceasta avem nevoie de valoarea tensiunii drenă-sursă; este exact valoarea tensiunii care nu ajunge pe sarcină, adică între 0.2 % și 1.1 % din tensiunea semnalului, deci nu mai mult de 55 mV ! Tranzistorul este, cu siguranță, în regiunea de rezistenţa controlată. Conform desenelor b) şi c) ale figurii 13, constatăm că drena şi sursa îşi inversează rolurile între ele. De fapt, la un tranzistor cu efect de câmp, drena şi sursa sunt echivalente la curent continuu şi pot fi interschimbate; ele diferă numai la curent alternativ, drena având o capacitate mai mică față de poartă. Comutatorul prezentat mai sus are însă un dezavantaj major: tensiunea semnalului nu se poate apropia prea mult de tensiunea de alimentare pozitivă, altfel nu ar mai rămâne o tensiune suficientă pentru menţinerea deschisă a tranzistorului. Soluţia constă în utilizarea unui comutator cu două tranzistoare MOS complementare (CMOS -complementary MOS), adică unul cu canal n şi unul cu canal p, ca în FIG. 14. Ca să blocăm ambelor tranzistoare este suficient să aducem la -5 V poarta tranzistorului NMOS şi la +5 V poarta tranzistorului PMOS. Pentru a comanda acest lucru de la un singur punct se utilizează un inversor logic, care oferă la ieşirea sa nivelul continuu de -5 V când intrarea sa este la +5 V şi invers.

22

FIG. 14. Comutator analogic CMOS. Atunci când semnalul trebuie să treacă prin comutator, poarta tranzistorului NMOS este menţinută la alimentarea pozitivă iar poarta tranzistorului PMOS este adusă la alimentarea negativă. Dacă semnalul se apropie de +5 V, tranzistorul NMOS se blochează, dar se deschide puternic tranzistorul PMOS. Din contră, când semnalul se apropie de -5 V, situația este inversată şi tranzistorul NMOS este cel care conduce. Comutatoare analogice CMOS sunt disponibile ca circuite integrate. Astfel, circuitul 4066 conţine patru asemenea comutatoare independente. La o alimentare cu -5 V şi +5 V, rezistenţa în starea ON a comutatorului este aproximativ 75 W și nu variază cu mai mult de 20 W deşi semnalul poate evolua pe întregul interval dintre potenţialele alimentărilor. Pentru aplicaţii profesionale, comutatoarele AD7510 sau cele din seria 1H5140 oferă, la o alimentare de 5 V, o rezistență sub 100 W, variaţia sa fiind redusă la un raport 1:1.25. În circuitele cu tranzistoare TEC se obişnuieşte să se noteze potenţialul cel mai ridicat al alimentării cu iar potenţialul cel mai coborât al alimentării cu . Astfel, în circuitul din FIG. 14, şi pentru că avem o alimentare simetrică faţă de masă. Circuitul funcţionează însă şi cu o singură sursă de alimentare, adică cu şi . În aceeaşi tehnologie CMOS se realizează circuite integrate logice (digitale) în care semnalul nu poate avea decât două stări, starea HIGH (de potenţial ridicat) şi starea LOW (de potenţial coborât). Circuitele digitale CMOS depăşesc ca performanţe (viteză, consum de putere mic, imunitate la zgomot, etc.) circuitele digitale cu tranzistoare bipolare şi le înlocuiesc treptat în aparatura proiectată astăzi.

2. Atenuatorul controlat Se poate folosi un divizor rezistiv pentru a produce o tensiune continuă de valoare convenabilă. Acelaşi dispozitiv poate fi utilizat, însă, şi ca atenuator, pentru a aplica pe o rezistenţă de sarcină un semnal de tensiune de amplitudine mai mică decât cel produs de generator (FIG.15 a). O aplicaţie standard este potenţiometrul de volum cu care se face reglajul intensităţii semnalului sonor la un amplificator audio.

23

FIG.15. Atenuator cu divizor rezistiv (a) şi atenuator cu tranzistor TEC-J (b). Dezavantajul potenţiometrului este că atenuarea sa nu poate fi controlată decât mecanic; dacă am dori s-o controlăm electronic, ne-ar trebui un motoraş care să rotească axul potenţiometrului. Tranzistoarele cu efect de câmp, datorită regiunii lor de rezistenţă controlată, permit realizarea unor atenuatoare controlate de o tensiune electrică. Tot ce avem de făcut este să înlocuim rezistenţa a divizorului cu tranzistorul TEC şi să controlăm tensiunea sa poartăsursă (desenul b al figurii). La valoarea nulă a tensiunii de control, tranzistorul prezintă o rezistenţă de valoare minimă, egală cu semnalelor de intrare şi ieşire avem relaţia

. În aceste condiţii, între amplitudinile

. Pe de altă parte, când tensiunea de control, negativă, ajunge la tranzistorul este blocat şi pe sarcină ajunge întregul semnal de intrare. La frecvenţe mari se produce, totuşi, o atenuare datorită capacităţii tranzistorului. Pentru a apropia şi mai mult comportarea tranzistorului de aceea a unui rezistor, se poate utiliza adunarea, peste tensiunea de control, a cantităţii ca în FIG.15 c). Chiar şi cu acest truc, amplitudinea semnalului nu poate fi mai mare de câteva zecimi de volt, altfel acesta va fi distorsionat de dependenţa neliniară .

APLICAŢII ALE TEC-J Experimentul 1. Utilizaţi schema din ANEXA 1, FIG. 2 pentru a ridica experimental caracteristicile TEC-J cu canal n, BFW-10 (vezi ANEXA 2). Fixaţi E D = 15 V şi U GS = −10 V. Curentul ID este nul şi Voltmetrul indică E DS = E D = 15 V. Reglaţi din potenţiometru R până când sesizaţi tendinţa de scădere a tensiunii U DS . Măsuraţi în această situaţie tensiunea de prag U GS = V P < 0 . Fixaţi apoi potenţiometrul pentru UDS = 0 şi determinaţi curentul IDSS = (15 V-UDS)/ 0,1 kΩ . 24

Urmariţi tensiunea U pe rezistenţa RD şi măsuraţi valoarea tensiunii UDS la fiecare scădere a tensiunii U cu 0,2 V. Determinaţi astfel, prin puncte, caracteristica I D = f (U DS ) pentru U GS = 0 V. Repetaţi măsurătorile pentru UGS = 0,2 • VP; 0,4 • VP; 0,6 • VP şi 0.8 • V P . Trasaţi pe hârtie milimetrică cinci caracteristici obţinute şi fixaţi limita regiunii de saturaţie. Citiţi din grafic valorile mărimilor ID si UGS pentru U DS = 12 V şi reprezentaţi caracteristica de transfer corespunzătoare. Repetaţi măsurătorile pentru câteva tranzistoare de tipul BFW-10 şi sesizaţi dispersia tehnologică a parametrilor. Comparaţi rezultatele experimentale cu datele de catalog din ANEXA 2.

Experimentul 2. Circuitul din ANEXA 3, FIG.5 permite o verificare simplă pentru comportarea TEC-J ca rezistenţă comandată în tensiune. Circuitul reprezintă un divizor al semnalului u i într-un raport controlat prin tensiunea continua U. Dacă se notează cu R = R(U) rezistenţa echivalentă între sursă şi drenă, se poate scrie: u ieş R (U ) = (1.1) ui R1 + R (U ) Rezistenţa R1 se alege între câteva sute de ohmi şi 100 kΩ , pentru un bun compromis între rezistenţa de intrare ( Rin = R1 + R( u ) ) şi raportul de divizare (1.0). În unele aplicaţii, pentru a obţine o atenuare maximă, tensiunea de control U poate fi uşor pozitivată. Pentru a proteja dispozitivul în acest caz, se introduce rezistenţa R2 de limitare a curentului de poartă (de exemplu, R = 10kΩ ). În montajul din ANEXA 3, FIG. 5. folosiţi R2 = 0 (scurtcircuit), deoarece tensiunea U ia doar valori negative. Aplicaţi la intrare un semnal sinusoidal u de amplitudine 0,5 V vârf la vârf. Stabiliţi pentru U valorile OV; -0,5 V; -1 V; -1,5 V etc. şi măsuraţi de fiecare dată amplitudinea vârf la vârf a semnalului u ieş pânâ când constataţi un efect de limitare a acestuia. Explicaţi motivul distorsionării semnalului u ieş şi faptul că pentru U = −8V ... − 10V semnalul u ieş ≈ u i redevine sinusoidal. Determinaţi şi reprezentaţi grafic dependenţa R(U ) . De exemplu, dacă pentru U = 0V aţi măsurat u ieş = 0,01V , vârf la vârf, din (1.0) rezultă R R( 0V ) ≈ 1 = 200Ω . 50 Tranzistorul TEC-J poate fi utilizat ca sursă de curent constant. Schema de principiu se prezintă în ANEXA 3, FIG. 6. Rezistenţa RS asigură negativitatea automată a grilei (Portii) faţă de sursă : U GS = − I D ⋅ RS 0 D

0 GS

(1.2)

Curentul I şi tensiunea U pot fi determinate grafic la intersecţia dreptei de ecuaţie (1.2) cu caracteristica de transfer a TEC-J (v. ANEXA 3, FIG. 6.). Analitic, soluţia se obţine din rezolvarea sistemului format din ecuaţiile (1.2) si (1.3).  U  I D = I DSS 1 − GS  pentru V P < U GS < 0 (canal n). (1.3) VP   25

Exemplu Presupunem că pentru TEC-J utilizat în circuitul din ANEXA 3, FIG. 6. s-au măsurat parametri: V P = −3V ; I DSS = 10mA . Înlocuind U GS din (1.2) în relaţia (1.3) se obţine o ecuaţie de gradul doi cu soluţiile I D1 ≈ 0,47 mA şi respectiv I D 2 ≈ 0,77mA . Tensiunea grilă-sursă corespunzătoare este U GS 1 = −2,35V , respectiv U GS 2 = −3,85V . Evident, perechea a doua de valori este o soluţie falsă, deoarece pentru U GS 2 < V P 0 curentul de drenă este nul. Reţinem că soluţie adevărată valorile I D0 = 0,47mA ; U GS = −2,35V . Întrucât aproximarea (1.3) a caracteristicii de transfer este valabilă doar in regiunea de saturaţie, trebuie verificată condiţia U DS < U DSsat . Daca această condiţie este îndeplinită (în exemplu, U DS > 0,65V ), curentul I D0 este practic independent de R D si E D . Dezavantajul major al TEC-J ca sursă de curent constant este că datorită dispersiei parametrilor V P şi I DSS (v. ANEXA 2) nu se poate anticipa valoarea curentului ”generat“. Rezistenţa RS permite ajustarea curentului de drenă. La limită, pentru RS = 0 , se obţine I D0 = I DSS . Funcţionarea TEC-J ca generator de curent constant este mai bună la curenţi I D mai mici decât I DSS . Într-adevăr, din FIG.8,a ANEXA 4 se observă că odată cu scăderea curentului I D , caracteristicile TEC-J pot fi tot mai bine aproximate prin linii orizontale. Creşterea uşoară a curentului I D odată cu tensiunea U DS > U DSsat se caracterizează prin conductanţa de drenă g d sau prin rezistenţa dinamică de drenă rd : 1 ∆I d (U GS = const ) = di D (U GS = const ); rd = . gd = (1.4) gd ∆U DS du DS Valoarea tipică pentru rd este 100 kΩ .

Experimentul 3. Realizaţi circuitul din FIG. 6, ANEXA 3 folosind un tranzistor BFW-10. Fixaţi E D = 15V VS 0 0 şi R D = 0 . Măsurând potenţialele VD şi VS se poate determina PFS: U DS = V D − VS ; I D = ; RS 0 U GS = −VS .Creşteţi apoi rezistenţa RD până când potenţialul VS scade cu câte 0,1 V. Determinaţi de fiecare dată PFS al tranzistorului. Stabiliţi valoarea tensiunii U DS pentru care curentul I D incepe să scadă rapid la scăderea tensiunii U DS . Comparaţi această valoare cu U DSsat . Considerând două PFS in regiunea de saturaţie, se

∆V D . De exemplu, dacă s-au ∆I D măsurat perechile de valori ( V D = 15V ; VS = 2,5V ) şi ( V D = 4V ; VS = 2,3V ), rezultă R = 275kΩ . Repetaţi experimentul pentru RS = 1kΩ . Trageţi concluzii privind calitatea sursei de curent constant si rolul rezistenţei RS . Schema unui amplificator cu TEC-J se prezintă in ANEXA 4, FIG. 7,a. Deşi rezistenţa RG are valori uzuale mari ( 1MΩ.....10 MΩ ), căderea de tensiune pe ea este neglijabilă. Astfel, poate determina rezistenţa internă a sursei de curent constant: R =

26

tensiunea U GS are tot expresia (1.2). Pentru valori date ale rezistenţelor şi cunoscând parametrii V P şi I DSS , se poate calcula PFS al tranzistorului.

Exemplu

Presupunem date valorile: RG = 10 MΩ ; RS = 0,2kΩ ; R D = 1,2kΩ ; E D = 15V ; V P = −4V ; I DSS = 10mA . Din (1.2) si (1.3) se obţine ecuatia I D2 − 80 I D + 400 = 0 . Se reţine soluţia adevărată 0 (fizic posibilă): I D0 ≈ 5,36mA . Rezultă U GS ≈ −1V . PFS este fixat in regiunea de saturaţie, deoarece U DS > U DSsat = 3V . Pentru caracterizarea TEC-J la variaţii se defineşte transconductanţa (panta) g m . Din (1.3) rezultă : di 2 g m = D , (U DS = const ) = − ⋅ I DSS ⋅ I D du GS VP (1.5) mA Cu datele considerate în exemplul precedent rezultă g m ≈ 3,7 . Valorile tipice pentru V mA mA g m sunt cuprinse între 0,5 şi 5 . Schema echivalentă pentru variatii se prezintă în V V ANEXA 4, FIG. 7,b (s-a considerat că C 3 lipseşte din circuit). Pentru amplificarea de tensiune, rezistenţa de intrare şi rezistenţa de ieşire rezultă urmatoarele expresii: g R Au = − m D (1.6) ; Rieş = R D (1.8) Ri = RG (1.7) ; 1 + g m RS Cu valorile considerate pentru amplificatorul din ANEXA 4, FIG. 7,a s-ar obţine : Au = −2,5 ; Ri = 10 MΩ ; Rieş = 1,2kΩ . Amplificarea poate fi crescuta decuplând rezistenţa RS cu condensatorul C 3 . În acest eaz rezultă: Au = − g m R D ≈ −4,5 (1.9) Comparativ cu tranzistorul bipolar, TEC-J are parametrul g m mult mai mic, astfel încât şi amplificarea (1.9) este mică.Un alt dezavantaj al TEC-J este că la acelaşi curent de drenă, transconductanţa depinde de dispozitivul particular utilizat (prin parametrii V P şi I DSS ) ; la tranzistorul bipolar transconductanţa depinde doar de valoarea curentului de colector. Trebuie remarcat însă că, pentru TEC-J, g m depinde doar de I D şi nu direct de I D . Din acest motiv distorsiunile de neliniaritate sunt mult mai reduse la ampificatoarele cu TEC-J decât la cele cu tranzistoare bipolare. Avantajul major al TEC-J este că permite realizarea unei impedanţe mari de intrare.

Experimentul 4. Realizaţi amplificatorul din ANEXA 4, FIG. 7,a folosind RG = 1MΩ ; RS = 0,2kΩ ; R D = 1,2kΩ ; E D = 15V . Introduceţi succesiv în circuit câteva tranzistoare de acelaşi tip (BFW10) şi explicaţi diferenţele dintre diferitele PFS măsurate. Comparaţi amplificările date de relaţiile (1.6) si (1.9) cu amplificările măsurate (în cazul al doilea, RS este decuplată de C 3 = 470 µF ). Măsuraţi rezistenţele de intrare şi de ieşire ale amplificatorului folosind C1 = 1nF , 27

respectiv C 2 = 1nF . Comparaţi rezultatele empirice cu valorile teoretice (rel. 1.7 şi 1.8). Aplicaţi semnale de intrare de amplitudini diferite şi apreciaţi calitativ distorsiunile de neliniaritate ale amplificatoarelor cu TEC-J, respectiv cu tranzistor bipolar. Cele prezentate pentru TEC-J cu canal n sunt valabile şi pentru TEC-J cu canal p, cu observaţia că rolul electronilor ca purtatori de sarcină este preluat de goluri şi în consecinţă sensurile pentru tensiuni şi curenţi sunt inversate.

APLICAŢII ALE TEC-MOS La realizarea următoarelor experimente, aveţi în vedere măsurile de protecţie a circuitelor cu tranzistoare MOS.

Experimentul 1 Alegeţi unul dintre inversoarele CMOS din integratul MMC 4069 (de exemplu cel cu intrarea la pinul 1). Conectaţi la masă toate intrarile neutilizate (3, 5, 9, 11, 13). Folosiţi tensiunile de alimentare : E D = 5V ; E S = 0V . Pentru ridicarea caracteristicii statice de transfer u y = f (u A ) , fixaţi pentru u A valori constante in domeniul (0 ...... 5 V) şi citiţi de fiecare dată tensiunea de ieşire. Puteţi folosi un potenţiometru R P = 10kΩ (v. ANEXA 5, FIG. 9, d) sau o sursă care permite reglarea fină a tensiunii continue (de exemplu E 4109). Observaţi că dacă fixaţi u A in zona a III-a din ANEXA 5, FIG. 9, b, micile fluctuaţii inerente ale tensiunii u A determină variaţii mari ale tensiunii u y . Reprezentaţi caracteristica pe hârtie milimetrică şi comparaţi-o cu cea din ANEXA 5, FIG. 9, b. Pentru a testa comportarea dinamică., aplicaţi la intrarea inversorului o undă rectangulară cu niveluri TTL. Vizualizaţi la un osciloscop cu două spoturi (în modul ALTERNATE) semnalele u y şi u A . Reprezentaţi formele de undă la o frecvenţă f = 1 kHz. Creşteţi apoi frecvenţa la (800 . . . 900) kHz şi determinaţi timpii de ridicare şi de coborâre ai tensiunii u y .

Experimentul 2 Alegeţi unul dintre comutatoarele bilaterale din integratul MMC 4066 (v. ANEXA 5, FIG. 10). Folosifi E D = +5V ; E S = −5V . Aplicaţi la intrare un semnal sinusoidal cu ampliludine de 13V vârf la vârf şi f=1 kHz. Conectaţi pe rând intrarea de control la +5 V, respectiv la masă şi observaţi tensiunea pe rezistenţa R = 100kΩ . Aplicaţi apoi la intrarea de control o unda rectangulara TTL cu frecvenţa100 Hz si vizualizaţi trenul de impulsuri de la ieşire. Pentru a măsura rezistenţa in conducţie( RCMOS ) a comutatorului bilateral, inversaţi intrarea cu masa in circuitul din ANEXA 5, FIG. 10,d şi folosiţi R = 1kΩ (explicaţi necesitatea acestor modificări). Aplicaţi +5V la intrarea de control si determinaţi RCMOS cu relaţia divizorului de tensiune

28

PROTECŢIA MUNCII Organizarea unui punct de lucru:

Observaţii: În afară de mijloacele de protecţie menţionate, la nivelul plăcilor si aparatelor (mai ales microprocesoare si calculatoare) se utilizează uneori şi o protecţie de tip soft. O astfel de protecţie constă în a utiliza la intrare o poartă ŞI-NU la care una din intrari este mereu baleiată cu un semnal “paznic” preluat de la ceasul microprocesorului. Cealaltă intrare a porţii este rezervată semnalului util; când pe aceasta apare o descarcare DES (descărcare electrostatică) se declanşează un program care face ca întreaga structură hard sa fie deconectată faţă de intrare. Soluţia are dezavantajul că, atunci când DES este puternică, se distruge aceasta poartă “paznic”. Există si alte soluţii. O măsură suplimentară de protecţie la manipularea plăcilor cu mare densitate de componente, cum sunt plăcile de bază, constă în a le trata cu un spray antistatic înainte de a pune mana pe ele.

Testarea dispozitivelor disipative de la masa de lucru: Dispozitivele trebuie controlate periodic în privinţa rezistenţei electrice şi a continuităţii legăturii la pământ. Acest control se face cu un ohmetru numeric simplu sau unul specializat pe intervalul 0,8-20 MΩ , în care trebuie să se încadreze rezistenţele faţă de pământ ale dispozitivelor menţionate. 29

O precauţie specială se impune la testarea brăţării, dispozitiv menit a descarca pe operator, principala sursă de sarcini electrice în industria electronică şi a calculatoarelor. Pentru mai multă siguranţă adesea se recurge la controlul permanent al brăţării. În acest scop brăţara se construieşte din două părţi. Secţiunea 1 este legată la pământ printr-o rezistenţa de 1 MΩ iar secţiunea 2 este conectată la un comparator de rezistenţe. Când rezistenţa depăşeşte intervalul prescris, comparatorul declanşează o alarmă sonoră.

Alte precauţii: Înainte de a atinge componentele sensibile la DES, operatorul uman trebuie să atingă tapetul de masa disipativ. Hainele operatorului uman sa nu se apropie şi să nu atingă componentele sensibile la DES. Operatorul va putea utiliza numai mănuşi de bumbac, iar persoanele nepregătite nu trebuie să se apropie de componentele sensibile. Persoanele care manipulează componente sensibile nu vor face activităti fizice intense care ar putea sa le încarce electrostatic, iar peste încalţăminte trebuie sa poarte anvelope disipative. Componentele sensibile la DES trebuie să rămână in cutiile lor antistatice până în momentul utilizării, iar înaintea scoaterii lor din cutie operatorul uman trebuie: -să pună cutia în tapetul disipativ; -să verifice dacă brăţara este stransă pe mână şi dacă e legată la pământ; -să atingă cu mâna tapetul; Pe cât posibil, în timpul lucrului, componentele sensibile trebuie să fie în contact cu tapetul. Dacă se utilizează ionizatoare şi umidificatoare, acestea să intre în funcţiune înainte de scoaterea componentelor sensibile din cutie. Circuitele integrate sensibile nu trebuie introduce sau scoase de pe placă în prezenţa tensiunii de alimentare. La plăcile cu componente sensibile pe intrări se conectează rezistenţe adecvate spre a limita curentul provenit din DES, iar terminalele care nu sunt folosite trebuie scurtcircuitate cu şunturi tip clamă.

30

ANEXE ANEXA 1

FIG.1. Clasificarea TEC

31

ANEXA 2

32

ANEXA 3 33

ANEXA 4

34

ANEXA 5 35

BIBLIOGRAFIE 36

1. Dănilă T., Ionescu-Vaida M., - Componente şi circuite electronice – Ed.

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1997 2. Sabin I., Munteanu R., - Introducere practică în electronică – Ed. Facla, Timişoara 1985 3. Găzdaru C., Constantinescu C. - Îndrumar pentru electronişti (Radio şi Televiziune) vol. 1- Ed. Tehnică, Bucureşti 1986 4. http://www.scoala.fxhigh.com

37