informe 7 analoga
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Universidad Nacional de Colombia. Chaparro Arce. El transistor MOSFET: Caracterizacin y aplicacin de compuertas lgicas
Octubre de 2014
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Abstract The results obtained in the lab No. 7 of analog electronics, led to the characterization and basic
implementation of MOSFET transistors and digital logic
gates are evaluated. In this laboratory measurements of
the characteristics of transistors in an integrated circuit
located performed. From this the main considerations to
take into account when working with mosfet transistors
glimpsed.
Resumen A continuacin se evaluarn los resultados obtenidos en la prctica de laboratorio N 7 de
electrnica anloga, dirigida a la caracterizacin e
implementacin bsica de los transistores Mosfet y las
compuertas lgicas digitales. En este laboratorio se
realizaron las mediciones de las caractersticas de los
transistores ubicados en un circuito integrado. A partir
de esto se vislumbraron las principales consideraciones a
tener en cuenta en el momento de trabajar con
transistores mosfet.
Palabras clave Circuito integrado, transistor mosfet, compuerta lgica, zona de saturacin, zona triodo.
I. OBJETIVOS
Verificar el comportamiento fsico del transistor
MOSFET y algunas aplicaciones.
1. Caracterizar el transistor MOSFET en trminos
de su curva caracterstica.
2. Aplicar las propiedades del transistor
MOSFET en el diseo, implementacin y
verificacin de circuitos lgicos digitales.
II. INTRODUCCIN
El transistor MOSFET (Metal-Oxido-Semiconductor
MOS) es un dispositivo de efecto de campo,
semiconductor compuesto principalmente por dixido
de silicio. Su principal funcin dentro de un circuito es
controlar el paso de corriente a travs del mismo para
amplificar una seal determinada. Las aplicaciones ms
generales del MOSFET se ven reflejadas en la industria
de la telemedicina, ayudando en la medicin de ondas
cerebrales y pulso cardiaco; la implementacin de
circuitos electrnicos digitales por medio de
compuertas lgicas, usados en la industria de la
computacin y la informtica y la amplificacin de
sonido, uso requerido para mltiples aplicaciones
electrnicas que van desde audfonos individuales hasta
grandes y potentes altavoces usados en la industria del
espectculo.
III. MATERIALES
1. 1 Osciloscopio de dos canales.
2. 1 Multmetro Fluke.
3. 1 Fuente Dual.
4. 3 Sondas.
5. Resistencias de [W] (Segn clculos)
6. Transistores MOSFET canal N de
enriquecimiento TC4007.
IV. MARCO TERICO
El transistor de efecto de campo MOSFET es un
dispositivo electrnico usado para amplificar una gran
cantidad de seales elctricas al controlar el paso de
corriente dentro de un circuito determinado. La
composicin del MOSFET consta de 4 terminales
diferentes que representan cada una de las partes
internas del dispositivo; stas son la Source (S), Drain
(D), Gate (G) y Substrate (B); la composicin de cada
una de las partes es un semiconductor dopado que
depende del tipo de MOSFET que se requiera usar. La
terminal B generalmente est conectada internamente
por lo que en el mercado se encuentran los transistores
con 3 terminales. [1]
En la actualidad se encuentran disponibles 2 tipos de
MOSFET, los de enriquecimiento y los de
empobrecimiento. Los transistores de enriquecimiento
funcionan al crear un canal entre las terminales S y D
El transistor MOSFET. Caracterizacin y aplicaciones de compuertas lgicas digitales
Daniel Felipe Chaparro Arce, Cod 2262208
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por medio de una tensin proporcionada a G que regula
la corriente del circuito; su valor depende estrictamente
de la clase de MOSFET, puesto que existen transistores
tipo N y tipo P cuyo nombre se basa en la composicin
del sustrato de B. En la figura 1.a se observa la
composicin de un transistor de enriquecimiento y en
la figura 1.b su representacin grfica [1].
Figura 1: Composicin y simbologa de MOSFET de enriquecimiento. [2]
Por otro lado, en los MOSFET de empobrecimiento ya
est presente el canal para la regulacin de corriente.
Para su control y funcionamiento de conecta una fuente
de tensin en G de tal manera que pueda controlar el
paso de la corriente al cerrar el canal presente entre D
y S y as amplificar una seal proveniente de G. Al
igual que en los transistores de enriquecimiento, el
valor de la fuente en G depende de la composicin del
MOSFET y del tipo de semiconductor del que est
fabricado (Tipo N o tipo P). En la figura 2.a y 2.b se
muestra la composicin y simbologa de un transistor
MOSFET de empobrecimiento tipo N [2].
Figura 2: Composicin y simbologa de MOSFET de enriquecimiento tipo
N. [3] [2]
El funcionamiento del MOSFET depende de la tensin
suministrada por la fuente ubicada en G, encargada de
abrir o cerrar el canal por el que pasa la corriente; para
que esto suceda, la tensin debe ser mayor a un voltaje
umbral (VT) en el caso de los MOSFET de
enriquecimiento y menores en el caso de los de
empobrecimiento; de igual manera VT tendr valores
positivos para los transistores de enriquecimiento tipo
P y para los de empobrecimiento tipo N. El valor ser
negativo en los otros casos. El comportamiento de la
corriente ID en funcin de la tensin VDS de un transistor
de enriquecimiento es muy similar al de
empobrecimiento. En la respectiva grfica (figura 3) de
un transistor de empobrecimiento tipo N se puede
observar la presencia de 3 regiones; la regin triodo, de
saturacin y de corte (ubicada en valores negativos de
ID. [3]
Figura 3: Curva IDvsVDS de un MOSFET de empobrecimiento tipo N. [2]
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Con el nimo de no ahondar ms en la teora que de por
si es muy extensa, tenemos que en la zona de corte la
corriente ID se no tiene ningn valor.
= 0 [2]
Por otro, en la zona de triodo, se comporta de manera
similar a una resistencia. (K es un valor dado por el
fabricante del transistor).
= (( )
2
2)
[2]
La zona de saturacin es la ms importante en estos
momentos para el curso, por esta razn, una de las
frmulas ms importantes ser la de la corriente en
esta zona, dada por.
= ( )2
[2]
Visto desde esta manera, la zona de saturacin en un
transistor tipo N se da cuando.
[5]
Por otro lado, en un transistor tipo P, la zona de
saturacin se presenta cuando.
[5]
V. PROCEDIMIENTO
1. Caracterizacin del transistor MOSFET
usndolo como fuente de corriente Modelo
SCS (Switch Current Source).
En esta parte del laboratorio, se realiz el montaje
propuesto de la figura 5; en el que se utiliz un
transistor MOSFET canal N de enriquecimiento
TC4007 integrado, ilustrado en la figura 4. Para realizar
el respectivo montaje se respondieron las preguntas
propuestas por la gua para mejorar el entendimiento
acerca de la teora.
Figura 4: Caracterizacin MOSFET TC4007 [6]
Figura 5: Configuracin de transistor MOSFET para fuente de corriente [4]
- Qu funcin cumple el diodo dentro de
este circuito?
La funcin del diodo en el circuito propuesto es la de
regular el paso de corriente en una sola direccin; de
este modo, la tensin en VDS ser positiva y el transistor
estar en la zona de saturacin puesto que es tipo N.
- Por qu la fuente alterna debe ser
triangular?
- Para qu se mide la seal en los dos
canales y qu se mide en cada uno de ellos?
Segn la configuracin recomendada en la clase, en el
canal 1 se mide la tensin VDS y en el canal dos. Por
otro lado, en la medicin del canal dos, debido a que no
es posible medir con el osciloscopio la corriente ID se
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mide la tensin en la resistencia de carga para
vislumbrar la corriente.
- Por qu se tiene un potencimetro antes
del Gate, cul es su funcin?
Segn la configuracin propuesta de la figura 5, el valor
de VGS depende de las resistencias conectadas en G por
lo que S est conectado y representa la tierra. De esta
manera, cuando la resistencia vare, el voltaje tambin
lo har, considerando que siempre se encuentra en la
zona de saturacin.
- Cmo se puede caracterizar el transistor
MOSFET mediante el uso de este circuito?
En primer lugar para caracterizar un transistor
MOSFET es necesario conocer tres variables; k, Rds y
VT. Para el transistor usado, se sabe que es necesario
que VGS > VT para que el canal exista y se genere una
corriente ID. Por lo tanto, la tensin VT se obtendr al
variar las diferentes tensiones en G hasta que se
vislumbre que el transistor comienza a funcionar; por
otro lado, para obtener K es necesario medir la corriente
ID de algn punto y por medio de la ecuacin
caracterstica es posible hallar K. De igual manera se
halla Rds partiendo la pendiente en la grfica de la
figura 3 concerniente al experimento.
- Qu forma tendr la curva caracterstica
del transistor (ID vs VDS)?
La curva ser muy similar a la presentada en la figura
3, caractersticas de los MOSFET.
Al tener claros los anteriores interrogantes, se procedi
a realizar el montaje y apreciar la grfica de ID vs VDS
del transistor, arrojando como resultado la grfica de la
figura 6. Cabe aclarar que para obtener la curva
caracterstica del transistor es necesario invertir el canal
2, por lo que la grfica obtenida por el osciloscopio es
inversa a la esperada, esto debido a la polaridad en que
est conectado el circuito. Por esta razn es posible
decir que los resultados obtenidos son los esperados.
Figura 6: Curva caracterstica del transistor invertida
Luego de variar la tensin G, se encontr que a
aproximadamente 1.7V se creaba el canal porque a ese
valor comenz a fluir corriente por el circuito. De esta
manera y para efector prcticos VT=1.7V.
Segn lo propuesto en la gua de laboratorio, se
procedi a obtener la curva caracterstica del transistor
para 5 distintos valores de VGS, teniendo en cuenta su
respectiva corriente hallada gracias al valor la
resistencia de salida (100) y su respectiva corriente medida con un multmetro. Al realizar este
procedimiento se obtuvieron las grficas concernientes
a las figura 7.a, 7.b, 7.c, 7.d y 7.e; de igual manera,
luego de realizar las mediciones y los clculos
correspondientes, se obtuvieron los valores de la tabla
1.
Figura 7.a: Curva caracterstica del transistor con VGS=5.17V.
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Figura 7.b: Curva caracterstica del transistor con VGS=7.48V.
Figura 7.c: Curva caracterstica del transistor con VGS=10V.
Figura 7.d: Curva caracterstica del transistor con VGS=12.1V.
Figura 7.e: Curva caracterstica del transistor con VGS=14.75V.
Medicin VGS [V] V100 [V] ID [mA]
a. 5.17 0.39 3.9
b. 7.48 1.1 11
c. 10 1.9 19
d. 12.1 2 20
e. 14.75 2.2 22 Tabla 1: Resultados primera parte del laboratorio
Al tener las mediciones dadas, se procedi a hallar el
valor de K, este valor se hall usando los datos
obtenidos en la medicin c de la siguiente manera.
=
( )2= 275.8 [
2]
Para finalizar la primera parte de la prctica, se hall el
valor concerniente a la resistencia Rds partiendo de la
pendiente obtenida en la grfica de la medicin c,
estudiada de manera autnoma. Luego de esto se
obtuvo que.
=100 1
1.5 1.25= 400
2. El MOSFET como un Switch Modelo S
En la segunda parte de la prctica de laboratorio se
usaron distintas configuraciones de compuertas lgicas
digitales. Previo a la prctica, se investigaron los
diferentes tipos de compuertas (NMOS, PMOS,
CMOS) y se logr evidenciar que la mejor opcin para
llevar a la prctica son las compuertas CMOS. Esta
consideracin se bas en la exactitud de sus mediciones
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debido a que los cambios de resistencia no producen
que la salida difiera en gran medida.
Segn los circuitos propuestos en la gua, concernientes
a las figuras 8 y 9 (OR, NOT), luego de un proceso de
anlisis se encontr que las tablas de verdad de los
circuitos son las correspondientes a las tablas 2 y 3
respectivamente.
Figura 8: Circuito lgico 1 [4]
Figura 9: Circuito lgico 2 [4]
Tablas 2 y 3: Tablas de verdad circuitos lgicos propuestos
De igual manera para la tabla de verdad propuesta en la
gua correspondiente a la tabla 4, se encontr que la
compuerta usada para poder obtener los datos se
denomina NAND, ilustrada en las simulaciones.
Tabla 4: Tabla de verdad propuesta [4]
Luego de realizar las respectivas comparaciones acerca
del comportamiento de los circuitos NAND, NOR y
NOT se procedi a realizar diferentes combinaciones
hasta obtener las compuertas AND y OR, encontradas
al negar las NAND y la NOR y representadas en las
figuras de las simulaciones.
Para finalizar esta parte del laboratorio, se procedi a
realizar el montaje del circuito inversor. Luego de
observar su comportamiento se obtuvo la funcin de
transferencia representada en la figura 10, teniendo en
cuenta que se us una tensin de polarizacin VDD=5V.
Figura 10: Funcin de transferencia inversor MOSFET
Al realizar los clculos requeridos para hallar los
valores requeridos por la prctica, se encontr que:
0
4.87
1.77
2.75
Segn los resultados obtenidos, se puede apreciar su
semejanza con los datos respectivos del datasheet del
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dispositivo, lo que corrobora la veracidad de los datos
obtenidos por el laboratorio. [6]
3. El Mosfet en la regin triodo Modelo SR
Al analizar el inversor MOSFET de la seccin anterior,
con valores de resistencias de Ron=40 y Roff=5M. Al usar el valor de 40, el transistor acta en forma de corto circuito, de manera que es posible afirmar que:
=40 5
100000 + 40= 0.002
Al considerar un transistor ideal, se puede vislumbrar
que la tensin de salida es de 0V. Anlogamente, al
considerar la resistencia de 5M es posible concluir que para un transistor ideal, la tensin de salida ser de
5V, en el caso de nuestro circuito, entonces:
=5 5(106)
100(103) + 5(106)= 4.9
Luego de esto se busc determinar las resistencias ON
y OFF. Para esto, se procedi a medir la tensin de
salida al usar un voltaje de entrada de 5V, lo que
produjo una tensin de salida de 2.23V. Teniendo este
valor se tiene que:
=5 2.23
2(103)= 1.385
Al tener la corriente de salida, es posible calcular Ron,
por medio de:
=2.23
1.385(103)= 1610.1
Para finalizar el laboratorio, se procedi a usar una
resistencia de 10G , lo cual arroj una tensin de salida de aproximadamente 3V, por lo que se tendra
que:
=3
= 15
Nota: En este clculo en particular se me presentaron
algunos problemas, por lo que los resultados podran
variar de los reales.
VI. SIMULACIONES
Figura 11: Simulacin de circuito en configuracin de transistor
MOFSFET como fuente de corriente
Figura 12: Grfica correspondiente al circuito de MOSFET como fuente de
corriente
Figura 13: Simulacin de circuito inversor con transistor NMOS
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Figura 14: Grfica correspondiente a curva de transferencia circuito
inversor
Figura 15: Simulacin de compuerta lgica NAND con transistores
MOSFET
Figura 16: Grfica correspondiente a respuesta del circuito NAND
Figura 17: Simulacin de compuerta lgica OR con transistores MOSFET
Figura 18: Grfica correspondiente a respuesta de circuito OR
VII. CONCLUSIONES
- Los transistores MOSFET representan un
elemento indispensable en el desarrollo de la
electrnica; sus aplicaciones, ya sea en la
utilizacin de fuentes de corriente o en la
creacin de compuertas lgicas digitales
facilitan en gran medida el diseo y la
construccin de una gran variedad de artefactos
tecnolgicos que facilitan la vida del ser
humano.
- Como se pudo observar en el desarrollo de la
prctica, los resultados experimentales difieren
con respecto a los valores previstos por medio
de la teora. Ms an debido a la fragilidad de
los transistores en cuanto a manejo se refiere;
de esta manera, entre mejor sea la
manipulacin de los dispositivos, mejor sern
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los resultados obtenidos y se acercarn ms a
los esperados por medio de la teora.
- Las aplicaciones de los transistores MOSFET
representan una gran ayuda en la vida de los
seres humanos; elementos como los
amplificadores de sonido, usados por la gran
mayora de humanos en el planeta son el
ejemplo ms claro de aplicacin de este tipo de
dispositivos; de esta manera la variacin de
corriente en forma de seal es uno de los
procesos ms importantes en la electrnica.
VIII. BIBLIOGRAFA
[1] R. L. Boylestad. Electrnica: Teora de Circuitos y
Dispositivos Electrnicos. 10rd ed. Pearson Educarion.
New York, 2009.
[2] A. Sedra and K. Smith, Microelectronic Circuits
Revised Edition, 5rd ed. New York, US: Oxford
University Press, Inc. 2007.
[3] Muhammad H. Rashid. Circuitos
Microelectrnicos, anlisis y diseo. 2th Ed.
Traduccin, Navarro Salas. US: Universidad de
Florida, International Thomson Editores. 2000.
[4] Tarquino Gonzalez Jonnathan Steve. El transistor MOSFET. Caracterizacin y aplicaciones en
compuertas lgicas digitales. Bogot, Colombia:
Universidad Nacional de Colombia, Electrnica
anloga 1. 2014 II.
[5] Chaparro A. Daniel F. Notas de clase Electrnica
Anloga I. Profesor Pablo Rodrguez. Universidad
Nacional de Colombia. Bogot, Colombia. 2014 III.
[6] Electronic Components Datasheets Search.
Datasheet CD4007CN. USA. 2014. Consultado en