Hardware Praktikum 2008

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Kilian Bachmeier
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1 HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren Hardware Praktikum 2008 Prof. Dr. H.-J. Wunderlich Dipl.-Inf. M. Imhof Dipl.-Inf. S. Holst

2 Agenda Organisatorisches Wie funktioniert ein MOSFET? Was man mit MOSFETs anstellen kann Die Bauteile für V3 und V4 Was man mit MOSFETs nicht machen sollte HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 2

3 Rechner-Zugänge Sollte ihr Account nicht mehr funktionieren - wurde das Passwort nicht geändert - oder das neue Passwort war nicht sicher Wenden Sie sich in diesem Fall an Ihren Tutor Fragen zur Organisation? HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 3

4 Agenda Organisatorisches Wie funktioniert ein MOSFET? Was man mit MOSFETs anstellen kann Die Bauteile für V3 und V4 Was man mit MOSFETs nicht machen sollte HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 4

MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Das Bauteil hat 4 Anschlüsse: - Source: Quelle der Ladungsträger - Drain: Abfluss - Gate: Steuerung - Bulk: Substrat

5 MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Das Bauteil hat 4 Anschlüsse: - Source: Quelle der Ladungsträger - Drain: Abfluss - Gate: Steuerung - Bulk: Substrat N-FET Hier: - N-Kanal und P-Kanal - Selbstsperrend (Anreicherungstyp) P-FET G S N-FET D - Bulk ist mit Source verbunden G HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 5 D S

6 Verhalten von MOSFETs Die Aufladung des Kondensators zwischen Gate und Source über U th schaltet den Transistor durch Fragen: N-FET G U GS D S P-FET U GS G S D - Wie gut leitet der Transistor bei gegebenen U GS? - Wie ist das Verhältnis zwischen Strom I D und Spannung U DS HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 6

7 Kennlinien von N-FETs Ausgangskennlinie U GS konstant Steuerkennlinie U DS konstant I D I D U DS U t h U GS HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 7

8 Kennlinienaufnahme 1. Multimeter: Permanent an U L ( I D messen) 2. Multimeter: U GS oder U DS R L U U L D U B G U U DS U GS U S HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 8

9 Agenda Organisatorisches Wie funktioniert ein MOSFET? Was man mit MOSFETs anstellen kann Die Bauteile für V3 und V4 Was man mit MOSFETs nicht machen sollte HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 9

10 Der CMOS-Inverter Bekanntlich die einfachste CMOS-Schaltung Breite Anwendung: - Invertiert logische Werte - Verstärkt elektrische Signale HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 10

11 Spaß (und Ernst) mit Inverter- Ketten HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 11

12 Komische Signale am Eingang Ab wann gibt es wieder vernünftige logische Pegel?????? Anwendungen: - Zuverlässigkeit (Auswirkungen von Teilchen-Einschlägen) - Diagnose (Wie sieht ein Defekt in der Logik-Domäne aus?) HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 12

13 Rückkopplung Diese Schaltung hat 2 stabile Zustände Anwendung: - Keeper zur Signalverstärkung - Gleiches Prinzip in 6T-SRAM-Zellen HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 13

14 Rückkopplung 2.0 Diese Schaltung ist ein Oszillator Anwendung: Messung von Prozess-Variationen HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 14

15 Messungen am NOR-Gatter Max. Verzögerungszeit - Unter welcher Bedingung ist die Verzögerung maximal? A B Q Stromverbrauch - Beachten: Gemeinsame Masse von Spannungsquelle und Oszilloskop A B HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 15

16 Beyond CMOS A B Q A B HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 16

17 Agenda Organisatorisches Wie funktioniert ein MOSFET? Was man mit MOSFETs anstellen kann Die Bauteile für V3 und V4 Was man mit MOSFETs nicht machen sollte HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 17

18 Eingabeplatine Spannungsversorgung: 5V Zeigt logische Pegel an (LEDs) Erzeugt logische Pegel (DIP-Schalter) HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 18

Logikbausteine Im HaPra werden TTL-ICs eingesetzt TTL: Transistor-Transistor-Logik - Robuster gegenüber elektrostatischer Entladungen als die CMOS-Versionen Typ SN7400N

19 Logikbausteine Im HaPra werden TTL-ICs eingesetzt TTL: Transistor-Transistor-Logik - Robuster gegenüber elektrostatischer Entladungen als die CMOS-Versionen Typ SN7400N SN7402N SN7404N SN7408N SN7432N SN7486N Funktion 4 NAND-Gatter 4 NOR-Gatter 6 Inverter 4 AND-Gatter 4 OR-Gatter 4 XOR-Gatter HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 19

20 SN7400N 4 unabhängige NAND-Gatter mit je 2 Eingängen HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 20

21 SN7402N 4 unabhängige NOR-Gatter mit je 2 Eingängen HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 21

22 SN7404N 6 unabhängige Inverter HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 22

23 SN7408N 4 unabhängige AND-Gatter mit je 2 Eingängen HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 23

24 SN7432N 4 unabhängige OR-Gatter mit je 2 Eingängen HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 24

25 SN7486N 4 unabhängige XOR-Gatter mit je 2 Eingängen? HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 25

26 Die HaPra-MOSFETs P-Kanal: ZVP3306A N-Kanal: ZVN3306A Datenblätter und Spice Modelle: - Drain Gate Source HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 26

27 Datenblatt ZVN3306A HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 27

28 Datenblatt ZVN3306A HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 28

29 Datenblatt ZVP3306A HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 29

30 Datenblatt ZVP3306A HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 30

31 Die wichtigsten Unterschiede ZVN3306A Typ: N-Kanal Max. U DS : 60 V Max. I D : 270 ma R DS(on) : 5 Ohm U GS(th) : 0.8 V 2.4 V ZVP3306A Typ: P-Kanal Max. U DS : -60 V Max. I D : -160 ma R DS(on) : 14 Ohm U GS(th) : -1.5 V -3.5 V HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 31

32 Vertical DMOS FET Vertikaler Aufbau Source ist auch mit P + verbunden (Bulk) - Verhindert parasitären NPN-Transistor Viele dieser Zellen werden parallel geschaltet By: Cyril Buttay - Ermöglicht Drain-Ströme von bis zu mehreren 100 Ampere HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 32

Ermöglicht Drain-Ströme von bis zu mehreren 100

33 Vertical DMOS FET Vertikaler Aufbau Source ist auch mit P + verbunden (Bulk) - Verhindert parasitären NPN-Transistor Viele dieser Zellen werden parallel geschaltet By: Cyril Buttay - Ermöglicht Drain-Ströme von bis zu mehreren 100 Ampere HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 33

34 Praktische Hinweise Arbeitsteilung: - 1 Person Versuch aufbauen / durchführen - 1 Person Protokoll vorbereiten / ausfüllen Transistor nicht überlasten! - Aufbau exakt nach Vorgabe (Mess- und Schutzwiderstand) - Polung beachten - Strom begrenzen - Temperatur fühlen (vorsichtig) G S ZVP 3306A D D ZVN 3306A S Ein defekter Transistor lässt sich kaum erkennen - Er verhält sich nur komisch HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 34

35 Agenda Organisatorisches Wie funktioniert ein MOSFET? Was man mit MOSFETs anstellen kann Die Bauteile für V3 und V4 Was man mit MOSFETs nicht machen sollte HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 35

36 Was passiert bei Überlast? Versuch: - Anlegen einer Spannungsquelle an U DS I D(max) =2A - Langsames heraufregeln von U GS U DS =40V U GS =0 5V Welcher Parameter ist zu hoch? Wo ist die Schwachstelle? Was ist zu erwarten? HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 36

37 Viel Spass mit den Dreibeinern! HaPra Versuchsreihe 3 - Diskrete Transistoren 37

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