1

A8B32IES – Úvod do elektronických systémů

5.11.2014 – Tranzistor MOSFET – charakteristiky, parametry, aplikace

• Tranzistor řízený polem - princip a základní aplikace • Charakteristiky a mezní parametry tranzistoru MOSFET • Pracovní bod tranzistoru MOSFET • Invertor s tranzistorem MOSFET

• Měření charakteristik invertoru

A8B32IES – 5.11.2014 – Tranzistor MOSFET – charakteristiky, parametry, aplikace

gmU UGS

UGS

aplikace

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

UGS

G

G

D

S

G

D

S

B

D

S

D

S

D

S

G

D S B

schematická značka

kolektor

emitor

substrát hradlo

řízený proudový zdroj

spínač

řízený odpor

řídící struktura Kov-Oxid-Polovodič řízeno elektrickým polem transrezistance 1/gm

G D

S

1959 Dawon Kahng a M. M. Attala konstruují první polem řízený tranzistor

1926 J. E. Lilienfeld patentuje princip polem řízeného tranzistoru

S G

D

pohled shora

řez

G D S

kanál řízený polem

Princip – elektrostatická indukce

Q = 0 Q > 0 Q < 0

+

+

+

+

+

- - -

-

-

+

+

+

+

+

- - -

-

-

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

S G D

N +

S

G D

kanál N

S G D

P + P +

kanál P

kanál N kanál P

SUBSTRÁT P SUBSTRÁT N

N +

G G G

SiO 2 SiO 2

indukovaný indukovaný zabudovaný zabudovaný

B B

B S

D B

S

D B

S

D B

značení vycházející z polarity substrátu P→N

Tranzistor MOSFET N-kanálový nevodivý stav UGS= 0

elektrony

díry

hradlový oxid

izolace

kovový kontakt Drain (D)

kovový kontakt Source (S)

Source kanál Drain

energetická bariéra

elektrony

díry

UGS>>0

hradlový oxid

izolace

kovový kontakt Drain (D)

kovový kontakt Source (S)

Source kanál Drain

Tranzistor MOSFET N-kanálový vodivý stav UGS> UT

|UGS

| [V]

I

G [nA]

ID[mA]

UDS

[V]

UGS

MOSFET – VA charakteristika a mezní parametry

UDSmax

IDmax

UGSmax

UDSmax Drain-Source Voltage Maximum

ID Continuous Drain Current

ID M Pulsed Drain Current

UGSmax Gate-Source Voltage Maximum

Ptot Power Dissipiation

BUDSS Drain-Source Breakdown Voltage

0 BUDSS

Ptot= UDS·ID

Vstupní

Výstupní

G

D

S

B UDS

UGS

ID

MOSFET – katalogový list

Maximální napětí Drain-Source

Maximální hodnota ID – trvale Maximální hodnota ID – pulzně

Prahové napětí

Maximální napětí Gate-Source

Maximální ztrátový výkon

Průrazné napětí Drain-Source

Strmost

Statický odpor D-S v sepnutém stavu

Vstupní kapacita

Spínací/vypínací zpoždění

Tranzistor MOSFET jako řízený proudový zdroj

ID[mA]

UDS

[V]

UGS

UDSmax

IDmax

BUDSS

Ptot= UDS·ID

0

P0

ΔuGS

D

S

gmΔuGS

G

ΔiD

S

ΔiG=0

ΔuDS

RD R1

R2 G S

D

UDD

Aplikace → zesilovač

Volba polohy klidového pracovního bodu P0

ID[mA]

UDS

[V]

UGS

UDSmax

IDmax

BUDSS

Ptot= UDS·ID

UDS

RD

UDD

UGS =

D

S

G

ID

Většinou dáno použitým zdrojem => U DD fixní, dle UDD volí tranzistor s odpovídajícím UDSmax

RD omezuje polohu P0 ve výstupní charakteristice, ovlivňuje zisk a omezuje Pmax

UDD

UDD/2

RD2

RD3

RD3

RD1 < RD2 < RD3

Minimimální hodnota RD je dána maximálním ztrátovým výkonem tranzistoru.

je-li UDS = UDD/2

Zdroj dodává max. výkon do zátěže (FETu)

Pmax> UP0* IP0= UDD/2 * UDD/(2*RD)

max

2

DDDmin

4P

UR 0

pozor na průraz UGS<UGSmax

Tranzistor MOSFET jako spínač

ID[mA]

UDS

[V]

UGS

UDSmax

IDmax

BUDSS

Ptot= UDS·ID

0

P0ON

uGS

D

S

G

iD ~ nA

S

iG

uDS

RD

G S

D

UDD

uOFF

uON P0OFF

CGS uGS

D

S

G

iD =UDS/RON

S

iG

uDS CGS RON

OFF ON

Invertor invertuje hodnotu vstupní logické proměnné (pravda/nepravda)

invertor jako elektronický prvek mění definované úrovně napětí (proudu)

např.

je-li UIN = 0 (log.0), tak UOUT = UDD (log.1)

je-li UIN = UDD (log.1), tak UOUT = 0 (log.0)

Výstupní hodnota mezi těmito limitními stavy závisí na konstrukci invertoru (zapojení, parametrech tranzistorů, odporů, apod.)

Ideální charakteristika

Vin spínač je-li Vin> VDD/2 sepnut

je-li Vin< VDD/2 rozepnut

Možná realizace VDD

Vout

UDS

RD

UDD

UGS =

D

S

G

ID

UDS

[V]

ID [mA]

Převodní charakteristika invertoru MOSFET

závislost UDS= f(UGS) v zapojení společný Source (SS)

UGS

[V]

UDS

[V]

UGS[V]

A

UDD

UDD/RD

B

C

D

E

UT UGS < UT

A

D

UDS=UGS - UT

UDS=UGS - UT

B

C

E UDD

strmost lineární části je úměrná napěťovému zisku Au~ - gmRD

UDD

F G

F G

sepnuto (PON spínače)

rozepnuto (POFF spínače)

oblast volby P0 pro zesilovač

Měření převodní charakteristiky invertoru Cíl: změřit převodní charakteristiky invertoru s tranzistorem MOSFET BS170F pro

různé hodnoty zatěžovacího odporu RD, vykreslit grafy jejich charakteristik v Excelu (list InvertorMěření) a určit parametry UT, Ron, Au.

PARAMETRY@podmínky

UDS Drain-Source Voltage 60 V

ID Tamb= 25ºC Continuous Drain Current 0.15 A

IDM Pulsed Drain Current 3 A

UGS Gate Source Voltage ±20 V

Ptot Tamb= 25ºC Power Dissipation 330 mW

BUDSS ID=100μA, UGS=0V Drain-Source Breakdown Voltage 60- 90 V

UGS(th) ID=1mA, UDS=UGS Gate-Source Threshold Voltage 0.8 - 3 V

IGSS UGS=15V, UDS=0V Gate-Body Leakage 10 nA

RDS(on) UGS=10V, ID=200mA Static Drain-Source On-State Resistance 5 Ω

gfs UDS=10V, ID=200mA Forward Transconductance 200 mS

C UDS=10V, UDS=0V, =1MHz Input Capacitance 60 pF

td(on) UDD=15V, ID=600mA Turn-On Delay Time 10 ns

td(off) UDD=15V, ID=600mA Turn-Off Delay Time 10 ns

Katalogový list tranzistoru BS170F

Princip měření

UDS

RD

BS170

UDD

V UGS

V

=

UDS

[V]

ID [mA]

UGS

[V]

UDS

[V]

UGS[V]

A

UDD

UDD/RD

B

C

D

E

UT UGS < UT

A

D

UDS=UGS - UT

UDS=UGS - UT

B

C

E UDD

Strmost lineární části je úměrná napěťovému zisku Au~ - gmRD

UDD

POZOR!! Charakteristika je nelineární.

Je třeba změřit dostatek hodnot mezi body A-E.

Přípravek pro měření převodní charakteristiky invertoru s tranzistorem MOSFET

volba odporu RD

propojit BS170F

regulace UGS

Přístroje používané v A8B32IES

Zdroj stejnosměrného napětí

U1 U2

U1 U2

KOSTRA PŘÍSTROJE NEPOUŽÍVAT

Pevné napětí 5V/3A

NEPOUŽÍVAT nelze nastavit

proudové omezení

Oba přepínače vypnuté (= nezávislé zdroje U1 a U2)

VYPÍNAČ

17 A8B32IES – 4.11.2013 – Elektronické prvky – charakteristiky, parametry, aplikace

Přístroje používané v A8B32IES

V, Ω

Multimetry – voltmetr, ohmmetr

V, Ω 18 A8B32IES – 4.11.2013 – Elektronické prvky – charakteristiky, parametry, aplikace

Přístroje používané v A8B32IES

Multimetry – ampérmetr

A A 19 A8B32IES – 4.11.2013 – Elektronické prvky – charakteristiky, parametry, aplikace

UDS

RD

BS170

UDD= 15V

RG1

100k

100k

VUGS

V

UCC=15V

V UDS

RD= 1k

Zapojení pro měření převodní charakteristiky

V UGS

regulace UGS

Pro vybrané RD doplnit naměřené souřadnice UGS a UDS převodní charakteristiky

Zpracování výsledků – list InvertorMěření

Určit Ron a Au

Odhadnout prahové napětí tranzistoru BS170