Risoluzione Circuiti Con Mosfet e Diodi

[DoctorKappa]

Salve,
tra meno di un mese devo affrontare l'esame di Elementi di Elettronica nella facoltà di Ingegneria. Dallo studio della teoria non riesco ad assorbire le capacità necessarie per poter risolver un problema del tipo che ho allegato al post.
Nella disperazione sto cercando aiuto in qualcuno che abbia la gentilezza e la pazienza di spiegarmi di come potrei ragionare per la risoluzione di questo esercizio.
Sarei eternamente grato a chiunque mi dia aiuto nella risoluzione del suddetto,
Grazie mille a tutti per il vostro prezioso tempo!

[DrCox]

Magari comincia ad impostare il ragionamento su come lo faresti tu, così da capire fino a dove arrivi e dove/perché in caso ti blocchi. Solo poi possiamo correggerti/guidarti.

Disegna inoltre il circuito in FidoCAD per agevolare le spiegazioni.

[DoctorKappa]

Innanzitutto vedo che abbiamo due Mosfet di tipo p (M3 ed M4), e due Mosfet di tipo n (M1 e M2). Nell'analisi partirei dai Mosfet in alto. Quindi calcolo le Vgs3 e Vgs4 (le due tensioni tra gate e source di M3 e M4), e valuto se sono più negative della Tensione di Soglia Vthp = -1 volt per vedere se i Mosfet NON sono OFF, ma bensì in Triodo o in Saturazione. Credo, ma potrei sbagliarmi, che la Vgs4 è uguale alla DIFFERENZA tra una tensione, che non riesco ad identificare, diretta dal basso verso l'alto, e la tensione Vdd di verso opposto. È imbarazzante, ma già mi sono bloccato, come potrei andare avanti?

[DrCox]

Nell'analisi partirei dai Mosfet in alto. Quindi calcolo le Vgs3 e Vgs4 (le due tensioni tra gate e source di M3 e M4), e valuto se sono più negative della Tensione di Soglia Vthp = -1 volt per vedere se i Mosfet NON sono OFF, ma bensì in Triodo o in Saturazione.

Cosa mi dici della V_DS di M4? In che rapporto stanno tra loro la VGS e VDS?
Sulla base della risposta di questa domanda, quale equazione determina la corrente di tale transistor?
Sulla base della risposta a questa domanda, non e' che magari questa corrente la conosciamo gia'?

[DoctorKappa]

La VGS e la VDS in M4 sono uguali, dato il corto circuito in Vx. E se sono uguali tra loro, vuol dire che abbiamo l'equazione VDS >= VGS-Vth (VDS >= VDS-Vth) per forza vera, quindi M4 è in saturazione giusto?
Se è in saturazione, abbiamo la formula della tensione di Drain uguale a Id4=(β/2)*(VGS-Vth)^2. Questa equazione deve essere a sua volta uguale alla tensione Ia, del generatore indipendente; quindi abbiamo l'equazione Ia=(β/2)*(VGS-Vth)^2, da cui possiamo calcolare VGS.
Il ragionamento è giusto fin qui?

---------------EDIT------------------

Nel caso in cui il ragionamento fosse giusto, vado avanti.
VGS3 di M3 è uguale alla VGS4 di M4 calcolata prima. Inoltre la VSD3 è uguale alla corrente che scorre in R1 moltiplicata per la sua corrente, ovvero VSD3=-Ia*R1 (oppure VDS3=Ia*R1), giusto? Facendo il calcolo esce 2000 volt, e posso confrontare questo valore con VGS3 e VDS3, per valutare se M3 si trova in Triodo o in Saturazione; così posso trovare Id3 (la tensione di drain).
A questo punto sono abbastanza sicuro che dovrei essere in grado di calcolare Vx e Vout, però non so che ragionamento fare

[DrCox]

Il ragionamento è giusto fin qui?

Si

Come si chiama quella configurazione di M3-M4? Che proprietá ha?

VSD3=-Ia*R1 (oppure VDS3=Ia*R1), giusto?

Perché dici che scorre su R1?

2000 volt

non ti suona strana questa cifra? Un po'grandina, che ne dici?

dovrei essere in grado di calcolare Vx

Guarda bene il circuito. Cosa determina Vx? Se parti dall''alimentazione...

[DoctorKappa]

Come si chiama quella configurazione di M3-M4? Che proprietá ha?

Si può dire che M3 ed M4 siano in parallelo? Però tra M3 ed M4 ci sta Vdd; si può comunque dire che sono in parallelo?
Comunque credo che con questa domanda lei vuole farmi arrivare a dire che V_GS4=V_GS3; fin qui ce l'ho fatta.

Perché dici che I_A scorre su R1?

Infatti non ha senso quel che ho detto. Però sono sicuro che V_DS3 = V_R3, e per poterlo calcolare mi serve la tensione I_R3. Per trovarla posso applicare la legge di Kirchhoff al nodo in Vout? Credo che qui potrei sbagliarmi.

Guarda bene il circuito. Cosa determina Vx? Se parti dall''alimentazione...

Partendo dal basso ho che Vx = Vdd - V_GS4 giusto?
---edit----
Ed infatti facendo il calcolo, ottengo che V_GS4 = 1.5 volt, da cui Vx = Vdd - V_GS4 = 5 volt - 1.5 volt = 3.5 volt, ed il risultato esce!!

[claudiocedrone]

...Si può dire che M3 ed M4 siano in parallelo? Però tra M3 ed M4 ci sta Vdd; si può comunque dire che sono in parallelo?...

Ahi... no, non sono in parallelo, però cosa vuol dire "tra M3 ed M4 ci sta Vdd" scusa, Vdd mica si frappone tra i terminali di source dei due MOSFET, semplicemente entrambi i quei terminali sono connessi a Vdd quindi sono al medesimo potenziale di Vdd (quindi non è per quello che non sono in parallelo);
piuttosto quella configurazione di M3 e M4, con M4 "connesso a diodo" (col terminale di drain cortocircuitato col terminale di gate) è una di quelle dette specchio di corrente perché possiede la proprietà che la corrente che scorre in M3 è la stessa che scorre in M4...
ora sperando di non averti ulteriormente confuso, quale corrente scorre in M4 e conseguentemente per la proprietà dello specchio anche in M3?

[DoctorKappa]

...Si può dire che M3 ed M4 siano in parallelo? Però tra M3 ed M4 ci sta Vdd; si può comunque dire che sono in parallelo?...

Ahi... no, non sono in parallelo, però cosa vuol dire "tra M3 ed M4 ci sta Vdd" scusa, Vdd mica si frappone tra i terminali di source dei due MOSFET, semplicemente entrambi i quei terminali sono connessi a Vdd quindi sono al medesimo potenziale di Vdd (quindi non è per quello che non sono in parallelo);
piuttosto quella configurazione di M3 e M4, con M4 "connesso a diodo" (col terminale di drain cortocircuitato col terminale di gate) è una di quelle dette specchio di corrente perché possiede la proprietà che la corrente che scorre in M3 è la stessa che scorre in M4...
ora sperando di non averti ulteriormente confuso, quale corrente scorre in M4 e conseguentemente per la proprietà dello specchio anche in M3?

Sei stato molto chiaro, e ti ringrazio! Comunque mi sono sorte nuove domande adesso...
Quindi grazie a quella configurazione di M4 arriviamo a dire che I_D4 = I_A = I_D3?? Ma così abbiamo che sia le V_GS sia le I_D tra M4 ed M3 sono identiche...possibile?
Però da qui poi come mi muovo sul resistore R1?
Oppure prima di muovermi su R1 mi conviene passare al Mofet M1 prima?

[DrCox]

grazie a quella configurazione di M4 arriviamo a dire che I_D4 = I_A = I_D3?? Ma così abbiamo che sia le V_GS sia le I_D tra M4 ed M3 sono identiche...possibile?

si

Però da qui poi come mi muovo sul resistore R1?
Oppure prima di muovermi su R1 mi conviene passare al Mofet M1 prima?

Innanzitutto analizza il nodo di uscita. Quali correnti arrivano e da dove? Quali sono le equazioni? Quali le incognite?
Indizio: Kirchhoff....

Poi, analizza il ramo in basso a destra. In che configurazione hai M2? Ci puó scorrere una corrente? Se si, perché? Se no, perché?