Einleitung TW ST_0

Transkript

1 Einlitung Di ht sich wgn dr stürmischn Entwicklung dr Mikrolktronik in dn ltztn dri Jhrzhntn shr strk gwndlt. Währnd rühr st ll Augbn mit nlogn rnsistorschltungn rldigt wurdn, wrdn hut di mistn Augbn mit hochintgrirtn Digitlschltungn (Mikroprozssor, Mikrocontrolr, DSP, PD, Intrcbustin) und ntsprchndr Sotwr glöst. Dmntsprchnd ligt dr Schwrpunkt dr Elktronik-Ausbildung hut u dr Sotwrntwicklung ür dis Bustin. Gblibn sind dr nlogn olgnd Grundugbn: Stromvrsorgungsschltungn Signltrnsport u physiklischr Ebn (Signlintgrität, EMV) Signlvrstärkung (möglichst ruschrm) AD-Wndlung, DA-Wndlung Signlusgb (istungsndstun ür Audio und Vido, Stllglidr) Filtr (Antilising, Glättung) HF-Schltungn (Sndr, Empängr, Mischr, Filtr) Auch bi disn Grundugbn wrdn jdoch huptsächlich nlog intgrirt Schltungn (Spnnungsrglr, Oprtionsvrstärkr, AD, DA, Filtrbustin, HF-Bustin) ingstzt. Di mistn Elktronik-Entwicklr wrdn im u ihrs Bruslbns nicht mit dr Augb konrontirt, in intgrirt Schltung slbst ntwickln zu müssn. Dshlb ist s grchtrtigt, di im Huptstudium u di ösung dr Grundugbn mit vorhndnn intgrirtn Schltungn zu bschränkn und di I-Entwicklung in Spzilvorlsungn ds Schwrpunkts Mikrolktronik zu vrlgrn. W S_

2 Glidrung Elktronisch Schltungn u itrplttn. Hrstllung. yout.. Spnnungsvrsorgung.. Signlintgrität.3 Zuvrlässigkit.3. Fhlrwhrschinlichkit.3. Ausllwhrschinlichkit.4 Drting.4. S Oprting Ar.4. Mximl Vrlustlistung bim Btrib ohn Kühlkörpr.4.3 Mximl Vrlustlistung bim Btrib mit Kühlkörpr.4.4 Mximl Vrlustlistung bi Impulsblstung istungs-schltungn. rnsistorknngrößn.. Bipolr-istungstrnsistor.. istungs-mosfe. inr istungsvrstärkr.. Emittr- und Sourcolgr im A-Btrib.. Komplmntärr Emittr- und Sourcolgr im B-Btrib..3 Komplmntärr Emittr- und Sourcolgr im AB-Btrib.3 inr Spnnungsrglr.4 Schltrglr.5 Schltvrstärkr 3 Oprtionsvrstärkr-Schltungn 3. Frqunzvrhltn und Einschwingvrhltn 3.. Frqunzgng 3.. Bod-Digrmm 3..3 Übrtrgungsunktion 3. Knngrößn ins Oprtionsvrstärkrs 3.3 Ggnkopplung 3.3. Prinzip 3.3. Klinsignl-Bndbrit Anstigsgschwindigkit (Slwrt) Vrllgminrts Ggnkopplungsmodll W S_

3 3.4 Frqunzgngkorrktur 3.4. Stbilität 3.4. nivrsll Frqunzgngkorrktur Prtill Frqunzgngkorrktur Extrn Kompnstion inr kpzitivn st rnsimpdnzvrstärkr 3.5 Ggngkopplt Schltungn 3.5. I/-Wndlr 3.5. mkhrvrstärkr Addirr Subtrhirr (Dirnzvrstärkr) /I-Wndlr ür Vrbruchr n Mss und ür groß Ausgngsström Intgrtor Dirntitor Anlogr PID-glr 3.6 Anlog-Schltr 3.7 Mitgkopplt Schltungn 3.7. Komprtor 3.7. ichtinvrtirndr Schmitt-riggr Invrtirndr Schmitt-riggr Präzisions-Schmitt-riggr 3.8 uschn in OPV-Schltungn 4 Filtr 4. ipss-filtrchrktristikn 4. Witr Filtrtypn 4.. Hochpss 4.. Bndpss 4..3 Bndsprr 4..4 Allpss 4.3 Filtrschltungn 4.3. Übrsicht 4.3. Pssiv - und -Filtrschltungn Aktiv -Filtr Intgrirt -nivrsliltr 4.4 Ablu inr Filtrdimnsionirung 5 Oszilltorn 5. -Oszilltorn 5. -Oszilltorn 3 W S_

4 itrturhinwis Mir/rrtr: Anlog Schltungn Hnsr-Vrlg, 997, E 4,9 shr gut zum Vorlsungssto pssnd; mit viln Bispiln itz/schnk: Hlblitrschltungstchnik Springr-Vrlg, 999,. Aulg, c. E 75, Stndrdwrk, ds wit übr Vorlsungssto hinusght Sirt: Anlog Schltungn Vrlg chnik, 99, c. E 3, Stndrdwrk, ds wit übr Vorlsungssto hinusght Horowitz/Hill: h Art o Elctronics mbridg nivrsity Prss, 994, c. E 6, Stndrdwrk, ds wit übr Vorlsungssto hinusght Böhmr: Elmnt dr ngwndtn Elktronik Viwg-Vrlg,, E 3, shr prxisnh Drstllung wichtigr Grundschltungn Schrmm: Entwur und Hrstllung gdrucktr Schltungn Elktor-Vrlg, 997, c. E 5, itrplttn-yout mit Egl Hinmnn: PSPIE Hnsr-Vrlg,, E 9,9 Elktronik-Simultion mit PSPIE indnr/brur/hmnn: schnbuch dr Elktrotchnik und Elktronik Fchbuchvrlg ipzig, 999, E 8, Formlsmmlung und bllnwrk Brur/hmnn: Elktronik-Augbn, Bnd I und II Fchbuchvrlg ipzig, 997, j E,9 Übungsugbn mit ösungn Koß/inhold: hr- und Übungsbuch Elktronik Fchbuchvrlg ipzig,, E 4,9 Widrholung ds Stos, Übungsugbn mit ösungn Ditrt/Vogl: Anlogtchnik multimdil Fchbuchvrlg ipzig,, E 4,9 rnprogrmm mit intrktivn Übungn und PSpic-Simultionn 4 W S_

5 Vrwndt Bzichnungn A Spnnungsvrstärkung B Stromvrstärkung B Bndbrit, Blindlitwrt Klinsignl-Stromvrstärkung = / Frqunz g 3dB-Grnzrqunz (uch g = g ) p Polrqunz, Eckrqunz (uch p = p ) rnsitrqunz (uch = ) g Schlinvrstärkung G itwrt H, H Frqunzgng, Übrtrgungsunktion I, i, Î, i, I, I SS Knngrößn ins Stroms (s. bi ) k ückkopplungsktor q Polgüt ohmschr Widrstnd r dirntillr Widrstnd S Klinsignl-Stilhit s = + j komplx Krisrqunz s s normirt komplx Krisrqunz t u Û u SS b g X Y Z = Zit Zitkonstnt Priodndur, bsolut mprtur lngsm zitbhängig (qusisttionär) Spnnung inschl. Glichsp. Momntnwrt inr Wchslspnnung ohn Glichntil Amplitud inr sinusörmign Wchslspnnung Phs inr sinusörmign Wchslspnnung Ektivwrt inr Wchslspnnung Spitz-Spitz-Wrt inr Wchslspnnung Btribsspnnung mprturspnnung k B / 5mV bi umtmprtur Blindwidrstnd Admittnz Impdnz Krisrqunz Indizs: Komplx Größn: Ausgngs- komplx Größ b Btribs- Btrg dr komplxn Größ Eingngs- db = lg Btrg in db i Durchnummrirung Phs dr komplxn Größ k im ggngkoppltn Zustnd st- chnzichn: o bi rlu (I = ) proportionl q Qulln- ungähr glich s bi Kurzschluß ( = ) // // = /( + ) 5 W S_

6 Elktronisch Schltungn u itrplttn. Hrstllung Elktronisch Schltungn wrdn ls sog. Bugruppn us Bulmntn zusmmngbut. Mhrr Bugruppn wrdn zu inm Grät zusmmngügt, ds widrum Bstndtil inr Anlg sin knn: Hirrchibn Bispil Anlg Grät Bugruppn Bulmnt Klimnlg omputr, Sturgrät ür umhizung, ütung, Jlousin, tc. tztil, Intrckrt, Grphikkrt, Mothrbord, glr, Motorsturung, tc. Schltr, Stckr, Widrstnd, lis, rnsistor, Mikroprozssor, Spichr, tc. Di mchnisch Bstigung und di lktrischn Vrbindungn zwischn dn Bulmntn inr Bugrupp wrdn durch in sog. itrpltt (Pltin, Krt) (ngl. Printd ircuit Bord (PB)) bwrkstlligt. Dr Bgri gdruckt Schltung ist historisch bdingt, d rühr di itrbhnn mit Sibdrucktchnik ugbrcht wurdn. Hut vrwndt mn ds wsntlich gnur otolithogrisch Vrhrn. Di inzlnn Bugruppn ins Gräts wrdn bi industrilln Anwndungn in Einschübn bstigt und übr in Vrkblung odr in Bckpln mitinndr vrbundn. Bi Konsumr-Anwndungn muss di Bstigung und Vrkblung dr Bugruppn dm Dsign ngpsst wrdn. Di Bulmnt wrdn in Mssnrtigung von spzilisirtn Hrstllrn produzirt und nur bi großn Mngn dirkt n dn Endvrbruchr vrkut, sonst übr sognnnt Distributorn, z.b. Bürklin, S omponnts, Frnll, usw. Bulmnt gibt s in zwi untrschidlichn chnologin: bdrhtt Bulmnt (ür billig itrplttn, ür schwr Bulmnt, z.b. ro odr ür Bulmnt mit Zugblstung, z.b. Stckr, Buchsn, Schltr) SMD's (Surc Mount Dvics) mit shr kompktn Mßn odr mit viln Anschlüssn Vil pssiv Bulmnt mit inm chrktristischn Wrt (Widrständ, Kondnstorn, Spuln, tc.), wrdn nicht mit jdm blibign Wrt hrgstllt, sondrn nur mit Wrtn us sog. ormwrtrihn. W S_

7 Di Vrügbrkit dr Bulmnt muss vor Bginn dr Entwicklung gklärt wrdn, d Bulmnt kurzristig vom Hrstllr bgkündigt wrdn könnn und irristn ür vrschidn Kundn untrschidlich und zum il shr lng sin könnn. Di itrpltt wird in dr gl von spzilisirtn Firmn hrgstllt, mit Bulmntn bstückt und glött. Ein itrpltt bstht im inchstn Fll us inm Isolirsto mit in- odr zwisitigr Kuprkschirung. Ein häuig vrwndtr Isolirsto ist in Epoxid-Glshrtgwb (F4). Es wrdn br uch billigr (Ppir) und turr (Krmik) Isolirsto vrwndt. Di Dick dr Kuprkschirung bträgt stndrdmäßig 7m odr 35m. Di Gsmtdick dr itrpltt bträgt us Stbilitätsgründn c..5mm. Ein häuig vrwndt Größ ist di sog. Europkrt mit 6mmxmm Einlgig itrpltt: Zwilgig itrpltt: Mhrlgig itrplttn: billigst Vrint ür bdrhtt Bulmnt nächstturr Vrint ür SMD's, Vrbindung dr bidn gn übr sog. Durchkontktirungn (Vi's), di durch Bohrn und Glvnisirn hrgstllt wrdn turst Vrint ür Bulmnt mit shr viln Anschlüssn (Prozssorn, ontrollr, Spichr) Durchkontktirungn könnn übr ll Ebnn ührn, nur bis zu inr bstimmtn i (blind vi) odr nur zwischn Innnlgn (burid vi), di inzlnn gn wrdn gtrnnt hrgstllt und dnch vrklbt Di Bulmnt wrdn bi klinn Stückzhln von Hnd und bi größrn Stückzhln durch Bstückungsutomtn u di itrplttn gklbt. Dnch wrdn di Bulmnt in inr ötnlg durch low-ötn odr Wlln-ötn mit dr itrpltt vrlött. W S_

8 . yout Für di Frtigung dr itrplttn bnötigt dr itrplttnhrstllr vom Gräthrstllr in vollständigs yout. Diss yout wird mit sog. yout-ools hrgstllt. Ds sind omputrprogrmm, mit dnn dr Entwicklr dn Schltpln zichnt und dnn drus ds yout rstllt. Dr Schltpln nthält di igntlich Entwicklungsrbit und wird vom Schltungsntwicklr so rstllt, dss di Schltung di Funktion ds ntsprchndn Blocks im Blockschltbild ds Gsmtgräts rüllt. Dr Schltpln knn mit Simultions-ools u sin Funktion übrprüt wrdn. Dis stzt br vorus, dss ür di vrwndtn Bulmnt Simultionsmodll vorhndn sind (wrdn ot von dn Bulmnthrstllrn zur Vrügung gstllt). Bvor dr igntlich youtprozss bginnt, muss sich dr Entwicklr ür in Pltinngröß und ür inn gnubu ntschidn. Dnn muss r di Bulmnt und Butil u dr zur Vrügung sthndn Fläch vrtiln (Plzirung). Dnch wrdn di logischn Vrbindungn ds Schltplns in physiklisch itrbhn-vrbindungn umgstzt (Entlchtn, outn). Dr wsntlich Punkt dbi ist, dss us rtigungstchnischn Gründn in Mindstbstnd zwischn dn inzlnn itrbhnn inghltn wrdn muss und dss in Kruzung von itrbhnn nur u vrschidnn Ebnn möglich ist. Dr Entlchtungs- odr outingvorgng knn utomtisch mit inm sog. Autoroutr odr von Hnd rolgn. Ot wird in Kombintion ngwndt, bi dr dr Entwicklr di wichtigstn itungn (z.b. di Stromvrsorgungs- und Msslitungn) vrlgt und dr Autoroutr dn st. D dr outing-vorgng shr zituwndig ist, sind di Whl dr Pltin (Größ und Aubu) und di Plzirung kritisch und rordrn in hohs Mß n Erhrung: Bi zu klinr Pltin odr zu wnig gn knn di Entlchtung m End schitrn und muss mit inr größrn Pltin bzw. mhr gn noch inml durchgührt wrdn. mgkhrt ührt in zu groß Pltin mit zu viln gn zu höhrn Kostn in dr Frtigung und schlgn sich dmit dirkt im Produktpris nidr. Aus dm yout wird ür jd g in sog. Grbr-Fil rzugt, mit dm dnn in sog. Photoplottr gsturt wird. Dr Photoplottr blichtt mit inr vribln Blnd inn Film, dr nch dr Entwicklung ls Msk ür di Blichtung ds Fotolcks dint. Folgnd Punkt müssn vor Bginn ds youts mit dm itrplttnhrstllr gklärt wrdn, d dis von dr Ausrüstung ds itrplttnhrstllrs bhängn (s. z.b. il.d odr pcb-pool.d): Mindstbrit dr itrbhnn Mindstbstnd von itrbhnn, Bulmnt-Pds und Vi-Pds Mindstdurchmssr dr Bohrungn Mindstbrit ds Kuprrings um in Bohrung, wnn in lktrisch Vrbindung mit dr Bohrung hrgstllt wrdn soll Mindstdurchmssr ds Isoltionsrings um in Bohrung, wnn kin lktrisch Vrbindung mit dr Bohrung vorhndn sin dr Mximl Anzhl und Mindstbstnd dr inzlnn gn 3 W S_

9 .. Spnnungsvrsorgung Digitl I s wrdn mit immr höhrn ktrqunzn btribn. Di pulsörmig Stromunhm disr I s stllt norm Anordrungn n di Spnnungsvrsorgung u dm PB. ichtbchtung disr tsch ührt im bstn Fll zu EMV-Problmn bi dr Produktbnhm (E-Knnzichn) und im schlchtstn Fll zu nicht rproduzirbrn Fhlunktionn dr Schltung. Btrchtn wir zunächst in xtrm vrinchts Modll ins digitln I s: Digitlschltungn wrdn hut in dn witus mistn Fälln in MOS- chnologi rlisirt, drn Bsisbstndtil dr Invrtr und ds AD-Gttr sind: p p p b n b n n MOS-Invrtr MOS-AD-Gttr Di Btribsspnnung b ligt typisch zwischn.5v bi Hochlistungsprozssorn und 5V bi inchn Mikrocontrollrn. D digitl I s in dr gl gtktt btribn wrdn, knn mn shr vrincht nnhmn, dss n dr ktlnk c. di Hält llr Invrtr und AD-Gttr inn Übrgng von H nch bzw. von nch H usührn: prlll gschltt PMOS- rnsistorn b prlll gschltt MOS- rnsistorn 4 W S_

10 Hirus knn nun in shr inchs Modll ins digitln I s konstruirt wrdn: b OK on G G Dr Widrstnd on simulirt bim Schlißn ds obrn Schltrs dn O- Widrstnd dr prlll gschlttn PMOS-rnsistorn und bim Schlißn ds untrn Schltrs dn O-Widrstnd dr prlll gschlttn MOS-rnsistorn. Dbi wird dvon usggngn, dss di Gtwit dr PMOS-rnsistorn wi üblich c. 3ml größr dimnsionirt ist um di gringr Bwglichkit dr öchr uszuglichn und symmtrischs Schltvrhltn zu rrichn. Di Kpzität G simulirt di Gtkpzität dr prlll gschlttn PMOS- und MOS- rnsistorn. Di bidn Schltr wrdn bwchslnd mit dr ktrqunz gschlossn, so dss di Kpzität G übr dn Widrstnd on priodisch u di Btribsspnnung b ugldn und widr ntldn wird. Di Spnnung G bsitzt dbi dn bknntn xponntilln Zitvrlu ins -Glids: Anstigs- und Abllzit: Gmittltr Strom dr Btribsspnnungsqull: t I r b G on b G 5 W S_

11 Dmit ist s möglich, di Modllprmtr on und G us dn in dn Dtnblättrn nggbnn bzw. bschätzbrn Größn I b und t r zu bstimmn, wobi ggbnnlls n ggninndr vrschobn ktsignl zu brücksichtign sind: G b I b n on tr G Dr Strom ür di mldung dr Kpzitätn wird pulsörmig us dr Btribsspnnungsqull ntnommn. Dr Spitznstrom bträgt in dism Modll: Bispil: I mx b on b t r G b I b t r n G on I mx Amx 64 5V 3mA 8MHz 8ns.8nF 5 A nh Pntium4.5V 8A 3GHz 8ps 8.nF 8m 83A.7pH typ. I 3V 3A 5MHz ns 4 nf.5 6A 5pH Es ist instruktiv, on und G nährungswis mit inm inchn rnsistor-modll (s...) bzuschätzn: on W W 3 W G ox n n n ox n b th Hirus rgibt sich nährungswis di Anstigs- und Abllzit dr digitln Signl: 8 tr on G Di Anstigs- und Abllzit digitlr Schltungn wird lso im wsntlichn durch di Gtläng bstimmt. Mit =m, n.5m /Vs, b 3V, th V rgibt sich z.b. t r 8ps Di PSpic-Simultion Vrglich_MOSFE_Modll.sch zigt, dss ds vrincht Modll ds prinzipill Vrhltn gut bschribt. n b th 6 W S_

12 Di bishrign Übrlgungn ghn von inr idln Btribsspnnungsqull us. Au inm PB müssn jdoch zwischn Spnnungsqull und I Zulitungn vrwndt wrdn. Slbst wnn di Spnnungsqull und di Zulitungn idl wärn, würdn di Strompuls in dn Zulitungn zu EMV-Problmn ührn, di mit dr Höh dr Puls, dr äng dr Zulitungn und dr Kürz dr Puls zunhmn (s. PSpic-Simultion Stromspktrum.sch). D di Zulitungn br unvrmidlich inn Srinwidrstnd und in Induktivität bsitzn, ist zusätzlich uch di Spnnungvrsorgung ds I s nicht idl, so dss di Funktionsähigkit ds I s binträchtigt wrdn knn. Dr Srinwidrstnd knn durch di Vrwndung britr itrbhnn klin gnug ghltn wrdn und spilt ür di Funktion ds I s kin oll, d r ggnübr on vrnchlässigbr ist. Wichtig ist jdoch di Bchtung dr mximln Stromdicht in dn Zulitungn, dmit kin unzulässig Erwärmung odr Elktromigrtion in dn Zulitungn utritt. Di Induktivität dr Zulitungn spilt dggn ür di Funktion ds I s in kritisch oll, d si di Dur von Strompulsn durch di Zulitungn nch untn bgrnzt. Dmit di Funktionsähigkit ds I s gwährlistt ist, dr di Zulitungsinduktivität di Anstigs- und Abllzit dr digitln Signl nicht wsntlich vrlängrn. Wir ghn lso dvon us, dss di Anstigs- und Abllzit trotz dr Zulitungsinduktivität ungähr t r blibn muss und litn us disr Fordrung in Obrgrnz ür di Induktivität b. Als Modll vrwndn wir di olgnd Schltung: A b OK on G G 7 W S_

13 Es gibt mhrr Wg mit untrschidlichr Anschulichkit in Obrgrnz ür A bzuschätzn: Wg : Wnn mn dn Strompuls ohn Induktivität durch inn drickörmign Puls mit Höh I mx und Anstigs- bzw. Abllzit t r / rstzt, dr dr Spnnungsbll n dr Zulitungsinduktivität währnd ins Pulss di Btribsspnnung nicht übrschritn, d mhr Spnnung bim Einschltn nicht zur Vrügung stht: di Imx G b tr A b A b A b A dt t t 4 r r G Wg : Ds -ipssiltr us A und G dr höchstns di glich Anstigszit bsitzn wi di durch ds -ipssiltr us on und G stglgt Anstigszit t r dr Schltung: tr A G tr A 4 G Wg 3: Ein rpzpuls mit Anstigszit t r bsitzt in Spktrum, ds tw bis /(t r ) richt (s. PSpic-Simultion Puls_spktrum.sch). Diss Spktrum muss ds -Filtr us A und G pssirn könnn, wnn di Anstigszit nicht vrgrößrt wrdn soll: tr A t 4 A G r G Für unsr Bispil (t r ns, G nf) rgibt sich: A 5pH. Di PSpic- Simultion Einluss_von_A.sch mit A ph, ph, 5pH und nh bstätigt dis Abschätzung. Bi A ph ist kin ntrschid zur Simultion ohn Induktivität rknnbr, bi A ph ist di Anstigszit noch nhzu unvrändrt und bi A nh ist si dutlich vrlängrt. 8 W S_

14 Dis Übrlgung blibt uch korrkt, wnn mn n phsnvrschobn ktsignl bnutzt, so dss zum glichn Zitpunkt jwils nur dr n-t il dr Gsmtkpzität übr di Zulitungsinduktivität A ugldn wrdn muss: A b OK on OK n (n-) t on G G G Gn ährungswis knn diss Modll durch olgnds Modll rstzt wrdn: A /n b OK on /n n G G Di PSpic-Simultion Einluss_von n_ktsignl.sch bstätigt diss Modll. 9 W S_

15 Wi knn in solch nidrig Zulitungsinduktivität rricht wrdn? Btrchtn wir dzu dn Induktivitätsblg vrschidnr Zulitungsgomtrin: ) Doppl-Strinlitung mit w=5mm Brit und s=mm Abstnd s ln w ph 6 mm b) Microstriplitung mit w5mm Brit und h.5mm Abstnd zur Mssläch h w ph mm c) Vrsorgungsläch mit wmm Brit und h.5mm Abstnd zur Mssläch h w ph 6 mm Drus olgt, dss di ür digitl I s in dr gl rordrlich Zulitungsinduktivität wnn übrhupt, nur mit inr Vrsorgungsläch rricht wrdn knn. Abr slbst dnn würd mn sich durch di hohn Pulsström in inr großlächign Struktur mssiv EMV-Problm inhndln. Di ösung ds Problms bstht in dr Plzirung von Abblockkondnstorn mit Kpzität A in unmittlbrr äh ds I s, di sich übr inn kurzn Zitrum wi in idl Spnnungsqull mit inr Srininduktivität A vrhltn: A OK on A A G G W S_

16 Di Induktivität A stzt sich us mhrrn Bstndtiln zusmmn: Induktivität dr Abblockkondnstorn slbst. Dis knn us dr sonnzrqunz brchnt wrdn, di in dn Dtnblättrn nggbn ist: r ES ES 4 A r Krmikkondnstorn mit möglichst gringr Induktivität vrwndn, d.h. A nur so groß wähln wi mit dr klinstn Induktivität vrinbr ist. Möglichst vil Abblockkondnstorn prlll schltn. Induktivität dr Vrbindungslitungn zwischn Abblockkondnstorn und I. Dis Induktivität nimmt proportionl zur Schlinläch dr Zulitungn zu Abblockkondnstorn möglichst dicht m I plzirn, Abstnd zwischn Hinund ücklitr möglichst gring. Induktivität vtl. Vi s Induktivität ins Vi s mit Durchmssr d und Höh h: h 4h ph ln mm d Abblockkondnstorn möglichst ohn Vi s nschlißn Induktivität dr I-Powrpins Wir bond: -5nH Flip chip ph Bi Hochlistungs-I s müssn di Abblockkondnstorn in ds hip- Pckg intgrirt wrdn. Evtl. muss zusätzlich gnügnd Abblockkpzität u dm hip intgrirt wrdn. A W S_

17 türlich knn sich di Abblockkpzität übr inn längrn Zitrum nicht wi in idl Spnnungsqull vrhltn, d si sich durch di durndn Schltvorgäng ds I s ntlädt (s. PSpic-Simultion Entldung_von_.sch). Dis Entldung muss durch di Zulitungn zu dn Abblockkondnstorn vrhindrt wrdn, di llrdings uch widr in Induktivität S bsitzn: S A b OK on A A G G ntr dr Vorusstzung A n G knn us dm mittlrn Btribsstrom di Zit brchnt wrdn, innrhlb dr di Spnnung A n dr Abblockkpzität um V bsinkt: Entldung V I b A In dr Prxis dr V inn bstimmtn Wrt nicht übrschritn, wnn di Funktionsähigkit ds I s nicht binträchtigt wrdn soll. D di Abblockkpzität übr di Zulitungsinduktivität S ugldn wrdn muss, muss di Zitkonstnt ds -Filtrs us S und A kürzr ls di zulässig Entldungszit sin: V A S A Ib S A V V S A I b I b Für unsr Bispil (I b =3A) rgibt sich mit V=.3V und A =nf: S nh s. PSpic-Simultion Auldung_von_.sch W S_

18 Diss Ergbnis knn uch shr nschulich im Frqunzbrich intrprtirt wrdn. Di Impdnz ds Vrsorgungssystms us S und A knn in unsrm Modll nlytisch brchnt wrdn, wobi wgn dr utrtndn sonnzn uch di Srinwidrständ brücksichtigt wrdn solln: S S A Z V A Z V S S j j AA S j S A A S A S js j A A ür ür ür ür A A A A wobi S S A S A A A A Asymptotischs Bod-Digrmm ds Impdnzvrlus: Z V A S S A S A A A D di Impdnz im symptotischn Bod-Digrmm bi dr sonnzrqunz S A ihrn mximln Wrt nnimmt, olgt us dr im Zitbrich bglittn Bdingung S A b A V ür di Zulitungsinduktivität, dss di Impdnz I im symptotischn Digrmm inn Mximlwrt V/I b nicht übrschritn dr. Disr bträgt in unsrm Bispil. 3 W S_

19 Im rln Vrlu tritt bi dr sonnzrqunz in sonnzübrhöhung um dn S Gütktor q u. S A A Mit S m und A m rgibt sich in unsrm Bispil: 3.MHz, A 5.9MHz, A 59MHz, q=3.3 (s. PSpic-Simultion Auldung_von Impdnz.sch (Disply Impdnz_ohn_A). Aus dm Impdnzvrlu olgt, dss bi Frqunzn obrhlb dr sonnzrqunz A di Stromvrsorgung von dr Abblockkpzität übrnommn wird und untrhlb von dr Zulitungsinduktivität. Di sonnzübrhöhung dr Impdnz bi dr sonnzrqunz ührt zu inm Krisstrom zwischn S und A, dr um inn Fktor q höhr ist ls dr vom I bnötigt Strom (s. PSpic-Simultion Auldung_von Impdnz.sch (Disply Strom)). Mn rknnt, dss s umso lichtr ist, di Anordrung n di Zulitungsinduktivität S zu rülln, j größr di Abblockkpzität ist. Einr blibign Vrgrößrung dr Abblockkpzität stht in dr Prxis di Obrgrnz ür A im Wg. Dis Obrgrnz rzwingt bi Hochlistungs-I s di Intgrtion dr Abblockkpzität in dn I odr in ds I-Ghäus. Dis widrum bgrnzt di Größ dr Abblockkpzität tchnologisch und ökonomisch. Abr uch wnn di Abblockkpzität ußrhlb ds I s rlisirt wrdn knn, xistirn tchnologisch und ökonomisch Grnzn, d in groß Abblockkpzität bi glichzitig nidrigr Anschlussinduktivität ot nur durch Prlllschltung vilr klinr Kpzitätn rlisirt wrdn knn. Mßnhmn zur Vrringrung von S : Engr Abstnd zwischn Hin- und ücklitr; m bstn mit itrbhnn übr Mssläch odr, wnn us Kostngründn kin Mssläch möglich ist, mit Doppl-itrbhn (sog. Koplnrlitr). Brit itrbhnn (hilt wgn dr logrithmischn Abhängigkit dr Induktivität von dr Brit br nur bgrnzt) VDD-GD-Flächn-Sndwich (Für di Spnnungsvrsorgung dr I s di bst ösung, llrdings nicht unproblmtisch bzüglich EMV wgn dr sonnzn ds VDD-GD-Wllnlitrs (-Schwingkris)) Wnn trotzdm di Anordrung n di Zulitungsinduktivität S nicht mit inr dirktn Vrbindung zum Powr-Supply rüllt wrdn knn, knn in zusätzlich Stützkpzität S vrwndt wrdn, di nur sowit ntrnt plzirt wird, dss di Anordrung n S rüllt wrdn knn: 4 W S_

20 S S A b OK on S A G G Di Anstigszit ds -Filtrs us S und S muss kürzr sin ls di Zit, in dr sich di Stützkpzität S um V ntlädt: V S S S Ib S S V V S S I b I b Mit dism Prinzip knn in Hirrchi von Stützkpzitätn ugbut wrdn, di mit zunhmndr Entrnung vom I immr größr wrdn. In jdr Stu muss dbi di Bdingung rüllt sin: S(k) Sk V I b Auch diss Ergbnis knn widr in inm symptotischn Bod-Digrmm ds Impdnzvrlus drgstllt wrdn: Z V S A S S S S S A S + S A A A 5 W S_

21 Aus dm Impdnzvrlu olgt, dss bi Frqunzn obrhlb von A di Stromvrsorgung von dr Abblockkpzität übrnommn wird. Zwischn und A wird di Stromvrsorgung von dr Stützkpzität S und untrhlb von von dr Zulitungsinduktivität S übrnommn. Auch hir ührn sonnzübrhöhungn dr Impdnz bi dn Frqunz A und zu Krisströmn zwischn S und A sowi zwischn S und S, di höhr sind ls dr vom I bnötigt Strom s. PSpic-Simultionn Auldung_von_s_Impdnz.sch (Displys Impdnz_ohn_A und Strom). Ds ltzt Glid in dr Ktt ist dr Spnnungsrglr, dr in shr nidrig Impdnz bi D bsitzt und in nährungswis proportionl zur Frqunz nstignd Impdnz ugrund sinr ndlichn rnsitrqunz: Z rg ro r j A() O Mit typ. Wrtn (r O, A() 4, MHz) rgibt sich: (s. Simultion Spnnungsrglr_MOSFE.sch) Z.m+j6nH Wnn in solchr glr in unsrm Bispil vrwndt würd, wär S 6nH. S V Aus dr Bdingung olgt, dss di Stützkpzität S in dism Fll I mindstns 6F btrgn muss. S b Mit S.m, S 6nH, S 6F, m, S nh, S m rgbn sich olgnd Frqunzn und Gütktorn: khz, khz, q 5, A 5.9MHz, A 59MHz, q=3.3 s. Simultionn Auldung_von_s_st.sch und Auldung_von_s_slow.sch Ein hirrchischr Aubu ds Spnnungsvrsorgungssystms ist uch untr EMV- Gsichtspunktn sinnvoll, d hirdurch di hochrquntn Ström u inn gomtrisch klinn Brich ingschränkt wrdn könnn. In dn Simultionn Pntium4_Impdnz.sch, Pntium4_rnsint_st.sch, Pntium4_rnsint_middl.sch und Pntium4_rnsint_slow.sch ist di Spnnungsvrsorgung ins Pntium4-Prozssors ntsprchnd dn Appliction ots von Intl usglgt. 6 W S_

22 Auswirkungn dr Spnnungsvrsorgung u di EMV Glvnisch Kopplung (Gminsm Impdnzn in zwi Stromkrisn) Di hochrquntn Antil ds Vrsorgungsstroms in dn Msslächn und Msslitungn ührn zu induktivn Spnnungsbälln, di sich in Signlstromkrisn widrindn, wnn dis dn glichn Msspd bnutzn Abhil: Eign Msspd ür Signl Kpzitiv Kopplung (Kpzitivr Strom zwischn bnchbrtn Stromkrisn) Wgn dr nidrign Spnnung spilt disr Ekt u Pltinn nur in gring oll 7 W S_

23 Induktiv Kopplung (Induzirt Spnnung in induktiv gkoppltn Stromkrisn) Abhil: Gminsm Schlinlächn durch yout minimirn Abstrhlung Abhil: Bgrnzung dr hochrquntn Stromntil durch hirrchischs Abblockkonzpt u inn möglichst klinn um 8 W S_

24 .. Signlintgrität D sich nlog Signl und digitl Spnnungspgl mistns u Mss bzihn, ist in gut Mssvrbindung zwischn I's shr wichtig. Si wird m bstn rricht, wnn mn mhrlgig itrplttn vrwndt und mindstns in Ebn ls durchgängig Mssläch (mit Aussprungn bi Durchkontktirungn) vorsiht. Di Msspins dr intgrirtn Schltungn solltn so dicht wi möglich m I n di Mssbn ngschlossn wrdn. Wnn nlog und digitl Signl übr itungn gührt wrdn, muss di Msslitung möglichst dicht n dn Signllitungn vrlun, dmit di Induktivität gnügnd klin blibt. Idl sind Microstrip-itungn u dr Pltin und Koxilkbl bzw. vrdrillt Zwidrhtlitungn bi Vrbindungn zwischn Grätn. Bi Buskbln vrlun idlrwis jwils bwchslnd Msslitungn zwischn dn Signllitungn, ot ist us Kostngründn di Zhl dr Msslitungn br uch gringr (z.b. nur Msslitungn ls äußrst itungn). Wnn di dopplt uzit inr itung größr wird ls di Anstigszit dr Signl, trtn itungsrlxionn u, di zur Vrälschung dr logischn Pgl ührn könnn. In dism Fll muss mn di itung mit inm Widrstnd bschlißn, dr dm Wllnwidrstnd dr itung ntspricht (typ. zwischn 5 und ). D di typ. uzit 5ns/m bträgt, müssn itungsrlxionn bchtt wrdn, wnn di itung längr ist ls cmanstigszit in ns. Übrtrgung ins Digitlsignls mit inr Anstigs- und Abllzit von 5ns übr in itung mit Wllnwidrstnd 5: 9 W S_

25 Vrzögrungszit dr itung ns (ntspricht c. cm äng): Vrzögrungszit dr itung 5ns (ntspricht c. m äng): W S_

26 Vrzögrungszit dr itung 5ns, Widrstnd 5 prlll zu : Bi nlogn Signln vrwndt mn in äquivlnts Kritrium ür sinusörmig Signl: itungsrlxionn müssn bchtt wrdn, wnn di Frqunz höhr ist ls dr Khrwrt dr virchn uzit. Dis ntspricht dr Fordrung, dss di itung kürzr sin muss ls in Virtl dr Wllnläng. W S_

27 Auch hir vrhindrt in itungsbschluss mit dm Wllnwidrstnd von 5 di lxionn: Di vrblibndn sonnzn wrdn durch di kpzitiv st vrurscht. W S_

28 .3 Zuvrlässigkit Di Zuvrlässigkit lktronischr Bulmnt wird zum inn durch dn Auwnd bim Bulmnthrstllr bstimmt: Entwicklungsri vrwndt Mtrilin Kontroll ds Hrstllungsprozsss grung Vrpckung und rnsport Zum ndrn ist br uch dr Gräthrstllr ür di Zuvrlässigkit vrntwortlich durch: Vrmidung mximlr Grnzwrt (Übrdimnsionirung) Schutz vor mwltinlüssn Übrlstungsschutz D ll dis Mßnhmn Kostn vrurschn, stign di Bulmntkostn bi höhrn Ansprüchn n di Zuvrlässigkit. Andrrsits stign di Btribskostn dr Schltung bi inm vorzitign Ausll ds Bulmnts. Insgsmt rgibt sich in Kostnminimum ür di Schltung bi inr bstimmtn Zuvrlässigkit (quntiizirt durch in Fhlr- odr Ausllwhrschinlichkit): 3 W S_

29 .3. Fhlrwhrschinlichkit Wnn in Gräthrstllr in groß Anzhl von Bulmntn rwirbt, muss r mit dm Bulmntlirntn in bstimmt mximl Fhlrwhrschinlichkit (Qulität) vrinbrn. türlich knn r vom irntn vrlngn, dss disr ll Bulmnt tstt und u ihr Übrinstimmung mit dn Spziiktionn übrprüt. Vor llm bi pssivn Bulmntn würd dis br zu unnötig hohn Kostn ührn. Dshlb wird in bstimmt Fhlrwhrschinlichkit und in Abnhmmodus vrinbrt, bi dm ugrund von Stichprobn di ttsächlich Fhlrrt übrprüt wird. J nch Ergbnis wird di irung kzptirt odr zurückgwisn. Di Fhlrwhrschinlichkit BE dr Bulmnt bstimmt zusmmn mit dr Fhlrwhrschinlichkit BS dr Bstückung und mit dr Fhlrwhrschinlichkit dr ötung di Fhlrwhrschinlichkit F BG dr Bugrupp: D di Whrschinlichkit ür in korrkts Bulmnt wbe BE, ür in korrkt Bstückung wbs BS, ür in korrkt ötung w und ür in korrkt Bugrupp WBG FBG ist, gilt nch dn Gstzn dr Whrschinlichkitsrchnung: BE BE W w w w BE : Anzhl dr in dr Bugrupp nthltnn Bul. BG BE BS : Anzhl dr in dr Bugrupp nthltnn ötungn D di Fhlrwhrschinlichkitn in dr Prxis shr klin sind, könnn olgnd ährungn vrwndt wrdn: BE BE w BE BE BE BE BE w BS BS w BE BE BS D in dr Prxis uch di rm wsntlich klinr ls sind, knn mn in witr ährung bnutzn: W BG BE BE BE BS BE BE BE BS Dmit kommt mn insgsmt zu inr inchn Forml ür di Fhlrwhrschinlichkit F BG inr Bugrupp: FBG BE BE BE BS D di Kostn bim Einbu inr dktn Bugrupp in in Grät rltiv hoch sind, wird mn in dr gl di Bugruppn vor dm Einbu tstn. Wnn di Fhlrwhrschinlichkit dr Bugrupp llrdings nidrig gnug ist, knn mn uch hir mit sttistischn Mthodn rbitn. Ds Zil ist immr di Minimirung dr Gsmtkostn 4 W S_

30 .3. Ausllwhrschinlichkit Auch lktronisch Bulmnt untrlign inm Vrschliss, dr zu inm Ausll ds Bulmnts ührn knn. Di sognnnt Ausllrt gibt n, wlchr Bruchtil von Bulmntn im Mittl währnd ins Zitintrvlls t usällt: t Di Ausllrt ht di Bnnnung pro Zitinhit und wird in Dtnblättrn häuig in it (ilur in tim) nggbn (it -9 /h). Dr Khrwrt dr Ausllrt wird ls MBF (mn tim btwn ilur) bzichnt: MBF / Wnn mn di Ausllrt übr dr Btribszit uträgt rgibt sich di sog. Bdwnnnkurv: Am Bginn dr Btribszit ist di Ausllrt durch Frühusäll rhöht. rschn könnn sin: Hrstllungshlr Schädigung bim Einbu (thrmisch, mchnisch, Elctrosttic Dischrg (ESD) Frühusäll könnn durch inn burn-in usgsondrt wrdn. Dnch sinkt di Ausllrt u inn konstntn Wrt. Dis Ausäll sind zuällig und mist durch Mtrilvrändrung (Diusion, Migrtion, Grnzschichtvrändrung) bdingt. D dis Prozss thrmisch ktivirt wrdn, hängt di Ausllrt in dism Brich strk von dr mprtur b. Irgndwnn stigt di Ausllrt widr n. Dis sog. Vrschlissusäll wrdn z.b. durch Mtrilrmüdung und Korrosion vrurscht. 5 W S_

31 Aus dr Dinition dr Ausllrt knn mn durch ösn inr Dirntilglichung di Whrschinlichkit brchnn, mit dr in Bulmnt usällt: t d dt t () ( ) t (t) gibt di Anzhl von Bulmntn n, di von insgsmt () Bulmntn nch inr Zit t noch intkt sind. Whrschinlichkit, dss in Elmnt in dr Zit t intkt blibt: w t () t () Drus rgibt sich di xkt Forml ür di Ausllwhrschinlichkit : t Wnn ds Produkt t ist, knn mn di -Funktion nährn: t t Dmit rhält mn in ährungsorml ür di Ausllwhrschinlichkit : t Mit dr Ausllwhrschinlichkit knn mn gnuso rchnn wi mit dr Fhlrwhrschinlichkit im ltztn Abschnitt. Di Ausllwhrschinlichkit F inr Bugrupp bsthnd us Bulmntn mit Ausllrt und Bulmntn mit Ausllrt rgibt sich dmnch zu: F t t Anlog zur Ausllrt ins Bulmnts knn mn in ktiv Ausllrt ür di Bugrupp so dinirn, dss F t gilt. Wnn mn dis mit dm vorhrghndn Ergbnis vrglicht, rhält mn ür : 6 W S_

32 .4 Drting.4. S Oprting Ar Bim Btrib lktronischr Bulmnt dürn bstimmt Grnzwrt nicht übrschrittn wrdn. Von dn dri Grnzwrtn mx, I mx und P mx wird im I--Digrmm in Fläch dinirt, di bim Btrib nicht odr llnlls nur shr kurzzitig vrlssn wrdn dr. Dis Fläch hisst S-Oprting-Ar (SOA): inrr Mßstb Dopplt-ogrithmischr Mßstb Währnd di bidn Grnzn mx und I mx dirkt im Dtnbltt nggbn sind, muss P mx us dn Dtnblttngbn und Btribsbdingungn rrchnt wrdn. 7 W S_

33 .4. Mximl Vrlustlistung bim Btrib ohn Kühlkörpr Wnn ds Bulmnt ür inn Btrib ohn Kühlkörpr vorgshn ist, ist im Dtnbltt nbn dr Mximltmprtur (mist ls Jmx bzichnt) in istung P DB bi inr mgbungstmprtur DB nggbn. Dis istung ist ür mgbungstmprturn untrhlb von DB di mximl Vrlustlistung: DB Pmx P DB, wnn Bi höhrn mgbungstmprturn ist P mx klinr ls disr Wrt (Drting). Di mgbungstmprtur ist in dr Prxis nicht inch umtmprtur, sondrn di mprtur, di sich nch gnügnd lngr Zit in dr mgbung ds Bulmnts instllt. D di Bulmnt ot us zwingndn odr ästhtischn Gründn (Dsign) n ungünstign Ortn ingbut wrdn (z.b. di Fnstrhbrsturung in dr ür ins Kz, di Schinwrrvrstllung im Schinwrrghäus usw.) knn di mgbungstmprtur rhblich höhr ls umtmprtur sin. Di mgbungstmprtur knn durch größr Hohlräum mit ntsprchnd größrn Obrlächn, durch Kühlschlitz, ütr usw. bgsnkt wrdn. In jdm Fll muss jdoch ür dr worst-cs ngnommn wrdn, d.h. zum Bispil dirkt Sonnnbstrhlung inr Autotür ( = 9 ). Wi brits usgührt, ist di mprturrhöhung im Bulmnt ds igntlich kritisch n dr Vrlustlistung. Di mprturrhöhung ds Bulmnts ggnübr dr mgbung durch in Wärmlistung P th knn us dr Wärmlitungsglichung rmittlt wrdn: thj P th Dbi ist thj dr Wärmwidrstnd zwischn dm ktivn Brich ds Bulmnts (Junction) und dr mgbung (typ. K/W). Dis Glichung ist nlog zum ohmschn Gstz in dr Elktrizitätslhr: P th thj J J - : mprturrhöhung P th : Wärmlistung Vrlustlistung thj : hrm. Widrstnd Bul.mgbung J: Junction, Sprrschicht, ktivr Brich : mgbung, A: Ambint Mit Hil disr Glichung knn mn di mximl Vrlustlistung brchnn, indm mn di mximl zulässig mprturdirnz Jmx instzt: P mx Jmx thj, wnn DB 8 W S_

34 Wnn mn di mximl Vrlustlistung übr dr mgbungstmprtur uträgt, rhält mn untrhlb von DB in wgrcht Grd mit Pmx P DB. Obrhlb von DB nimmt di mximl Vrlustlistung nch disr Forml mit dr Stigung -/ thj b und schnidt di mprturchs bi Jmx (Drtingkurv): P mx P DB DB Jmx Mn knn ntwdr di mximl Vrlustlistung us disr Drtingkurv ntnhmn odr mn bnutzt di Forml. Wnn dr dzu bnötigt thrmisch Widrstnd thj nicht im Dtnbltt nggbn ist, knn r us dr Stigung dr Drtingkurv brchnt wrdn ( Jmx, DB und PDB sind immr nggbn): thj DB Jmx PDB 9 W S_

35 .4.3 Mximl Vrlustlistung bim Btrib mit Kühlkörpr In dism Fll ist dr thrmisch Widrstnd zwischn dm ktivn Brich ds Bulmnts und dr mgbung in ihnschltung us dm thrmischn Widrstnd thjg zwischn dm ktivn Brich ds Bulmnts und dm Ghäus und us dm thrmischn Widrstnd thg zwischn Ghäus und mgbung ( thrmischr Widrstnd ds Kühlkörprs): P th thjg thg J G J - : mprturrhöhung P th : Wärmlistung Vrlustlistung thjg : hrm. Widrstnd Bul.Ghäus thg : hrm. Widrstnd ds Kühlkörprs J: Junction, Sprrschicht, ktivr Brich G:Ghäus, : s : mgbung, A: Ambint D nur dr thrmisch Widrstnd thjg zwischn ktivm Brich und Ghäus unbhängig vom Anwndr ist, wrdn bi Bulmntn, di ür inn Btrib mit Kühlkörpr vorgshn sind, ll Angbn im Dtnbltt u di Ghäustmprtur G bzogn. bn dr Mximltmprtur Jmx ist im Dtnbltt in istung P DB G bi inr Ghäustmprtur G DB nggbn. Dis istung ist ür Ghäustmprturn untrhlb von G DB di mximl Vrlustlistung: G DB Pmx P DB, wnn G G Bi höhrn Ghäustmprturn muss P mx rduzirt wrdn (Drting). D di Ghäustmprtur immr höhr ls di mgbungstmprtur ist, ist dis prktisch immr dr Fll. Gnu wi bim Btrib ohn Kühlkörpr rhält mn di mximl Vrlustlistung, indm mn di mximl zulässig mprturdirnz J mx G in di Wärmlitungsglichung instzt: P mx Jmx thjg G, wnn G G DB 3 W S_

36 Wnn mn di mximl Vrlustlistung übr dr Ghäustmprtur uträgt, rhält mn untrhlb von G DB in wgrcht Grd mit Pmx P DB G. Obrhlb von G DB nimmt di mximl Vrlustlistung nch disr Forml mit dr Stigung -/ thjg b und schnidt di mprturchs bi Jmx (Drtingkurv): P mx P DB G G D B Jmx Im Ggnstz zum Btrib ohn Kühlkörpr knn mn us dr Forml und us disr Kurv di mximl Vrlustlistung nicht dirkt ntnhmn, d di Ghäustmprtur in dr Prxis nicht bknnt ist. Mn bnutzt dis Kurv, um us dr Stigung dn thrmischn Widrstnd thjg zwischn ktivm Brich und Ghäus zu brchnn ( Jmx, G DB und PDB G sind immr nggbn): G thjg DB Jmx G G PDB yp. Wrt ür thjg lign zwischn K/W ür nidrig istungn bis.5k/w ür istungsbulmnt. In ih zum thrmischn Widrstnd thjg ligt dr thrmisch Widrstnd thg ds Kühlkörprs. Disr Widrstnd knn vom Anwndr binlusst wrdn und hängt vom Mtril, vom Qurschnittsproil, von dr äng dr Kühlrippn und von dr Montg (Wärmlitpst, Glimmrplättchn) b. Wrt ür thg könnn us blln ntnommn wrdn. Di mximl Vrlustlistung bi Vrwndung ins bstimmtn Kühlkörprs knn brchnt wrdn, indm mn ür di ihnschltung di Summ us thjg und thg in di Wärmlitungsglichung instzt: P mx Jmx thjg thg In kinm Fll dr P mx jdoch dn Wrt P DB G übrschritn (knn rchnrisch pssirn, wnn in shr nidrig mgbungstmprtur ingstzt wird). mgkhrt knn mit disr Forml dr Mximlwrt von thg brchnt wrdn, dr bi inr bstimmtn mximln Vrlustlistung nicht übrschrittn wrdn dr. Dmit knn dnn in gigntr Kühlkörpr usgwählt odr dimnsionirt wrdn. 3 W S_

37 .4.4 Mximl Vrlustlistung bi Impulsblstung Häuig tritt dr Fll u, dss di Vrlustlistung P mx nur priodisch währnd inr kurzn Zit t p utritt, di wsntlich kürzr ls di Priodndur ist. D ll n dr Wärmlitung btiligtn Mtrilin uch in Wärmkpzität bsitzn, ist di mprturrhöhung währnd dr Zit t p klinr ls wnn di Vrlustlistung durnd nällt. Ddurch wird dr thrmisch Widrstnd schinbr klinr. Disr schinbr thrmisch Widrstnd Z thj bzw. Z thjg (sog. thrmisch Impdnz) bi Impulsblstung wird in dn Dtnblättrn in Kurvnorm ls Funktion von t p und vom stvrhältnis t p / nggbn. Bi Vrwndung ins Kühlkörprs vrklinrt sich dr thrmisch Widrstnd ds Kühlkörprs schinbr u dn Wrt thg tp, d wgn dr großn thrmischn räghit ds Kühlkörprs nur di mittlr istung zu inm mprturnstig ührt. Di ntsprchndn Formln ür di Brchnung dr mximln istung im Impulsbtrib lutn dmit: ohn Kühlkörpr: P mx Jmx Z thj mit Kühlkörpr: P mx Z thjg Jmx thg t p Drus rgibt sich bi kurzn Pulsn in wsntlich höhr Mximllistung. Dis knn uch höhr ls P DB sin. Im I--Digrmm bdutt dis, dss di sttisch P mx -Kurv kurzzitig bis zur ntsprchndn Puls-Kurv übrschrittn wrdn dr. Auch di Grnzwrt I mx und mx könnn bi Pulsblstung höhr lign, wnn dis im Dtnbltt nggbn ist. 3 W S_

38 istungs-schltungn. rnsistorknngrößn.. Bipolr-istungstrnsistor Großsignlknngrößn bi nidrign Frqunzn npn-bipolrtrnsistor pnp-bipolrtrnsistor B I I B B E B E BE I E I E BE I B B I E E Virpolglichungn in Emittrschltung ür npn-rnsistorn (bi pnp-rnsistorn khrn sich di Vorzichn llr Spnnungn und Ström um): itwrtorm: Hybridorm, I, I B BE E BE H B E, I g I, I g BE E H B E Dis nichtlinrn Glichungn wrdn i.. ls Knnlininldr in dn Dtnblättrn nggbn (s. nächst Sit) ährungswis nlytisch Bschribung: itwrtorm: Hybridorm: BE I I.6.8V B BS BE BE I I I BI im ktivn Brich ( E BE ) S B E im Sättigungsbrich ( E < BE ) Est E Est - W S_

39 Übrtrgungsknnlinin ds npn-rnsistors BD39 (itwrtorm): Ausgngsknnlinin ds npn-rnsistors BD39 (Hybridorm): - W S_

40 Klinsignl-Erstzschltbild ds Bipolrtrnsistors I B B B I BE r BE BE r E E E S BE E Stilhit: S I BE E I S I S 4mS ma Klinsignl-Stromvrstärkung: I I B E B B j Bsis-Emittr-Widrstnd: r BE I BE B E B r BE S r BE B 5 I ma Kollktor-Emittr-Widrstnd: r E I E r E I Y Bsis-Emittr-Kpzität: BE S Bsis-Kollktor-Kpzität: B us Dtnbltt Kollktor-Emittr-Kpzität: E durch Aubu (typ. pf) yp. Prmtr von Bipolr-istungstrnsistorn: Größ Bdutung typ. Wrt mprturspnnung = k B / 5mV bi = 3K B Stromvrstärkung Est Sättigungsspnnung.3V.6V Y Erly-Spnnung V rnsitrqunz MHz B Bsis-ollctor-Kpzität pf Vortil: nidrig Sturspnnung hoh Stilhit hoh Durchbruchspnnung möglich chtil: rl. großr Sturstrom rl. groß Ausschltzit Ghr dr thrmischn Instbilität -3 W S_

41 Dr rl. hoh Sturstrom von Bipolr-rnsistorn knn durch Hintrinndrschltung von zwi rnsistorn rduzirt wrdn: Drlington-Schltung ' B 'E'.V.6V B' B B B' I B' = I B I I B I I ' = I + I I B' ' E' Est' I' S' r BE' ' S'.9V.4V A E' r E' r 3 E 3 I Y ' Komplmntär Drlington-Schltung E' B'E' BE B' B B.6V.8V I B' = I B I E I I E' I - I B' I = - I B I I ' I E' B' E' ' Est' S' r BE' I '.9V.4V ' S' A ' r E' r E I Y ' chtil: rhöht Sättigungsspnnung groß Ausschltzit, d dr Bsisstrom ds rnsistors nicht rückwärts lißn knn. Di Ausschltzit knn durch dn Ablitwidrstnd A vrkürzt wrdn, wnn in nnnnswrtr Antil ds Kollktorstroms von übr dn Ablitwidrstnd lißt. Dis rduzirt llrdings di Stromvrstärkung. -4 W S_

42 .. istungs-mosfe Großsignlknngrößn bi nidrign Frqunzn n-knl-enhncmnt MOSFE p-knl-enhncmnt-mosfe DG I D D GS I G I S S I G G GS G S DS DG D DS I S I D Virpolglichungn in Sourcschltung (bi MOSFEs nur itwrtorm) ür n-knl- MOSFEs (bi p-knl-mosfes khrn sich di Vorzichn llr Spnnungn und Ström um): I, G GS DS I g, D GS DS Dis nichtlinrn Glichungn wrdn i.. ls Knnlininldr in dn Dtnblättrn nggbn (s. nächst Sit). ährungswis nlytisch Bschribung: I G I D KP W GS th im Sättigungsbrich DS > GS - th I D KP W GS th DS DS DSon im linrn Brich DS < GS - th -5 W S_

43 Übrtrgungsknnlinin ds n-knl-mosfes BZ: Ausgngsknnlinin ds n-knl-mosfes BZ: -6 W S_

44 Klinsignl-Erstzschltbild ds MOSFEs I G G GD D I D GS GS r DS DS DS S GS Stilhit: S I S W D S KP GS th GS DS KP I D W Klinsig.-Stromvrstärk.: I I D G E j mit S GS GD Drin-Sourc-Widrstnd: r DS I DS D GS r DS I D GS Gt-Sourc-Kpzität GS ox W W iss rss Übrlpp GD Gt-Drin-Kpzität GD W rss Übrlpp DS prsitär Drin-Sourc-Kpzität durch Aubu DS oss rss yp. Prmtr von istungs-mosfes: Größ Bdutung typ. Wrt th Schwllnspnnung V 4V Gtläng m W Gtwit mm m Bwglichkit.5m /Vs ür n-knl-rnsistorn.7m /Vs ür p-knl-rnsistorn r Dilktrizitätskonstnt von SiO 3.9 t ox Dick ds Gtoxids nm nm ox Gtoxidkpzität pro Fläch ox r /t ox (.7F/m bi t ox nm) KP Sturktor KP ox 3A/V ür n-kn.-. bi t ox 6nm A/V ür n-kn.-. bi t ox 6nm Knllängnmodultionsprmtr.5/V bi µm Knlläng Vortil: nidrigr Sturstrom (nur A) klin Schltzitn thrmisch stbil chtil: rl. groß Sturspnnung rl. nidrig Stilhit Durchbruchspnnung bgrnzt (V) -7 W S_

45 . inr istungsvrstärkr inr istungsvrstärkr sind hut üblichrwis us inm Oprtionsvrstärkr und inr istungs-rnsistorschltung (S) ugbut. Di S bsitzt mist in Spnnungsvrstärkung A S von tws wnigr ls und in hoh bis shr hoh Stromvrstärkung B. Dr Ausgngsstrom knn in dr Größnordnung -A lign und ist durch di Stromblstbrkit dr istungstrnsistorn und durch di Vrlustlistung in dn istungstrnsistorn bgrnzt. Dr Oprtionsvrstärkr vrglicht inn Bruchtil k dr Spnnung m Ausgng dr S mit sinr Eingngsspnnung und sturt di S so n, dss di bidn Spnnungn glich sind. Ddurch wird in Spnnungsvrstärkung von /k rzilt und vtl. ichtlinritätn dr S wrdn witghnd liminirt: V + V + S A S > V - s V - Wnn in Spzilälln in invrtirnd S vrwndt wird (A<), muss di ückkopplung u dn nicht-invrtirndn Eingng ds OPV rolgn, dmit Ggnkopplung rzilt wird. Di Vrsorgungsspnnungn von OPV und S könnn untrschidlich sin. Dr Wirkungsgrd dr S ist bi Vollussturung m höchstn. Andrrsits muss ür Vollussturung di Ausgngsspnnung ds OPV mindstns di Vrsorgungsspnnungn V + und V - dr S rrichn. Dis knn ntwdr mit ril-to-ril-opvs rricht wrdn odr mit ignn, höhrn Vrsorgungsspnnungn V + und V - ür dn OPV. Di ichtlinritätn dr S wrdn durch dn OPV um dn Fktor dr Schlinvrstärkung g rduzirt. Di Schlinvrstärkung g ist ds Produkt us dr Spnnungsvrstärkung A OPV ds OPV (typ. 5 ), dr Spnnungsvrstärkung A S dr S (typ. ) und ds ückkopplktors k: g A OPV A S k m in möglichst hoh Schlinvrstärkung zu rziln wird dshlb ot mit k= (, ) grbitt. Di bnötigt Spnnungsvrstärkung wird dnn mit inr OPV-Vorvrstärkrschltung rlisirt. Di Spnnungsvrstärkung ds OPV bginnt llrdings brits bi rl. nidrign Frqunzn (typ. Hz-Hz) mit db/dkd zu sinkn und rricht bi dr rnsitrqunz ds OPV dn Wrt. Ddurch nimmt di inrität dr Gsmtschltung mit zunhmndr Frqunz b. -8 W S_

46 .. Emittr- und Sourcolgr im A-Btrib V + V + I s I s s s I I V - V - Übrtrgungsknnlini: s BE s th Einch rnsistor-stromqull: V I I E I BE V - Dirntillr Ausgngswidrstnd: r r E E rbe E Mindstspnnung: min.9v.4v -9 W S_

47 Im inchstn Fll knn uch in Widrstnd ls Stromqull bnutzt wrdn (I = /, r = ): V + V + I s I s s s V - V - Ausgngsspnnung min bi Mindstspnnung min dr Stromqull bzw. Widrstnd ls Stromqull: bzw. min I = mx I, V-,smin BE bzw. smin th I + min min = mx V-,smin BE bzw. smin th + Ausgngsspnnung mx bi Ansturspnnung smx und Ansturstrom I smx : [, ( B I I ), V ] mx min smx BE smx + bzw. Est mx min smx BE, V- + S mx + Est + ( // ) B I, V mx min smx th, + DSon + DSon ( V I ) bzw. mx min smx th, + DSon V + DSon V + V mx Mximlr Strom durch rnsistor: I mx = + I bzw. I mx = mx + mx V Erordrlichr A-Ansturstrom: Î s π Û s B BE + + S GD GS + + S - W.5.5 S_.doc

48 W S_ - istungsbilnz bi sinusörmigr Aussturung: t sin û (t) Vrlustlistung im rnsistor: V û I V P bzw. V // û V V // V P Vrlustlistung in dr Stromqull: V I V P bzw. V û V P istung im stwidrstnd: A D P P û P Wirkungsgrd: V V V I V V û P P P P bzw. V V V // V û A-Wirkungsgrd: V V A A V I V V û P P P P bzw. A V V V // V û Dr A-Wirkungsgrd bträgt im A-Btrib mximl 5%. Vortil ds A-Btribs: usgzichnt inrität chtil ds A-Btribs: nidrigr Wirkungsgrd

49 .. Komplmntärr Emittr- und Sourcolgr im B-Btrib V + V + n n I s I s s p s p V - V - Übrtrgungsknnlini: s s n BE p BE wnn wnn s p BE wnn s n BE s p BE n BE s s n th p th wnn wnn s p th wnn s n th s p th n th Dr B-Btrib ührt zu Übrnhmvrzrrungn, di uch dr OPV nicht vollständig usrgln knn, d r hirzu in unndlich groß Slwrt s r bnötign würd. Es vrblibt in Spnnungssprung m Ausgng, wnn zum Einschltn ds rnsistors in Sturspnnung s bnötigt wird: d s s bzw. bi sinusörmign Signln mx û sr dt s r - W S_

50 Ausgngsspnnung min bi Ansturspnnung smin und Ansturstrom I smin : min mx smin p BE, B p I smin, V min p Est mx smin p th, p DSon Ausgngsspnnung mx bi Ansturspnnung smx und Ansturstrom I smx : mx min smx n BE, B n I smx, V mx n Est min smx n th, n DSon V V n mx Mximlr Strom durch rnsistorn: Imx bzw. p mx I min Erordrlichr A-Ansturstrom: Î s Û s B BE S GD GS S Im ulldurchgng ist ür di mldung dr Eingngskpzität in von dr Slwrt s r ds nsturndn OPV bhängigr Strompuls mit Höh I p und Dur t p rordrlich: I p BE B sr Ip GS GD sr t p n BE s r p BE t p n th s r p th -3 W S_

51 istungsbilnz bi sinusörmigr Aussturung: (t) û sint Vrlustlistung im n-rnsistor: P n V V û 4 û Mx. Vrlustlistung im n-rnsistor: P n V mx V bi û V Vrlustlistung im p-rnsistor: P p V V û 4 û Mx. Vrlustlistung im p-rnsistor: P p V mx V bi û V istung im stwidrstnd: P û Wirkungsgrd: P P P n V P p V û V V Mx. Wirkungsgrd bi Vollussturung ( mx V V û ): Vortil ds B-Btribs: hohr Wirkungsgrd chtil ds B-Btribs: schlcht inrität -4 W S_

52 ..3 Komplmntärr Emittr- und Sourcolgr im AB-Btrib V Q+ V + V Q+ V + I n I n I s I s s s p I V Q- V - I p V Q- V - Übrtrgungsknnlini: s Durch di Vorspnnung dr rnsistorn sind di Übrnhmvrzrrungn im AB- Btrib brits ohn OPV strk rduzirt. Wnn trotz dr Vorspnnung di rnsistorn rst bi inr Sturspnnung s inschltn, gltn ür di Slwrt di glichn Übrlgungn wi im B-Btrib. ( s ist jdoch im AB-Btrib wsntlich klinr ls im B-Btrib). Di Vorspnnung knn übr dn Bisstrom I und (bim MOSFE) übr di Anzhl dr Diodn ingstllt wrdn. Sttt dr Diodnktt knn bim MOSFE uch in ls Diod gschlttr Bipolr-rnsistor mit zwi Widrständn vrwndt wrdn. Bi Vrnchlässigung ds Bsisstroms lißt durch bid Widrständ ungähr dr glich Strom BE /. BE BE I BE -5 W S_

53 Einch rnsistor-stromqulln: V I I E I BE V Q+ E I BE V Q- V -I I Dirntillr Ausgngswidrstnd: r r E E rbe E Mindstspnnung: min.9v.4v Als Stromqull ür dn Bisstrom knn im inchstn Fll in Widrstnd vrwndt wrdn. Dis ht jdoch dn chtil, dss dr Bisstrom und dr Innnwidrstnd dr Stromqull nicht unbhängig voninndr gwählt wrdn könnn: V Q+ V + V Q+ V + n n I s I s s s p V Q- V - p V Q- V - Wnn di Vorspnnung zu groß gwählt wird, bstht di Ghr, dss bid rnsistorn litn und in Qurstrom lißt. Dr Qurstrom rduzirt dn Wirkungsgrd und knn bi Bipolr-rnsistorn zur Zrstörung durch sog. thrml runwy ührn. D Bipolr-rnsistorn Hisslitr sind, ührt in mprturnstig durch inn Qurstrom zu inm noch höhrn Qurstrom, dr widrum zu inr noch höhrn mprtur ührt. Ob disr Prozss zum Stillstnd kommt, hängt von dr Wärmbuhr durch dn thrmischn Widrstnd b. Dr Ghr ds thrml runwy knn durch in ih zu dn Emittrn gschltt klin Widrständ bggnt wrdn, di llrdings dn Wirkungsgrd rduzirn. -6 W S_

54 W S_ -7 Ausgngsspnnung min bi Ansturspnnung smin und Stromqull mit Bisstrom I und Mindstspnnung min bzw. Widrstnd : p Est p BE Q- min p p p smin min V, V I B I B, I B -, mx bzw. p Est p BE Q p smin min V, V B, mx p DSon p th Q- smin min V, V, mx Ausgngsspnnung mx bi Ansturspnnung smx und Stromqull mit Bisstrom I und Mindstspnnung min bzw. Widrstnd : n Est n BE Q min n n n smx mx V, V I B I B, I B, min bzw. n Est n BE Q n smx mx V, V B, min n DSon n th Q smx mx V, V, min Mximlr Strom durch rnsistorn: Qurstrom I mx n mx Qurstrom I min p mx Erordrlichr A-Ansturstrom: s s Û Î BE B S GS GD S Di istungsbilnz bi sinusörmigr Aussturung ist idntisch mit dm B-Btrib.

55 Di Spnnung V Q muss bi dr Vrwndung von MOSFEs btrgsmäßig dutlich größr ls di Vrsorgungsspnnung V dr istungstrnsistorn sin, wil sonst wgn dr rl. großn Schwllnspnnung di Aussturung und dmit dr Wirkungsgrd mpindlich vrringrt wird. Bi Wchslstromvrstärkrn gibt s in lgnt Möglichkit, di Spnnung V Q durch ds sog. Bootstrp-Prinzip dynmisch zu vrgrößrn: V + I n B+ I s B+ s B- B- p I V - Di Bootstrp-Kpzität B+ wird übr di Diod und dn Vorwidrstnd B+ im Minimum dr Ausgngsspnnung u nhzu V ugldn. D sich di Kpzität übr di Diod nicht ntldn knn, stht im Mximum dr Ausgngsspnnung in shr vil höhr Spnnung ls V + ür di Vrsorgung dr Stromqull zur Vrügung. Ds glich Argumnt gilt mit umgkhrtn Vorzichn ür B-. Di Bootstrp-Kpzitätn solltn so dimnsionirt wrdn, dss si sich bi dr untrn Grnzrqunz min in inr Priod durch dn Strom I dr Stromqulln nicht nnnnswrt ntldn: I B V Di Vorwidrständ solltn so dimnsionirt wrdn, dss si bi dr obrn Grnzrqunz mx in Auldung dr Kpzitätn in inr Priod zulssn: B Vortil ds AB-Btribs: hohr Wirkungsgrd, gut inrität chtil ds AB-Btribs: Ghr von Qurströmn, bgrnzt Aussturung B min mx -8 W S_

56 Sowohl Emittrolgr ls uch Sourcolgr zign in usgprägt Schwingnigung, wnn di Impdnz dr ollctor- bzw. Drinzulitung nicht durch Abblockkondnstorn usrichnd nidrig ghltn wird. Di Schwingnigung wird zusätzlich vrringrt, wnn dr nsturnd OPV übr inn Widrstnd von c. ngschlossn wird. Dis rduzirt di Vrstärkung dr unrwünschtn Oszilltor-Schli. In dr Prxis wrdn bi istungs-vrstärkrn ot zusätzlich Mßnhmn zur Strom-, istungs- und Übrtmprturbgrnzung vorgshn. Stromgrnz im Virqudrntnbtrib bi induktivn und kpzitivn stn: I n I mx I P V n mx V + V - V + I V P p mx I mx p S V - I Di inchst Schltung ist in ussturungsunbhängig Strombgrnzung. Aus Zitgründn wird ür uwndigr Schltungn u di itrtur vrwisn. V + E D G G V I n I mx.v G I s V I p E D G I min.v G G V - -9 W S_

57 .3 inr Spnnungsrglr Di glung von Glichspnnungn u inn konstntn Wrt ist in bsondrs wichtig Augb, d sowohl nlog ls uch digitl Schltungn in dr gl in gut stbilisirt Spnnung mit gnu dinirtr Größ bnötign. D glichgrichtt Spnnungn us ökonomischn Gründn (bgrnzt Pulsblstung dr Diodn und ds rnsormtors, bgrnzt Größ ds Glättungskondnstors bzw. dr Glättungsdrossl), noch in Wlligkit von c. % bsitzn und bi Blstung mhr odr wnigr bsinkn, müssn si grglt wrdn. Bi großn istungn und gringn Anordrungn n ds uschn dr Spnnungsvrsorgung (digitl Schltungn) vrwndt mn bvorzugt Schltrglr (s. Kp..4). Bi klinn bis mittlrn istungn und hohn Anordrungn n ds uschn dr Spnnungsvrsorgung (nlog Schltungn) vrwndt mn sog. inrrglr. inrrglr sind istungsvrstärkr im B-Btrib, bi dnn inr dr bidn Endstuntrnsistorn hlt und di Soll-Spnnung m Eingng ds OPV mit inm rnzlmnt, rzugt wird: in V out r G r.- lm. r Als Spnnungsvrsorgung ür dn OPV und dn Endstuntrnsistor muss di wllig Glichspnnung G vrwndt wrdn. Für di Vrsorgung ds rnzlmnts knn di grglt Ausgngsspnnung vrwndt wrdn, wnn > r gilt und ds Anlun sichrgstllt wird. Di rnzspnnung wird durch in sog. Bndgp-rnz rzugt. Dis Bndgp-rnz bsitzt inn xtrm nidrign mprturkoizintn (<ppm/k) und in rnzspnnung, di dm Bndbstnd von Silizium ntspricht (.V, olrnz typ..%). Dr mximl Ausgngsstrom, di mximl Vrlustlistung im rnsistor und di mprtur wrdn durch zusätzlich Schutzschltungn bgrnzt. - W S_

58 Solch glr sind ls intgrirt Schltungn in großr Villt ür positiv und ngtiv Spnnungn rhältlich. Es gibt im wsntlichn dri ypn: Fstspnnungsrglr Bi disn glrn sind di Widrständ und im I nthltn und dr glr bsitzt di dri Anschlüss in, out und Mss. Bispil: Sri 78xx ür positiv und 79xx ür ngtiv Ausgngsspnnungn (xx stht ür di Spnnung). Einstllbr Spnnungsrglr mit 4 Anschlüssn Bi disn glrn ist nur dr Widrstnd im I nthltn, währnd dr Widrstnd xtrn zwischn dn zusätzlichn Anschluss r und Mss glgt wird. Bispil: Sri 78G ür positiv und 79G ür ngtiv Ausgngsspnnungn. Einstllbr Spnnungsrglr mit 3 Anschlüssn Bi disn glrn wrdn bid Widrständ xtrn ngschlossn. Durch in modiizirts Schltungsprinzip kommn dis glr ohn Mssnschluss us: in r V G r.- lm. out r Am Anschluss r stllt sich bi idlm OPV di Spnnung - r in. Dis Spnnung ist bis u di klin Vrälschung durch dn Strom ds rnzlmnts (typ. 5A) glich dr von und gtiltn Ausgngsspnnung /( ). Dmit rgibt sich di glich Bzihung zwischn und r wi vorhr (typischr Wrt ür : 4). Bispil: Sri 37 ür positiv und 337 ür ngtiv Ausgngsspnnungn. Wgn dr brits rwähntn Schwingnigung von Emittr- und Sourcolgrn ist uch bi Spnnungsrglrn in Abblockung dr Eingngs-Glichspnnung G mit inm Krmikkondnstor in dr Größnordnung von nf rordrlich. Bi Blstung ds Ausgngs mit Stromstößn sind m Ausgng in Krmikkondnstor in dr glichn Größnordnung sowi zusätzlich in ntl-elko mit c. F F mphlnswrt, di di Stoßblstung ds Ausgngs rduzirn (Glättungskondnstorn). - W S_