· EEM312

EEM312 Sayısal Elektronik: Y1 Raporları, Direnç Yüklü NMOS Tersleyicinin SPICE Benzetimi (5 V ve 3 V)

EEM312 – Sayısal Elektronik · 29.03.2011 · 16.10.2026

Bu yazı, Başkent Üniversitesi EEM312 Sayısal Elektronik yazılım laboratuvarının ilk deneyi Y1: Direnç yüklü NMOS ile tersleyici için yazılmış ön çalışma ve raporları bir araya getiriyor: 2011 bahar döneminden bir ön çalışma ve rapor (A), yine 2011'den bir ön çalışma (B) ve 2014'ten bir ön çalışma ve rapor (C). Hepsi arkadaşların çalışmaları; kişisel bilgiler çıkarıldı. Föyün kendisi EEM312 yazılım laboratuvarı föyleri Y1–Y3 yazısında. Kişisel bilgileri kapatılmış PDF'ler, SPICE ağ listeleri ve 2014 tarihli WinSPICE ekran görüntüleri yazının sonundaki ZIP'te.

Ön çalışma: Spice3 komutları

Üç ön çalışma da föyde istenen komutları açıklıyor:

DC analiz: .DC SRCNAM VSTART VSTOP VINCR [SRC2 START2 STOP2 INCR2]. Örneğin .DC VCC 0 5 0.5, kaynağı 0 V'tan 5 V'a 0.5 V adımlarla tarar; .DC VDS 0 10 .5 VGS 0 5 1 iç içe iki kaynak tarar.
Gerilim kaynağı: VNAME N+ N- DC değer (ör. VCC 1 0 DC 5); darbe kaynağı PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER) (başlangıç ve darbe seviyeleri, gecikme, yükselme ve düşme süreleri, darbe genişliği, periyot).
Geçici durum analizi: .TRAN TSTEP TSTOP <TSTART <TMAX>>.
MOSFET: MNAME DRAIN GATE SOURCE BULK MODELNAME L=… W=…; model .MODEL komutuyla tanımlanır.
Grafik: .PLOT DC V(2) VS V(1), .PLOT TRAN V(2) V(1); WinSPICE'ta .control … plot … .endc bloğu.
Tanımlar: V_OH/V_OL çıkış yüksek/düşük seviyeleri, V_IH/V_IL eğimin −1 olduğu giriş gerilimleri, V_M = V_in = V_out noktası, NM_H = V_OH − V_IH, NM_L = V_IL − V_OL; t_r, t_f %10–%90 süreleri, t_pHL, t_pLH %50 gecikmeleri, t_d = (t_pHL + t_pLH)/2.

Benzetilen devre

İki raporda da devre aynı: 50 kΩ yük direnci, 1 pF yük sığası, L = 5 µm, W = 10 µm NMOS ve 0–5 V, 1 µs periyotlu darbe girişi (A raporunun ağ listesi):

VDC 3 0 DC 5
VIN 1 0 PULSE(0 5 0 2NS 2NS 504NS 1US)
C1 2 0 1PF
R1 3 2 50K
M1 2 1 0 0 M1 L=5U W=10U
.MODEL M1 NMOS (VTO=1 KP=20U GAMMA=0.37 PHI=0.6 CBD=3.1E-15 CBS=3.1E-15)
.DC VIN 0 5 0.01
.TRAN 0.1NS 1US
.PLOT DC V(2) VS V(1)
.PLOT TRAN V(2) V(1)
.END

WinSPICE'ta direnç yüklü NMOS tersleyicinin V_out–V_in eğrisi: 5 V'tan başlayıp 2–3 V arasında hızla düşen ve 0.5 V civarına inen eğri — Direnç yüklü NMOS tersleyicinin VTC eğrisi (WinSPICE ekran görüntüsü, 2014)

Sonuçlar: 5 V ve 3 V besleme

Büyüklük	A, 5 V	A, 3 V	C, 5 V	C, 3 V
V_OL	0.7 V	0.5 V	0.59 V	0.697 V
V_OH	5 V	3 V	5 V	3 V
V_IL	1.5 V	1.5 V	2.0 V	2 V
V_IH	2.8 V	2.3 V	3.02 V	2.565 V
V_M	2.6 V	2 V	2.564 V	2 V
NM_H	2.2 V	0.7 V	1.98 V	0.435 V
NM_L	0.8 V	1 V	1.41 V	1.303 V
t_r	200 ns	190 ns	132.7 ns	163 ns
t_f	30 ns	25 ns	18.5 ns	21 ns
t_pHL	20 ns	15 ns	9 ns	6 ns
t_pLH	40 ns	40 ns	45.5 ns	54 ns
t_d	30 ns	22.5 ns	27.27 ns	30 ns

Gözlemler:

Çıkış, 50 kΩ direnç üzerinden beslemeye bağlı olduğu için V_OH = V_DD; besleme 5 V'tan 3 V'a inince V_OH ve onunla birlikte NM_H belirgin şekilde düşüyor.
t_r, t_f'den çok daha uzun: çıkış yükselirken 1 pF'lık yük 50 kΩ üzerinden doluyor (RC = 50 ns, %10–%90 süresi ≈ 2.2·RC ≈ 110 ns), düşerken ise iletimdeki NMOS'un küçük direnci üzerinden boşalıyor. Aynı nedenle t_pLH > t_pHL.
A raporu besleme değişiminin zamanlama değerlerini çok az etkilediğini, V_OL ve V_OH'nin ise V_DD'ye bağlı olduğunu yazıyor.
İdeal tersleyici (soru 3): giriş empedansı sonsuz, çıkış empedansı sıfır; VTC geçiş bölgesinde dikey (sonsuz kazanç), V_M = V_DD/2, NM_H = NM_L = V_DD/2, tanımsız bölge ve t_r, t_f yok. Benzetilen devre ideal olmadığı için çıkış dalgası köşeleri yuvarlanmış biçimde ortaya çıkıyor.

Not: A raporunda gürültü payları "NM_H = V_OH − V_OL" ve "NM_L = V_OL − V_IL" diye etiketlenmiş; sayısal değerler ise doğru tanımla (NM_H = V_OH − V_IH, NM_L = V_IL − V_OL) hesaplanmış.

Not: C raporunun 3 V sonuçlarında V_IL ile V_M aynı (2 V) yazılmış; V_IL, V_M'den küçük olmalı, değerlerden biri grafikten yanlış okunmuş görünüyor.

Klasörde 2014 tarihli başka bir öğrenci raporu da vardı; ölçüm değerleri ve metni A raporunun birebir kopyası olduğundan ayrıca alınmadı. ZIP'teki y1_2017_nmos_100k.cir, aynı deneyin 2017 sürümüne ait ağ listesidir (100 kΩ yük, 1 fF, W/L = 1.8/1.2 µm, Level 2 model, 3.1 V besleme).