PrTema6

Dispositivos Electrónicos
AÑO: 2010
TEMA 6: PROBLEMAS
Rafael de Jesús Navas González
Fernando Vidal Verdú
Dispositivos Electrónicos. CUESTIONES Y PROBLEMAS 6ª Relación
Curso Académico 09-10
E.T.S. de Ingeniería Informática
Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas: Curso 1º Grupo A
Sexta Relación: Cuestiones y Problemas
Cuestiones
1.- Explica brevemente la estructura física de un transistor MOS de enriquecimiento o
acumulación. Describe su tipologías y sus principales rasgos característicos.
2.- Explica brevemente la estructura física de un transistor MOS de empobrecimiento o
deplexión. Describe su tipologías y sus principales rasgos característicos.
3.- ¿Qué es la tensión umbral en un transistor MOS?
4.- ¿Qué quiere decir que un transistor es del tipo NMOS? ¿Que añadimos si decimos además
que es de deplexión?
5.- Explica brevemente, y de forma cualitativa la formación del canal en un transistor PMOS
de enriquecimiento.
6.- ¿Por qué a los transistores MOS (Metal Oxido Semiconductor) se les denomina también
transistores unipolares?
7.- ¿Por qué para un transistor MOS la corriente de puerta IG puede considerarse prácticamente
nula?
8.- Cuál es la principal característica que diferencia a un transistor MOS de enriquecimiento de
otro de empobrecimiento.
9.- Describe brevemente las regiones de funcionamiento de un transistor MOS (NMOS o
PMOS). Explica cómo funciona el transistor en cada una de ellas.
10.- ¿Cuál es la causa fundamental de que un transistor MOS entre en saturación?
11.- ¿Cuales son las principales capacidades parásitas asociadas a un transistor MOS? Justifica
su origen y cual es su principal efecto sobre el funcionamiento del transistor como elemento
de circuito.
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Curso Académico 09-10
12.- ¿Cuáles son las variables que definen el punto de operación de un transistor MOS como
elemento de circuito en configuración de fuente común. Caracteriza en función de ellas sus
diferentes zonas de operación.
13.- Esboza y describe brevemente las curvas características de un transistor NMOS de
enriquecimiento. Señala sobre ellas las diferentes regiones de trabajo y las condiciones que
las determinan en su correspondiente modelo.
14.- ¿Cuáles son las principales diferencias entre un transistor NMOS y un transistor PMOS en
cuanto a su estructura física y en cuanto a su funcionamiento como elemento de circuito?
15.- Dibuja el esquema del inversor y la puerta NOR de la familia NMOS y describe
brevemente su funcionamiento, en términos de las zonas de operación de los transistores
que los constituye. Indicar cuáles son las características más destacables de esta familia
lógica.
16.- Dibuja el esquema de la puerta NAND de la familia NMOS y describe brevemente su
funcionamiento, en términos de las zonas de operación de los transistores que los
constituye.
17.- Dibuja el esquema del inversor y la puerta NOR de la familia CMOS y describe
brevemente su funcionamiento, en términos de las zonas de operación de los transistores
que los constituye. Indicar cuáles son las características más destacables de esta familia
lógica.
18.- Dibuja el esquema de la puerta NAND de la familia CMOS y describe brevemente su
funcionamiento, en términos de las zonas de operación de los transistores que los
constituye.
19.- Realiza una comparación entre las familias lógicas NMOS y CMOS.
20.- Cita alguna de las ventajas de las familias lógicas MOS frente a las familias lógicas
bipolares.
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Problemas
1.- Averiguar la región en que trabajan los transistores MOS de la Figura 1 si VA-VB>VT. ¿Es
decisiva esta última condición en los casos de las figuras 1b y 1c?.
VA
VA
VB
VB
Figura 1c
VB
Figura 1b
Figura 1a
VA
VA
VB
Figura 1d
2.- Calcula el punto de operación del transistor MOS de la Figura 2. Indicar cuál es la potencia
consumida por el circuito. ¿Cuál es la potencia disipada en el transistor?
3.- En el circuito de la Figura 3, calcular el valor de βp sabiendo que la corriente IS es de 50mA.
Calcular también el valor de vo y la potencia aportada por la fuente de alimentación.
VDD
RD
VDD
β=500μA/V2
VDD=5V
βΝ=12,5mA/V2
VT= -2V
M
vo
RD= 10kΩ
VTN= 1,5V
VTP= 2,0V
RS= 2kΩ
RS
VDD= 5V
Figura 3
Figura 2
4.- Para el circuito inversor NMOS de la Figura 4, calcula el valor vo y el consumo de potencia.
Justificar la respuesta verificando que se cumplen las condiciones de la zona de trabajo en
la que se supone que se encuentras ambos transistores.
VDD
Mt
+
Vi
Mb
vO
-
VDD = 5 V
Vi = 5 V
VTb = 1 V
VTt = -3 V
βb = 9 μA/V2
βt = 12 μA/V2
Figura 4
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5.- En el circuito de la Figura 5, calcula los valores a la salida (Vo) y el consumo para cada uno
de los valores de entrada Vi = 5V y Vi = 0V. Probar en cada caso cuál es el estado de
conducción de los dispositivos semiconductores. (Considerar el modelo tensión umbral
para el diodo LED).
DATOS
VDD
VDD = 5 V
R
R = 100kΩ
Mp
Vγ= 1.25V
Vi
VTn = 1.5 V
VTp = -1 V
βMn = 20 μA/V2
+
Vo
_
Mn
βMp = 75 μA/V2
Figura 5
6.- Calcular vo en los circuitos de la Figura 6 para los valores de entrada vi = 0V y vi = 5V.
Indicar cual es el consumo en cada caso. Probar que los dispositivos trabajan en las
regiones que se suponen. Comparar los resultados.
VR =7V VDD=5V
βt=25μA/V2
βt=25μA/V2
Mt
2
βb=100μA/V
VTt=VTb= 1V
VDD=5V
Vo
Vi
Mt
βb=100μA/V2
VTt=VTb= 1V
Mb
Figura 6a
Vo
Vi
Mb
Figura 6b
7.-Calcula los valores eléctricos asociados a los valores lógicos a la salida de las puertas NOR
de la Figura 7 para cada una de las cuatro combinaciones posibles de las entradas. Calcula
también el consumo en cada caso. Probar que los dispositivos trabajan en las regiones que
se suponen.
VDD=5V
VDD=5V
VDD=5V
Vo
VA
MA
Figura 7a
Mt
Mt VT= -1V
Vo
1MΩ
VB
MB
VA
VB
MA
MB
VT= 1V
Vo
VA
VB
MA
MB
Figura 7b
Figura 7c
2
VTA=VTB= 1V
Κ=50μA/V
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8.- En el circuito de la Figura 8, calcular los valores de salida y el consumo para los valores de
entrada Vi=5V y Vi=0V. Probar que los dispositivos trabajan en las regiones que se suponen.
VDD=5V
1MΩ
Vo
Vγ= 0.7V
β=100μA/V2
Vi
VT= 1V
10kΩ
Figura 8
9.- Para los cuatro inversores de la Figura 11, calcular los valores de salida Vo asociados a las
entradas alta Vi=5V y baja Vi=0V.
5V
7V
5V
5V
VT= 1V
VT= -1V
VT= 1V
M
Vi
Q
VT= 1V
Vi
10kΩ
Vo
10kΩ
Figura 9a
M
M
Vo
Vo
Q
Vi
Q
10kΩ
Vi
10kΩ
Figura 9c
Figura 9b
VBEON=VBEACT=VBESAT=0.7V
5V
VCESAT=0.2V
M
Vo
Q
Figura 9d
βM=50μA/V2
βQ=30
10.- Para los circuitos de la Figura 10, indicar a que familia lógica pertenecen y cuál es la
función booleana que realizan, siendo ‘O’ la salida. Justificar adecuadamente la respuesta.
VDD
VDD
VDD
B
A
O
O
A
A
B
C
D
Figura 10a
C
Figura 10b
C
VDD
A
B
O
B
D
A
C
O
B
B
C
A
C
Figura 10c
Figura 10d
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Formulario:
G
VT > 0
G
VT < 0
G
VT > 0
G
D
S
S
S
S
D
D
VT < 0
D
S
D
si V SG ≤ V T
G
si V GS ≤ V T
G
D
S
S
D
β
2
I D = --- ( V SG – V T )
2
β
2
= --- ( V GS – V T )
2
ID
si V GS ≥ V T
y V DS ≥ V GS – V T
G
S
S
V SD ≥ V SG – V T
y V DS ≤ V GS – V T
2
V SD
I D = β ( V SG – V T )V SD – --------2
2
V DS
= β ( V GS – V T )V DS – --------2
si V GS ≥ V T
G
y
D
S
D
ID
si V SG ≥ V T
G
si V SG ≥ V T
G
D
y V SD ≤ V SG – V T
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SOLUCIONES:
1(a).- saturación,
1(b).- corte,
1(c).- corte,
1(d).- saturación.
2.- ID= 0,352mA; VGS = -0,704; VDS = 0,776 V; PDD= 1,76 mW ; PM= 0,23 mW.
3.- βP = 28 mA/V2; vo = 4,33 V; PDD = 250 mW.
4.- Vo = 2V ; PVDD= 270uW.
5.- Vi = 5V, V o = 0.5V y P VDD = 162,5μW ; Vi = 0V, V o = V DD y P VDD = 0W .
6(a).- (Vo(0) = 5 V, P(0) = 0 W); (Vo(1) = 0.89 V, P(1) = 1,57 mW).
6(b).- (Vo(0) = 4 V, P(0) = 0 W); (Vo(1) = 0.42 V, P(1) = 0,80 mW).
7(a).- (Vo(00) = 5V, P(00) = 0 W); (Vo(01) = 0.025 V, P(01) = 24,875 μW);
(Vo(10) = 0.025 V, P(10) = 24,875 μW); (Vo(11) = 0.0125 V, P(11) = 24,937 μW).
7(b).- (Vo(00) = 5 V, P(00) = 0 W); (Vo(01) = 0.13 V, P(01) = 0,125 mW);
(Vo(10) = 0.13 V, P(10) = 0,125 mW); (Vo(11) = 0.063 V, P(11) = 0,125 mW).
7(c).- (Vo(00) = 4 V, P(00) = 0 W); (Vo(01) = 1.17 V, P(01) = 1 mW);
(Vo(10) = 1.17 V, P(10) = 1 mW); (Vo(11) = 0.73 V, P(11) = 1,33 mW)).
8.- (Vi = 5 V, Vo = 0.015 V, P = 24,925 μW); (Vi = 0 V, Vo = 5 V, P = 0 W).
9(a).- (Vi=5V, Vo=0.2V), (Vi=0V, Vo=4V);
9(b).- (Vi=5V, Vo=0.2V), (Vi=0V, Vo=5V);
9(c).- (Vi=5V, Vo=0.2V), (Vi=0V, Vo=5V);
9(d).- (Vi=5V, Vo=0.2V), (Vi=0V, Vo=5V).
10(a).- NMOS, O=A(B+C+D);
10(b).- NMOS, O=(A+B)(C+D);
10(c).- CMOS, O=ABC;
10(d).- CMOS, O=AB+C.
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