Transistor Configuraties

Transistor Configuraties#

Tweepoort#

Wanneer we een ingangsspanning \(V_{in}\) aanleggen aan een transistor die gebruikt wordt als tweepoorten en een uitgangsspanning \(V_{uit}\) bekomen, hebben deze spanningen deze enkel zin ten opzichte van een referentie. In dit overzicht van de transistor configuraties nemen we deze referentie gemeenschappelijk voor de ingang en de uitgang zoals je kan zien in Fig. 1. De kleinsignaalversterking \(A\) definieren we dan vervolgens als de verhouding tussen differentiele uitgangsspanning (\(\partial V_{uit}\)) en de differentiele ingangsspanning (\(\partial V_{in}\)).

_images/d7ccaa7fb9f20a8c4685a1011aa17b1b9cea312dd334b857b9649ab4cdc20e2f.svg — Fig. 1 3 terminal component in een 2-poort configuratie. De definitie van spanningsversterking is gegeven op basis van de spanning aan de in- en uitgang.#

Wanneer we een ingangsstroom \(I_{in}\) aanleggen aan een transistor die gebruikt wordt als tweepoort en een uitgangsstroom \(I_{uit}\) bekomen, moeten deze stroom op een of andere manier ook terugstromen. In dit overzicht van de transistor configuraties nemen we de gemeenschappelijk klem voor de ingang en de uitgang als de klem waarlangs de stroom terugvloeit, zoals je kan zien in Fig. 2. De kleinsignaalstroomversterking \(\beta\) definieren we dan vervolgens als de verhouding tussen differentiele uitgangsstroom (\(\partial I_{uit}\)) en de differentiele ingangsstroom (\(\partial I_{in}\)).

_images/91364a3678ec7b5bff97e7dae6d449cdec23876f63035188a489e1b5b717d19c.svg — Fig. 2 3 terminal component in een 2-poort configuratie. De definitie van stroomversterking is gegeven op basis van de stroom aan de in- en uitgang.#

Op een gelijkaardige wijze definieren we de transconductantie \(g_m\) als de verhouding tussen differentiele uitgangsstroom (\(\partial I_{uit}\)) en de differentiele ingangsspanning (\(\partial V_{in}\)).

_images/23d197a869602b475701190105bfd62572a2f6eba84028f419139467c080f89e.svg — Fig. 3 3 terminal component in een 2-poort configuratie. De definitie van gm is gegeven op basis van de spanning aan de ingang en stroom aan de uitgang.#

Eenpoort#

We kunnen een transistor ook als een tweeterminal component gebruiken. Hierdoor bekomen we een eenpoort. We leggen een spanning aan over de component en krijgen er een stroom door, of omgekeerd. Er is extern geen derde contact dat een controle van de stroom toelaat. Dit kan bekomen worden door 2 van de 3 terminals kort te sluiten of er een vaste spanning over aan te brengen.

_images/4c0ad5fc0574037456bd595e70b10a959b9d6e6aa056c5f341e557227fe09e37.svg — Fig. 4 2 terminal component in een 1-poort configuratie. De definitie van \(g_o\) is gegeven op basis van de spanning en de stroom.#

MOS transistor configuraties#

De MOS transistor geschakeld als 2-terminal component#

Ondanks het feit dat een MOS transistor een 3-terminal component is, kunnen we deze in veel schakelingen als een 2-terminal component gebruiken.

De MOS transistor geschakeld als diode
De MOS transistor geschakeld als actieve belasting

We werken hieronder beide configuraties in detail uit.

De MOS transistor geschakeld als diode#

Een diode is een twee-terminal component. We leggen er een spanning over aan en krijgen er een stroom door, of omgekeerd. Er is geen derde contact dat een controle van de stroom toelaat. Een transistor daarentegen heeft wel dat derde contact dat toelaat de stroom te controleren. Wanneer nu echter de gate van de transistor met de drain verbonden wordt (en de bulk met de source) hebben we slechts 2 externe contacten meer over. We bekomen hieruit een stroom-spanningskarakteristiek die kwadratisch is (dus niet logaritmisch zoals bij de diode).

Waarschuwing

dit is de transistor als diode geschakeld, maar daarom is het nog geen diode.

_images/be079844fefc68c506053e0ade942032afa1f150b83fd0f71c11c28f14b5d924.svg — Fig. 5 nMOS transistor als diode geschakeld.#

_images/893802ce55780bb03bdf697aad0e30ee76efba88a4aac03ca4e31544ae86adaa.svg — Fig. 6 Stroomspiegel opgebouwd uit nMOS transistors.#

We merken op dat in Fig. 6 enkel de inputtransistor als diode geschakeld is. De uitgangstransistor is actief als een transconductantie.

Zowel pMOS als nMOS transistors kunnen als diode geschakeld worden (zie Fig. 7. We merken hierbij wel op dat er voor het schema met de pMOS enkel stroom loopt als \(V_{in} -V_s < V_T\) terwijl het voor het schema voor de nMOS transistor juist omgekeerd is.

_images/5ac946e026dfa0cf110487f9a848ae7d193661872a60629934837ee3e895cc19.svg — Fig. 7 pMos en nMOS transistor als diode geschakeld.#

_images/ffd7b5d3ae7cbaaacb471b96f84f19097f0e3e2c44ef2326d74a50d89d4759c1.svg — Fig. 8 Stroomspiegels zowel met pMos als nMOS transistors.#

_images/da661e8c20f325b832ab7570ad765b29efda2051ac9cef62b0931144f73c6cf3.svg — Fig. 9 pMOS als actieve belasting.#

_images/1364c934ed66637a332a613c3af3f51fb43e288b9ab610c37467743da2d97782.svg — Fig. 10 pMOS als actieve belasting.#

De MOS transistor als actieve belasting#

De MOS transistor geschakeld als 3-terminal component#

We catalogeren de transistors waarvan de 3 terminalen gebruikt worden in 3 groepen, bepaald door welk contact aan een vaste spanning ligt:

gemeenschappelijke source
- de ingang is dan verbonden met de gate (=spanningsbron )
- de uitgang is dan verbonden met de drain
- deze transistor werkt als een spanningsversterker (amplifier)
gemeenschappelijke drain
- de ingang is dan verbonden met de gate (=spanningsbron)
- de uitgang is dan verbonden met de source
- de spanning aan de source volgt de spanning aan de ingang (source follower)
gemeenslijke gate
- de ingang is dan verbonden met de source (stroombron)
- de uitgang is dan venbonden met de drain
- de spanning aan de drain wordt bepaald door de stroom aan drain (cascode trap)

Elk van deze 3-terminal configuraties bespreken we hieronder in meer detail

Gemeenschappelijke Source Schakeling: GSS#

_images/4f7746adcad2ce1d5e069011b57fbcddec04e7b20e88185317da29896140e03f.svg — Fig. 11 nMOS transistor in de Gemeenschappelijke Source Schakeling#

_images/4b8db3f6ece0f9235f8201da9232c30d636aa4be8daa3575a71277176e08cadb.svg — Fig. 12 Definitie van de versterking voor de nMOS transistor in de Gemeenschappelijke Source Schakeling.#

Gemeenschappelijke Drain Schakeling: GDS#

In deze configuratie is het doel van de transistor in eerste instantie om stroomsversterking op te leveren.

Gemeenschappelijke Gate Schakeling: GGS#

In deze configuratie is het doel van de transistor in eerste instantie om

Bipolaire transistor configuraties#

Gemeenschappelijke Emitter Schakeling: GES#

Als voor een bipolaire transistor de emitter de gemeenschappelijke klem is, is de ingang steeds de basis van bipolaire transistor en de uitgang steeds de collector van de bipolaire tranistor. De ingang kan in principe zowel in stroom (zie Fig. 13) als in spanning aangestuurd worden (zie Fig. 14).

In deze configuratie is het doel van de transistor in eerste instantie om spanningsversterking op te leveren. Fig. 15 toont de spanningsversterking die kan bekomen worden.

_images/49daa79e95884648f89d7fda7ed2d42c339f0c1c29ceceecc0ee8b04c0410ef8.svg — Fig. 13 De npn transistor in de Gemeenschappelijke Emitter Schakeling.#

_images/1d3cfa7338f54ed71bf6605684ee9dcf2643a63679b21852e1191c7332dbb482.svg — Fig. 14 De npn transistor in de Gemeenschappelijke Emitter Schakeling#

_images/9fd323e230e0b2a772644e68ccb476dd0a288646c55e1c89ab77f4a349b873f7.svg — Fig. 15 Definitie van de versterking voor de npn transistor in de Gemeenschappelijke Emitter Schakeling.#

Gemeenschappelijke Collector Schakeling: GCS#