ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK P4-1/5 Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl. P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor. P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor

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1 1 von :47 ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK P4-1/5 a) Der Feldeffekttransistor findet vielfältige Anwendung in Elektroniksystemen. Die wichtigsten Anwendungen sind der Feldeffekttransistor als Schalter und als Verstärkerelement. Beide Anwendungen sollen in praktischen Beispielen veranschaulicht werden. Eine weitere Anwendung ist der Feldeffekttransistor als elektronisch steuerbarer Widerstand. Bei Verstärkerschaltungen muss der Feldeffekttransistor im Abschnürbetrieb arbeiten. Der Transistor ist dann Stromquelle. Bild P4-1 zeigt den Feldeffekttransistor mit seinen Anschlussbedingungen. Damit der Transistor als Stromquelle betrieben wird, muss die Spannung U DS (beim N-Kanal-Typ) bzw. die Spannung U SD (beim P-Kanal-Typ) genügend groß sein (größer U DSP bzw. U SDP). Bei Schalteranwendungen wird in der Regel zwischen dem Sperrbetrieb und dem "Widerstands"-Betrieb umgeschaltet. Im Sperrbetrieb ist der Feldeffekttransistor hochohmig (R OFF > 1MΩ), im "Widerstands"-Betrieb niederohmig (R ON < einige 100Ω) b) Bild P4-1: Der N-Kanal und P-Kanal JFET bzw. MOSFET mit seinen Klemmengrößen (Strompfeile sind Richtungspfeile) a) N-Kanal JFET und N-Kanal MOSFET b) P-Kanal JFET und P-Kanal MOSFET D Drain G Gate S Source B Bulk

2 2 von :47 P4.1 Ermittlung des Arbeitspunktes in einer gegebenen Schaltung ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK P4-2/5 P4.1 Ermittlung des Arbeitspunktes in einer gegebenen Schaltung Zur Bestimmung des Arbeitspunktstromes müssen allgemein bei n Transistoren n Beschaltungsgleichungen (Maschengleichungen oder Knotenpunktgleichungen) formuliert werden, bei denen neben Strömen nur Steuerspannungen U GS bzw. U SG auftauchen. Mit den n Transistorgleichungen erhält man die gesuchten Arbeitspunktströme. In Bild P4-2 ist eine Schaltung mit 5 Transistoren gegeben. Aufgabe P4-1: Geben Sie für die Schaltung in Bild P4-2 die 5 Beschaltungsgleichungen zur Ermittlung des Arbeitspunktstromes an. Geben Sie die Arbeitspunkte der 5 Transistoren an. Mi U GS/V I D/µA U DS/V 1 2 Auswerten Erg. P Welche Betriebsart liegt bei M2 vor? nmlkj M2 Stromquelle nmlkj M2 gesperrt (R OFF) nmlkj M2 Widerstand (R ON) Auswerten Erg. P4-2 Bild P4-2: Beispielschaltung zur Arbeitspunktbestimmung

3 3 von :47 P4.2 Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinie eines Feldeffekttransistors ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK P4-3/5 P4.2 Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinie eines Feldeffekttransistors Die Übertragungskennlinie kennzeichnet das Übertragungsverhalten des Stromes als Funktion der Steuerspannung. Mit der Schaltung in Bild P4-3 lässt sich die Ausgangskennlinie des Transistors bestimmen. Aufgabe P4-2: Wie muss die Schaltung in Bild P4-3 geändert werden, damit sich die Übertragungskennlinie bestimmen lässt? Geben Sie den Drainstrom in nachfolgender Tabelle an. U 1/V I D/µA Auswerten Erg. P4-3 Bild P4-3: Testschaltung zur Bestimmung der Ausgangskennlinie eines P-Kanal MOSFET

4 4 von :47 P4.3 NJFET als Schalter ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK P4-4/5 P4.3 NJFET als Schalter Als nächstes ist der Feldeffekttransistor als Schalter zu betreiben. Bild P4-4 zeigt eine Schalteranordnung mit einem PJFET. Die sinusförmige Eingangsspannung V10 wird mit der Steuerspannung V30 über den PJFET auf den Ausgang geschaltet. Die Schaltfrequenz beträgt 10kHz. Bei V30 = -5V ist der Feldeffekttransistor gesperrt, bei V30 = 0 leitend. Wie groß ist der maximale Ausgangsstrom bei u 1 = 0.5V? ID = A Auswerten Erg. P4-4 Welcher Widerstand R ON liegt vor? RON = Ω Auswerten Erg. P4-5 Aufgabe P4-3: Ermitteln Sie die Eigenschaften der Schaltung in Bild P4-3 durch Simulation, bauen Sie die Schaltung auf und bestätigen Sie die Simulationsergebnisse durch Messung. Aufgabe P4-4: Führen Sie eine FFT für das Ausgangssignal der Schaltung in Bild P4-3 durch und diskutieren Sie das Ergebnis. Aufgabe P4-5: Für welchen Anwendungszweck könnte man die Schaltung in Bild P4-3 verwenden und wie müsste dafür die Schaltung modifiziert werden? Bild P4-4: Der Feldeffekttransistor als Schalter

5 5 von :47 P4.4 CMOS-Verstärker ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK P4-5/5 P4.4 CMOS-Verstärker Ein CMOS-Inverter des Typs HC7404 enthält komplementär angeordnete NMOS/PMOS-Transistoren. Bild P4-5 zeigt einen CMOS-Schaltkreis mit dem NMOS-Transistor M1 und dem PMOS-Transistor M2 (beide vom Anreicherungstyp), entsprrechend der Anordnung in einem digitalen Inverterschaltkreis HC7404. Durch die äußere Beschaltung mit R2 und R1 liegt ein parallelgegengekoppelter Verstärker vor. Die Kapazität C1 wird benötigt, um die DC-Komponente der Signalquelle V1 von der sich selbsttätig einstellenden DC-Spannung an Knoten 3 zu trennen. Aufgabe P4-6: Bestimmen Sie die Arbeitspunkte der Transistoren der Schaltung in Bild P4-5 und bestätigen Sie das Ergebnis durch Simulation. Ermitteln Sie sodann die DC-Übertragungskurve des CMOS-Inverters durch Simulation. Aufgabe P4-7: Bauen Sie die Schaltung in Bild P4-5 auf. Bestimmen Sie die innere und die äußere Verstärkung durch Simulation und bestätigen Sie das Simulationsergebnis durch Messung. Wodurch wird die Bandbreite begrenzt? Bild P4-5: CMOS-Verstärker mit Parallelgegenkopplung (NMOS: Anreicherungstyp, PMOS: Anreicherungstyp)