Grundlagenlabor Digitaltechnik GRUNDLAGENLABOR DIGITALTECHNIK VERSUCH 1 VERSUCHSTHEMA DER TRANSISTOR ALS SCHALTER PROTOKOLLANT/ -IN

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1 Grundlagenlabor Digitaltechnik Prof. Dr.-Ing. Walter Anheier Institut für Theoretische Elektrotechnik und Mikroelektronik Universität remen ITEM GRUNDLAGENLAOR DIGITALTEHNIK VERSUH 1 VERSUHSTHEMA DER TRANSISTOR ALS SHALTER PROTOKOLLANT/ -IN WEITERE GRUPPENMITGLIEDER VERSUHSWOHE: VERSUHSTAG: VERSUHSGRUPPE: VORTESTAT OK NOK DATUM: ETREUER: TESTAT OK NOK DATUM: ETREUER:

2 Inhaltsverzeichnis 1 eschreibung des Grundlagenlabors Digitaltechnik Der Transistor als Schalter Motivation/Lernziel Aufbau und Wirkungsweise eines bipolaren Transistors Spannungsloser Zustand Gesperrter Zustand Aktiver Zustand Gesättigter Zustand Schaltzeiten eines Transistors Allgemein erechnung der Schaltzeiten eeinflussung der Schaltzeiten Versuchsvorbereitung Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Funktionstest Messung zur estimmung der Stromaufnahme Messung zur estimmung der Schaltzeiten Versuchsprotokoll Literaturhinweise zum Versuch Verdrahtungsplan (Ansicht von oben) eschreibung des Grundlagenlabors Digitaltechnik Im Grundlagenlabor Digitaltechnik sollen elementare Schaltungen der Digitaltechnik dem Studenten näher gebracht werden. Diese Schaltungen werden anschießend zu einer übergeordneten Funktion, einem SOS-Signal, zusammengeschaltet. Das Labor beginnt mit dem au einiger Transistorschaltungen, die in der Digitaltechnik Anwendung finden. Es ist ein diskrete Aufbau dieser Schaltungen gewählt worden, um den Studenten an die Schaltungsentwicklung heranzuführen. Diese besteht in der Regel aus der Dimensionierung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme/Messung einer Schaltung. Die Dimensionierung erfolgt meist über Faustformeln, die sich in der Praxis bewährt haben. In den seltensten Fällen kann eine Schaltung vollständig geschlossen dimensioniert werden. Da durch das Abschätzen einiger Parameter das Verhalten der Schaltung nicht vollständig bekannt ist, wird eine Simulation meist erforderlich, auf die im Rahmen des Praktikums aber nicht eingegangen wird. Der Aufbau erfolgt auf einer Testplatine, auf der alle einzelnen Schaltungen des Praktikums platz finden. Da im Studium der Elektrotechnik der Umgang mit Hardware meist zu kurz kommt, sollen alle Schaltungen vom Studenten selbst gelötet werden, was eine anschließende Fehlersuche im Rahmen der Inbetriebnahme meist mit einschließt. Die anschließenden Messungen bilden den letzten Teil des Entwicklungsprozesses. Hierbei sollen wichtige Parameter, wie z.. Laufzeiten, bestimmt und auf einige Eigenschaften der Schaltung eingegangen werden. Im weiteren Verlauf des Praktikums wird auf die Synthese reiner digitaler Schaltungen eingegangen. Seite 1

3 2 Der Transistor als Schalter 2.1 Motivation/Lernziel Die Entwicklung des bipolaren Transistors im Jahre 1947 setzte eine industrielle Revolution in Gang. Der Elektroindustrie eröffneten sich ungeahnte Möglichkeiten, die schließlich zum heutigen Stand der Halbleitertechnik geführt haben. Ohne diesen ersten Schritt wäre die Entwicklung so leistungsfähiger Mikroprozessoren, wie sie in modernen omputern eingesetzt werden, undenkbar gewesen. Trotz dieser Entwicklung ist der bipolare Transistor noch heute ein zentrales auelement der Digitaltechnik, das besonders bei Leistungsstufen und schnellen Schaltungsteilen eingesetzt wird. Zudem lassen sich praktisch alle digitalen Schaltungen auf die Verschaltung von Transistoren zurückführen. Deshalb halten wir es für unumgänglich, auch im Grundlagenlabor Digitaltechnik auf den Transistor näher einzugehen. Ein Lernziel besteht darin, die Vorgehensweise bei der Dimensionierung von Transistorschaltungen zu kennen zu lernen. Weiterhin sollen Sie lernen, wie die Schaltgeschwindigkeiten von Digitalschaltungen durch die Wahl von Transistoren und entsprechenden Zusatzschaltungen beeinflusst werden können. Transistoren sind Halbleiterbauelemente, die vorzugsweise zur Verstärkung von Signalen und als Schalter eingesetzt werden. Man unterscheidet die bipolaren Transistoren, in denen drei Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeit dicht aneinander grenzen, und die unipolaren Transistoren, in denen der Strom durch das auelement durch einen halbleitenden Stromkanal fließt und durch ein senkrecht zur Stromrichtung wirkendes elektrisches Feld gesteuert wird. 2.2 Aufbau und Wirkungsweise eines bipolaren Transistors Im bipolaren Transistor grenzen eine p-leitende, eine n- leitende und eine p-leitende Halbleiterschicht oder eine n-leitende, eine p-leitende und eine n-leitende Schicht dicht aneinander (p positiv; n negativ). Darum spricht man auch von pnp- bzw. von npn-strukturen. Die pn- (bzw. np) Übergänge liegen so dicht beieinander, dass sie sich gegenseitig beeinflussen. Im Folgenden wird der Leitungsmechanismus anhand eines npn-transistors erklärt Spannungsloser Zustand n p n E Abb. 1: Abb. 2: Schichtenfolge Schaltsymbol E Abb. 3: Leitungsmechanismus eines bipolaren Transistors im spannungslosen Zustand (A: Arbeitspunkt) In Abb. 3 sind die Verhältnisse im Transistor ohne äußere Spannung dargestellt. An den pn- Übergängen bilden sich zwei Raumladungszonen. Seite 2

4 2.2.2 Gesperrter Zustand Wird nun nach Abb. 4 eine Spannung U E > 0V angelegt, so wird die Kollektor-asis-Diode in Sperrichtung geschaltet, die Raumladungszone dehnt sich aus und es fließt ein kleiner Sperrstrom I 0. An der asis-emitter-diode ändert sich nichts. Abb. 4: Leitungsmechanismus eines bipolaren Transistors im gesperrten Zustand (A: Arbeitspunkt) Aktiver Zustand Legt man nun zwischen der asis und dem Emitter eine Spannung U E > 0.7V (Abb. 5), so wird die asis-emitter-diode in Durchlassrichtung geschaltet. Das elektrische Feld an der asis-emitter-diode wirkt nun nicht mehr hemmend, sondern beschleunigend, d.h. die Elektronen im Emitter werden in die asis injiziert. Voraussetzungsgemäß ist die asiszone dünn und die Rekombination schwach, so dass nur wenige Elektronen in der asis mit den Löchern des asisstroms rekombinieren und die restlichen vom elektrischen Feld der Spannung U E in das Kollektorgebiet gezogen werden. Hier sind die Elektronen wieder Majoritätsladungsträger und bilden den Kollektorstrom I. Abb. 5: Leitungsmechanismus eines bipolaren Transistors im aktiven ereich (A: Arbeitspunkt) Gesättigter Zustand Solange die Spannung zwischen Kollektor und der asis U unterhalb der Diffusionsspannung U D liegen, wirkt dem Kollektorstrom nichts entgegen. Steigt die Spannung U über die Diffusionsspannung, dann ist die Kollektor-asis-Diode ebenfalls in Durchlassrichtung geschaltet und auch vom Kollektor werden Elektronen, entgegen des Kollektorstroms, in die asis injiziert. Der Transistor arbeitet nun im sog. Sättigungsbereich. Seite 3

5 Abb. 6: Leitungsmechanismus eines bipolaren Transistors im Sättigungsbereich (A: Arbeitspunkt) 2.3 Schaltzeiten eines Transistors Allgemein Wird ein in Emitterschaltung betriebener Transistor als Schalter eingesetzt, so findet er seinen Arbeitspunkt entweder im Übersteuerungsbereich (Sättigungsbereich) oder im Sperrbereich. Schaltet man den Transistor durch ein rechteckförmiges Steuersignal an der asis vom Sperrzustand in den Übersteuerungszustand und zurück, so folgt der Kollektorstrom dem Steuersignal nicht unmittelbar, sondern, hervorgerufen durch den Einfluss der äußeren Schaltung und durch Vorgänge in der asiszone und den Grenzschichten, mit Verzögerung. In Abb. 7 ist der Verlauf des asis- und Kollektorstroms eines Transistors dargestellt. Die Einschaltzeit t ein beginnt mit dem Einschalten des asisstroms und endet, wenn der Kollektorstrom 90% seines Endwertes erreicht hat. Sie setzt sich aus der Verzögerungszeit t d (delay-time) und der Anstiegszeit t r (rise-time) zusammen. Abb. 7: Zur Definition der Schaltzeiten Die Ausschaltzeit t aus beginnt mit dem Ausschalten des asisstroms und endet, wenn der Kollektorstrom auf 10% seines Endwertes gesunken ist. Sie setzt sich aus der Speicherzeit t s (storage-time), in der eine etwa durch Übersättigung des Transistors vorhandene Zusatzladung abgebaut wird, und der Abfallzeit t f (fall-time) zusammen. Mit dem Oszilloskop werden Spannungen gemessen. Wenn die Spannung U E steigt, schaltet der Transistor und die Spannung U E fällt. Anmerkung: Die Schaltzeiten von Transistoren sind in Datenblättern angegeben. Hier gelten die Zeiten aber nur für bestimmte edingungen (Kollektorstrom, asisstrom, bestimmte Seite 4

6 Umgebungstemperatur usw.). Prinzipiell gibt es drei Möglichkeiten die Schaltzeiten zu bestimmen: erechnen Messen: Für eine individuelle eschaltung eines Transistors wird man in der Praxis oft um eine Messung nicht herumkommen. Datenblatt: Nimmt man eine vom Hersteller angegebene Standardbeschaltung des Transistors, so können die Werte des Herstellers übernommen werden erechnung der Schaltzeiten Für die erechnung der Schaltzeiten gilt laut Definition: Verzögerungszeit t d : Die Verzögerungszeit kann nicht berechnet werden. Nach dem Anlegen des Steuersignals vergeht die Zeit t d, bis die Emitter-asis- Sperrschichtkapazität E umgeladen ist. t d ist abhängig vom Steuerstrom I und nimmt bei zunehmendem Steuerstrom I ab. ei Leistungstransistoren ist häufig td >> tr. Anstiegszeit t r : Während der Zeit t r wird über den Steuerstrom die asisladung eingeräumt. Es gilt I1/ I0 01, t = T ln r I1/ I0 09, Der auelementefaktor T (Zeitkonstante bei Stromsteuerung) liegt in der Größenordnung der Ladungsträgerlebensdauer. Speicherzeit t s : Nach Erreichen der Übersteuerungsgrenze ist die asis gesättigt, d.h. die asis enthält einen Überschuß an Minoritätsladungsträgern, die nicht zum Kollektorstrom beitragen. eim Abschalten wird daher während der Zeit t s die überflüssige asisladung abgebaut, bevor I sinkt. Dabei gilt I2/ I0+ I1/ I0 t = T ln + t s S I2/ I0+ 1 ( 90% I ) Der zweite Term, der definitionsgemäß die Abnahme von I auf 90 % beschreibt, kann im Allgemeinen gegenüber dem ersten Term vernachlässigt werden. Die Speicherzeitkonstante T S liegt in der Größenordnung der Ladungsträgerlebensdauer. Abfallzeit t f : Während der Abfallzeit wird die asis ausgeräumt und die Sperrschichtkapazitäten umgeladen. Die für den Kollektorstrom notwendigen Ladungen werden der asis entzogen, als Folge davon, fällt der Kollektorstrom I. Hierbei gilt t f = T ln I2/ I0+ 09, I2/ I0+ 01, Ein größerer Ausräumstrom I 2 bewirkt eine Verkürzung der Abfallzeit eeinflussung der Schaltzeiten Ist es das Ziel für eine Transistorschaltstufe besonders kurze Schaltzeiten zu erhalten, so kann über folgende Maßnahmen eine Verbesserung erzielt werden: Auswahl eines Transistors mit kurzen Schalt- und Speicherkonstanten. Schalten nur im aktiven ereich. Da im aktiven ereich keine überflüssigen Minoritätsladungsträger aus der asis ausgeräumt werden müssen, sind hier die Ausschaltzeiten besonders kurz. Hoher Ein- und Ausschaltstrom: Seite 5

7 + R I 1 U 1 R - I 2 Abb. 8: Schaltbeschleunigung mittels "Speed-up"-Kondensator In der Schaltung Abb. 8 ist der asiswiderstand R durch einen Kondensator überbrückt. Durch die zusätzliche eschaltung von wird ein hoher Ein- bzw. Ausschaltstrom erzeugt und dadurch das Ein- und Ausschalten beschleunigt. Erfolgt am Eingang eine Spannungsänderung, so fließt ein Ladestrom in den Kondensator. Dieser bewirkt eine Erhöhung des asisstroms und damit ein schnelleres Ein- bzw. Ausräumen der Ladungen aus der asis. Ist der Kondensator geladen, fließt der Eingangsstrom nur noch über den Widerstand R und wird hierüber begrenzt. Der Widerstand R ist so dimensioniert, daß der Transistor im statischen Zustand im gewünschten Arbeitspunkt arbeitet. 3 Versuchsvorbereitung Es soll die Funktionsweise des Transistors verstanden sein, soweit diese in diesem Skript beschrieben ist. Außerdem sollen folgende Aufgaben A1-A8 vorbereitet werden. Für den durchzuführenden Versuch wird der npn-transistor 140/10 (Gr. 10) im TO-39 Gehäuse verwendet. Der Transistor wird in Emitterschaltung betrieben. Das bedeutet, der Emitter ist ezugspunkt für das Eingangs- und Ausgangssignal. Um den Schaltvorgang des Transistors sichtbar zu machen, wird in den Kollektorkreis eine Leuchtdiode vom Typ TLH G 6403 geschaltet. Diese LED verträgt einen Strom von 10 ma bei einem Spannungsabfall von 2,4 Volt. Damit sind die edingungen für die Dimensionierung des Kollektorwiderstandes R gegeben. Der Kollektorwiderstand R hat die Aufgabe, den Kollektorstrom bei einer anliegenden Versorgungsspannung von 5 Volt und durchgeschaltetem Transistor auf 10 ma zu beschränken. A1 : erechne R Jetzt muß noch ein geeigneter Wert für den asisvorwiderstand ermittelt werden, der zur egrenzung des asisstroms dient. Da der Transistor als Schalter eingesetzt wird, wird der asisstrom so gewählt, daß der Transistor voll öffnet. A2: Wie groß ist der maximal zulässige asisstrom laut Datenblatt? Welchen Mindestwert muss der asisvorwiderstand also haben, wenn der Transistor mit 5 Volt geschaltet werden soll? Seite 6

8 Der Strom, der mindestens in die asis fließen muß, um einen Kollektorstrom von 10mA zu erreichen, kann über den Stromverstärkungsfaktor aus dem Datenblatt berechnet werden. A3: Wie groß ist der Stromverstärkungsfaktor und welcher Maximalwert für den asisvorwiderstand ergibt sich daraus? Um den Transistor sicher in Sättigung zu betreiben, ist der asisstrom um das 3-10 Fache zu erhöhen. A4: Wie groß ist der Faktor im Datenblatt, um den der asisstrom erhöht bzw. der Stromverstärkungsfaktor verkleinert wurde bei I = 100mA? A5: Über diesen Stromverstärkungsfaktor ist die Größe des asisvorwiderstands bei I = 10mA zu bestimmen. Da in den folgenden Versuchen ein Logikgatter den asisstrom liefern soll und das dort eingesetzte TTL-Gatter nur einen begrenzten Strom liefert, muß R so dimensioniert werden, daß max. ein Strom von 5mA fließt. A6: Erfüllt der zuletzt berechnete asisvorwiderstand diese edingung? Um die Messungen zu erleichtern, wird der Transistor mit einem asisstrom von 5mA betrieben. A7: Wie groß ist R für einen asisstrom von 5mA? A8: Zum Vortestat ist außerdem in Abb. 12 ein Verdrahtungsplan der zu messenden Schaltungen anzufertigen. Hierbei sind alle auteile (Widerstände, Transistoren, ) auf der Oberseite zu platzieren und sämtliche Verbindungen mit rückendraht auf der Unterseite zu verdrahten. Die Lage der Elemente ist so zu wählen, dass keine Kreuzungen entstehen. 4 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Grundsätzliche ist darauf zu achten, daß die Versorgungsspannung vor dem Verbinden mit der Platine auf 5 Volt eingestellt wurde und Eingangssignale immer nach der Versorgungsspannung an die Schaltung angelegt werden. Zur Messung sind je nach Messgerät immer die optimalen Strom-, Spannungs- und Zeitbasen einzustellen. Messungen mit dem Oszilloskop an der Schaltung sind mit Tastköpfen durchzuführen. Die Aufgabe der Gruppenteilnehmer/-innen ist es nun, mit Hilfe der oben angestellten erechnungen die Widerstände R und R aus der Normreihe E12 auszuwählen und diese gemäß des angefertigten Verdrahtungsplans einzulöten. Von dieser Schaltung sind die Stromaufnahme und die Verzögerungszeiten zu messen. Die Aufgaben A9-A11 sind im Seite 7

9 Protokoll zu beantworten. Es ist aber sinnvoll sie schon während des Versuchs zu lesen, um mögliche Fragen sofort zu klären. 4.1 Funktionstest Die Platine wird an eine 5 Volt Versorgungsspannung angeschlossen. Am asiswiderstand wird eine Spannung von 0 Volt und anschließend 5 Volt angelegt. Die korrekte Funktion der Schaltung ist zu prüfen und das Ergebnis zu dokumentieren. 4.2 Messung zur estimmung der Stromaufnahme Es soll gemäß der Abb. 9 der asis- und Kollektorstrom gemessen werden. Die Versorgungsspannung beträgt 5 Volt. Die gemessenen Werte sind mit den Werten, die als Grundlage zur erechnung von R und R dienten, zu vergleichen und eventuelle Abweichungen zu erklären. I I D 1 = Anschlusspin R R T 1 Abb. 9: Meßaufbau Strommessung 4.3 Messung zur estimmung der Schaltzeiten Die Gruppenteilnehmer/-innen sollen ein Gefühl dafür bekommen, wie das Schaltverhalten eines Transistors von der Flankensteilheit abhängt. Hierzu wird die Platine über das Labornetzgerät mit einer 5 Volt Gleichspannung versorgt. An U e wird mit Hilfe eines Funktionsgenerators ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von 0-5V und einer Frequenz von f = 1kHz gelegt. Der Kanal A des Oszilloskops wird an die asis angeschlossen, der Kanal an den Kollektor. In einigen Fällen ist es nötig, dass das Oszilloskop extern getriggert wird (siehe Abbildung 10). Die Verbindung zum Funktionsgenerator wird in N realisiert. Messungen mit dem Oszilloskop an der Schaltung sind mit Tastköpfen durchzuführen. Am Funktionsgenerator oder am Oszilloskop wird mit einer N-Abzweigung das Signal mit ananensteckern abgenommen. Diese Leitungen sollten möglichst kurz gehalten werden, da jeder überflüssige Zentimeter an ungeschirmter Leitung in der Schaltung die zu messenden Signale "verschleifen" lässt und störende höherfrequente Signale einfängt. Ist die Platine richtig verdrahtet, leuchtet die LED ununterbrochen, da das Auge dem 1kHz- Signal nicht folgen kann. A9: Leuchtet dabei die LED im Mittel mit ihrer vollen Helligkeit? P 1: Auf dem Oszilloskop ist etwa 1 Periode darzustellen und auszudrucken, aus der die max. und min. Spannungen und die Frequenz bestimmbar sind. A10: Was kann man über die Phasenlage von Ein- und Ausgangssignal sagen? Seite 8

10 Zur nochmaligen Funktionsüberprüfung kann man den Funktionsgenerator auf 2 Hz stellen. Dann muß die LED blinken. + 5 V Output u e R R Kanal A Kanal GND GND EXT Impulsgenerator Oszilloskop Abb. 10: Meßaufbau Messen der Schaltzeiten (Ext-Eingang ist optional) P 2: Die Gruppenteilnehmer/-innen sollen zwei Oszillogramme ausdrucken, aus denen die oben erläuterten sechs Zeiten t ein = t d + t r und t aus = t s + t f bestimmt werden sollen. Anschließend wird am Frequenzgenerator eine negative Offsetspannung von ungefähr 0,4 Volt eingestellt. P 3: Während des Einstellens der Offsetspannung sollen die Gruppenteilnehmer/-innen die Speicherzeit beobachten und durch einen Ausdruck dokumentieren. Achtung: Hat sich die max. Spannung des Rechtecksignals durch die Offsetverschiebung verändert? Wenn ja, ist diese Änderung auszugleichen und der Einfluss auf die Speicherzeit zu dokumentieren. A11: Warum ändert sich die Speicherzeit? 5 Versuchsprotokoll Zum Protokoll gehören unter anderem: Kurze Einleitung: Was wurde gemacht? Die vollständige Versuchsvorbereitung, d.h. alle Aufgaben A1-A8 Kurze eschreibung des Versuchsablaufs: Wie wurde vorgegangen? Dokumentation der Versuchsergebnisse mit allen Aufgaben A9-A11 Sämtliche beschriftete Ausdrucke P1-P3 aus denen Ersichtlich ist, wie die ermittelten Werte gemessen wurden. 6 Literaturhinweise zum Versuch "Elektronik 2", euth, Vogel Fachbuchverlag, Würzburg 1988, 7.Auflage, Seite 99 ff. und Seite 149 ff., ibliotheksnummer a elt 600 eb/185 (6) " Halbleiterschaltungstechnik", Tietze / Schenk, Springer Verlag erlin 1993, 10.Auflage, Seite 28 ff., ibliotheksnummer A elt (10) "Elektronik 3", euth/schmusch, Vogel Fachbuchverlag, Würzburg 1988, 7.Aufl., Seite 216 ff., ibliotheksnummer a elt 940 e/400 (8) "The TTL Data ook Vol. 1", Texas Instruments, Eighth European Edition 1985 "TTL 74er Datenlexikon", EA Datenlexika, Ausgabe 86/87 "Elektronik 2", Frohn u. a., Pflaum Verlag München 1990, 5. Auflage, Seite 192 ff., ibliotheksnummer a elt 350 eb/636 Seite 9

11 7 Verdrahtungsplan (Ansicht von oben) E Abb. 11: Anschlußbelegung des TO-39 Gehäuses. Ansicht von unten Anschluss-Pin E V Abb. 12: Verdrahtungsplan (von oben) GND Seite 10