Microsoft PowerPoint - アナログ電子回路3回目.pptx

3-1 理⼯学部・材料機能⼯学科 岩⾕ 素顕 [email protected]

アナログ電⼦回路

 トランジスタ  トランジスタとは?  トランジスタの基本的な動作は?  バイポーラトランジスタ  JFET  MOSFET （エンハンスメント型、デプレッション型）  MOSFETを使った代表的な回路（CMOS） 1-1 1-1

電気回路で考える素⼦（能動素⼦）

抵抗・コイル・コンデンサ v i v i v i

dt

di

L

v



R L C

dt

dv

C

i



Ri

v



3-2 • 上記の電流・電圧の関係式を満たす素⼦をそれぞれ、抵抗・コイル・コンデンサと呼ぶ • 各素⼦には⽅向依存性はないとしている

トランジスタとは？

3-3 トランジスタ v 外からの信号（電流or電圧） 電流i 電流iは外からの信号で制御される バイポーラトランジスタ・・・電流制御型

電界効果トランジスタ（Field effect transistor：FET）・・・電圧制御型

E:エミッタ C:コレクタ B:ベース ⾜から⾒た図

トランジスタ

※東芝のHPより 3-4

中程度の不純物濃度のp型層 ベース→Base→B 低い不純物濃度のn型層 コレクタ→ Collector → C ⾼濃度の不純物濃度のn型層 エミッタ→Emitter →E プレーナ技術を⽤いて作製した npn型バイポーラトランジスタの構造 エミッタとコレクタは同じ型 だが、不純物の濃度が異なる ので、逆につなぐとトランジ スタ動作しない。

トランジスタの構造

3-5

n型半導体とp型半導体とは？

Si結晶の中に、たとえばV族の原 ⼦であるヒ素(As)を⼊れる ⇒結合に関与しない電⼦がある ⇒熱エネルギーで電⼦が⾃由に動 けるようになる ⇒このような半導体をn型半導体 と⾔い、電流は電⼦が寄与して流 れる 3-6

n型半導体とp型半導体とは？

Si結晶の中に、たとえばIII族の 原⼦であるホウ素（B)を⼊れる ⇒結合されない電⼦状態が存在 する（正孔） ⇒熱エネルギーで正孔が⾃由に 動くようになる ⇒このような半導体をp型半導 体と⾔い、電流は正孔が寄与し て流れる 3-7

_{どのようにトランジスタを作製するのか？}

使う装置はイオン注⼊装置

イメージ図 実物写真 ※アルバックのHPより 3-8

イオン注⼊装置とは？

⾼エネルギーのイオンをウエハに衝突させて、 物理的にウエハ表⾯内に不純物を埋め込む⽅法 ※アルバックのHPより 3-9 _{トランジスタの詳細（回路記号、特性）} npn型 pnp型 ベース：B コレクタ：C エミッタ：E ベース：B コレクタ：C エミッタ：E ⽮印：電流の向き トランジスタの回路記号 ⽮印：電流の向き 3-10

トランジスタの電流、電圧

3-11 B _E C IB IC IE VCE VBE VCB IE=IC+IB B C FE

I

I

h



hFE：直流電流増幅率 キルヒホッフの法則 書き⽅と⽮印の向きに注意

エミッタ接地(npn型トランジスタ)

3-12 E C B 演習：下記のトランジスタが動作するように直流電圧源を接続しなさい

エミッタ接地静特性 2SC1815の例

3-13 B-Eはpn接合ダイオード IBを変化させることによってICが変化 IB=0.2mA IB=0.5mA IB=1.0mA Siトランジスタの場合、VBEの⽴ち 上がり電圧は0.6〜0.7V 東芝のHPから引⽤

155

2

.

0

31 



FE

h

演習： 図からVCE=5V, IB=0.2mAのときのhFEを読み取りなさい。 3-14

演習:トランジスタにIB=30A流したら,IC=6mA流れた。このときのIEはいくらか?また、

hFEはいくつか? 3-15 IE=IB+IC=0.03+6=6.03mA

200

03

.

0

6





FE

h

I_B IC I_E I_B IC I_E

エミッタ接地以外の接続⽅法

B E C ベース接地 B E C V_EB V_CB コレクタ接地 演習：下記のトランジスタが動作するように直流電圧 源を接続しなさい V_BC V_EC 3-16

℃ -55〜 125 Tstg 保 存 温 度 ℃ 125 Tｊ 接 合 温 度 mW 400 PC コ レ ク タ 損 失 mA 50 IB ベ ー ス 電 流 mA 150 IC コ レ ク タ 電 流 Ｖ 5 VEBO エミッタ・ベース間電圧 Ｖ 50 VCEO コレクタ・エミッタ間電圧 Ｖ 60 VCBO コレクタ・ベース間電圧 単位 定 格 記 号 項 ⽬

最⼤定格 2SC1815の例（Ta＝25℃）

3-17

_{電界効果トランジスタ: Field Effect Transistor (FET)}

3-18

トランジスタ v

外からの信号（電流or電圧）

電流i 電流iは外からの信号で制御される

バイポーラトランジスタ・・・電流制御型

電界効果トランジスタ（Field effect transistor：FET）・・・電圧制御型

n p p 接合型（JFET) p p n SiO2 ⾦属－絶縁膜－半導体型 （MOSFET)

主なFET構造の概略

S (ソース) D(ドレイン) G(ゲート) S D G 3-19 p p n SiO2 ⾦属－絶縁膜－半導体型 （MOSFET)

MOSFET について

3-20

⾦属

： Metal

酸化物

： Oxide

半導体

： Semiconductor

電界

： Field

効果

： Effect

トランジスタ ： Transistor

略称 ： MOSFET

2SK439

MOSFETの実物写真

※東芝のHPより 3-21

M4

n-MOS

G D S

M2

p-MOS

G D S

MOSFETの種類

3-22 •p－チャネル (正孔が動く) •n－チャネル (電⼦が動く) •エンハンスメント(Enhancement) (VG=0でID=0) •ディプリーション(Depletion) (VG=0でID≠0) + p+ n SiO₂：ゲート酸化膜と呼ぶ。 厚さ数nm （p-MOSFET⇒p-MOS) ソース S ゲート G ドレイン D pチャネル _{ソースからドレインに流れる電流を} ゲート電圧で制御する。 p+

MOSFETの構造

3-23 2SJ76 pチャネルエンハンスメント型MOSFET (p-MOS)

V

_GS

:0→負

実際のMOSFETの特性例

3-24

nチャネルエンハンスメント型MOSFET (n-MOS)

V

_GS

: 0→正

2SK213

実際のMOSFETの特性例

3-25 n-Si p+_-Si ⾦属 (Metal) ソース (Source) ゲート (Gate) ドレイン (Drain) ⼆つのダイオードが、互いに逆向きに繋がれてるのと同じ ゲート電圧を加えないと、電流は流れない。 SiO₂ p-チャネル エンハンスメント型MOSFETの動作説明 p+_-Si 3-26 n-Si SiO2 p+_-Si S G D Sに対してGに、相対的に負電圧を加えると ＋＋ ＋＋ ＋ n-SiとSiO2の界⾯に正孔が誘起される。 ＋ ＋

p-チャネル エンハンスメント型MOSFETの説明

p+_-Si 3-27 n-Si SiO2 S G D ＋＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ SからDに向かって正孔(電流)が流れる。 電流の⽅向

p-チャネル エンハンスメント型MOSFETの説明

D-S間に負の電圧をかけると p+_{-Si p}+_-Si 3-28

VDS (Sに対するDの電位) I D_{(ドレイン電流)} VGS=0 VGS<0 n-Si D 電流の⽅向 S G ドレインに流⼊ する向き 負の電圧 p-チャネル エンハンスメント型MOSFETのソース接地静特性 p+_{-Si p}+_-Si 3-29 p-Si n+_-Si S G D ⼆つのダイオードが、互いに逆向きに繋がっているのと同じ 電流は流れない。 SiO2

n-チャネル エンハンスメント型MOSFETの説明

n+_-Si 3-30 p-Si SiO2 S G D Sに対して、Gに相対的に正の電圧を加えると － －－－－－ p-SiとSiO2の界⾯に電⼦が誘起される。 n-チャネル エンハンスメント型MOSFETの説明 n+_{-Si n}+_-Si 3-31 p-Si SiO2 S G D － －－－－－ SからDへ電⼦が流れる。 DからSへ電流が流れる。 電流の⽅向 n-チャネル エンハンスメント型MOSFETの説明 n+_{-Si n}+_-Si 3-32

VDS ID VGS=0 VGS>0 p-Si n+_-Si S G D 電流の⽅向 n-チャネル エンハンスメント型MOSFETのソース接地静特性 n+_-Si 3-33

M2

p-MOS

M4

n-MOS

G D S p型 反転層：n型と等価

MOSFETの回路記号

G D S 3-34 MOSFETの性能を表す指標：相互コンダクタンスgm

]

[

tan

S

V

I

g

t cons V GS D m DS







論理回路素⼦

•論理回路とは？ •論理回路は2進数の計算などデジタル回路の基礎となる回路 •現在の集積回路は基本的にはこの回路で構成されています 3-35

デジタル信号：

※ 東芝HPより 3-36

MOSFETの重要性

•集積回路におけるMOSFETの重要性 ⇒ Complementary MOS(CMOS）が主流 ⼤規模ＬＳＩ中にはMOSトランジスタが １億個以上使われている． 集積回路の例 相補的 3-37

CMOS（集積化のメリット）

• CMOSでは論理が反転する際にしか電流が流れないので、消費電⼒（発熱）が少ない • 微細化することにより、単⼀のMOSFETをスイッチングさせるのに要する電⼒量を減少 • 微細化することにより、動作速度を向上させることが可能 ⇒集積度を向上させるだけで、⾼速化と消費電⼒の低減も同時に得られる ⇒ムーアの法則 半導体ICの集積密度は18〜24ヶ⽉で倍増する 出典；インテル社ホームページ 10-38

論理回路

•電⼦回路で扱うデジタル信号の⼊⼒と出⼒の関係が⼀定の理論 に従って⾏われることをいい、その動作を⾏う電⼦回路を論理 回路と呼びます。マイコンは⾮常に複雑な論理回路で構成され ていますが、どのような論理回路も、次に⽰す6種類（厳密に いうと3種類）の基本論理素⼦の組み合わせで構成されている 3-39

論理回路素⼦

• AND • OR • NAND • NOR • NOT • XOR（Exclusive OR） まずは各素⼦の動きを理解しましょう 3-40

A

B

A

B

Y

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

真理値表

Y

論理回路

AND回路（論理積）

⼊⼒ 出⼒ ⼊⼒ 出⼒ 3-41

A

B

A

B

Y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

真理値表

Y

論理回路

OR回路(論理和）

⼊⼒ 出⼒ ⼊⼒ 出⼒ 3-42

A

B

A

B

Y

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

真理値表

Y

論理回路

NAND回路（否定論理積）

⼊⼒ 出⼒ ⼊⼒ 出⼒ 3-43

B

A

B

Y

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

真理値表

Y

論理回路

NOR回路（否定論理和）

⼊⼒ 出⼒ ⼊⼒ _出⼒

A

A

B

Y

3-44

NOT回路（否定）

A out

0

1

1

0

真理値表

⼊⼒ 出⼒ NOT回路は別名：インバーター回路とも呼ぶ 3-45

A

B

A

B

Y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

真理値表

(XOR回路)

Y

⼊⼒ 出⼒ ⼊⼒ 出⼒

Exclusive OR回路（排他的論理和）

3-46 http://homepage2.nifty.com/kirislab/chap6_qr/elenicCct1.html

CMOS回路

3-47 • MOS-FETを組み合わせることによって実現する ⇒CMOS回路 n-Si VDD=+5V S G D D G S ⼊⼒ +5Vまたは 0V p-Si この素⼦は、どのような動作をするか？ 出⼒ N-MOSとP-MOSを直列につなぐ －CMOSの動作原理－ 3-48

E-nMOS D D G G S S E-pMOS ⼊⼒+5Vまた は 0V 出⼒ VDD=+5V 回路記号 ⽮印の向きに注意！ 基板上 ⽐較：シャーシ、 接地等 N-MOSとP-MOSを直列につなぐ －CMOSの動作原理－ 3-49 E-nMOS D D G G S S E-pMOS ⼊ ⼒ +5V ま た は 0V 出⼒ VDD=+5V E-pMOS E-nMOS Sに対してGに 負電圧で、Sか らDに電流(Sと Dは導通) Sに対してGに 正電圧でDから Sに電流(SとD は導通) n-MOSとp-MOSを直列につなぐ －CMOSの動作原理－ 3-50 n-MOSとp-MOSを直列につなぐ －CMOSの動作原理－ 3-51 D D G G S S ⼊⼒0V のとき 出⼒ VDD=+5V D D G G S S ⼊⼒5V のとき 出⼒ VDD=+5V

⼊⼒

出⼒

0V

+5V

+5V

0V

+5Vを1、0Vを0に対応させると、 →論理素⼦のNOT回路（インバーター回路） n-MOSとp-MOSを直列につなぐ －CMOSの動作原理－ 3-52

⼊⼒+5Vまたは0V A B VDD＝+5V 出⼒X 演習：下の回路はどのような論理演算をする回路か? 3-53 ⼊⼒ _{出⼒ [V]} A [V] B [V] 0 0 5 5 0 5 0 5 5 5 5 0 NAND

解答例

3-54

本⽇の内容

•バイポーラトランジスタ •MOS-FET エンハンスメント型、ディプレッション型 nチャネル・pチャネル MOSFETを応⽤した回路⇒CMOS回路 3-55