Riassunto esame Elettronica 1, libro consigliato Circuiti per la Microelettronica, Sedra Smith

L

5.8.6 Risposta in frequenza dell'amplificatore

35 abbiamo assunto che il guadagno degli amplificatori a MOS è costante, indipendentemente

• dalla frequenza del segnale di input

questo implica che gli amplificatori MOS hanno una larghezza di banda infinita (cosa non

• vera)

c'è invece una larghezza di banda nella quale il guadagno rimane pressoché costante

• (chiamata midband o banda intermedia)

a basse frequenze il guadagno cala, questo perché i condensatori di accoppiamento non

• hanno più basse impedenze tanto da poter essere considerati corto circuiti

questo però è vero a medie frequenze dove tutte le capacità vengono considerati corto

• circuiti

ad alte frequenze invece il guadagno cala per l'effetto capacitivo interno al MOSFET

•

5.9.1 The Body Effect (effetto di substrato)

in molte applicazioni il Source è collegato al substrato (body), dove risulta una giunzione pn

• tra substrato e canale indotto che è polarizzata a una tensione costante a zero (cutoff)

in questo caso il substrato non opera all'interno del circuito e può essere ignorato

• tuttavia nei circuiti integrati il substrato è comune a molti MOS transistor

• per mantenere la condizione di cut-off per la giunzione substrato-canale, il substrato di

• solito viene collegato all'alimentazione più negativa negli NMOS (positivo nei PMOS)

viene quindi instaurata una polarizzazione inversa tra Source e Body (V , se si tratta di un

• SB

canale-n) che avrà un effetto nelle operazioni del dispositivo

la polarizzazione inversa (se consideriamo un NMOS) allarga la depletion region e riduce la

• profondità del canale

bisogna quindi aumentare V per mantenere il canale uguale

• GS

l'effetto di V sul canale può essere più convenientemente rappresentato tramite una

• SB

variazione della tensione di soglia Vt

più nello specifico la tensione Vt aumenterà di una certa relazione

•

5.9.2 il substrato è collegato a terra, ma visto che il Source non lo è si forma una tensione V tra

• BS

Body e Source

il substrato funge quindi da secondo Gate, viene chiamato BackGate

• il segnale Vbs determina il controllo di una componente della corrente di Drain che si scrive

• g v

◦ mb bs

g è la transconduttanza di body (a V e V costanti è la variazione di corrente di

◦ mb GS BS

Drain rispetto alla variazione di tensione v )

BS

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5.9.6

MOSFET a svuotamento

il MOSFET a svuotamento presenta un canale fisicamente impiantato

• presenta una regione di silicio di tipo n che congiunge Source a Drain, in

• questo modo anche se Vgs=0 ma si applica una tensione tra i due terminali, la

corrente scorrerà comunque

in altre parole non c'è necessità di indurre il canale

• la profondità, e la conducibilità possono comunque essere controllate da vgs

• come prima

vgs positiva

• arricchiamo il canale attirando più elettroni al suo interno

◦

vgs negativa

• assottigliamento del canale causato da una repulsione degli elettroni e

◦ quindi diminuzione della conducibilità

ad un certo valore negativo (valore della tensione di soglia Vt) il canale

◦ scompare e la corrente Id non passa anche se la tensione ai capi è applicata

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Diodi (approfondimento)

Diodo ideale

se una tensione negativa è applicata al diodo, in esso non scorre corrente e si comporta come

• un circuito aperto, in questo caso si dice che è in polarizzazione inversa.

Se una corrente positiva è applicata invece al diodo la tensione ai capi è zero e il diodo si

• comporta come un corto circuito. Si dice che in polarizzazione diretta.

Circuito Raddrizzatore

in un circuito può essere utilizzato come raddrizzatore a singola semionda

• ipotizziamo un segnale sinusoidale in ingresso:

• durante la tensione positiva si comporta come un corto, la tensione ai capi diventa zero e

◦ scorre corrente, la tensione misurata in uscita è come quella in ingresso

durante la tensione negativa si comporta come un aperto, la corrente non scorre e la

◦ tensione in uscita è zero

Diodo come porta logica

il diodo insieme alle resistenze può essere usato per implementare le porte logiche

• ipotizziamo un circuito in logica positiva (dove consideriamo la tensione più bassa come

• livello logico zero e la più alta come livello logico 1) con 0 V (zero o low) e +5 V (1 o high)

impostando correttamente i diodi si possono ottenere porte AND e porte OR a più input

•

Regione di polarizzazione diretta

la corrente che scorre nel diodo è determinata da due parametri importanti

• Is ovvero la corrente di saturazione (saturation current)

◦ Vt ovvero il voltaggio termico (thermal voltage)

◦

Polarizzazione inversa

quando la tensione applicata è negativa e sufficientemente più grande di Vt si può

• approssimare la corrente come

i = -Is

◦

si forma quindi una corrente inversa (molto piccola) nel caso reale

•

Regione di Breakdown

la regione di breakdown è dove la tensione negativa raggiunge una tensione soglia (tipica

• del diodo in questione) chiamata tensione di breakdown (Vzk)

nella regione di breakdown (di guasto) la corrente inversa aumenta rapidamente rispetto alla

• tensione inverse che aumenta lentamente

normalmente l'eccessiva dissipazione che si ha da questa grande tensione è limitata da una

• circuiteria esterna, che impedisce quindi il danneggiamento del diodo.

Normalmente il valore soglia della tensione è indicato nel data sheet del diodo

•

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Diodi Zener

i diodo che operano in regione di breakdown, vista la quasi costante variazione di tensione

• in questa zona, possono essere utilizzati come regolatori di tensione

i regolatori di tensione sono circuiti che forniscono una tensione costante in continua in

• uscita a fronte del cambiamento della corrente di carico nel loro sistema di alimentazione

(esattamente come succede nella zona di breakdown del diodo)

alcuni diodo sono realizzati per funzionare, al tal proposito, specificatamente in questa zona,

• e sono chiamati Diodi Zener o Breakdown Diodes

minore è il valore di rz (dynamic or incremental resistance) più il valore della tensione

• rimane costante ai capi del diodo al variare della corrente

un diodo zener può essere modellizzato come una batteria con una resistenza (rz) in serie, la

• batteria dalla parte del catodo e la resistenza dalla parte dell'anodo

Raddrizzatore a singola semionda (half-wave rectifier)

ci sono due parametri importanti nella scelta di diodi come raddrizzatori

• Capacità di gestione della Corrente (current handling capability), determinata dalla

◦ massima corrente che il diodo può condurre

PIV, peak inverse voltage, picco di tensione inversa, ovvero la tensione inversa che il

◦ diodo può sopportare prima di andare in breakdown, la massima tensione inversa che il

diodo può sopportare (PIV = Vs)

è prudente scegliere un diodo che abbia una tensione inversa di breakdown almeno il

◦ 50% più grande di PIV

Raddrizzatore a doppia semionda (full-wave rectifier)

per implementare tale raddrizzatore si usa un trasformatore a presa centrale (center-tapped),

• il quale fornisce alle due metà della seconda induttanza la stessa tensione

si applicano poi due diodi, uno in polarizzazione diretta e uno in polarizzazione inversa

• entrambe le tensioni saranno negative allo stesso periodo, questo vuol dire che uno dei due

• sarà sempre in cut-off e l'altro invece condurrà, solo che uno lo farà quando la tensione è

negativa, l'altro quando la tensione positiva

Raddrizzatore a ponti di diodi (Bridge Rectifier)

un'implementazione alternativa del raddrizzatore a doppia semionda

• durante la tensione positiva la corrente scorre attraverso D1, R, D2 mentre D3 e D4 sono in

• polarizzazione inversa

durante la tensione negativa la corrente scorre attraverso D3, R, D4 mentre D1 e D2 sono in

• polarizzazione inversa

durante entrambe le fasi la corrente scorre attraverso R sempre nello stesso senso, e quindi

• misurando la tensione di output ai capi del resistore essa sarà sempre positiva

Svantaggi

• bisogna usare 4 diodi, ma non è considerato molto uno svantaggio a causa del basso

◦ costo dei diodi. Spesso si può comprare anche direttamente un ponte di diodi

dal momento che ci sono due diodi in serie quando passa la corrente, la tensione di

◦ uscita sarà minore della tensione d'ingresso (comparata a quella con un solo diodo)

Vantaggi

• non si utilizza il trasformatore a presa centrale

◦

39 il PIV è più o meno la metà del valore del raddrizzatore a doppia semionda

◦ per la seconda bobina è richiesta la metà degli avvolgimenti

◦

Raddrizzatore con un filtro-capacitivo (Raddrizzatore di Picco)

per diminuire la variazione di output e rendere il segnale più simile a una continua viene

• applicato un condensatore alla resistenza di carico

ipotizziamo una situazione ideale con segnale sinusoidale in ingresso:

• quando il segnale in ingresso è positivo il diodo conduce e il condensatore si carica,

◦ cosicché la tensione di uscita sia uguale a quella in entrata

quando raggiunge il valore di picco Vp, l'ingresso diminuisce secondo la sinusoide, il

◦ diodo va in polarizzazione inversa e l'uscita rimane costante a questo valore

(teoricamente) il condensatore mantiene la carica e la tensione ai suoi capi poiché,

◦ essendo il diodo in polarizzazione inversa, non ha modo di scaricare

ora consideriamo una situazione più reale, con un carico R in parallelo al condensatore

• (ipotizzando il diodo sempre ideale)

come prima il condensatore si carica fino al valore di picco Vt

◦ il condensatore scarica attraverso R durante tutto il ciclo, fino a quando la tensione

◦ d'ingresso non eccede quella ai capi del condensatore

allora il diodo si accende di nuovo e ricarica il condensatore di nuovo fino al picco

◦ il processo si ripete

◦ per evitare che il voltaggio in uscita scenda troppo durante la scarica del condensatore, si

◦ sceglie un valore di C tale che la costante di tempo RC sia molto più grande

dell'intervallo di scarica

Il Superdiodo

i circuiti che abbiamo visto fin'ora avevano uno o due diodi nel percorso del segnale

• questi circuiti funzionano bene quando il segnale da essere raddrizzato è molto più grande