Elektronische Schaltungen

Transkript

1 Institt für Mikro- nd Nnolktronisch ystm Instittslitr: Prof. Dr. rr. nt. M. igl Hrtzstr. 6, 7687 Krlsrh Tl.: (07) , Fx: (07) E-Mil:info@ims.kit.d kript zr Vorlsng Elktronisch chltngn M. igl, E. rocoll KIT nivrsität ds Lnds Bdn-Württmbrg nd ntionls Großforschngszntrm in dr Hlmholtz-Gminschft

2 Elktronisch chltngn II Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

3 Elktronisch chltngn I Inhltsvrzichnis 0. Vorwort.... Allgmin Grndlgn.... Dfinitionn nd Formlzichn.... Grndlmnt nd chltngssymbol Kirchhoff'sch Gstz Knotnrgl Mschnrgl Pssiv Blmnt Allgmins übr Blmnt Knnwrt nd Knnzichnngn von Blmntn Ohmsch Widrständ Bformn von Widrständn Tmprtrbhängigkit von Widrständn Blstbrkit von Widrständn Nichtlinr Widrständ Kondnstorn Bformn von Kondnstorn pln Bformn Hlblitrblmnt Diod Afb Knnlinin Erstzschltbild nd sttischs Vrhltn Klinsignlvrhltn Dynmischs Vrhltn Vollständigs Modll inr Diod Vrinfchts dynmischs Klinsignl-Modll Anwndngn Znr-Diod Bipolr Trnsistorn Afb nd Erstzschltbild Fnktionn ins Bipolrtrnsistors... 3 Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

4 Elktronisch chltngn II 3... ttisch Knnlinin Erly-Effkt Arbitspnkt nd Klinsignl-Vrhltn Bstimmng ds Arbitspnkts Klinsignl-Prmtr Wchslstrom-Klinsignl-Erstzschltbild Grnzdtn nd zvrlässigr Arbitsbrich Grndschltngn Emittr-chltng Kollktor-chltng Bsis-chltng prrschicht-fldffkttrnsistorn (JFET) Afb nd Wirkngswis Fnktionn ins prrschicht - Fldffkttrnsistors Eingngs- nd Asgngsknnlinin Erly-Effkt Bstimmng dr chwllspnnng th Arbitspnkt nd Klinsignlvrhltn Klinsignl-Erstzschltbild Grndschltngn mit prrschicht-fldffkttrnsistorn Isolirschicht-Fldffkttrnsistorn (MOFET) Afb nd Wirkngswis Fnktion nd Knnlinin ins MOFET Grndschltngn orc-chltng Drin-chltng Gt-chltng chltngn mit komplmntärn Fldffkttrnsistorn (MO) Afb nd Wirkngswis Fnktion nd Knnlinin Grndschltngn Vrstärkrschltngn Mhrstfig Vrstärkr tromqlln nd tromspigl tromqlln Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

5 Elktronisch chltngn III 4... tromqlln mit diskrtn Trnsistorn tromspigl Dr Diffrnzvrstärkr Ggntktvrstärkr ückgkopplt Vrstärkr Ggnkopplng Mitkopplng Oprtionsvrstärkr Afb nd Wirkngswis Grndschltngn mit Oprtionsvrstärkrn Dr invrtirnd Vrstärkr Dr nichtinvrtirnd Vrstärkr Offstspnnng nd Offststrom Eingngs- nd Asgngswidrstnd Frqnzgng Ggngkopplt chltngn mit Oprtionsvrstärkrn Invrtirndr Intgrtor Invrtirndr Diffrnzirr Addirr btrhirr Logrithmirr Exponntilfnktion Mssvrstärkr Kippschltngn Kippschltngn mit bipolrn Trnsistorn Bistbil Kippschltng Flip-Flop chmitt-triggr Monostbil Kippschltngn Astbil Kippschltngn Kippschltngn mit Komprtorn chmitt-triggr mit Oprtionsvrstärkr Invrtirndr chmitt-triggr Nichtinvrtirndr chmitt-triggr Mltivibrtorn mit Oprtionsvrstärkr Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

6 Elktronisch chltngn IV 7. Grndlgn digitlr chltngn Invrtr nd törbständ Anstigs- nd Gttrlfzitn Vrlstlistng Lstfktorn Positiv nd ngtiv Logik Gnormt chltzichn Drstllng von Eingängn Drstllng von Asgängn Logisch Grndlmnt Bispil chltkrisfmilin Bipolr intgrirt chltngn DTL-chltngn TTL-chltngn chottky- nd Low-Powr chottky-ttl-chltngn Übrsicht übr di chltkrisfmilin MO-chltkris NMO-chltngn MO-chltngn Anpssngsschltngn MO-Brih Hochgschwindigkits-H/HT-ih Advncd MO-ih A/AT Advncd High-pd-MO-ih AH/AHT BiMO-chltngn Elktronisch chltr ( Trnsfrgttr, Trnsmission Gt ) qntill Logik Flip-Flop-chltngn Klssifizirng Zstndsgstrt Flip-Flop Tktzstndsgstrt Flip-Flop Tktflnkngstrt Flip-Flop Zählr Asynchron Zählr Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

7 Elktronisch chltngn V 9... Asynchron Dlzählr Asynchron Modlo-n-Zählr ynchron Zählr Zählr ls Frqnztilr Asynchron Frqnztilr mit fstm Tilrvrhältnis ynchron Frqnztilr mit fstm Tilrvrhältnis ynchron Frqnztilr mit instllbrm Tilrvrhältnis chibrgistr chibrgistr für srill Ein- nd Asgb chibrgistr mit Prlllsgb chibrgistr mit Prlllsgb nd Prlllingb ingrgistr Dcodr (odwndlr, Dkodirr), Mltiplxr n bit binär z -s-n Dcodr BD z 7-gmnt Dcodr Prioritätsdcodr Mltiplxr, Dmltiplxr Digitl-Anlog- nd Anlog-Digitl-Wndlr Digitl-Anlog-Wndlr Grndlgn dr Digitl-Anlog Wndlng Digitl-Anlog Wndlng nch dm Wägvrfhrn Gnigkit von Digitl-Anlog-Wndlrn Anlog-Digitl Wndlng Grndlgn dr Anlog-Digitl Wndlng Prlll-Wndlr (Flsh) Anlog-Digitl Wndlng mit skzssivr Approximtion Anlog-Digitl Wndlng mit Intgrtionsvrfhrn Gnigkit von A-D-Wndlrn Litrtr Formlsmmlng zr Klsr Elktronisch chltngn Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

8 Elktronisch chltngn VI Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

9 Elktronisch chltngn 0. Vorwort Jdr Ingnir dr Elktrotchnik nd Informtionstchnik glich wlchr Vrtifngsrichtng sollt ht in dr Lg sin, mhr odr wnigr komplx lktronisch chltngn slbst z ntwickln. Dz ist s notwndig, di Eignschftn dr inzlnn Blmnt nd Grndschltngn z knnn. Ein lktronisch chltng ntstht im Allgminn drch in sinnvoll Vrbindng mhrrr Blmnt ntwdr f inr Pltin odr br dirkt f inr intgrirtn chltng. Zil disr Vorlsng ist s, Knntniss übr di Eignschftn dr wichtigstn Blmnt z vrmittln, mit disn Blmntn widrm di gbrächlichstn Grndschltngn z brchnn, m dnn fnktionirnd chltngn ntwrfn z könnn. Mit disn Knntnissn sollt s dnn möglich sin, ch komplxr Problm nzghn m z inr dr Problmstllng ngmssnn Lösng z kommn, di dr Elktronik j nch Anfordrng ntwdr nr mit nlogn, nr mit digitln odr inr Kombintion von nlogn nd digitln chltngn glöst wrdn knn. Bi dn Hörrn disr Vorlsng wird di Knntnis dr Mthmtik nd dr Physik dr Obrstf dr Gymnsin, ds toffs dr höhrn Mthmtik dr rstn bidn mstr nd dr Vorlsng linr lktrisch Ntz vorsgstzt. Wichtig ist vor llm di Fähigkit mit Zhln nd Einhitn z rchnn. Di Knntnis dr Physik dr vrwndtn Blmnt ist von Vortil, jdoch nicht nbdingt rfordrlich, d di wichtigstn physiklischn Eignschftn, vor llm di dr Hlblitrblmnt, in disr Vorlsng bhndlt wrdn. Di Entwicklng modrnr lktronischr Grät, Bgrppn odr intgrirtr chltngn rfordrt nbn thortischn Knntnissn ch in gwiss prktisch Erfhrng, di im hmn disr Vorlsng jdoch nicht vrmittlt wrdn knn. Dis prktischn Erfhrngn müssn drch di Tilnhm n Prktik odr im hmn inr tdin- odr Diplomrbit gsmmlt wrdn. Jds Kpitl bginnt mit dr Nnnng dr Lrnzil. Di wichtigstn Formln, di ch Bstndtil dr Formlsmmlng bi dr Prüfng sind, sind im Txt gr hintrlgt. Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

10 Elktronisch chltngn. Allgmin Grndlgn Lrnzil: Vrsthn von Dfinitionn, Formlzichn nd Einhitn lktrischr Größn Arbitn mit Grndlmntn nd ymboln in dr chltngstchnik Widrholng dr Mthodn zr Brchnng von linrn lktrischn Ntzn Zm llgminn Vrständnis ds gsmtn Brichs modrnr lktronischr chltngn ist in für ll vrständlich glich Drstllng dr Bzichnngn nd Bgriff von großm Vortil. Dshlb solln zrst di wichtigstn Dfinitionn nd Formlzichn, in gnormt grphisch Drstllng dr für di chltngstchnik notwndign Elmnt nd inig immr widrkhrnd chnrgln nd Bzichnngn krz zsmmngfsst wrdn. Im witrn Vrlf dr Vorlsng wrdn witr Dfinitionn nd ymbol hinzkommn, di ingstzt wrdn, m di chltngn drzstlln.. Dfinitionn nd Formlzichn In disr Vorlsng wird in ih von Bzichnngn vrwndt, di im spzilln Fll dnn ch nähr rlätrt wrdn. Immr widrkhrnd Bgriff nd Formlzichn nd di zghörign Einhitn sind hir znächst krz zsmmngfsst. Glichstrom, Glichspnnng Wchslstrom, Wchslspnnng Listng Widrstnd Diffrntillr Widrstnd Litwrt Kpzität Indktivität Frqnz Krisfrqnz Zitkonstnt tromvrstärkngsfktor (bipolr Trnsistorn) Tmprtrspnnng chwllspnnng tilhit I [A], [V] i, P [W V A] [Ω V/A] r d/di [Ω V/A] G [/Ω A/V] [F As/V] L [H Vs/A] f [Hz /s] ω π f [Hz] τ [s] B, β T [V] th [V], g m [A/V] Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

11 Elktronisch chltngn 3. Grndlmnt nd chltngssymbol Di wichtigstn Grndlmnt dr Elktrotchnik zm Afb nd zr Anlys von chltngn sind: Widrstnd, Kpzität, Indktivität, trom- nd pnnngsqll. Widrstnd : Indktivität L: Kpzität : idl pnnngsqll: 0 idl tromqll: I0 rl pnnngsqll: 0 i rl tromqll: I0 i I Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

12 Elktronisch chltngn 4.3 Kirchhoff'sch Gstz Zr Brchnng ds Vrhltns dr chltngn wrdn immr widr di folgndn Grndrgln bnötigt wrdn:.3. Knotnrgl Di mm llr tröm n inm Knotn ist Nll. (Zflißnd tröm rhltn in positivs Vorzichn, bflißnd in ngtivs) Bispil: I I 3 I I 4 I I I 3 - I 4 - I 5 I 6 0 I 6 I 5.3. Mschnrgl Di mm llr Tilspnnngn ins gschlossnn mlfs inr Msch ist Nll. Bispil: Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

13 Elktronisch chltngn 5. Pssiv Blmnt Lrnzil: Grndsätzlich Btrchtng von pssivn Blmntn dr chltngstchnik Knnnlrnn dr gbrächlichn Knnzichnngn nd Knnwrt für pssiv Blmnt Eignschftn lktronischr pssivr Blmnt. Allgmins übr Blmnt Als pssiv Blmnt wrdn in dr chltngstchnik üblichrwis Widrständ, Kondnstorn nd Indktivitätn bzichnt. Di Knnwrt nd witrn Mrkml dr Blmnt wrdn normlrwis von dn Hrstllrn in Dtnblättrn nggbn. Im Folgndn solln inig wichtig Mrkml, di ch in Assg übr di Qlität ds Blmnts mchn krz rlätrt wrdn. Tolrnz Tmprtrkoffizint Linrität Blstbrkit Wärmwidrstnd Zvrlässigkit trng ds ttsächlichn Wrts ds Blmnts ggnübr dm Nnnwrt (Angb üblichrwis in %) Ändrng ds Knnwrts in Abhängigkit von dr Btribs- nd mgbngstmprtr Ändrng ds Knnwrts in Abhängigkit von trom nd pnnng bim Btrib ds Blmnts Mximlwrt von trom, pnnng nd Listng Wärmblitng im Blmnt (von innn nch ßn) Einhltng dr Knnwrt übr di mittlr Lbnsdr ds Blmnts Prsitär Eignschftn Indktivität dr Anschlssdräht, Kpzität zwischn dn Anschlüssn bzw. innrhlb ds Blmnts, Lckström im Innrn ds Blmnts sw. schn Übrlgrng ds Asgngstroms bzw. dr Asgngsspnnng mit inr Wchslspnnng mit inr shr klinn Amplitd br inm shr britn Frqnzspktrm. Knnwrt nd Knnzichnngn von Blmntn Modrn Blmnt wrdn ht mit fst blibign Knnwrtn nd inr shr hohn Gnigkit hrgstllt, wlch ltztndlich drch di Gnigkit dr ingstztn Mssvrfhrn bi dr Übrprüfng nd bim Abglich ds Wrts bstimmt wird. Ein xtrm hoh Gnigkit ist jdoch shr kostnintnsiv nd wird nr dnn ingstzt, wnn s nbdingt rfordrlich ist. Dshlb wrdn di mistn Blmnt ht mit Knnwrtn nd Tolrnzn hrgstllt, di dm Vrwndngszwck ngpsst sind. Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

14 Elktronisch chltngn 6 E3 ±0% E6 ±0% E ±0% E4 ±5% E48 ±% E96 ±%,0,0,0,0,00,00,0,05,05,07,,0,0,3,5,5,8,,,,,4,7,7,3,30,33,33,37,40,40,43,47,47,5,5,5,50,54,54,58,6,6,6,65,69,69,74,78,78,8,8,8,87,87,9,96,96,0,00,05,05,0,5,5,,,,,,6,6,3,37,37,4,43,49,49,55,6,6,67,7,7,74,74,80,87,87,94 3,0 3,0 3,0 3,09 E3 ±0% E6 ±0% E ±0% E4 ±5% E48 ±% E96 ±% 3,6 3,6 3,4 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,40 3,48 3,48 3,57 3,6 3,65 3,65 3,74 3,83 3,83 3,9 3,9 3,9 4,0 4,0 4, 4, 4, 4,3 4,3 4,4 4,4 4,53 4,64 4,64 4,7 4,7 4,7 4,7 4,75 4,87 4,87 4,99 5, 5, 5, 5,3 5,36 5,36 5,49 5,6 5,6 5,6 5,6 5,76 5,90 5,90 6,04 6, 6,9 6,9 6,34 6,49 6,49 6,65 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,98 7,5 7,5 7,3 7,5 7,50 7,50 7,68 7,87 7,87 8,06 8, 8, 8,5 8,5 8,45 8,66 8,66 8,87 9, 9,09 9,09 9,3 9,53 9,53 9,76 Tbll. E-ihn übr in Dkd Institt Mikro- nd Nnolktronisch ystm, M. igl, E. rocoll

15 Elktronisch chltngn 7 Di inzlnn Knnwrt sind so bgstft, dss di obr Tolrnzgrnz ds rstn Wrts n di ntr Tolrnzgrnz ds nächstn Wrts innrhlb inr ih von Knnwrtn hrnricht. Di Abstfng innrhlb dr ihn wird nch dn intrntionl üblichn E-ihn vorgnommn. Dmnch ht in ih n Wrt pro Dkd, wobi n 3, 6,, 4, 48, odr 96 sin knn. Di Abstfng dr Wrt innrhlb inr E-ih rfolgt logrithmisch mit inm tfnfktor, dr sich s dr n-tn Wrzl von 0 rrchnt. Dmit sind br ch di Tolrnzwrt inr jdn ih gn bstimmt. In Tbll. sind di Wrt dr E-ihn übr in Dkd mit Angb dr Tolrnz fglistt. Di Wrt llr ndrn Dkdn rhält mn, in dm mn di in dr Tbll nggbnn Wrt mit positivn bzw. ngtivn Potnzn von 0 mltiplizirt. Di Knnzichnng dr Blmnt mit ihrm Wrt nd ihrr Tolrnz gschiht f vilfältig Wis. ind di Blmnt groß gng, wird Wrt nd Tolrnz dirkt fgdrckt. Drch di immr klinr wrdndn Abmssngn dr Blmnt ist dis nicht mhr möglich. Dshlb vrwndt mn vrschidn Artn dr odirng, von dnn inig nähr rlätrt wrdn solln. Ein ch ht noch üblich odirng ist di Frbcodirng, ntwdr drch Pnkt odr drch ing. Frbring hbn dn Vortil, dss Wrt nd Tolrnz ds Blmnts nbhängig von dr Einblg f dr Pltin bglsn wrdn könnn. Di Knnzichnng rfolgt nch DIN 449 bzw. nch dr intrntionln IE-Norm. Di infchst Form disr Frbcodirng ist dr 4-ing-Frbcod, wi in Bild. gzigt. Knnfrb.Ziffr.Ziffr Mltipliktor Tolrnz kin ± 0 % silbr 0,0Ω ± 0 % gold 0, Ω ± 5 % schwrz 0,0 Ω ± 0 % brn 0 Ω ± % rot 00 Ω ± % orng 3 3 kω glb kω grün kω bl 6 6 MΩ violtt MΩ gr MΩ wiß 9 9 Bispil glb violtt rot silbr 4,7kΩ Ω 0% Bild. 4-ing Frbcod nch DIN 449 mit Bispil

16 Elktronisch chltngn 8 Zr Angb von Wrtn s dn E48- nd E96-ihn wrdn jdoch 3 tlln bnötigt, in tll mhr ls bim in Bild. drgstlltn 4-ing-od. Dshlb wird dort dr 5-ing- Frbcod nch IE 6 vrwndt, wi r in Bild. z shn ist. Witr odirngn von Blmntn vrwndn Ziffrnfolgn ähnlich dr 4-ing bzw. dr 5- ing-frbcodirng odr Kombintionn s Bchstbn nd Zhln wi si in Bild.3 nd Tbll. nggbn sind nd vor llm bi dn modrnn MD-Blmntn vrwndt wrdn. Knnfrb.Ziffr.Ziffr 3.Ziffr Mltipliktor Tolrnz Tmprtrkoffizint silbr 0,0Ω ± 5 % gold 0, Ω ±50ppm/K schwrz 0 0,0 Ω ±00ppm/K brn 0 Ω ± % ± 50ppm/K rot 00 Ω ± % ± 5ppm/K orng kω ± 5ppm/K glb kω ± 0ppm/K grün kω ± 0,5 % ± 0ppm/K bl MΩ ± 5ppm/K violtt MΩ ± ppm/k gr MΩ wiß Bispil glb violtt grün brn brn bl 4,75kΩ Ω % 0ppm/K Bild. 5-ing-od nch IE 6 A,0 M 3,0 Y 8, 0 B, O 3,3 Z 9, 0. P 3,6,5 00 D,3 Q 3,9 b 3, E,5 4,3 d 4, F,6 4,7 4, G,8 T 5, f 5, H,0 5,6 m 6, I, V 6, n 7, K,4 W 6,8 t 8,0 9 0, L,7 X 7,5 y 9,0 Tbll. Einfchstr od für MD- Blmnt. Bchstb Wrt, Ziffr Mltipliktor Angbn für Widrständ in Ohm, für Kondnstorn in pf

17 Elktronisch chltngn 9 Für MD Elktrolytkondnstorn wird üblichrwis di odirng nch Tbll.3 vrwndt. Bchstb pnnng Zhl Kpzität Bchstb pnnng/v.5 G 4 J 6.3 A 0 6 D 0 E 5 Z.B. A475 ist 4.7µF 0V V 35 H x 0 5 pf 4.7 x 0 6 pf 4.7µF Tbll.3 odirng für MD Elktrolytkondnstorn Für MD - Widrständ wird ch grn in 3- odr 4-stlligr Ziffrncod vrwndt, dr mit dm Bchstbn rgänzt wird, wnn di Widrstndswrt klinr 0 Ω sind. onst gbn di rstn tlln dbi immr dn Widrstndswrt n nd di ltzt tll dn Mltipliktor in Form ds Exponntn zr Bsis 0. Bispil: 3 tlln: Ω 33 Ω, Ω 680 kω 8 8, Ω 4 tlln: Ω Ω 49,9 kω 63 6 kω 056 odr 56 0,56 Ω

18 Elktronisch chltngn 0.3 Ohmsch Widrständ Ein ohmschr Widrstnd ist in Blmnt mit zwi Anschlüssn, ds drch dn trom i drch ds Blmnt in Abhängigkit von dr nglgtn pnnng bschribn wrdn knn. Dis Abhängigkit ist in dr Form i (.) ls Ohmschs Gstz bknnt. ht di Dimnsion [ ] [ ] [ i] V A Ω (Ohm) (.) nd wird ohmschr Widrstnd gnnnt. Di linr Abhängigkit zwischn trom nd pnnng lässt sich in inm trom-pnnngs-digrmm bsondrs infch drstlln. Di I/-Knnlinin von ohmschn Widrständn sind Grdn mit inr tigng /, wi in Bild.4 z shn ist. Bild.4 Knnlinin vrschidnr ohmschr Widrständ Dr Wrt ins Widrstnds ist proportionl dm spzifischn Widrstnd ρ ds vrwndtn Mtrils, proportionl dr Läng l ds Drhts odr dr chicht nd mgkhrt proportionl dm Qrschnitt A, wi di ch di Bispil in Bild.5 zign. Es ist lso ρ A (.3) A l l A Bild.5 chmtisch Drstllng von Litrqrschnittn

19 Elktronisch chltngn.3. Bformn von Widrständn Ohmsch Widrständ wrdn in viln vrschidnn Größn nd Bformn hrgstllt, m dn vilschichtign Anfordrngn chnng z trgn nd für ll Brich dr Elktronik nd Elktrotchnik ingstzt z wrdn. In Bild.5 sind inig Bispil dr vrschidnn Bformn gzigt. Drhtwidrstnd Dickschichtwidrständ Bild.5 Bformn von Widrständn.3. Tmprtrbhängigkit von Widrständn Di Wrkstoff, s dnn di Widrständ hrgstllt wrdn, ändrn im Allgminn ihrn spzifischn Widrstnd in Abhängigkit von dr Tmprtr. Dis Tmprtrbhängigkit lässt sich drch ds folgnd Polynom llgmin bschribn: 3 ( α ( ϑ ϑ ) β ( ϑ ϑ ) γ ( ϑ )...) ϑ (.4) Dbi ist 0 dr Widrstndswrt bi ϑ 0 0, ϑ di Tmprtr, di dr Widrstnd bim Btrib rricht nd α, β, γ Tmprtrkoffizintn, di widrm slbst von dr Tmprtr bhängn könnn, lso rl kin chtn Konstntn sind. Für üblich ohmsch Widrständ könnn di Koffizintn β, γ nd höhrr Ordnng vrnchlässigt wrdn, womit sich für di Tmprtrbhängigkit folgnd Forml rgibt: 0 ( α ( ϑ ϑ0 )) mit α (.5) ϑ Dr Tmprtrkoffizint α ht di Dimnsion /K. Er knn bhängig vom vrwndtn Mtril positiv odr ngtiv sin. In Bild.6 sind di tmprtrbhängign Ändrngn dr Widrstndswrt für zwi kω - Widrständ mit ) α -30 ppm/k nd b) α 50 ppm/k für inn Tmprtrbrich von 50 bis 50 fgtrgn.

20 Elktronisch chltngn Bild.6 Tmprtrbhängigkit von zwi kω - Widrständ mit vrschidnm α.3.3 Blstbrkit von Widrständn Bim Btrib von Widrständn wird di lktrisch Listng im Blmnt in Wärm mgwndlt. Ddrch rwärmt sich ds Blmnt nd wird ddrch thrmisch blstt. Di im Widrstnd mgwndlt Listng wird ch ls Vrlstlistng bzichnt, d si in lktronischn chltngn nicht ls Wärm gntzt wird. (Asnhmn: Hizofn, Hrdpltt) In dn Dtnblättrn dr Hrstllr sind di mximl zlässign Vrlstlistngn für di inzlnn Typn nd Bformn von Widrständn nggbn, dmit dr chltngsntwicklr vrhindrn knn, dss ds Blmnt thrmisch übrlstt nd dmit bschädigt wird. Di rzgt Wärm mss übr di Obrfläch nd di Anschlüss n di mgbng bgführt wrdn. Z bchtn ist hirbi ch, dss di mximl Vrlstlistng di im Widrstnd rzgt wrdn drf, von dr Diffrnz dr Obrflächntmprtr nd dr mgbngstmprtr bhängt. J gringr dis Diffrnz ist, mso gringr ist ch di Vrlstlistng, di im Blmnt mgstzt wrdn drf. Mn spricht in dism Fll ch von inm "Drting" dr Vrlstlistng. ntr Vrwndng von Glichgrößn für trom nd pnnng rhält mn: P I odr mit bzw. mit I I wird wird P I P (.6) Trägt mn di Nnnblstng in in trom pnnngs Digrmm in, rhält mn di Grnz ds rlbtn Arbitsbrichs. In Bild.7 sind j in Knnlini für inn Widrstndswrt von 50 Ω nd 000 Ω nd j in Krv konstntr Listng, ch Vrlstlistngshyprbl gnnnt, für 00 mw nd 50 mw ingtrgn.

21 Elktronisch chltngn 3 Bild.7 trom-pnnngsdigrmm mit Vrlstlistngshyprbln für 00mW nd 50 mw.3.4 Nichtlinr Widrständ Nbn dn bishr bschribnn linrn Widrständn wrdn für bsondr Anwndngn ch Widrständ s Wrkstoffn hrgstllt, di nichtlinr tmprtrbhängig Eignschftn bsitzn. Dr Tmprtrkoffizint ist wsntlich größr ls bi ohmschn Widrständn, wors folgt, dss sich di Widrstndswrt disr Blmnt bi Vrändrngn dr Tmprtr strk ändrn könnn. Mn ntrschidt zwischn Mtrilin mit ngtivn Tmprtrkoffizintn, sognnntn Hißlitrn odr NT-Widrständn, nd mit positivn Tmprtrkoffizintn, sognnntn Kltlitrn odr PT-Widrständn. Ein Hißlitr ht bi hohn Tmprtrn inn bsondrs klinn Widrstnd. Bild.8 zigt di Widrstndsvrläf zwir NT-Widrständ. Typisch Wrt von α lign in dr Größnordnng von %/K bis 0%/K. Hißlitrwidrständ wrdn in tromkrisn zr Hrbstzng ds Einschltstroms, ls Tmprtrfühlr nd zr Tmprtrstbilisirng von Hlblitrschltngn ingstzt. Ω kΩ 0 000Ω ϑ Bild.8 Widrstndsvrläf zwir NT-Widrständ übr dr Tmprtr

22 Elktronisch chltngn 4 Bild.9 Widrstndsvrlf ins PT-Widrstnds übr dr Tmprtr Kltlitr odr PT-Widrständ dggn litn bi nidrign Tmprtrn bsondrs gt, d.h. bi nidrign Tmprtrn ist ihr Widrstndswrt bsondrs nidrig. Bild.9 zigt in Knnlini ins Kltlitrs. Dr Widrstndwrt knn sich bi Erwärmng im zlässign Arbitsbrich sogr m mhrr Größnordnngn vrändrn. Dr Vrlf dr Widrstndsändrng übr dr Tmprtr ist strk nichtlinr. Währnd dr Widrstndswrt bi Tmprtrn wnig übr 0 znächst sogr licht bsinkt stigt r dnn bi witrr Erhöhng dr Tmprtr schnll m mhrr Größnordnngn n. Typisch Wrt von α lign in dr Größnordnng von 7%/K bis 50%/K. PT-Widrständ wrdn f zwi Artn btribn: Eignrwärmng nd Frmdrwärmng. Ein Eignrwärmng wird rricht, in dm mn n ds Blmnt pnnngn im Brich zwischn 0 V nd 60 V nlgt di so groß sind, dss sich ds Blmnt drch dn trom mrklich slbst rwärmt, nd so sinn Widrstndwrt ändrt. Bi Frmdrwärmng müssn pnnng nd trom hinggn so klin gwählt wrdn, dss in Eignrwärmng sgschlossn ist. o knn in Kltlitr ls Tmprtrfühlr ingstzt wrdn.

23 Elktronisch chltngn 5.4 Kondnstorn Wi ohmsch Widrständ hbn ch Kondnstorn in dr gl zwi Anschlüss. i bsthn s zwi litfähign Plttn bzw. Ebnn mit dr Fläch A, di sich in inm Abstnd d ggnübr lign nd voninndr isolirt sind. Di infchst Bform ist dr Plttnkondnstor nch Bild.0. d A Bild.0 chmtischr Afb ins Plttnkondnstors Kondnstorn könnn lktrisch Ldngn spichrn. Es gilt: dq i dt d ht di Dimnsion : nd [ ] ε 0 ε [ i][ dt] [ d] r A s V A d F (.7) Di Kpzität wird in Frd nggbn. Di Abhängigkitn von zitlich vrändrlichn trömn nd pnnngn m Kondnstor lssn sich folgndrmßn ngbn: d i dt nd t i dt 0 (.8) chltngstchnisch ist bim Einstz von sinsförmign trömn bzw. pnnngn dr Blindwidrstnd ds Kondnstors: X (.9) ω Ist di Frqnz shr nidrig, wird X shr groß nd ght bi f 0 ggn nndlich groß Wrt. Dr Blindwidrstnd ins Kondnstors knn ntsprchnd bi shr hohn Frqnzn xtrm klin wrdn nd nährngswis oft ls Krzschlss btrchtt wrdn. Groß Kondnstorn wrdn zr pichrng von Ldng in Ntzgrätn zr tromvrsorgng von lktronischn chltngn nd f Pltinn zr Pffrng dr Vrsorgngsspnnng dr intgrirtn Blmnt ingstzt. Glichng.8 zigt, dss in trom f di Plttn ins Kondnstors nr dnn flißt, wnn in zitlich vrändrlich pnnng nglgt wird, ds hißt dr Kondnstor wirkt diffrnzirnd.

24 Elktronisch chltngn 6 d i dt d dt i const t i dt 0 Bild. Kondnstor ls Diffrntitor nd Intgrtor Wird in Kondnstor jdoch mit inm konstntn trom übr in bstimmt Zit t fgldn, so ist di z mssnd pnnng glich dm Intgrl ds troms i übr dr Zit t. Dr Kondnstor wirkt jtzt wi in nlogr Intgrtor..4. Bformn von Kondnstorn Kondnstorn wrdn j nch Kpzitätsbrich nd Anwndngszwck mit ntrschidlichn Mtrilin hrgstllt. Wrdn hoh Kpzitätswrt für nidrig bis mittlr pnnngsfstigkit bnötigt, vrwndt mn Elktrolytkondnstorn. Ist jdoch in hoh pnnngsfstigkit bis in dn kv - Brich rfordrlich, stzt mn Mtll-Ppir nd Folinkondnstorn in. Im Brich dr Elktronikschltngn bi nidrign pnnngn vrwndt mn Tntl-Elktrolyt-, Folin- odr Krmikkondnstorn, bhängig vom bnötigtn Kpzitätswrt nd dm Einstzgbit. Bild. zigt vrschidn Bformn von Kondnstorn. Bild. Bformn vrschidnr Kondnstorn

25 Elktronisch chltngn 7.5 pln Als ltzts Blmnt s dr Grpp dr pssivn Blmnt soll di pl bzw. Indktivität bsprochn wrdn. Ach si ht im Allgminn zwi Anschlüss. Indktivitätn wrdn übrwignd s mit Lck isolirtm Kpfrdrht hrgstllt nd m inn plnkörpr gwicklt. Di Indktivität dr pl ist bhängig von dr Anzhl dr Windngn n, dr mittlrn Läng l, dr Qrschnittsfläch A ds plnkörprs nd dm Mtril ds plnkrns. L n µ 0 µ r A l (.0) Wird in pl von inm sich zitlich ändrndn trom drchflossn, so ntstht in ihrr mgbng in sich zitlich ändrnds Mgntfld. Diss mgntisch Fld indzirt in di pl in pnnng. Di Größ dr indzirtn pnnng rgibt sich s dm Indktionsgstz: i dφ n (.) dt Di indzirt pnnng i ist lso dr Ändrng ihrr rsch ntggn grichtt. ntr Brücksichtigng ds zitlich vrändrlichn troms i wird di indzirt pnnng z i di L (.) dt Di Einhit dr Indktivität L ist Hnry: Vs (.3) A [ L ] Ω s H Dr Blindwidrstnd inr pl ist X L ω L (.4) d.h. für Glichspnnngn ist X L 0 nd für shr hoh Frqnzn ght X L..5. Bformn Bild.3 Bformn von pln

26 Elktronisch chltngn 8 3. Hlblitrblmnt In dr Entwicklng von intgrirtn chltkrisn wrdn stndrdisirt Modll für Diodn, Bipolr- nd Fldffkt-Trnsistorn vrwndt. Di inzlnn Hrstllngsprozss ntrschidn sich dnn nr in ihrn Modllprmtrn, di in dn imltionsprogrmmn bntzt wrdn. Dis Prmtr bstimmt dr Hlblitr-Hrstllr s dm lfndn Hrstllngsprozss nd stllt si dr ignn Entwicklng von intgrirtn chltkrisn zr Vrfügng. In dm vorligndn Kpitl ghn wir schrittwis vor, indm wir sghnd von dr Bschribng nd infchn Modlln zr Fnktion dr Blmnt drn phänomnologisch Grndlg nd Fnktion bschribn nd dnn übrlitn z dn Erstzschltbildrn, wi si zmindst ls Bsisvrsion im üblichn imltionsprogrmm, wi PPIE, bntzt wrdn. Im hmn disr Vorlsng vrzichtn wir f di dtillirt Bhndlng dr fstkörprphysiklischn Grndlgn ds Afbs nd dr Fnktion dr inzlnn Blmnt nd inr Diskssion ds Zsmmnhngs dr Modllprmtr mit disn physiklischn Grndlgn. Dis Frgn wrdn in dr Vorlsng "Hlblitr-Blmnt" bhndlt. Einig physiklisch Eignschftn nd Grndlgn dr Hlblitrphysik solltn jdoch n disr tll rwähnt wrdn, d dis ds Vrhltn von Hlblitr-Blmntn bi ihrr Anwndng in lktronischn chltngn binflssn nd dshlb brücksichtigt wrdn müssn. Di Litfähigkit ds Hlblitrmtrils ist dr Konzntrtion dr drin bfindlichn Litngsträgr proportionl. Dmit wird s möglich, übr Dotirng, lso dn Einb von Frmdtomn, di Litfähigkit z binflssn. Wir bschränkn ns im vorligndn Fll f dn Hlblitr ilizim. Zr Hrstllng von Hlblitr-Blmntn wird ds rin Hlblitrmtril i mit frmdn Atomn dotirt. Dmit ntsthn sog. Mjoritäts- nd Minoritäts- Ldngsträgr. ilizim ist 4-wrtig nd drch di Zgb ins 5-wrtign Dontorlmnts, z. B. Phosphor, wird in Elktron ds Dontos frigstzt nd dshlb wird ds ilizim n-litnd. Gibt mn im Ggnstz dz zm ilizim inn sog. Akzptor, z. B. Bor, hinz, dr 3-wrtig ist, ntstht in sog. Loch, d. h., in fhlnds Elktron, nd dmit ntstht in "p-litnds" ilizim. Dshlb sprchn wir ch im Fll ds mit Bor dotirtn ilizims von p-litng nd im Fll ins mit Phosphor dotirtn ilizims von n-litng. Di Tmprtrbhängigkit dr Litfähigkit wird bstimmt drch di Konzntrtion dr frin Ldngsträgr nd ntürlich ch von ihrr Bwglichkit. Im ilizim sind di frin Übrschss-Elktronn tw,5-ml bwglichr ls di frin Löchr. 3. Diod Lrnzil: Knnnlrnn dr wichtigstn Diodnrtn nd drn Eignschftn Arbitspnktinstllng nd Klinsignlvrhltn von Diodn Vrsthn ds Vrhltns klssischr Glichrichtrschltngn Knnnlrnn von chltngn zr pnnngsstbilisirng mit Znr-Diodn 3.. Afb Bringt mn in p- nd in n-litnds Hlblitrmtril in Kontkt, ntstht n dr Brührngsfläch drch inn Diffsionsprozss in Übrgngszon, in dr sich di Elktronn nd Löchr drch Diffsionsprozss vrmischn. Disr Diffsionsprozss ist proportionl zr Tmprtr nd ht in chrktristisch Enrgi von k B T 6 mv bi Zimmrtmprtr (T 300 K). Di zghörig pnnng T 6 mv wird Tmprtrspnnng gnnnt. Im Vrlf ds Diffsionsprozsss dr Elktronn nd Löchr bildt sich in dr Übrgngszon in lktrischs Fld hrs. Mit znhmndr Trnnng dr Ldngsträgr vrgrößrt sich ds

27 Elktronisch chltngn 9 lktrisch Fld, bis in Glichgwicht zwischn Elktronn nd Löchrn ntstht. Dr Diffsionsprozss wird bndt, wnn folgnd Bdingng rfüllt ist: N A x p N D x n E p - n [N A ] - - [N D ] x p x x n Diff x A K Bild 3. chmtisch Drstllng dr mldngszon, ds Potntilvrlfs (x) nd ds chltsymbols ins pn Übrgngs. wobi N A nd N D di Konzntrtion dr Akzptorn nd Dontorn nd x n nd x p di Brit dr ntsprchndn Übrgngszonn im Hlblitr drstllt. Wi bschribn, ntstht ohn Anlgn inr äßrn pnnng dmit in lktrischs Fld, ws z inr pnnng übr dr Vrrmngszon, di in mldngszon drstllt, führt. Dis pnnng wird Diffsionsspnnng gnnnt. Diff T N ln N D n i A Im ilizim bträgt dis pnnng tw 0,6 bis 0,7 V nd im Grmnim z. B. nr tw 0,3 V. In Bild 3. ist schmtisch dr p-n-übrgng, di Asbildng dr mldngszon, di dmit vrbndn pnnng in Abhängigkit vom Ort übr dm pn-übrgng nd ds chltsymbol drgstllt. Di Diod ist in Zwipolblmnt nd di Anschlüss wrdn mit Anod A nd Kthod K bzichnt. Ein Diod knn j nch nglgtr positivr odr ngtivr pnnng ntwdr im Drchlss- odr im prrbtrib btribn wrdn. Im prrbtrib vrgrößrt sich di mldngszon, ws inr Ldngstrnnng in dm Übrgngsbrich ntspricht. Dis Ldngstrnnng knn ch ls Kpzität vrstndn wrdn, ws z. B. in Kpzitäts-Diodn, di spätr bsprochn wrdn solln, sgntzt wrdn knn, m drch in nglgt pnnng di Kpzität gzilt z vrändrn. Erstzt mn dn p-dotirtn Til ds Hlblitrs drch Alminim rhält mn in chottky- Diod, di sich drch in shr schml mldngszon szichnt. In Bild 3. sind di bidn Übrgäng schmtisch drgstllt.

28 Elktronisch chltngn 0 A A A A Al io Al io p n p n - n i Mtll n n - n i K K K K pn-diod chottky-diod Al Bild 3. Prinzipillr Afb von pn- nd chottky-diodn. 3.. Knnlinin Wird n in Diod in äßr pnnng nglgt, wird ds innr lktrisch Fld übr dr mldngszon binflsst. Wird in pnnng in Drchlssrichtng (Anod, Kthod -) nglgt, wirkt dis äßr pnnng dr Diffsionsspnnng ntggn nd di Brit dr mldngszon wird klinr. Ddrch knn in trom I D drch dn p-n-übrgng flißn, dr im Idlfll xponntill mit dr nglgtn pnnng nstigt (Gl. 3.). Nimmt mn jdoch n, dss ds Hlblitrmtril inn ndlichn, wnn ch klinn ohmschn Bhnwidrstnd B bsitzt, wirkt sich disr brits b tw 0,5 V f di Form dr Knnlini s, si wird tws flchr. Polt mn di nglgt pnnng m (Anod -, Kthod ) wird di Wirkng ds innrn lktrischn Flds noch vrstärkt nd di Brit dr mldngszon wird größr. Es flißt jtzt nr in shr klinr prrstrom I drch di Diod. Disr Arbitsbrich wird ls prrbrich bzichnt. Drchbrchspnnng -00V bis -00V - B I ma chottky idl -0,4-0, -0,0 0, 0,4 0,6 0,8,0 i mit B D / V Bild 3.3 trom-pnnngsknnlinin inr pn-diod nd inr chottky-diod. In Bild 3.3 sind di Knnlinin inr chottky-diod nd inr i p-n-diod drgstllt. Ein pnnngn D < - B führt bnflls z inm xtrm schnlln Anstig ds ngtivn troms drch di Diod. Dshlb wird disr Brich ls Drchbrchbrich bzichnt. Ligt - B im Brich von wnign Volt wird dis für spzill Diodn (Znr-Diodn) sgntzt. Dnn wird disr Brich Znr-Brich gnnnt. Trägt mn di Knnlini hlblogrithmisch f, so rhält mn für dn Brich D > 0 nnährnd in Grd, wi s in Bild 3.4 drgstllt ist. ntr Brücksichtigng ds Bhnwidrstnds B zigt di Knnlini bi tw 0 T in Abwichn vom xponntilln Anstig. Im prrbrich, wird schnll dr ättigngswrt ds prrstroms I rricht.

29 Elktronisch chltngn I I ,0 idl mit B Drchlssbrich D > , D - T prrbrich D < 0 Bild 3.4 Diodnknnlini im hlblogrithmischn Mßstb. Ein Brchnng f Bsis hlblitrphysiklischr Grndlgn ds Zsmmnhngs ds Diodnstroms nd dr nglgtn Diodnspnnng lifrt folgnd Forml: I I n T mit T kb T 3. Dbi ist I A dr ättigngs-prrstrom, n... dr Emissions-Koffizint nd T di Tmprtrspnnng. Im prrbrich für pnnngn D < 0 flißt in konstntr, klinr prrstrom. Im Drchlssbrich für pnnngn D größr ls n. T 6-5 mv gilt folgnd Nährng: I T I 3. Wi brits rwähnt, ist di Litfähigkit ds Hlblitrmtrils strk bhängig von dr Tmprtr. As dism Grnd wird oft dr sog. Tmprtrkoffizint bi konstntr pnnng bzw. dr Tmprtrkoffizint bi konstntm trom inr Diod bstimmt. Dr Tmprtrkoffizint ds troms bi konstntr pnnng bträgt: di I dt I 0, 075 K 7, 5 % / K I T const Dr Einflss dr Tmprtr f di pnnng inr Diod bi konstntm trom bträgt: d dt T I const mv / K d. h. in Tmprtrrhöhng m 0 K führt dz, dss sich dr trom inr Diod bi inr konstntn pnnng fst vrdopplt.

30 Elktronisch chltngn 3..3 Erstzschltbild nd sttischs Vrhltn Für infch Brchnngn knn di Diod ls chltr btrchtt wrdn, dr im prrbrich göffnt nd im Drchlssbrich gschlossn ist. Nimmt mn n, dss im Drchlssbrich di pnnng nährngswis konstnt ist nd im prrbrich kin trom flißt, knn mn di Diod drch inn idln spnnngsgstrtn chltr nd in pnnngsqll mit dr Flssspnnng F rstzn (sih Bild 3.5). Di Bild 3.5b zigt di Knnlini disr Erstzschltng, di sich s zwi Grdnstückn zsmmnstzt. A A I D B 0 B > 0 I D B D ^ D F (b) D (b) () () K K D Bild 3.5 Vrinfchts Erstzschltbild nd zghörig trom-pnnngsknnlini inr Diod. Dmit rgibt sich: I I D D 0 für für < F F Di zghörig chltng nd di Knnlini sind bnflls in Bild 3.5 gstrichlt drgstllt. Brücksichtigt mn dn Bhnwidrstnd B rgibt sich folgnd linr Nährng ID 0 F B für für < F > F chltr ) chltr b ) In bidn Vrintn ist in Fllntrschidng notwndig, d. h., mn mss mit offnm nd gschlossnm chltr rchnn nd somit dn ntsprchndn Fll rmittln, dr nicht z inm Widrsprch dr Fnktion dr chltng führt. Dr Vortil diss Erstzschltbilds bstht drin, dss mit inr linrn Glichng grchnt wrdn knn nd dmit infch mthmtisch Lösngn nd imltionn möglich sind.

31 Elktronisch chltngn Klinsignlvrhltn Di Knnlini inr Diod ist in Bild 3.6 gzigt. Dr Arbitspnkt dr Diod wird drch in fst pnnng nd inn ntsprchnd zgordntn trom fstglgt. Wir bzichnn dn Arbitspnkt mit dm Bchstbn A. Für dn Einstz in inr rln chltng intrssirt in dr gl ldiglich ds Vrhltn dr Diod m disn Arbitspnkt A hrm, d. h. bi Asstrng mit klinn pnnngn nd klinn trömn. Dshlb wird ds Vrhltn ls Klinsignlvrhltn m disn Arbitspnkt hrm bzichnt. In dism Fll knn di nichtlinr Knnlini ntsprchnd Forml 3. drch in Tngnt im Arbitspnkt A rstzt wrdn. Dbi wird dr diffrnzill Widrstnd r D wi folgt dfinirt r D d n T 3.3 di A I D I D >> I Dmzfolg bstht ds Klinsignl-Erstzschltbild inr Diod nr s dm diffrntilln Widrstnd r D. Bi großn trömn mss z dism Widrstnd r D noch zsätzlich dr Bhnwidrstnd B brücksichtigt wrdn. Dmit knn mn dn Zsmmnhng zwischn pnnng nd Diodnstrom wi folgt schribn: I ( r ) D 3.4 B D wir di brits bsprochn prrschicht-kpzität dr mldngszon nicht brücksichtigt hbn, gilt diss Klinsignl-Erstzschltbild ldiglich für nidrig Frqnzn bis c. 0 khz. I D ma 0 I A 5 A I D 0 I 5 I P P D A 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 D V Bild 3.6 Linrisirng inr Diodnknnlini im Arbitspnkt A Dynmischs Vrhltn Wi brits bsprochn wrd, sind di positivn nd ngtivn Ldngn, lso Löchr nd Elktronn, in dr mldngszon inr p-n-diod gtrnnt. Dis mldngszon ht dmit in Kpzität, wil in bstimmt Ldngsmng in dism Volmn dr mldngszon gspichrt ist. Dis Kpzität wird ls prrschicht-kpzität bzichnt. i lässt sich nährngswis ntr Annhm ins Prlllplttn-Kondnstors wi folgt brchnn:

32 Elktronisch chltngn 4 ε r A ε 0 d 3.5 Di Dick dr mldngszon d könnn wir gnährt nnhmn ls d x n x p, ws dr Brit dr mldngszon ntspricht. Zsätzlich zr prrschicht-kpzität fällt in inm p-n- Übrgng im Drchlssbrich in Diffsionsldng f, di proportionl zm Diffsionsstrom drch dn p-n-übrgng ist. Di Diffsionskpzität D ist shr vil klinr ls di prrschicht- Kpzität, mss br im Brich shr hohr Frqnzn brücksichtigt wrdn. Bi chottky- Diodn ist di Diffsionskpzität c. 000-ml klinr ls bi normln p-n-diodn. Dshlb wrdn dis für Höchstfrqnz-Anwndngn ingstzt Bild 3.7 zigt di Abhängigkit dr prrschicht-kpzität von dr pnnng n dr Diod. Dis Abhängigkit wird in so gnnntn Kpzitäts-Diodn sgntzt, wobi mn drch in nglgt Glichspnnng di Kpzität ändrn nd in sonnzkrisn dz bntzn knn, m z. B. di sonnzfrqnz z vrstimmn. 35 /A nf/cm prrbrich Drchlssbrich DIFF / V Bild 3.7 Abhängigkit dr prrschichtkpzität inr Diod von dr pnnng Vollständigs Modll inr Diod Ds vollständig Modll inr Diod wird für di chltngssimltion mit Progrmmn wi z. B. PPIE bnötigt. Ds Modll ist in Bild 3.8 drgstllt. Di Diodn-ymbol im Modll sthn für dn Diffsionsstrom I DD nd dn kombintionsstrom I D ; dr Drchbrch-trom I D,B ist drch in gstrt tromqll drgstllt. In Tbll 3. sind di Prmtr ds Diodn- Modlls fglistt, nd di zsätzlichn Bzichnngn dr Prmtr in dr chltngssimltion PPIE sind in Tbll 3. nggbn. Tbll 3.3 nthält Prmtr-Wrt inigr sgwähltr Diodn, di dr Btil-Bibliothk von PPIE ntnommn wrdn. Nicht nggbn Wrt in dr Tbll wrdn von PPIE ntrschidlich bhndlt, d. h., Wrt 0 nd nndlich bwirkn, dss dr jwilig Effkt nicht simlirt wird.

33 Elktronisch chltngn 5 A D D,D I D,D I D, I D,B B Bild 3.8 Vollständigs Erstzschltbild inr Diod. K Größ I DD I D I DB B D,D Bzichnng Diffsionsstrom kombintionsstrom Drchbrchstrom Bhnwidrstnd prrschichtkpzität Diffsionskpzität Tbll 3. Größn ds Diodn-Modlls Prmtr Ppic Bzichnng ttischs Vrhltn I I ättigngssprrstrom n N Emissionskoffizint I, I Lck-ättigngssprrstrom n N Emissionskoffizint I K IK Knistrom zr strkn Injktion I B IBV Drchbrch-Knistrom n B NBV Emissionskoffizint B BV Drchbrchspnnng B Bhnwidrstnd Dynmischs Vrhltn 0 JO Nll-Kpzität dr prrschicht Diff VJ Diffsionsspnnng m s M Kpzitätskoffizint f F Koffizint für dn Vrlf dr Kpzität τ T TT Trnsit-Zit Thrmischs Vrhltn x T,I XTI Tmprtrkoffizint dr prrström Tbll 3. Prmtr ds Diodn-Modlls

34 Elktronisch chltngn 6 Prmtr Ppic N448 N400 BA40 Einhit I I,68 4, 0 na n N,84,98 I, I, fa n N I K IK 0,04 94,8 0,0 A I B IBV µa n B NBV B BV V B 0,6 0,034 0, Ω 0 JO 4 5,9 4 pf Diff VJ 0,5 0,35 0,5 V m M 0,333 0,44 0,333 f F 0,5 0,5 0,5 τ T TT, ,05 ns x T,I XTI 3 3 Tbll 3.3 Prmtr inigr Diodn (N448: Klinsignl-Diod, N400: Glichrichtrdiod, BA40: chottky-diod) 3..7 Vrinfchts dynmischs Klinsignl-Modll Wi brits rwähnt, ignt sich ds Klinsignl-Modll für di mistn imltionn, nd dswgn soll s hir krz ingführt wrdn. Bild 3.9 zigt ds Klinsignlmodll inr Nidrfrqnz-Diod, in dm zsätzlich di Kpzität dr Diod brücksichtigt wrd. In dism Fll wrdn ntsprchnd dm vollständign Erstzschltbild nch Bild 3.8 di prrschicht- Kpzität nd di Diffsions-Kpzität prlll gschltt nd wird mit D bzichnt. Bi Hochfrqnz-Diodn mss mn zsätzlich di prsitärn Einflüss ds Ghäss nd dr Zlitngn brücksichtign. Disr Effkt wrd in Bild 3.9b drch Brücksichtigng dr Ghäs-Indktivität L G nd dr Ghäs-Kpzität G brücksichtigt. Üblich Wrt dr Ghäsindktivität sind tw - 0 nh nd dr Ghäskpzität tw 0, - pf. Für prktisch Anwndngn richn in dr gl folgnd infch Nährngn im hmn diss dynmischn Klinsignl-Modlls. Im Drchlssbrich bträgt di Diodn-Kpzität D. s nd dr diffrntill Widrstnd r D n. T /I. Im prrbrich bträgt di Diodnkpzität D nd für dn diffrntilln Widrstnd gilt: r d. B r B L G B r D D D G ) Nidrfrqnzdiod b) Hochfrqnzdiod Bild 3.9 Dynmisch Klinsignlmodll inr Diod Anwndngn

35 Elktronisch chltngn 7 Di häfigst Anwndng inr Diod trifft mn in sognnntn Glichrichtr-chltngn. Bild 3.0 zigt di infchst Glichrichtr-chltng di Einwg-Glichrichtr-chltng. Di Diffsion dr chltng ist shr infch. Für positiv Hlbwlln inr Wchslspnnng ist di Diod drchlässig nd m Asgng ist ntsprchnd positiv Hlbwll z shn nd für di ngtiv Hlbwll sprrt di Diod nd dmzfolg ist im Asgngssignl di ngtiv Hlbwll nicht mhr nthltn. Dn pnnngsvrlf dr Asgngsspnnng siht mn bnflls in Bild 3.0. Dr Nchtil disr Einwg-Glichrichtr-chltng bstht drin, dss di Asgngsspnnng in shr groß Wlligkit nthält. m di Wlligkit dr Asgngsspnnng z vrringrn nd glichzitig di ngtiv Hlbwll mit szntzn, wird di sognnnt Brücknschltng odr dr Brücknglichrichtr bntzt. Bild 3. zigt di Brücknglichrichtr-chltng, wi si in igntlich fst lln Ntztiln ingstzt wird. Bi positivn Eingngsspnnngn litn di Diodn D nd D 3 nd bi ngtivn Hlbwlln litn di Diodn D nd D 4. Di jwils ndrn Diodn sprrn. D dr trom immr übr litnd Diodn flißt, ist di glichgrichtt Asgngsspnnng m dn Btrg. f, bis V klinr ls dr Btrg dr Eingngsspnnng. Bild 3.0 zigt bnflls dn Vrlf dr Asgngsspnnng nch dr Brücknglichrichtr-chltng. Mn siht, dss im mittlrn di Wlligkit sich wsntlich rdzirt ht. Bild 3.0 Einwgglichrichtrschltng nd zitlichr Vrlf dr pnnngn in dr chltng. nd bzichnn ntsprchnd di Ein- nd Asgngsspnnngn.

36 Elktronisch chltngn 8 I t I t II I t t Einwgglichrichtr ~ L L Brücknglichrichtr Bild 3. Brücknglichrichtrschltng nd zitlichr Vrlf dr pnnngn in dr chltng. nd bzichnn ntsprchnd di Ein- nd Asgngsspnnng Znr-Diod Znr-Diodn mit gn dfinirtr Drchbrchspnnng wrdn zr pnnngsstbilisirng bzw. zr pnnngsbgrnzng ingstzt. Di Drchbrchspnnng B wird bi Znr-Diodn ls Znr-pnnng Z bzichnt nd bträgt bi hndlsüblichn Diodn 3 bis 30 V. Bild 3. zigt ds chltngssymbol nd di Knnlini inr Znr-Diod. Bild 3. chltsymbol () nd Knnlini (b) inr Znr-Diod. Z ist di Znr-pnnng

37 Elktronisch chltngn 9 Di Knnlini inr Z-Diod knn mit folgndr Forml im Drchbrch-Brich bschribn wrdn: I D D Z nb T I 3.6 B Dr diffrntill Widrstnd im Drchbrchbrich wird mit r Z bzichnt nd lässt sich wi folgt drstlln: rz d nb T D did ( ID ) 3.7 Dr diffrntill Widrstnd hängt mßgblich vom Emissions-Koffizintn n B b. Für Znr- Diodn mit inr Znr-pnnng m tw 3 V bträgt n B tw 0 bis 0 nd für Znr- pnnngn von c. 47 V bträgt n B tw 4 bis 8. Bild 3.3 zigt in typisch chltng zr pnnngsstbilisirng mit inr Znr-Diod. Für Eingngsspnnngn klinr ls Z > 0 sprrt di Z-Diod nd di Asgngsspnnng rgibt sich drch di pnnngstilng n dn Widrständn V nd L. Wnn di Z-Diod litt, gilt Z. Ein wichtigs Mß für di Bschribng inr chltng zr pnnngsstbilisirng ist dr Glättngsfktor, dr wi folgt dfinirt ist: d 3.8 G d Bild 3.3 chltng zr pnnngsstbilisirng mit inr Z-Diod

38 Elktronisch chltngn Bipolr Trnsistorn Lrnzil: Knnnlrnn dr wichtigstn Eignschftn nd Fnktionn bipolrr Trnsistorn Vrsthn nd Arbitn mit Knnlinin Einstllng ds Arbitspnkts nd Klinsignlvrhltn Vrsthn von Grnzdtn dr Trnsistorn Grndschltngn mit bipolrn Trnsistorn (Emittr-, Kollktor-, Bsisschltng) 3.. Afb nd Erstzschltbild Bipolr Trnsistorn sind Hlblitrblmnt mit 3 Anschlüssn, Bsis (B), Emittr (E) nd Kollktor (). Bipolr Trnsistorn knn mn sich licht ls zwi ggnsinnig gschltt p-n- Diodn vorstlln, di in gminsm p- odr n-zon bsitzn. Bild 3.4 zigt ds chltzichn nd di Diodn-Erstzschltbildr von n-p-n - nd p-n-p Trnsistorn. Dbi ist z bchtn, dss di Diodn-Erstzschltbildr nr di prinzipill Fnktion ds Trnsistors widrgbn, br in gn Bschribng drch diss chltbild nicht rfolgt. n p B B p B B n n p E E E E ) npn-trnsistor b) pnp-trnsistor Bild 3.4 Diodn-Erstzschltbildr von n-p-n- nd p-n-p - Trnsistorn. Bipolr Trnsistorn wrdn zm Vrstärkn nd chltn von ignln ingstzt nd dbi mist im so gnnntn Normlbtrib btribn. Dbi ist di Emittr-Diod in Flssrichtng nd di Kollktor-Diod in prrrichtng gschltt. Bild 3.5 zigt di ichtng dr tröm für dn Normlbtrib von inm n-p-n nd inm p-n-p Trnsistor. Bild 3.5 pnnngn nd tröm im Normlbtrib.

39 Elktronisch chltngn 3 Bild 3.6 zigt dn Afb von n-p-n -, p-n-p nd intgrirtn Trnsistorn. Im Qrschnitt sind di Brich mit n- nd p-litng bsondrs hrvorghobn; di Brich, di mit inm, lso n odr p bzichnt sind, ntsprchn inr shr hohn Dotirng, m in hoh Litfähigkit ds Hlblitr-Mtrils in dism Brich z rrichn. Dr Afb ins bipolrn Trnsistors in inm intgrirtn chltkris rfordrt zsätzlich Dotirngsschritt, m dn Brich ds bipolrn Trnsistors von ndrn Tiln dr intgrirtn chltng z trnnn. Für disn Zwck sind xtr p - Brich, di hir links nd rchts mrkirt sind, ngbrcht nd zr Kontktirng spzill n - Brich hir zm bstrt spzill hrvorghobn. Di dtillirt Fnktion dr inzlnn Hlblitr-Dünnbrich nd ihr Zsmmnhng mit dr Blmnt- Fnktion ds bipolrn Trnsistors wird dtillirt in dr Vorlsng "Hlblitr-Blmnt" bsprochn. npn- Trnsistor Diskrts Blmnt B E p n n n Al io i pnp- Trnsistor B E n p p Al io i Intgrirts Blmnt B E p n n n p p n Al io i p Bild 3.6 chmtisch Ansicht ds Afbs vrschidnr bipolrr Trnsistorn.

40 Elktronisch chltngn 3 Bild 3.7 zigt vrschidn, wit vrbritt Ghäs-Bformn von Einzl-Trnsistorn. Bild 3.7 Bformn diskrtr Trnsistorn. 3.. Fnktionn ins Bipolrtrnsistors 3... ttisch Knnlinin Ds Vrhltn ins Bipolrtrnsistors lässt sich m infchstn nhnd dr Knnlinin fzign. i bschribn dn Zsmmnhng zwischn dn trömn nd dn pnnngn m Trnsistor für dn Fll, dss ll Größn sttisch, d. h. nicht odr nr shr lngsm zitvrändrlich sind. Lgt mn n inn Trnsistor ntsprchnd Bild 3.5 vrschidn Bsis-Emittr-pnnngn BE n nd misst jwils dn Kollktor-trom I ls Fnktion dr Kollktor-Emittr-pnnng E, so rhält mn in typischs Asgngs-Knnlinin-Fld wi s in Bild 3.8 drgstllt ist. I ma E,st 0,7 0,70 0,68 0,66 BE V E V Bild 3.8 Asgngsknnlininfld ins bipolrn Trnsistors mit Anstrng übr di Bsis-Emittr - pnnng BE

41 Elktronisch chltngn , ,3 I ma 60 0,5 0, I B 40 0,5 0 0, I B 0,05mA E /V Bild 3.8b Asgngsknnlininfld ins bipolrn n-p-n-trnsistors mit Anstrng übr dn Bsisstrom I B Mit dr Asnhm ins shr klinn pnnngsbrichs, dr I -Achs sind di Knnlinin nr wnig von E bhängig nd dr Trnsistor rbitt im Normlbtrib, d. h. di Bsis-Emittr- Diod litt nd di Bsis-Kollktor-Diod sprrt. Wnn di Kollktor-Emittr-pnnng E dn Wrt dr Bsis-Emittr-pnnng BE ntrschritt, wird ch di Bsis-Kollktor-Diod litnd nd dr Trnsistor grät in di ättigng. Bi dr ättigngsspnnng Est knickn di Knnlinin schrf b nd vrlfn nährngswis drch dn rsprng ds Knnlininflds. Di Knnlinin hbn nglich Abständ, d dr Kollktorstrom xponntill mit ( BE / T ) nstigt. trt mn inn Trnsistor jdoch übr dn Bsisstrom n, ist dr Kollktorstrom I proportionl dm Bsisstrom nd di Abständ dr Knnlinin sind konstnt. In Bild 3.8b ist in solchs Knnlininfld drgstllt. Im Normlbtrib ist dr Kollktorstrom I im Wsntlichn nr von BE bhängig. Trägt mn dn Kollktorstrom in Abhängigkit von dr Bsis-Emittr-pnnng für vrschidn Kollktor- Emittr-pnnngswrt f, so rhält mn ds Eingngs-Knnlinin-Fld, ws in Bild 3.9 gzigt wird. Dr Einflss dr Kollktor-Emittr-pnnng f ds Eingngs-Knnlinin-Fld ist shr gring. Zr vollständign Bschribng wird noch ds in Bild 3.9b gzigt Eingngs-Knnlinin-Fld bnötigt, bi dm dr Bsis-trom für vrschidn, zm Normlbtrib ghörnd Wrt dr Kollktor-Emittr-pnnng ls Fnktion dr Bsis-Emittr-pnnng fgtrgn ist. Ach hir ist dr Einflss dr Kollktor-Emittr-pnnng shr gring. Vrglicht mn di bidn Knnlinin in Bild 3.9, d. h., di Übrtrgngs-Knnlini nd di Eingngs-Knnlini, so siht mn, dss dr Vrlf shr ähnlich ist. Drs rgibt sich, dss im Normlbtrib dr Kollktor- trom dm Bsis-trom nährngswis proportionl folgt. Di Proportionlitäts-Konstnt wird ls Großsignl-tromvrstärkng B bzichnt. B I IB 3.9

42 Elktronisch chltngn 34 Di mthmtisch Bschribng bsirt drf, dss ds Vrhltn ds Bipolrtrnsistors im Wsntlichn f di Bsis-Emittr-Diod zrückgführt wrdn knn. Dr für in Diod typisch xponntill Zsmmnhng zwischn trom nd pnnng zigt sich im Übrtrgngs- nd im Eingngs-Knnlinin-Fld ds Trnsistors ls xponntill Abhängigkit dr tröm I B nd I von dr pnnng BE. Bild 3.9 Eingngsknnlinin von bipolrn Trnsistorn Dmit rgibt sich folgndr Zsmmnhng: I BE T E B I 3.0 A Dbi gilt Forml 3.9 nd T ls Tmprtrspnnng von 6 mv nd I 0-6 bis 0 - A ls ättigngs-prrstrom ds Trnsistors. A ist di Erly-pnnng ds Trnsistors Erly-Effkt Di Abhängigkit dr Knnlinin von E wird drch dn Erly-Effkt vrrscht. Disr Effkt ist im rchtn Trm in Glichng 3.0 mpirisch bschribn. Di Grndlg für dis Bschribng ist di Bobchtng, dss sich di xtrpolirtn Knnlinin ds Asgngs- Knnlinin-Flds nährngswis in inm Pnkt schnidn. Bild 3.0 zigt disn Effkt im Asgngs-Knnlinin-Fld. Di Konstnt A hißt Erly-pnnng nd bträgt bi n-p-n Trnsistorn tw 30 bis 50 V nd bi p-n-p Trnsistorn 30 bis 75 V. Dr Erly-Effkt lässt sich drf zrückführn, dss di Bsis-Emittr nd di Bsis-Kollktor-pnnng di ffktiv Dick dr Bsiszon im Trnsistor binflssn nd dmit widrm f dn Trnsport-trom I, lso dn Kollktor-trom, inwirkn. In dn mistn Fälln wird di Abhängigkit dr tromvrstärkng von dr Bsis-Emittr- bzw. dr Kollktor-Emittr-pnnng vrnchlässigt. Dmit ist di tromvrstärkng B in nbhängig Konstnt. m ds Vrhltn ds Trnsistors gnr z bschribn, mss mn dn Erly-Effkt brücksichtign nd dmit gilt: E B B 0 3. A Typisch Wrt dr tromvrstärkng, dr sog. Großsignl-tromvrstärkng B, btrgn 00 bis 500.

43 Elktronisch chltngn 35 Bild 3.0 Erly-Effkt 3..3 Arbitspnkt nd Klinsignl-Vrhltn Bstimmng ds Arbitspnkts Ein wichtigs Anwndngsgbit von Bipolrtrnsistorn ist di Vrstärkng von ignln im Klinsignl-Btrib, d. h. mit so klinn Eingngssignln, dss dr Trnsistor ldiglich in inm klinn Brich m dn Arbitspnkt A sgstrt wird. Dr Arbitspnkt A wird drch di pnnngn Kollktor-Emittr nd Bsis-Emittr, sowi dn Kollktor- nd dn Bsis-trom chrktrisirt nd drch di äßr Bschltng ds Trnsistors fstglgt. Jd Fstlgng wird Arbitspnkt-Einstllng gnnnt. In Bild 3. sind in infch chltng inr Trnsistor- Vrstärkr-tf mit inm Trnsistor nd ds zghörig Eingngs-Knnlinin-Fld schmtisch drgstllt. Für I I 0 folgt s dm Knotnstz folgnds Glichngssystm: I I ( BE, E ) I B I B ( BE, E ) IB B I BE 3. I I B E Ds Glichngssystm 3. nthält 4 nbknnt nd ist dmit lösbr. Nbn dr nmrischn Lösng ist ch in grphisch Lösng möglich. Für di grphisch Lösng zichnt mn in ds Eingngs-Knnlinin-Fld nd in ds Asgngs-Knnlinin-Fld di ntsprchndn Lstgrdn, di s dn Glichngn dr Forml 3. brchnt wrdn könnn, in nd rmittlt di chnittpnkt mit dr ntsprchndn Knnlini dr Trnsistors. D ds Eingngs-Knnlinin- Fld wgn dr gringn Abhängigkit von dr Kollktor-Emittr-pnnng prktisch nr s inr Knnlini bstht, rhält mn nch Bild 3.b nr inn chnittpnkt nd knn dmit dirkt di Bsis-Emittr-pnnng nd dn Bsis-trom im Arbitspnkt blsn. Im Asgngs- Knnlinin-Fld (Bild 3.) knn mn nn di Kollktor-Emittr-pnnng nd dn Kollktor- trom im Arbitspnkt s dm chnittpnkt dr Grdn mit dr z I B,A ghörign Asgngs- Knnlini bstimmn.

44 Elktronisch chltngn 36 Bild 3. Einstllng ds Arbitspnkts Bild 3. Arbitspnkt im Asgngsknnlininfld owohl di nlytisch ls ch di grphisch Bstimmng ds Arbitspnkts sind so gnnnt nlytisch Vrfhrn, d. h., mn knn dmit bi bknntr Bschltng inr Trnsistor-tf dn Arbitspnkt rmittln. Zm Entwrf von nn chltngn wrdn dggn so gnnnt ynths-vrfhrn bnötigt, mit dnn mn dnn di z inm gwünschtn Arbitspnkt ghörnd Bschltng bstimmn knn. Dis Vrfhrn wrdn bi dr Bhndlng dr vrschidnn Grndschltngn von Bipolrtrnsistorn bhndlt Klinsignl-Prmtr Für di Bschribng nd di Brchnng von Vrstärkr-chltngn ht sich di Ntzng von Klinsignl-Glichngn nd so gnnntn Klinsignl-Prmtrn dr Bipolrtrnsistorn bwährt. Hirfür mss mn di Klinsignl-Größn, d. h. di Klinsignl-pnnngn nd Klinsignl-tröm m dn Arbitspnkt hrm dfinirn: BE BE BE,A E E E,A i B I B I B,A i I I,A 3.3

45 Elktronisch chltngn 37 m dn Arbitspnkt wrdn di Knnlinin dr Trnsistorn linrisirt, d. h. di nicht-linrn Knnlinin wrdn im Arbitspnkt drch ihr Tngntn rstzt, ws in dr Bild 3.3 m Bispil dr Übrtrgngsknnlini drgstllt ist. m di Linrisirng z vrsthn, knn mn ls Bispil dn Bsis-trom in Form inr Tylor-ih ntwickln. Es rgibt sich dmit: i B I B ( BE,A BE, E,A E ) I B,A I B I B BE E BE A E A Di prtilln Ablitngn im Arbitspnkt wrdn dnn Klinsignlprmtr gnnnt. Wnn mn di ntsprchndn prtilln Ablitngn wi folgt bnnnt, rhält mn di so gnnntn Klinsignl-Glichngn ds Bipolrtrnsistors: i B BE r E 3.5 rbe i BE E 3.6 r E I B I I I,A BE,A I E I B,A BE I B I,A I BE BE,A BE BE,A BE E,A E Bild 3.3 Linrisirng dr Eingngs-, Übrtrgngs- nd Asgngsknnlinin. In disn bidn Glichngn sind folgnd Klinsignl-Prmtr ingführt wordn: Di tilhit bschribt di Ändrng ds Kollktor-troms I mit dr Bsis-Emittr-pnnng BE im Arbitspnkt. Drch Diffrntition dr Großsignl-Glichng 3.0 rhält mn: I BE I,A T 3.7 Dr Klinsignl-Widrstnd r BE bschribt di Ändrng dr Bsis-Emittr-pnnng BE mit dm Bsis-trom I B im Arbitspnkt. Mit Hilf ds folgndn Zsmmnhngs r BE I BE B A I BE A I I B A 3.8 lässt sich dr Klinsignl-Eingngs-Widrstnd wi folgt bstimmn:

46 Elktronisch chltngn 38 r BE β 3.9 Dr Klinsignl-Asgngswidrstnd r E bschribt di Ändrng dr Kollktor-Emittr- pnnng mit dm Kollktor-trom I im Arbitspnkt. Er knn drch Diffrntition dr Glichng 3.0 bstimmt wrdn. r E I E A A I, A E, A I A, A 3.0 In dr Prxis rbitt mn mit dr in dr Forml 3.0 nggbnn Nährng. Di ückwärts-tilhit r bschribt di Ändrng ds Bsis-troms I B drch in Ändrng dr Kollktor-Emittr-pnnng E. r I B E 0 3. Bild 3.4 zigt di Möglichkit f, wi mn di Klinsignl-Prmtr s dn Knnlinin- Fldrn bstimmt. Diss Vrfhrn wird br in dr Prxis shr sltn bntzt fgrnd dr bgrnztn Ablsgnigkit s dn Knnlinin-Fldrn. Bild 3.4 Bstimmng dr Klinsignlprmtr s dn Knnlinin Wchslstrom-Klinsignl-Erstzschltbild m ds Klinsignlvrhltn von Trnsistorschltngn im Brich nidrigr Frqnzn (0 bis 0 khz) brchnn z könnn, bnötigt mn ds Klinsignl-Erstzschltbild, ws wir für disn nidrign Frqnzbrich ch ls Wchslstrom - Erstzschltbild bzichnn. As dn Glichngn 3.5 nd 3.6 rhält mn ntr Vrnchlässigng dr ückwirkng ( r 0) ds in Bild 3.5 gzichnt Klinsignl-Erstzschltbild ds Bipolrtrnsistors. i B i BE r BE BE r E E Bild 3.5 Klinsignl-Erstzschltbild ins n-p-n-trnsistors

47 Elktronisch chltngn 39 Di Glichngn 3.5 nd 3.6 könnn ch in Mtrizn-Form gschribn wrdn : i i B r r 3. BE BE r E E Dis chribwis ntspricht dr Litwrt-Drstllng ins Virpols. Dmit lässt sich di Litwrt-Mtrix Y bstimmn: i i B Y BE, Y, BE Y E Y, Y, E 3.3 Di hir bntztn Indizs dtn f di Emittr-chltng hin. Di Mtrizn-Drstllng knn ntürlich für jd ndr Grndschltng bnflls fgschribn wrdn. Wit vrbritt ist ch di so gnnnt Drstllng mit trom-asstrng (H-Mtrix: Hybrid-Mtrix, Bild 3.6). Di Drstllng mittls h-prmtr ist wit vrbritt, d si ch in Dtnblättrn zr hrktrisirng dr Klinsignl-Prmtr bntzt wird. i BE h h i B i B h h E E 3.4 i B h i BE h E h i B E h Bild 3.6 Erstzschltbild mit h-prmtrn. As dr Anlogi z dn Glichngn 3.5 nd 3.6 folgt di mrchnng zwischn dn Klinsignl-Prmtrn, dn h-prmtrn nd dn y-prmtrn wi folgt: r r BE r E β h h h h h,.,, h h,,, Y Y Y Y h,,, Y,,, h, h, h. Y, 3.5

48 Elktronisch chltngn 40 Wi brits rwähnt, gilt ds Klinsignl-Erstzschltbild nr für klin Asstrngn m dn Arbitspnkt A. Als Mß für di Grnz dr Anwndbrkit odr dr Asstrbrkit ins Vrstärkrs knn mn ds Amplitdn-Vrhältnis s dr Amplitd dr. Obrwll zr Amplitd dr Grndwll wähln. Wnn diss Vrhältnis klinr ls % ist, knn mn ds Klinsignl-Erstzschltbild nwndn Grnzdtn nd zvrlässigr Arbitsbrich Bi inm Bipolrtrnsistor wrdn vrschidn Grnzdtn nggbn, di nicht übrschrittn wrdn dürfn. i glidrn sich in Grnzspnnngn, Grnzström nd di mximl Vrlstlistng. Di Drchbrchspnnngn (brkdown voltgs) ntsprchn dn Drchbrchspnnngn dr inzlnn Diodnzwig im Trnsistor im prrgbit. i wrdn drch dn Zstz B bzichnt. Dr Indx O gibt n, dss dr 3. Anschlss offn (opn) ist. omit rgibt di Emittr-Bsis-Drchbrch-pnnng (B)EBO di Drchbrchspnnng dr Emittr- Diod im prrbtrib n. Für fst ll Trnsistorn gilt (B)EBO 5 bis 7 V. Dmit ist di (B)EBO di klinst Drchbrchspnnng. D B < 0 in dr Prxis sltn vorkommt, ist dis Drchbrch-pnnng von gringr Bdtng. Di Kollktor-Bsis-Drchbrch-pnnng (B)BO bricht di Kollktor-Diod im prrbtrib drch. D im Normlbtrib di Kollktor- Diod gsprrt ist, ist drch (B)BO in für di Prxis shr wichtig Obrgrnz ggbn. i bträgt bi Nidrspnnngs-Trnsistorn tw 0 bis 80 V, bi Hochspnnngs-Trnsistorn rricht si Wrt bis z 000 V nd höhr. Di mximl Kollktor-Emittr-pnnng ist für di Prxis shr wichtig. i wird mit (B)E0 bzichnt. Di mximln Drström wrdn in dn Dtnblättrn mit dm Indx mx bzichnt. Di mximln pitznwrt dr Drström für dn gplstn Btrib sind tw -ml größr ls di mximln Drström. Ein bsondrs wichtig Grnzgröß ist di mximl Vrlstlistng. Di Vrlstlistng ist di im Trnsistor in Wärm mgstzt Listng : PV E I BE I B E I 3.6 Di mximl Vrlstlistng führt z inr Erwärmng dr prrschicht dr Kollktor-Diod. Dis Wärm knn nr übr ds Tmprtr-Gfäll f ds Ghäs n di mgbng bgführt wrdn. Di Tmprtr dr prrschicht in inm f ilizim bsirndn Trnsistor drf 75 nicht übrschritn. In dr Prxis wird mit inm ichrhitswrt von 50 grchnt. In dn Dtnblättrn wird di mximl Vrlstlistng j nch Trnsistor- nd Ghäs-Typ nggbn. Bi Klinlistngs-Trnsistorn wird si ohn Kühlkörpr nggbn ls P tot für in mgbngs-tmprtr von 5. Für Listngs-Trnsistorn wird di mximl Vrlstlistng für in bstimmt Tmprtr ds Ghäss nggbn glichzitig mit dm Wärm-Widrstnd ds konkrtn Trnsistor-Typs. As dn Grnzdtn rhält mn im Asgngs-Knnlinin-Fld ds Trnsistors dn zlässign Btribsbrich (f Oprting Ar : OA). Dr OA-Brich wird drch dn mximln Kollktor-trom I,mx, di Kollktor-/Emittr-Drchbrch-pnnng (B)EO, di mximl Vrlstlistng P tot bgrnzt. Bild 3.7 zigt dn OA-Brich. Di Knntnis ds OA-Brichs ist wichtig für di richtig Dimnsionirng von Vrstärkrstfn, insbsondr von Listngs- Vrstärkrstfn. Entsprchnd Forml 3.6 bträgt im sttischn Btrib di Vrlstlistng P V E. I. Dmit rrchnt sich di prrschicht-tmprtr ds Trnsistors wi folgt : T J TA PV th, JA 3.7

49 Elktronisch chltngn 4 Bild 3.7 Zlässigr Btribsbrich (sf oprtion r OA), () linr, (b) dopplt logrithmisch. Dbi sind T A di mgbngstmprtr, P V di Vrlstlistng nd th,ja dr Wärmwidrstnd ds Trnsistors zwischn dr prrschicht nd mgbng. Dr Wärmwidrstnd ist dfinirt ls K th T / P nd ht di Einhit. Dmit lässt sich di zlässig Vrlstlistng im sttischn W Btrib wi folgt brchnn: P T T J, grnz A mx V mx, A 3.8 th, JA Mit Hilf dr Forml 3.8 ist somit j nch mgbngstmprtr nd j nch dm ntsprchndn Wärmwidrstnd dr Kombintion Trnsistor mit Kühlng di mximl Vrlstlistng fstglgt Grndschltngn Bipolrtrnsistorn könnn in 3 Grndschltngn btribn wrdn: dr Emittr-chltng, dr Kollktor-chltng nd dr Bsis-chltng. Di Bzichnng rfolgt jwils ntsprchnd dm Anschlss ds Trnsistors, dr ls gminsmr Bzgsknotn für dn Eingng nd dn Asgng dr chltng dint. Bild 3.8 zigt di vrschidnn Grndschltngn. In dr Prxis lässt sich kin infchr Zsmmnhng ntsprchnd dr bn gnnntn Dfinition rfülln, so dss mn in schwächrs Kritrim nwndn mss: Di Bzichnng dr chltng rfolgt ntsprchnd dm Anschlss ds Trnsistors, dr wdr ls Eingng noch ls Asgng dr chltng dint. Ach in dism Kpitl wrdn wir nr mit n-p-n Trnsistorn rbitn; si könnn ggn p-n-p Trnsistorn sgtscht wrdn, wnn mn di Polrität dr Vrsorgngs-pnnngn nd di Polrität dr Elktrolyt-Kondnstorn nd Diodn ntsprchnd mtscht.

50 Elktronisch chltngn 4 Bild 3.8 Grndschltngn ins Bipolrtrnsistors Emittr-chltng Di infchst Emittr-chltng ist in Bild 3.9 drgstllt. i bstht s dm Trnsistor, dm Kollktor-Widrstnd, dr ignlspnnngs-qll g, dr Vrsorgngsspnnng b mit dm Innnwidrstnd dr Eingngsspnnngsqll g. Di Asgngsspnnng wird mit bzichnt. Bild 3.9b zigt ds infch Erstzschltbild für dn Normlbtrib in dr Emittr- chltng. m infch Zhlnbispil rchnn z könnn, soll gltn: g kω; b 5 V. Bild 3.9 Emittrschltng mit () chlbild nd (b) Großsignl-Erstzschltbild. Di Übrtrgngs-Knnlini ist in Bild 3.30 drgstllt. In Bild 3.30 sind Brich gzigt dr Brich ds Normlbtribs nd dr Brich ds ättigngsbtribs. Dr Trnsistor rricht di Grnz zm ättigngsbrich, wnn E di ättigngsspnnng E,st rricht. Normlbtrib Ds Erstzschltbild für dn Normlbtrib ist in Bild 3.9b drgstllt. Wnn mn dn Erly- Effkt vrnchlässigt, gilt: I B I B B I BE T 3.9

51 Elktronisch chltngn 43 V 5 Normlbtrib ättigngsbtrib 4 3 Arbitspnkt g g I B g Bild 3.30 Übrtrgngsknnlini dr Emittrschltng g V Dmit rhält mn für di pnnngn: ( I I ) ( b I ) 0 E b I 3.30 I g BE g I B g g g B 3.3 Als Arbitspnkt wird in Pnkt in dr Mitt ds bfllndn Brichs dr Übrtrgngsknnlini gwählt. Dmit wird di Asstrbrkit mximl. Klinsignlvrhltn dr Emittr-chltng Zr Vrdtlichng ds Zsmmnhngs zwischn dn nichtlinrn Knnlinin nd dm Klinsignlrstzschltbild wird ds Klinsignlvrhltn inml s dn Knnlinin bglitt nd nschlißnd s dm Klinsignlrstzschltbild brchnt. Di Klinsignldrstllng für dn inzlnn Trnsistor wrd in dn Formln 3.3 nd 3.4 ingführt. Für di Bschribng dr chltngn bnötign wir noch folgnd zsätzlich Prmtr. Bild 3.3 Übrtrgngsknnlini (links) nd Vrstärkng (rchts) dr Emittrschltng.

52 Elktronisch chltngn 44 Di Klinsignl-pnnngsvrstärkng A ntspricht dr tigng dr Übrtrgngsknnlini, sih Bild 3.3. Drch Diffrntition von Forml 3.30 rhält mn: i I,A A 3.3 A BE A T Dr Klinsignl-Eingngswidrstnd r rgibt sich s dr Eingngsknnlini: r 3.33 BE r A i i A B BE Dr Klinsignl-Asgngswidrstnd r nd dr diffrntill Kollktor-Emittr-Widrstnd r E sind: r E r E re i i A A 3.34 Drch Einstzn ds Erstzschltbilds ds Trnsistors nch Bild 3.5 rhält mn ds Klinsignl-Erstzschltbild dr Emittrschltng ntsprchnd Bild 3.3. As dm Klinsignl- Erstzschltbild lssn sich ohn Knnlinin di Klinsignlprmtr brchnn. Mn rhält di glichn Prmtr wi s dn Knnlininfldrn, wnn mn dn Erly-Effkt vrnchlässigt. Mit dr Vrstärkng A, dn Eingngs- nd Asgngswidrständn r nd r lässt sich in Emittrschltng vollständig bschribn. Wnn mn inn Lstwidrstnd L nschlißt, drf dr Arbitspnkt nicht vrschobn wrdn, d.h. s drf nr in vrnchlässigbrr Glichstrom übr L flißn. Bild 3.3 Klinsignl-Erstzschltbild dr Emittrschltng. As Bild 3.3 rgbn sich somit folgnd Prmtr dr Emittrschltng: A i 0 re >> ( re ) 3.35 r 3.36 r i BE r re >> re 3.37 i

53 Elktronisch chltngn 45 Di Tmprtrbhängigkit ds Arbitspnkts rgibt sich s dr Ttsch, dss di Bsis- Emittr-pnnng BE bi konstntm Kollktorstrom I mit mv/k bnimmt. Mn mss lso di Eingngsspnnng m mv/k vrringrn, dmit dr Kollktorstrom konstnt blibt. Hält mn hinggn di Eingngsspnnng konstnt, wirkt sich in Tmprtrrhöhng wi in Znhm dr Eingngsspnnng s. omit knn mn di Tmprtrdrift wi folgt brchnn: d dt A d mv A 3.38 dt K A Bi inr Vrstärkng von z.b. A-00 rgibt sich in Tmprtrdrift von -00 mv/k. Mit dr Tmprtrdrift vrschibn sich A, r, r. m inn stbiln Btrib dr Emittr-chltng z rmöglichn, sind ntsprchnd Mßnhmn rfordrlich. Ein bsondrs ffktiv Mthod stllt di Ggnkopplng dr. Emittrschltng mit tromggnkopplng Di Tmprtrdrift nd di Nichtlinritätn dr Emittrschltng knn drch in tromggnkopplng vrringrt wrdn. Entsprchnd Bild 3.33 wird in Emittrwidrstnd E ingbt. chts dnbn ist ds Großsignl-Erstzschltbild drgstllt. ) b) Bild 3.33 ) Emittrschltng mit tromggnkopplng, b) Großsignl-Erstzschltbild Mn rhält folgnd pnnngn: b I 0 ( I I ) b I 3.39 BE E BE ( I I B ) E BE IE 3.40 I 3.4 g B g g Für in tromvrstärkng B >>, knn dr Bsisstrom in Glichng 3.40 ggnübr dm Kollktorstrom vrnchlässigt wrdn. Witrhin soll dr pnnngsbfll n g vrnchlässigbr sin. Di tromggnkopplng zigt sich ddrch, dss di Bsis-Emittr-pnnng m dn Btrg BE I E ggnübr dr nicht ggngkoppltn Emittrschltng vrringrt wird.

54 Elktronisch chltngn 46 Klinsignlvrhltn dr Emittr-chltng mit tromggnkopplng Di pnnngsvrstärkng A brchnt sich s dm Klinsignl-Erstzschltbild Bild 3.34 mit Hilf ds Knotnstzs: r BE E BE r E E E E 3.4 i 3.43 E BE re Mit BE rhält mn: E A E r E >>, E r β β >> E i 0 E r β β E r E re E E >> E 3.44 Bild 3.34 Klinsignl-Erstzschltbild dr Emittrschltng mit tromggnkopplng. Dmit hängt für E >> di Vrstärkng nr noch von nd E b. Flls in Lstwidrstnd L ngschlossn ist, knn mn di zghörig Vrstärkng infch mittls bstittion dn Widrstnds drch di Prlllschltng von nd L rstzt. Für dn Eingngswidrstnd rhält mn für i 0 r i i 0 r BE ( β ) r E r E E E re >>, E β >> r BE β E 3.45 Di Abhängigkit vom Lstwidrstnd ist shr gring nd knn drch di Prlllschltng von nd L brücksichtigt wrdn. Dr Asgngswidrstnd wird ch drch dn Innnwidrstnd dr Qll g binflsst. Dshlb btrchtn wir hir nr Grnzfäll. Dr Krzschlsssgngswidrstnd gilt für inn Krzschlss m Eingng, d.h. 0 bzw. g 0 nd rgibt sich ntsprchnd folgndr Forml

55 Elktronisch chltngn 47 r β r, K r i 0 E Dr Lrlfsgngswidrstnd rgibt sich mit i 0 bzw. g BE re >> rbe β >> r re E r E >> β BE E re 3.46 rbe E rbe r,l i i 0 >> E ( E re ) r 3.47 Ach hir ist dr Einflss von g shr gring. Zsmmnfssnd rhält mn mit r E >>, E; β >> ; L folgnd Glichngn dr Prmtr dr Emittrschltng mit tromggnkopplng: A i 0 E E >> E 3.48 r rbe E BE i ( ) β r 3.49 E r 3.50 i Dr Vrglich z dr Emittrschltng ohn tromggnkopplng zigt, dss di Vrstärkng m dn Fktor ( ) klinr wird nd dr Eingngswidrstnd m dn glichn Fktor znimmt. Di Tmprtrdrift vrringrt sich bnflls m dn glichn Fktor; Wrt von inign mv/k sind üblich. Emittrschltng mit pnnngsggnkopplng Bild 3.35 zigt in Emittrschltng mit pnnngsggnkopplng. Übr di Widrständ nd wird in Til dr Asgngsspnnng f di Bsis ds Trnsistors zrückgkopplt. As Bild 3.34 rgibt sich mit dm Knotnstz BE BE I B I B 3.5 b I BE I 3.5 Für I 0 rgibt sich: b I BE 3.53 I BE B 3.54

56 Elktronisch chltngn 48 ) b) Bild 3.35 Emittrschltng mit pnnngsggnkopplng mit Großsignl-Erstzschltbild Bild 3.36 Klinsignl-Erstzschltbild dr Emittrschltng mit pnnngsggnkopplng. Löst mn Forml 3.53 nch I f nd stzt in Forml 3.54 in folgt für B >> nd B >> : b BE B 3.55 Di pnnngsggnkopplng bwirkt, dss di Vrstärkng im Wsntlichn nr noch von nd bhängt. Klinsignlvrhltn dr Emittr-chltng mit pnnngsggnkopplng Di pnnngsvrstärkng A lässt sich für dn Gltngsbrich dr Forml 3.55 s dm Klinsignlrstzschltbild nch Bild 3.36 hrlitn. As dm Knotnstz folgt: BE BE r BE BE 3.56 BE BE re i 3.57 Mit r gilt: E

57 Elktronisch chltngn 49 A β rbe i 0 re >> rbe >> β >>, >> / >> / r BE 3.58 Für dn Lrlfingngswidrstnd gilt mit r : E r,l i BE i rbe β ( ) ( ) r 0 re >> β >> r r BE BE ( ) β β >> rbe, >> / >> 3.59 Dn Krzschlssingngswidrstnd rhält mn drch L 0 r,k i 0 r BE 3.60 Dr Krzschlsssgngswidrstnd rgibt sich mit r E r,k i ( ) ( β ) BE 0 rbe r re >> β >> r BE ( ) r BE β β β >> rbe 3.6 Mit rgibt sich dr Lrlfsgngswidrstnd: L r,l i re >> β >> rbe β β i 0 3.6

58 Elktronisch chltngn 50 Zsmmnfssnd rgbn sich folgnd Prmtr für di Emittrschltng mit pnnngsggnkopplng: A i 0 >> / 3.63 r 3.64 i r 3.65 i β Arbitspnktinstllng bi Wchslspnnngskopplng Bi Wchslspnnngskopplng wrdn dr Eingng nd dr Asgng ntsprchnd mit dr ignlqll bzw. Lst übr inn Kopplkondnstor vrbndn (sih Bild 3.37). Dmit knn mn di Glichspnnngn bzw. Glichström zr Arbitspnktinstllng nbhängig von dn ngschlossnn ignlqlln nd dr Lst instlln. Witrhin knn mn dmit bi mhrstfign Vrstärkrn di Arbitspnkt für jd tf nbhängig voninndr instlln. Es ist dbi z bchtn, dss jdr Kopplkondnstor inn Hochpss bildt. Di Dimnsionirng dr Kondnstorn mss so rfolgn, dss di klinst z übrtrgnd Frqnz noch übrtrgn wird. Es bsthn zwi Möglichkitn, dn Arbitspnkt inzstlln. Entsprchnd Bild 3.37 wird di Bsis-Emittrspnnng übr dn pnnngstilr nd ingstllt. Dbi wird dr Qrstrom drch dn pnnngstilr wsntlich größr ls dr Bsisstrom ingstllt. Ein witr Möglichkit dr Arbitspnktinstllng bstht in dr trominstllng (sih Bild 3.37b) übr dn Widrstnd, dr dn Bsisstrom bstimmt. Di Tmprtrdrift dr chltng im Fll dr trominstllng ist größr ls bi pnnngsinstllng. Dshlb wird in dr Prxis di pnnngsinstllng bvorzgt. Wir hbn gzigt, dss di Tmprtrdrift proportionl zr Vrstärkng dr Emittrschltng ist. Dmit knn mn di Tmprtrdrift drch dzirng dr Vrstärkng vrklinrn. D di Tmprtrdrift shr lngsm vrläft, knn mn di Glichspnnngsvrstärkng rdzirn nd di Wchslspnnngsvrstärkng nvrändrt lssn. Dz wird nch Bild 3.38 in Kondnstor übr dn Emittrwidrstnd E gschltt, dr mit znhmndr Frqnz di Ggnkopplng fhbt. ) b) Bild 3.37 Arbitspnktinstllng bi Wchslspnnngskopplng.

59 Elktronisch chltngn 5 ) b) Bild 3.38 Arbitspnktinstllng bi Wchslspnnngskopplng mit pnnngsinstllng () nd dirktr Kopplng (b). As Forml 3.48 folgt, dss mn E möglichst groß mchn sollt, dmit di Glichspnnngsvrstärkng gring ist nd dmit in gring Tmprtrdrift z rhltn. In dr Prxis wrdn Wrt von / E...0 gwählt. Dr Frqnzgng dr Ggnkopplng knn dnn drch Einstzn dr Prlllschltng E brchnt wrdn. Di Knickfrqnz diss Hochpsss bträgt f E. ω π EE Dmit ist für Frqnzn f < f E di Ggnkopplng voll wirksm nd für f >> f E ist di Ggnkopplng nwirksm Kollktor-chltng Di Kollktor-chltng ist in Bild 3.39 drgstllt. i bstht s inm Trnsistor, inm Emittrwidrstnd E, dr Vrsorgngsspnnng b, nd dr ignlspnnngsqll g mit dm Innnwidrstnd g. Zr infchn Bschribng von Bispiln bntzn wir b 5 V, E g kω. Ds Übrtrgngsvrhltn brchnn wir mit dm vrinfchtn Erstzschltbild nch Bild Dr Kollktorstrom ist ggbn mit I B I B B I BE T 3.66 As dm Knotnstz folgt ( I I B I ) E ( I I ) E I E I BE I g g I Bg g g 3.69 B Dbi wrd ngnommn, dss di pnnngsvrstärkng B groß nd g hinrichnd klin ist, dmit dr pnnngsbfll n g vrnchlässigt wrdn knn. In Forml 3.67 wird dr Bsisstrom vrnchlässigt.

60 Elktronisch chltngn 5 ) b) Bild 3.39 Kollktorschltng mit () chltbild nd (b) Großsignl-Erstzschltbild. As Glichng 3.68 rhält mn ntr dr Annhm von BE 0.7 V 0, V Dmit folgt di Asgngsspnnng dr Eingngsspnnng mit inr Vrschibng von BE. Dshlb wird di Kollktorschltng oft ls Emittrfolgr bzichnt. Klinsignlvrhltn dr Kollktorschltng Wi im vorign Abschnitt soll di chltng nr drch in klins ignl m dn Arbitspnkt A sgstrt wrdn. Dbi ntspricht di Klinsignlvrstärkng dr tigng dr Übrtrgngsknnlini. Drch Diffrntition von Glichng 3.70 rhält mn A 3.7 A Mit dm Klinsignlrstzschltbild nch Bild 3.40 nd dm Knotnstz rhält mn E BE r BE E r E 3.7 Nch Aflösng mit BE E folgt A E β E β i 0 re >> E β >> >> E E E 3.73

61 Elktronisch chltngn 53 Bild 3.40 Klinsignlrstzschltbild dr Kollktorschltng. Dr Klinsignl-Eingngswidrstnd bträgt r i i 0 r BE re >> E β >> β >> r E BE ( β ) E rbe βe βe 3.74 Dr Einflss ds Lstwidrstnds L knn drch Einstzn dr Prlllschltng von E nd L rfolgn. Für dn Klinsignl-Asgngswidrstnd rgibt sich r i E g r β BE re >> β >> E E g β 3.75 Er hängt vom Innnwidrstnd ds ignlgnrtors b. Mn knn dri Brich ntrschidn: r g β E für für für r g BE g < r BE < g > β β < β E E 3.76 Im Brich von r BE < g < β E rfolgt in Trnsformtion ds Innnwidrstnds s r g /β. Dshlb bzichnt mn di Kollktorschltng häfig ls Impdnzwndlr. Dmit knn mn in ignlqll mit inr nchfolgndn Kollktorschltng ch in Form inr äqivlntn ignlqll bschribn, wi s in Bild 3.4 drgstllt ist. Zsmmnfssnd rhält mn für in Kollktorschltng für r E >> E, β >> nd L folgnd Zsmmnhäng: >> E E A 3.77 i 0 E r E >> rbe βe βe 3.78 i i 0

62 Elktronisch chltngn 54 r i E g β 3.79 Bild 3.4 Kollktorschltng ls Impdnzwndlr. D di Diffrnz zwischn dr Asgngs- nd Eingngsspnnng grd BE ist, bträgt di Tmprtrdrift dr Asgngsspnnng mv/k. Arbitspnktinstllng Di Einstllng ins stbiln Arbitspnkts ist bi dr Kollktorschltng infchr ls bi dr Emittrschltng, d di Übrtrgngsknnlini übr inn großn Brich linr ist. Dmit hbn klin Abwichngn prktisch kin Aswirkngn f ds Klinsignlvrhltn. Mn ntrschidt zwischn inr Wchslspnnngskopplng nd inr Glichspnnngskopplng. Bi dr Wchslspnnngskopplng wrdn di ignlqll nd Lst übr Kopplkondnstorn ngschlossn. omit knn mn dn Glichstromrbitspnkt nbhängig von dn Glichspnnngn dr ignlqll nd dr Lst wähln. Nch Bild 3.4 wird di rfordrlich Bsisspnnng drch dn pnnngstilr nd ingstllt. Dbi wird dr Qrstrom drch di bidn Widrständ wsntlich größr ls dr Bsisstrom gwählt. omit rgibt sich di rfordrlich pnnng z ( I I ) I 0, V 3.80 B,A,A B,A E BE,A,A E 7 In intgrirtn chltngn wird häfig in Glichspnnngskopplng m Eingng vrwndt. Ddrch ntflln di Widrständ nd sowi dr Kopplkondnstor (sih Bild 3.4b). ) b) Bild 3.4 Arbitspnktinstllng dr Kollktorschltng.

63 Elktronisch chltngn 55 In dism Fll wird di Bsisspnnng drch di Asgngsglichspnnng dr vornggngnn tf bstimmt. Di Kopplkondnstorn binflssn dn Frqnzgng dr chltng in vrglichbrr Wis wi im Fll dr Emittrschltng. Dshlb sind di Übrlgngn s Kpitl gültig Bsis-chltng Bild 3.43 zigt in infch fgbt Bsisschltng. Dr Widrstnd BV dint dr Bgrnzng ds Bsisstroms bi Übrstrng. Im Normlbtrib ht r fktisch kinn Einflss. Dmit di Knnlinin nicht vom Innnwidrstnd g dr ignlqll bhängn, wrd in ignlspnnngsqll ohn Innnwidrstnd (idl pnnngsqll) sgwählt. Bild 3.43b zigt ds Großsignl-Erstzschltbild für dn Normlbtrib. Mit dm vrinfchtn Trnsistormodll rgibt sich: I B I B B I BE T 3.8 ) b) Bild 3.43 ) Bsisschltng, b) Großsignlrstzschltbild As Bild 3.43b folgt dmit b I 0 ( I I ) b I 3.8 I B BV BE I BBV BE BE 3.83 Für B >> nd klin BV knn mn dn pnnngsbfll n BV vrnchlässign. Klinsignlvrhltn dr Bsisschltng Di Brchnng dr Klinsignlprmtr soll nhnd inr kompltt fgbtn Bsisschltng nch Bild 3.44 mit Hilf ds Klinsignlrstzschltbilds nch Bild 3.45 rfolgn. As dm Knotnstz rgibt sich: BE r E

64 Elktronisch chltngn 56 I q b V I I B L V B E Bild 3.44 Kompltt fgbt Bsisschltng für Wchslspnnngskopplng mit Arbitspnktinstllng B i B i i V V r BE BE r E L i E E Bild 3.45 Klinsignlrstzschltbild dr Bsisschltng nch Bild Mit dr folgndn pnnngstilng rgibt sich r BE BE, mit BV V V 3.85 r BE BV Di pnnngsvrstärkng A bträgt somit A i 0 r BE β BV r E ( r ) E re >> βr >> r E BE BV r BE β BV r BE >> BV 3.86 Di Vrstärkng wird mximl bi BV 0. Dis wird rricht, drch ds Hinzfügn ds in Bild 3.44 gstrichlt ingzichntn Kondnstors B. Ddrch wird für Wchslspnnngn di Prlllschltng s V nd V qsi "krzgschlossn".

65 Elktronisch chltngn 57 Dr Klinsignl-Eingngswidrstnd dr chltng bträgt r i i 0 E ( r ) BE β BV r E re >> BE >> BV E BV E E β r 3.87 Dr Klinsignl-Asgngswidrstnd bträgt r re r >> re r 3.88 i Zsmmnfssnd rgbn sich mit r E >>, βr E >> r BE BV, β >> folgnd Glichngn für di Bsisschltng: A i 0 β r BE BV rbe >> BV 3.89 r i E r >> BE BV E BV E β 3.90 r 3.9 i Ein Vrglich mit dn Glichngn für di Emittrschltng zigt, dss ds Klinsignlvrhltn dr Bsis- nd Emittrschltngn shr ähnlich ist. In bidn chltngn strt dr ignlgnrtor di Bsis-Emittrdiod nd dr Asgng ist m Kollktor ngschlossn. Dr inzig ntrschid bstht drin, dss dr Eingngswidrstnd m dn Btrg β klinr ist, wil dr Emittrstrom i E -βi B n tll ds Bsisstroms ls Eingngsstrom wirkt. Di Tmprtrdrift vrhält sich gnso wi bi dr Emittrschltng ohn Ggnkopplng: d d mv A 3.9 dt A dt K A Arbitspnktinstllng Für di Bsisschltng nch Bild 3.44 wird di pnnng im Arbitspnkt übr dn Bsisspnnngstilr V nd V ingstllt. Dbi wird dr Qrstrom I q drch di bidn Widrständ wsntlich größr ls dr Bsisstrom I B gwählt.

66 Elktronisch chltngn prrschicht-fldffkttrnsistorn (JFET) Lrnzil: Knnnlrnn dr Eignschftn von prrschicht-fldffkttrnsistorn Fnktion von prrschicht-fldffkttrnsistorn Arbitn mit Eingngs- nd Asgngsknnlinin Arbitspnktinstllng, Großsignlvrhltn, Klinsignlvrhltn Grndschltngn mit prrschicht-fldffkttrnsistorn 3.3. Afb nd Wirkngswis Wi bi bipolrn Trnsistorn, so ist ch bi prrschicht-fldffkttrnsistorn in pn- Übrgng von Bdtng. Im Ggnstz zr Bipolrtchnik wird dr strnd pn-übrgng jdoch immr in prrrichtng btribn. Di Anschlüss ds Fldffkttrnsistors wrdn mit orc (Qll), Drin (nk) nd Gt (Tor) bzichnt. Dr schmtisch Afb ins n- nd ins p-knl prrschicht-fldffkttrnsistors nd di zghörign chltngssymbol sind in Bild 3.46 drgstllt. Drin Drin Knl Knl Gt Gt Gt Gt p n p n p n orc orc D D G G Bild 3.46 chmtisch Drstllng nd chltngssymbol von n- nd p-knl prrschicht- Fldffkttrnsistorn Zr witrn Erklärng dr Fnktion soll hir nr dr n-knl Trnsistor btrchtt wrdn. Zwischn dn Anschlüssn nd D ist nr ds n-dotirt Hlblitrmtril vorhndn. Dis wird ls Knl bzichnt. m di p-dotirtn Gts bildt sich in mldngszon (prrschicht), drn Gsmtbrit sich übrwignd im n-dotirtn Knl sbritt, d dr Knl wsntlich nidrigr dotirt ist, ls di Gtbrich.

67 Elktronisch chltngn 59 Wird nn zwischn Drin nd orc in klin positiv pnnng nglgt ( D << V) nd ds Gt mit dm orc vrbndn, so dss G 0 V ist, so knn in klinr trom zwischn dn bidn Anschlüssn flißn. Mn bzichnt dis Art von Fldffkttrnsistorn ch ls slbstlitnd. Di tromstärk im Knl wird bstimmt drch dn ohmschn Widrstnd ds Mtrils ρ, mit ρ nd A t w A n µ ff Di ingstztn Größn bdtn hirbi: n: Dicht dr Ldngsträgr im Knl [cm -3 ] : Elmntrldng [As] µ ff : Bwglichkit dr Ldngsträgr [cm / Vs] : Läng (lngth) ds Knls (hir Abstnd zwischn nd D) w: Brit (width) ds Knls t: Dick (thicknss) ds Knls (Abstnd zwischn dn mldngszonn) Wird nn n ds Gt in ngtiv pnnng nglgt, so wird di mldngszon britr (Bild 3.47) nd dmit di Dick t ds Knls klinr. Als dirkt Aswirkng wird dr Widrstnd ds Knls größr. Dis knn solng fortgstzt wrdn, bis sich di mldngszonn brührn nd dr Knl ntrbrochn wird. Dnn flißt kin trom mhr zwischn Drin nd orc. Mn spricht dbi ch von inr Abschnürng ds Knls. Di dfür notwndig pnnng m Gt bzichnt mn ls Abschnürspnnng (pinch-off voltg bzw. thrshold voltg). Di gbrächlichstn Bzichnngn dfür sind P bzw. th. Wir wrdn im Witrn di Bzichnng th vrwndn. Drin Drin Drin Gt p Knl n p Gt Gt p n p Gt Gt p p Gt D - (klin) - G D - (klin) D - (klin) - G th orc orc orc Bild 3.47 Asdhnng dr mldngszon bim JFET drch Vrändrn dr Gt-orc- pnnng In dm bishr bsprochnn Arbitsbrich lso bi shr klinn Wrtn dr Drin-orc- pnnng vrhält sich dr prrschicht-fldffkttrnsistor wi in strbrr ohmschr Widrstnd. In dr nlogn chltngstchnik wrdn br Vrsorgngsspnnngn zwischn ± 5 V nd ± 5 V ingstzt. Drs rgibt sich in ndrs Vrhltn ds prrschicht-fldffkttrnsistors ls bishr bschribn. m dis z rlätrn wird di Gt-orc-pnnng G 0V nglgt nd di Drin-orc-pnnng von 0 V bginnnd kontinirlich rhöht.

68 Elktronisch chltngn 60 Drin I D Drin I D Drin I D Gt orc Knl Gt Gt Gt Gt p n p p n p p D D - >0 I D - >0 - G 0 I D orc - G 0 orc I D0 p I G 0 D - th G 0 Bild 3.48 Asdhnng dr mldngszon bim JFET drch Vrändrn dr Drin-orc- pnnng Drch dn ohmschn Widrstnd ds Knlmtrils nimmt ds Potntil vom orc (dr mit Mss vrbndn wird) zm Drin z. Dmit stigt di im Knl wirksm prrspnnng in glichr Wis, ws z inr Vrbritrng dr mldngszon in dr Näh ds Drin führt. (Bild 3.48) bis sich schlißlich di link nd di rcht mldngszon brührn nd ddrch dr Knl n inr tll bgschnürt wird. Dis gschiht bi dr pnnng D - th. Trotz dr Abschnürng ds Knls flißt jtzt br in trom I D I D0. Ein witr Erhöhng von D führt nr noch z inr gringn Erhöhng ds Drinstroms. In dr Litrtr wird I D0 ch grn mit I D bzichnt. D di inwndfri Fnktion ins prrschicht Fldffkttrnsistors von dr Existnz ins gsprrtn p-n-übrgngs zwischn Gt nd Knl bhängt mss drf gchtt wrdn, dss bim n-knl-jfet nr ngtiv Gt-orc-pnnngn nglgt wrdn Fnktionn ins prrschicht - Fldffkttrnsistors Eingngs- nd Asgngsknnlinin Di Eingngsknnlini nd ds Asgngsknnlininfld ins idlisirtn prrschicht - Fldffkttrnsistors sind in Bild 3.49 drgstllt. linrr (ohmschr) Brich Drchbrch- Brich ättigngsbrich (ktivr Brich) -V Abschnürgrnz -V -3V -4V Bild 3.49 Eingngsknnlini nd Asgngsknnlininfld

69 Elktronisch chltngn 6 Di Glichng dr Eingngsknnlini ist: I D 0 G I D th 3.94 Für G 0 V wird dmit dr Drinstrom z I D I D0 nd für G th wird I D 0. Ds Asgngsknnlininfld lässt sich drch dri Brich bschribn: - dn linrn odr ohmschn Brich. - dn ättigngsbrich ( Abschnürbrich, ktivr Brich), dr für nlog chltngn dr Arbitsbrich ist nd - dn Drchbrchbrich. Im linrn Brich gilt: I D G 0 D D I D th ( ) th th 3.95 Dis Drstllngsform ist di in dr Litrtr gbrächlichst. Drch mformng ntstht di folgnd Glichng: [ ( ) ( ) ] I D I D 0 G th D D th Bringt mn noch dn Fktor vor di Klmmr, rhält mn 3.96 I D I D0 th ( ) G th D ( ) D mit I D0 th β 3.97 Mit disr Form dr Glichng soll zkünftig witrgrbitt wrdn. Dr Fktor β ist bim Fldffkttrnsistor im Ggnstz zm bipolrn Trnsistor kin dimnsionslosr tromvrstärkngsfktor, sondrn dr sognnnt tilhitskoffizint mit dr Dimnsion [ A / V ]. tzt mn in di vorhrig Glichng dn Wrt von D n dr Grnz zwischn linrm nd ättigngsbrich D ( G th ) in (gstrichlt Lini im Knnlininfld), wird I D I D0 G th β th ( ) ( ) G th 3.98 Ein witr wichtig Knngröß für nlog Anwndngn ins Trnsistors ist di tilhit, di bi Fldffkttrnsistorn ch oft mit g m bzichnt wird. i ist dfinirt ls: I D I D0 G th β G th ( ) ( ) G th 3.99

70 Elktronisch chltngn 6 Btrchtn wir nn noch dn diffrntilln Widrstnd ds Trnsistors zwischn dm orcnd dm Drin - Anschlss r D : Im linrn odr ohmschn Brich nd für klin Wrt von D knn I D nährngswis drch I D I D0 th ( G th ) D 3.00 bschribn wrdn. Dnn wird dr diffrntill Widrstnd r D : rd D I D I D0 th ( ) G th 3.0 Im ättigngsbrich ist bim idlisirtn Knnlininfld dr Drinstrom konstnt. Dmit wird dr diffrntill Widrstnd r D Erly-Effkt Wi bim Bipolrtrnsistor dr Kollktorstrom, so stigt im ättigngsbrich ds Fldffkttrnsistors ch dr Drinstrom bi znhmndr Drin-orc-pnnng witr n (Bild 3.50). Disr Erly-Effkt wrd brits bim Bipolrtrnsistor rlätrt. linrr (ohmschr) Brich ättigngsbrich (ktivr Brich) Abschnürgrnz A 0 Bild 3.50 Erly-Effkt bim Fldffkttrnsistor Drch dn Erly-Effkt vrändrn sich di Glichngn für dn Drinstrom nd di tilhit z: I D β ( ) G th D ( ) D D A 3.0 I D β ( ) G th D A I D G β ( ) D G th A

71 Elktronisch chltngn 63 Ist di Erly-pnnng A bknnt, lässt sich dr Drin-orc-Widrstnd drch folgnd Glichng bstimmn: r D ( ) ( ) D A G th A G th 3.03 I I I D D D0 th ( ) G th Dmit nimmt r D nn inn ndlich großn Wrt n. Bi prrschicht Fldffkttrnsistorn ligt di Erly-pnnng bi tw inign hndrt Volt, d.h. di Knnlinin vrlfn im Arbitsbrich nhz wgrcht nd dr diffrntill Drin-orc-Widrstnd r D ist noch immr shr groß Bstimmng dr chwllspnnng th Häfig stllt sich für dn chltngsntwicklr di Frg nch dm gnn Wrt dr chwllspnnng th ds in dr chltng ingstztn Trnsistors. As dm Knnlininfld ds Trnsistors lssn sich im ättigngsbrich Wrtpr G nd I D (für D const.) blsn. As dr Glichng ds Drinstroms im ättigngsbrich (Forml 3.98) rhält mn: I D 3.04 β ( G th ) Dis ntspricht inr Grdnglichng dr Form y m ( x x 0 ), so dss mn drch di Erstllng ins Digrmms mit Wrtprn I D, G nd grphischr Extrpoltion di chwllspnnng ls chnittpnkt dr so rhltnn Grdn mit dr Absziss rhält, wi dis in Bild 3.5 gzigt ist. Bild 3.5 Grphisch Ermittlng dr chwllspnnng th ins JFET Arbitspnkt nd Klinsignlvrhltn Wi bi bipolrn Trnsistorn, so ist ch bim prrschicht-fldffkttrnsistor di Vrstärkng von shr klinn ignln in shr wichtigs Anwndngsgbit. Ach hir wird dr JFET nr in inm klinn Brich m dn Arbitspnkt A sgstrt.

72 Elktronisch chltngn 64 Im Ggnstz zm bipolrn Trnsistor, dr spnnngs- odr stromgstrt btribn wrdn knn, wird dr Fldffkttrnsistor nr spnnngsgstrt btribn. Dr Eingngsstrom ds gsprrtn p-n-übrgngs I G ist drch di Glichng ds Diodnstroms bschribbr. I G G T I s 3.05 D G immr ngtiv ist, ist dr Gtstrom bim JFET shr klin ( A). Di Eingngs- odr Übrtrgngsknnlini ins JFET ist in Bild 3.5 drgstllt. Für zwi Eingngsspnnngn ( G -V nd G -3V) sind di Arbitspnkt A nd A ingtrgn. Di Ändrng ds Drinstroms bi glichr Ändrng dr Gt-orc-pnnng m ± 0,5 V zigt di Abhängigkit dr tromändrng von dr Whl ds Arbitspnkts. Lgt mn di Tngnt n di Arbitspnkt, so rknnt mn, dss di tigng, di dr tilhit dr Knnlini im Arbitspnkt ntspricht, vrschidn groß ist. Di rsch hirfür ist di Abhängigkit ds Drinstroms von ( G - th ). Dis bdtt br ch, dss in linr Vrstärkng ds Eingngssignls nr in inm shr klinn Brich m dn sorgfältig sgwähltn Arbitspnkt möglich ist. A I D ma I D 4 A I D G G G / V Bild 3.5 Eingngs- odr Übrtrgngsknnlini ins JFET Ds zghörig Asgngsknnlininfld ist in Bild 3.53 gzigt. Di bidn Arbitspnkt A nd A s Bild 3.5 sind n dn chnittpnktn dr ntsprchndn Asgngsknnlini mit inm ngnommnn Lstwidrstnd ingtrgn. Wnn mn di bidn Arbitspnkt btrchtt, rknnt mn, dss bid nicht bsondrs günstig gwählt sind. Bssr wär sichr in Arbitspnkt m G - V, dnn dmit würd mn tw bi dr Hälft dr für ds Bispil gwähltn Vrsorgngsspnnng von 0 V lign.

73 Elktronisch chltngn 65 I D ma I D 8 7 A G V I D A D D D / V Bild 3.53 Asgngsknnlininfld ds JFET mit zwi Arbitspnktn Klinsignl-Erstzschltbild Ds Klinsignl-Erstzschltbild ds JFET ist in Bild 3.54 gzigt. Zwischn Gt nd Drin bzw. Gt nd orc lign jwils in Diod nd in Kondnstor prlll. Di Gt-orc- Kpzität G ist ls Eingngskpzität ds Trnsistors z intrprtirn, währnd di Gt-Drin- Kpzität ls in prsitär Kpzität (ückkopplngskpzität) zwischn dm Asgng nd dm Eingng ds Trnsistors gshn wrdn knn. Dis wird vor llm bi hochfrqntn ignln von Bdtng. D bid Kpzitätn, G nd GD, prrschichtkpzitätn sind, vriirt dr Kpzitätswrt mit dr Größ dr nligndn pnnngn. Di Widrständ nd D stlln dn Drin- bzw. orc Widrstnd ds Hlblitrmtrils dr. Diss Modll wird für di imltion von chltngn in PPIE vrwndt. Drin GD D Gt I D G orc Bild 3.54 PPIE - Erstzschltbild ins JFET

74 Elktronisch chltngn 66 Di Glichngn, mit dnn grbitt wird, ntsprchn dn bishr in dism Kpitl nggbnn Glichngn. Hinz kommn jdoch noch in ih von witrn Effktn, wi z.b. dr Tmprtrffkt, nd schffkt, m in rlistischs Vrhltn ds Trnsistors bi dr imltion z brücksichtign. Zr Übrsicht nd schnlln Brchnng von chltngn mit prrschicht-fldffkttrnsistorn wolln wir br vrinfcht Erstzschltbildr, f di im Folgndn nähr inggngn wird, vrwndn. Di glichstrommäßig Einstllng ds Arbitspnkts stzt vors, dss nr ngtiv Gt-orc-pnnngn nglgt wrdn, dmit dr p-n-übrgng vom Gt zm orc immr in prrrichtng btribn wird. Dz mss ntwdr ds orc - Potntil ggnübr dm Gt - Potntil drch dn Einstz ins Widrstnds nghobn wrdn, odr mit zsätzlichn ngtivn pnnngsqlln nd inm pnnngstilr di richtig Gt-orc-pnnng ingstllt wrdn. D in ds Gt prktisch kin Eingngsglichstrom flißt, ist in solchr pnnngstilr prktisch nblstt. Ist dr Arbitspnkt glichstrommäßig ingstllt, knn dr Trnsistor für di Anstrng mit klinn Wchslspnnngn btrchtt wrdn. Bild 3.55 zigt in Vrint für in Wchslstromnstrng. i i r G G r D Bild 3.55 Klinsignl-Erstzschltbild für Anstrng mit klinn Wchslspnnngn Dr Widrstnd r G ist dr Eingngswidrstnd, dr Wrt von >0 9 Ω nnhmn knn. Dr Widrstnd r D ist dr diffrntill Widrstnd dr Knnlini im ättigngsbrich. Bim idlisirtn JFET könnn wir r D nnhmn. Mit disn Vrinfchngn wird ds Erstzschltbild z Bild Dr Eingngsstrom i wird z Nll nd dr trom i ntspricht dm Drinstrom. i i G G Bild 3.56 Vrinfchts Klinsignl-Erstzschltbild Grndschltngn mit prrschicht-fldffkttrnsistorn Di dri Grndschltngn mit prrschicht-fldffkttrnsistorn sind di orc-, di Drinnd di Gt - chltng. Wi bi dn Grndschltngn mit bipolrn Trnsistorn, solln ch hir di Eignschftn dr Grndschltngn wi pnnngsvrstärkng, Eingngswidrstnd nd flls möglich dr Asgngswidrstnd übrschlägig brchnt wrdn.

75 Elktronisch chltngn 67 Di orcschltng (Bild 3.57) ht ls gminsmn Anschlss für Eingng nd Asgng dn orc - Anschlss ds Trnsistors. Ds Eingngssignl wird m Gt nglgt nd m Drin wird di Asgngsspnnng bggriffn. D Bild 3.57 orcschltng i i r G G G r D D Bild 3.58 Klinsignl-Erstzschltbild dr orcschltng Zr Bstimmng dr wichtign Größn ist ds Wchslstromrstzschltbild nch Bild 3.58 hilfrich: Bginnn wir mit dr Ermittlng ds Eingngswidrstnds r dr orc - chltng: r i r G r shr groß 3.06 Di pnnngsvrstärkng dr chltng ist: A, G, A G ( r ) D ( D rd ) D d rd >> D D 3.07 Dis Glichng knnn wir schon von dr Emittrschltng mit inm bipolrn npn-trnsistor. Bim Fldffkttrnsistor ist jdoch di tilhit tw m dn Fktor 0 klinr, lso wird ch di pnnngsvrstärkng m disn Fktor klinr. Dr Asgngswidrstnd r wird z r i ( D rd ) D 3.08

76 Elktronisch chltngn 68 Drs ist z rknnn, dss dr Asgngswidrstnd wsntlich drch di xtrn Bschltng ds Trnsistors bstimmt wird. Di Drin - chltng in Bild 3.59 wird in dr Litrtr oft ls orcfolgr bzichnt. Zr Bstimmng dr wichtign Größn ist ch hir ds Wchslstromrstzschltbild (Bild 3.60) hilfrich: D b G Bild 3.59 Drinschltng G i r G i i D G r D G D Bild 3.60 Klinsignl-Erstzschltbild dr Drinschltng Bginnn wir znächst mit dr pnnngsvrstärkng dr Drinschltng: A mit r D >> G ist i i D G r G i 3.09 i D G i D G A G G G < Dr Eingngswidrstnd r dr chltng wird z: r G ( ) rg rg G 3.0 rg ( ) i G Nhmn wir 5 m nd kω n, wird 0. Dr Eingngswidrstnd ist dmit m dn Fktor größr, ls bi dr orcschltng.

77 Elktronisch chltngn 69 Dr Asgngswidrstnd r dr chltng rgibt sich z r i mit 0, i r D r G G 3. wird i für G, r G >> r D >> r Als ltzt dr dri Grndschltngn btrchtn wir di Gtschltng nch Bild 3.6. D G Bild 3.6 Gtschltng D di Gtschltng nr in gnz sltnn Fälln in dr Hochfrqnztchnik ingstzt wird, soll hir nr f di pnnngsvrstärkng nd dn Eingngswidrstnd inggngn wrdn. Dr Asgngswidrstnd ist bi disr chltng prktisch sschlißlich von dr Asgngsbschltng bhängig. Di pnnngsvrstärkng ist A i D mit i id, id G nd G ist 3. A G D G D Dr Eingngswidrstnd brchnt sich z r i i D 3.3 Dr Eingngswidrstnd dr Gt - chltng ist formlmäßig glich dm Eingngswidrstnd dr Bsisschltng. D wi schon mhrfch rwähnt di tilhit bim JFET br tw m dn Fktor 0 klinr ist ls di bim bipolrn Trnsistor, wird dr Eingngswidrstnd nn m disn Fktor größr.

78 Elktronisch chltngn Isolirschicht-Fldffkttrnsistorn (MOFET) Lrnzil: Knnnlrnn dr Eignschftn von MO-Fldffkttrnsistorn Fnktion von MO-Fldffkttrnsistorn Arbitn mit Eingngs- nd Asgngsknnlinin Arbitspnktinstllng, Großsignlvrhltn, Klinsignlvrhltn Grndschltngn mit MO-Fldffkttrnsistorn 3.4. Afb nd Wirkngswis Im ltztn Kpitl wrd dr prrschicht-fldffkt-trnsistor (JFET) bsprochn. Bim JFET ist ds Gt drch inn gsprrtn p-n-übrgng vom Knl isolirt, nd dr trom im orc Drin-Knl wird übr di Größ dr mldngszon zwischn Gt nd Knl gstrt. Im Ggnstz zm JFET wird bim MOFET ds Gt drch in Isoltionsschicht vom Knl gtrnnt. Drf wird ch dr Nm zrückgführt Mtl-Oxid-micondctor-Fild-Effct Trnsistor, bgkürzt MOFET. Bild 3.6 zigt dn Qrschnitt ins MOFET. Bild 3.63 zigt schmtisch dn Afb ins n-knl Isolirschicht-Fldffkttrnsistors. In inn p-dotirtn ilizimkristll wrdn zwi hochdotirt n-brich (orc nd Drin) ingbrcht. Dr klin Brich zwischn orc nd Drin wird ls Knl bzichnt. Übr dr Knlzon wird nn in shr dünn isolirnd Oxidschicht fgbrcht, di wi in Bild 3.6 drgstllt, noch inn Til ds orc- nd ds Drin-Brichs mit übrdckt. Af dis Isolirschicht wird jtzt ds Gt fgbrcht, ds ntwdr s Mtll, s ilizim odr s Mtll-ilizim-Vrbindngn bsthn knn. Wichtig ist hirbi, dss dr ohmsch Widrstnd ds Mtrils möglichst klin ist. Bild 3.6b zigt ds chltngssymbol ins MOFET. Z dn brits bknntn Anschlüssn von orc, Drin nd Gt kommt noch dr bstrtnschlss dz. Disr Anschlss wird ch häfig ls blk mit dm ymbol B bzichnt. Ds ist dr Anschlss ds i- Trägrsbstrts. Er wird bi diskrtn MOFETs in dr gl intrn mit dm orc - Anschlss vrbndn. In dism Fll ht dr MOFET ch nr dri Anschlüss. D G bstr. ) b) Bild 3.6 chnittdrstllng ds prinzipilln Afbs ins MOFET. () nd chltngssymbol (b). Bi gnr Btrchtng ds Trnsistorfbs stllt mn schnll fst, dss zm n-knl JFET in wsntlichr ntrschid bstht: Di Dotirng dr inzlnn Brich (orc, Drin nd Knl) ist bim MOFET gn mgkhrt. Di trspnnng (Gt-pnnng) binflsst di Ldngsträgrdicht im ilizim ntr dm Oxid. J nch Polrität dr pnnng nd Dotirng

79 Elktronisch chltngn 7 ds ilizims bildt sich zwischn orc nd Drin in litfähigr Knl hrs, dr n- odr p- litnd sin knn. Dmit ist s drch di Dotirng möglich, slbstlitnd odr slbstsprrnd MOFETs hrzstlln; d.h. in MOFET ist slbstlitnd, wnn bi inr klinn orc-drin- pnnng nd bi G 0 V in trom flißt. Entsprchnd ist in MOFET slbstsprrnd, wnn bi inr klinn orc-drin-pnnng nd bi G 0 V kin trom flißt. Für nlog chltngn sind bsondrs di slbstlitndn Trnsistorn von Bdtng, währnd in dr Digitltchnik di slbstsprrndn Trnsistorn ingstzt wrdn. Bild 3.63 chmtisch Drstllng dr Ldngsvrtilng in inr MO-trktr bi ntrschidlichr pnnng. Zm bssrn Vrständnis dr MOFET soll zrst nr di MO-trktr disktirt wrdn, di in Bild 3.63 schmtisch drgstllt ist. Dis MO-trktr stllt inn Kondnstor, dr kinn orc- nd Drin-Brich ht. Di Ldngsvrtilng wird drch di pnnng zwischn dr Mtlllktrod (Gt) nd dm ilizim-bstrt bstimmt. Hir soll nr dr Fll ds p-dotirtn ilizims disktirt wrdn. Folgnd 4 Fäll sind möglich:. Bi ngtivr pnnng m Gt smmln sich n dr Obrfläch ds i-bstrts positiv gldn Löchr, di im p-dotirtn i-bstrt richlich vorhndn sind. Dis mit Löchrn ngrichrt chicht wird ls Anrichrngsschicht bzichnt. b. Ohn nglgt Gt-pnnng tritt kin lktrischs Fld im Oxid f. Dmit ist ds i- bstrt zr Aßnwlt lktrisch ntrl. Disr Fll wird ls Flchbndfll bzichnt. c. Bi inr rltiv klinn positivn pnnng m Gt drückt ds lktrisch Fld di bwglichn Löchr im i-bstrt von dr Obrfläch wg. omit bildt sich ntr dm Oxid in mldngszon. In disr mldngszon sind di ngtiv gldnn Akzptorn fststhnd. Mit znhmndr positivr Gt-pnnng nimmt di Dick dr mldngszon z. d. Ab inr bstimmtn Größ dr positivn Gt-pnnng bildt sich n dr Obrfläch ds i-bstrts ntr dr Oxidschicht drch ds strk lktrisch Fld in chicht s bwglichn Elktronn. Bi witrm Anstig dr Gt-pnnng dhnt sich di mldngszon nicht mhr s, sondrn di Dicht dr bwglichn Elktronn in disr Obrflächnschicht nimmt z. Dis chicht wird ls Invrsionsschicht bzichnt Fnktion nd Knnlinin ins MOFET Dis Erlätrngn gltn ch für di Ldngsträgrvrtilng im MOFET. J nch Dotirng ist in ntrschidlichs Vrhltn ds MOFET möglich. Bild 3.64 zigt obn di schmtisch Drstllng ins MOFETs vom Vrrmngstyp mit inm n- nd p-knl. In dism MOFET

80 Elktronisch chltngn 7 ist brits bi Gt-pnnngn G 0 V in litfähigr Knl vorhndn. Dshlb wird r ch ls slbstlitndr MOFET bzichnt. Bild 3.64 zigt ntn di schmtisch Drstllng ins MOFETs vom Anrichrngstyp mit n- nd p-knl. Bi inm Anrichrngs-MOFET müssn rst drch in Gt-pnnng bwglich Ldngn, lso Löchr odr Elktronn, im Knl ngsmmlt wrdn, dmit in trom zwischn Drin nd orc flißn knn. Bild 3.64 chmtisch Drstllng von MOFETs vom Vrrmngstyp (obn) nd Anrichrngstyp (ntn) mit n- nd p-knl. Im Witrn soll dr tromflss in Abhängigkit von dr Gt-pnnng nd Drin-orc- pnnng disktirt wrdn. Ein Bispil ins n-knl MOFETs ist in Bild 3.65 gzigt. Di Gt-pnnng ist brits so groß, dss dr Knl im Invrsionsbtrib rbitt. Bi inr klinn Drin-orc-pnnng D, flißt in trom im Knl I D, dr proportionl dr nglgtn pnnng D ist. In dism Brich rbitt dr MOFET wi in linrr ohmschr Widrstnd. Ab inr bstimmtn pnnng D G - th wird dr Knl bgschnürt, d.h. di Konzntrtion dr Ldngsträgr nimmt b (sih Bild 3.64b). Ein witr Znhm von D führt nicht zr Erhöhng von I D ; d.h. dr MOFET wird in dr ättigng btribn. Ein gringfügigr Einflss dr pnnng D blibt vorhndn nd wird ls Knllängnmodltion bzichnt. Diss Vrhltn ist s dn Eingngs- nd Asgngsknnlinin ins MOFETs rsichtlich. Di Eingngsknnlini nd ds Asgngsknnlininfld für inn slbstlitndn n-knl MOFET (Vrrmngstyp) sind in Bild 3.66 drgstllt. i sind vrglichbr mit dnn ds JFET. Bi G 0 V flißt dr Drinstrom I D0. Im Asgngsknnlininfld sind dr linr Brich nd dr ättigngsbrich gzigt. Im Abschnür- odr ättigngsbrich ist dr trom I D nr von G bhängig. Di brits rwähnt Knllängnmodltion führt dz, dss dr Drinstrom licht mit wchsndr pnnng D znimmt. Disr Effkt ist mit dm Erly-Effkt

81 Elktronisch chltngn 73 bim bipolrn Trnsistor vrglichbr nd wird dshlb ch mit dr Erly-pnnng bschribn. Di Eingngsknnlini nd ds Asgngsknnlininfld ins slbstsprrndn n-knl MOFET (Anrichrngstyp) sind in Bild 3.66 drgstllt. Bi G 0 V flißt hir noch kin trom. Erst in positiv pnnng m Gt G > th führt z inm trom I D. Brücksichtign wir di Vrtilng dr inzlnn Ldngn nd intgrirt mn ds Potntil im Knl übr di Knlläng rhält mn für dn Drinstrom in Glichng, di brits bim JFET ingstzt wrd. Bild 3.65 chnitt drch inn MOFET im linrn Btrib (links Bild) nd z Bginn dr Abschnürng ds Knls (rchts Bild). Di Glichng dr Eingngsknnlini ist ch di ds JFET: 0 G I D I D 3.4 th Für G 0 V wird dmit ch bim slbstlitndn MOFET dr Drinstrom z I D I D0 nd für G th wird I D Linrr Brich (ohmschr Brich) ättigngsbrich (Arbitsbrich) I D ma D G - th G V G / D / Bild 3.66 Eingngsknnlini nd Asgngsknnlininfld ins n-knl MOFET vom Vrrmngstyp.

82 Elktronisch chltngn 74 I D ma ättigngsbrich (Arbitsbrich) Linrr Brich (ohmschr Brich) I D 40 ma D G - th G /V D /V G V Bild 3.67 Eingngsknnlini nd Asgngsknnlininfld ins n-knl MOFET vom Anrichrngstyp. Im linrn Brich nd im ättigngsbrich gltn ch hir: ID β nd ID β ( ) G ( ) G th th D ( ) D 3.5 Zsmmnfssnd rhält mn ntr Brücksichtigng ds Erly-Effkts folgnd Großsignlglichngn für Fldffkttrnsistorn: I D 0 G th D ( ) D β G th D linrr Brich 3.6 A β ( ) D G th ättigngsbrich A Dr tilhitskoffizint β ist in Mß für di tigng dr Übrtrgngsknnlini nd wird drch di gomtrischn nd lktronischn Eignschftn ds Knls bstimmt. o gilt z. B. für inn n-knl MOFET: w w β β n µ n ox 3.7 l l Dbi ist ' ox dr Kpzitätsblg ds Gtoxids. Dmit gilt ox ' ox w l. Dr nn "physiklisch" bschribn tilhitskoffizint β ht di Einhit [A / V ]. Bim n- Knl MOFET bträgt r 0-60 µa/v nd bi p-knl MOFET ist r bi glichn Abmssngn fgrnd dr gringrn Bwglichkit dr Löchr 3-ml klinr. Di

83 Elktronisch chltngn 75 Dfinition ds tilhitskoffizintn β nch Forml 3.7 mss bim MOFET vom Anrichrngstyp immr vrwndt wrdn, d bi G 0 V dr Drinstrom immr I D 0 ist nd dmit ch β 0 wär. Bim slbstlitndn MOFET gilt br ch di in Forml 3.97 gzigt Form: I β D0 3.7 th Dr ntrschid zwischn MOFET nd JFET ist im Asgngsknnlininfld rknnbr. D wir bim JFET mit inm gsprrtn pn-übrgng Gt - Knl rbitn, drf di Eingngsspnnng nicht positiv wrdn. Bim MOFET ist dr Eingng br vom Knl drch in isolirnds Oxid gtrnnt. Dshlb drf di Eingngsspnnng ch positiv Wrt nnhmn, so dss disr Trnsistortyp sich shr gt dz ignt, pnnngn m 0 V z vrstärkn. omit könnn chltngn für Eingngsspnnngn fgbt wrdn, di sowohl inn Glich- wi ch inn Wchslntil bsitzn, solng dr Glichntil klin gng blibt. Im Brich dr Listngstrnsistorn wird dr slbstsprrnd Typ MOFET ls sognnntr HEX-FET in inm britn Anwndngsspktrm Vrwndng. Vortil wi: pnnngsgstrtr Eingng, hoh tröm, gt Eignschftn bi Implsblstng nd shr klinr Widrstnd r D on (mω) bitn vil Einstzmöglichkitn n. Ein Zsmmnfssng llr Typn von FET nd ihrr Knnlinin ist im Bild 3.78 nthltn. In dr modrnn Digitltchnik ist dr slbstsprrnd MOFET ds wichtigst Blmnt übrhpt. Drch in immr witr fortschritnd Minitrisirng rricht mn ht bi höchstintgrirtn chltngn brits Tktfrqnzn im instllign GHz-Brich Grndschltngn orc-chltng Bild 3.68 zigt di orc-chltng nd Bild 3.68b zigt ds ntsprchnd Erstzschltbild. Bi Vrnchlässigng ds Erly-Effkts gilt im Arbitsbrich ds Trnsistors: I D ( ) β G th 3.8 Für di Asgngsspnnng rhält mn mit g G : D I 0 Dβ b I DD b ( ) th 3.9

84 Elktronisch chltngn 76 ) b) Bild 3.68 orc-chltng () nd Erstzschltbild (b). Dr Innnwidrstnd g dr Qll ht bi MOFETs wgn I G 0 kinn Einflss f di Knnlini. Er wirkt sich nr f ds dynmisch Vrhltn s. Bi prrschicht-fets trtn dggn Gt-Lckström im pa- bzw. na-brich f, di bi shr hohn Innnwidrständn dr pnnngsqll inn nicht mhr vrnchlässigbrn pnnngsbfll zr Folg hbn. Dshlb stzt mn bi Qlln mit g > 0 MΩ bvorzgt MOFETs in. Klinsignlvrhltn dr orc-chltng Ds Vrhltn bi Asstrng m inn Arbitspnkt A wird ls Klinsignlvrhltn bzichnt. Bild 3.69 zigt ds Klinsignl-Erstzschltbild dr orc-chltng, ds mn drch Einstzn ds Klinsignl-Erstzschltbilds ds FETs rhält. Ohn Lstwidrstnd L folgt s Bild 3.69 für di orc-chltng: A i 0 rd >> D ( D rd ) D 3.0 r i 3. r rd >> D D rd 3. D i Bild 3.69 Klinsignl-Erstzschltbild dr orc-chltng. Di Größn A, r nd r bschribn di orc-chltng vollständig. Mit Hilf von Bild 3.69 knn mn di Klinsignl-Btribsvrstärkng brchnn:

85 Elktronisch chltngn 77 A B g r r g L A r L r L A r L 3.3 i stzt sich s dr Vrstärkng A dr chltng nd dm pnnngstilr-fktor m Asgng zsmmn. Di mximl Vrstärkng hängt vom Arbitspnkt b. i nimmt mit znhmndm trom bzw. znhmndr pnnng G th b. Will mn in hoh mximl Vrstärkng rrichn, mss mn inn MOFET mit möglichst großm tilhitskoffizintn β mit möglichst klinm trom I D,A btribn. orc-chltng mit tromggnkopplng Di Nichtlinrität nd di Tmprtrbhängigkit dr orc-chltng könnn drch in tromggnkopplng vrringrt wrdn. Dz wird in orc-widrstnd ingfügt sih Bild Di Übrtrgngsknnlini nd ds Klinsignlvrhltn hängn in dism Fll von dr Bschltng ds bstrtnschlsss b. Er ist bi Einzl-MOFETs mit dr orc nd in intgrirtn chltngn mit dr ngtivstn Vrsorgngsspnnng (hir: Mss) vrbndn. In Bild 3.70 ist dshlb in mschltr für dn bstrtnschlss nthltn. Bild 3.70b zigt ds Erstzschltbild. Für dn Abschnürbrich rhält mn mit I 0 : b I D D b Dβ ( ) G th 3.4 I 3.5 G G D Ds Klinsignlvrhltn brchnt sich nhnd ds Klinsignl-Erstzschltbilds sih Bild 3.7. As dr folgndn Knotnglichng D G BB r D D rhält mn mit G nd D di Vrstärkng: A D D i B r D rd ) b) Bild 3.70 orc-chltng mit tromggnkopplng () nd Großsignl-Erstzschltbild (b).

86 Elktronisch chltngn 78 Bild 3.7 Klinsignl-Erstzschltbild dr orc-chltng mit tromggnkopplng. A rd >> D,/ D ( B ) 3.8 A B 0 >> D D 3.9 Bi Einzl-MOFET, d.h. ohn bstrtffkt nd strkr Ggnkopplng, hängt di Vrstärkng nr noch von D nd b. Allrdings knn mn fgrnd dr gringn Mximlvrstärkng ins MOFETs im Allgminn kin strk Ggnkopplng vornhmn, wil sonst di Vrstärkng z klin wird. Bi Btrib mit inm Lstwidrstnd L knn mn di zghörig Vrstärkng brchnn, indm mn di Prlllschltng von D nd L instzt. Für dn Eingngswidrstnd gilt r nd für dn Asgngswidrstnd rgibt sich: r D r D rd >> D B D r 3.30 D Mit r D >> D nd r D >> / sowi ohn Lstwidrstnd rhält mn für di orc-chltng mit tromggnkopplng folgnd Formln: A B 0 D i B 0 ( ) D 3.3 r 3.3 r D 3.33 i orc-chltng mit pnnngsggnkopplng Bi dr orc-chltng mit pnnngsggnkopplng nch Bild 3.7 wird in Til dr Asgngsspnnng übr di Widrständ nd f ds Gt ds FETs zrückgführt. As dr Knotnglichng rgibt sich b G D I I D G G

87 Elktronisch chltngn 79 Bild 3.7 orc-chltng mit pnnngsggnkopplng. Für dn Btrib ohn Lst, d. h., I 0 gilt D D b D D G D D b I I D >> 3.36 ( ) G 3.37 Ds Klinsignlvrhltn rrchnt sich nhnd von Bild As dn Knotnglichngn rgibt sich 0 G G 3.38 D D G G i r 3.39 Di pnnngsvrstärkng ist mit D D D r D /, r D i A D D 0 >> >> 3.40 Für dn Eingngswidrstnd bi Lrlf m Asgng (i 0) rhält mn >> >> D / r D D i,l i r D D Für dn Asgngswidrstnd bi Krzschlss m Eingng rhält mn >> >> 0 i r D / r D,K D D 3.4

88 Elktronisch chltngn 80 Mit, lso Lrlf m Eingng wird dr Asgngswidrstnd r,l r D >> D >> / D 3.43 i i 0 Zsmmnfssnd gilt für di orc-chltng mit pnnngsggnkopplng: A i 0 D 3.44 r r i D i 0 D i Arbitspnktinstllng Dr Btrib ls Klinsignlvrstärkr rfordrt in stbil Einstllng ds Arbitspnkts. Dr Arbitspnkt sollt möglichst wnig von dn Prmtrn ds MOFET bhängn, d dis tmprtrbhängign nd frtigngsbdingtn trngn ntrworfn sind. Klinsignlvrstärkr in orc-chltng mit Einzl-FETs wrdn fgrnd ihrr im Vrglich zr Emittrschltng gringn Vrstärkng nr in Asnhmfälln ingstzt. Dz ghörn Vrstärkr mit shr hochohmign ignlqlln, wi z. B. für Kondnstor-Mikrofon. Di Arbitspnkt-Einstllng bi Wchslspnnngn rfolgt übr Kopplkondnstorn mit dr ignlqll nd dr Lst. Bi pnnngsvrstärkrn wird in dr gl di Glichstrom- Ggnkopplng vrwndt, wi s z. B. in Bild 3.73 gzigt ist. ) b) Bild 3.73 Arbitspnktinstllng für di orc-chltng für slbstlitnd () nd slbstsprrnd (b) FETs Drin-chltng Bild 3.74 zigt di Drin-chltng. Ds Erstzschltbild nch Bild 3.74b rmöglicht di Brchnng dr grndlgndn Prmtr dr Drin-chltng für g th nd I 0 gilt :

89 Elktronisch chltngn 8 I 3.47 D I β D G th 3.48 Dbi wird dr Erly-Effkt vrnchlässigt nd drch Einstzn von 3.47 in 3.48 rhält mn β th 3.49 ) b) Bild 3.7 Drin-chltng () nd Großsignl-Erstzschltbild (b). Klinsignlvrhltn dr Drin-chltng Bild 3.75 zigt im obrn Til ds Klinsignl-Erstzschltbild dr Drin-chltng in sinr nmittlbrn Form. Drs rhält mn drch mzichnn nd Zsmmnfssn prlll ligndr Elmnt ds ntr Klinsignl-Erstzschltbild. As dr Knotnglichng rhält mn mit G di Klinsignlvrstärkng mit rd Bild 3.75 Klinsignlrstzschltbildr dr Drin-chltng.

90 Elktronisch chltngn 8 A rd >> / B 0 i 0 ( B ) 3.50 Für dn Klinsignl-Eingngswidrstnd gilt r nd für dn Klinsignl-Asgngswidrstnd rhält mn: r r / D B 0 >> 3.5 i B Ohn Lstwidrstnd nd mit r D >> / rhält mn folgnd Formln für di Drin-chltng : A B 0 i 0 ( B ) 3.5 r 3.53 i i 0 r B i B m dn Einflss ds Lstwidrstnds z brücksichtign, mss mn in Forml 3.5 nstll von di Prlllschltng von nd L instzn Gt-chltng Bild 3.76 zigt di Gt-chltng. Bi Vrnchlässigng ds Erly-Effkts rhält mn nhnd ds Erstzschltbilds nch Bild 3.76b folgnd Formln: b I D D b β D ( ) G th 3.55 G I G GV IG 0 G 3.56 ) b) Bild 3.76 Gt-chltng ) ohn, nd b) mit Anschlss inr bstrt-pnnng.

91 Elktronisch chltngn 83 Bild 3.77 Klinsignl-Erstzschltbild dr Gt-chltng. Bild 3.77 zigt ds Klinsignl-Erstzschltbild dr Gt-chltng. Dr Übrgng vom intgrirtn zm Einzl-MOFET rfolgt mit dr Einschränkng B 0, d. h., in dn Glichngn wird B 0 gstzt. D G BB r D As dr Knotnglichng folgt mit - G B A i 0 B r D ( r ) D D rd >> D, / 0 B ( B ) D D 3.58 Für dn Klinsignl-Eingngswidrstnd rhält mn: r r r D >> D, / B 0 D D 3.59 i i 0 ( ) r B D B Für dn Klinsignl-Asgngswidrstnd rhält mn: r i D ( ( ) ) B B g g r D g rd >> D D 3.60 Er hängt vom Innnwidrstnd g ds ignlgnrtors b. In dr Prxis knn mn di Abhängigkit vom Innnwidrstnd dr ignlqll vrnchlässign. Ohn Lstwidrstnd L nd r D >> D, / rhält mn für di Gt-chltng folgnd zsmmnfssnd Formln: A B 0 ( B ) D D 3.6 i 0 r r B i i 0 B D 3.63 i

92 Elktronisch chltngn 84 Bild 3.78 Übrsicht übr di vrschidnn Typn von Fldffkt-Trnsistorn nd ihr Knnlinin.

93 Elktronisch chltngn chltngn mit komplmntärn Fldffkttrnsistorn (MO) Lrnzil: Knnnlrnn dr Eignschftn von MO chltngn Knnlinin von MO chltngn 3.5. Afb nd Wirkngswis Nchdm in dn vornggngnn Kpitln di vrschidnn Typn von Fldffkttrnsistorn nd drn Grndschltngn sführlich bhndlt wrdn, soll noch in witr chltngsrt mit FETs btrchtt wrdn, di MO - chltng. Bi disr Tchnik wrdn komplmntär Trnsistorn, d.h. in n Knl - nd in p Knl - MOFET, prwis ingstzt. Di infchst MO chltng mit zwi slbstsprrndn Fldffkttrnsistorn ist in Bild 3.79 drgstllt. Zwischn dr Vrsorgngsspnnng b nd dm Mssnschlss wrdn in n-knl nd in p-knl-trnsistor in ih gschltt. Dr orcnschlss ds p Knl - Trnsistors ligt dbi dirkt n b, di Drinnschlüss dr bidn Trnsistorn wrdn mitinndr vrbndn nd bildn dn Asgng dr chltng nd dr orcnschlss ds n Knl Trnsistors ligt n Mss. Am Eingng dr chltng wrdn di Gts dr bidn Trnsistorn mitinndr vrbndn. D pnnngn nd tröm ins p-knl Trnsistors mgkhrt Vorzichn wi di ins n-knl Trnsistors hbn, flißt lso bim p-knl Trnsistor dr konvntionll trom ntggn dr positivn Zählrichtng von orc nch Drin, so dss ds Potntil im Knl ntr dm Gt ngtivr ist ls ds orcpotntil nd dhr inr ngtivn Gtspnnng G < 0 ntspricht. Ds Knnlininfld ins p-knl Trnsistors ligt bknntlich im drittn, ds ds n-knl Trnsistors im rstn Qdrntn dr I D, D -Ebn. b G I D D D G Bild 3.79 MO Grndschltng. Bild 3.80 zigt inn Qrschnitt ins solchn Trnsistorprs. Af inm ntrln ilizim- Wfr wrdn di Brich für di bidn Trnsistorn dfinirt nd mit inr ntsprchndn Dotirng vrshn. In dn p-dotirtn Brich wrdn hochdotirt n-brich für orc nd Drin ds n-knl Trnsistors nd in dn n-dotirtn Brich wrdn hochdotirt p-brich für orc nd Drin ds p-knl Trnsistors ingbrcht. Zwischn dn bidn Trnsistorn wird n dr Obrfläch in Brich mit inm Oxid vrshn, ds di Entsthng prsitärr Effkt vrhindrn soll. ntr dm Oxid blibt jtzt nr noch in klinr Brich übrig, in dm sich di n- nd di p- Wnn brührn. ntr Brücksichtigng dr n disn Brichn nglgtn

94 Elktronisch chltngn 86 pnnngn ( p-wnn: Mss, n-wnn: positiv Vrsorgngsspnnng) ist disr pn Übrgng immr gsprrt, d.h. s flißt nr in shr klinr prrstrom. Bi dn nstn intgrirtn MO chltngn sind di bidn Trnsistorn völlig voninndr gtrnnt. G D D G n p p Oxid n n p n-wnn p-wnn ilizim-wfr Bild 3.80 Qrschnitt drch in MO-Grndschltng Fnktion nd Knnlinin Zm Vrständnis dr Fnktion dr MO chltng solln di Knnlinin dr bidn Trnsistorn znächst inzln btrchtt wrdn. Di Eingngsknnlini nd ds Asgngsknnlininfld ds n-knl Trnsistors zigt Bild 3.8 nd di ntsprchndn Knnlinin für dn p-knl Trnsistor Bild 3.8. Di Glichngn dr Eingngsknnlini nd di ds Asgngsknnlininflds wrdn brits im Kpitl 3.4 sführlich bschribn. Für dn n-knl Trnsistor gilt: I I I D D D β ( ) ( Eingngsknnlini ) G th ( ) β ( ) D G th D ( linrrbrich ) 3.64 β ( ) ( ättigngsbrich ) G th Bim p-knl Trnsistor gltn di Formln: ID ID ID β ( ) ( Eingngsknnlini ) G th ( ) β ( ) D G th D ( linrrbrich ) 3.65 β ( ) ( ättigngsbrich ) G th Bid Trnsistorn hbn nch dn Bildrn 3.8 nd 3.8 btrgsmäßig glich Knnlinin. Dis bdtt, dss dr tilhitskoffizint β für bid Trnsistorn glich sin mss. Wi brits mhrfch rwähnt wrd, ist di Bwglichkit dr Elktronn µ n tw m dn Fktor 3 größr ls di Bwglichkit µ p dr Löchr. D di Trnsistorn f inr intgrirtn chltng ll glichzitig hrgstllt wrdn ist z rwrtn, dss di f di Fläch bzogn Kpzität ' ox für dn n- nd dn p-knl Trnsistor glich groß ist. Dmit knn folgndr Anstz gmcht wrdn:

95 Elktronisch chltngn 87 0,5 0,5 0,45 0,4 0,4 0,35 0 0,3 0, I D ma 0,3 0,5 0, 9 8 G V 0, ,5 0, 0, G / V D / V Bild 3.8 Eingngsknnlini nd Asgngsknnlininfld ds n-knl Trnsistors. β n mit w µ n nox β ln µ n 3 µ p nd nd β p wp µ pox β l p dr Annhm ln l p folg t : 3.66 wp 3 wn Ds Ergbnis sgt s, dss s ntr dn gmchtn Vorsstzngn möglich ist, zwi komplmntär Fldffkttrnsistorn mit btrgsmäßig glichn Eingngsknnlinin nd Asgngsknnlininfld hrzstlln, wnn dr p-knl Trnsistor tw 3 ml so brit wi dr n- Knl Trnsistor ist. G / V D / V ,05-0, -0,5-0, -0,5-0,3-0,35-0,4-0,45-0, ,05-0, -0,5-0, -0,5-0,3-0,35-0,4-0,45 I D m -0,5 Bild 3.8 Eingngsknnlini nd Asgngsknnlininfld ds p-knl Trnsistors

96 Elktronisch chltngn 88 0,5-0,45 I D ma 0,4 0, G V 0,3 0, , 0,5 0, 0, Lstkrv / V D Bild 3.83 Asgngsknnlininfld nd "Lstkrv" dr MO-chltng Zr Ermittlng ds bstmöglichn Arbitspnkts dr MO chltng ist di Übrgngsknnlini hilfrich. Zr Ermittlng disr Knnlini btrchtn wir widr di chltng in Bild Dr p-knl Trnsistor rstzt hirbi dn sonst üblichn Lstwidrstnd. D disr p-knl Trnsistor br ch mit dm Eingngssignl ngstrt wird, ist s nicht mhr f infch Wis möglich, inn Arbitspnkt z bstimmn. Als "Lst" rhltn wir jtzt ds gsmt Knnlininfld ds p-knl Trnsistors. Lgn wir diss Knnlininfld in ds ntsprchnd Knnlininfld ds n-knl Trnsistors, so rhltn wir Bild Anstll inr Lstgrdn rhltn wir jtzt s dn chnittpnktn dr bidn Knnlininfldr in nichtlinr Lstfnktion. i ntstht drch di ntrschidlichn Gt-orc-pnnngn n dn Gts dr bidn Trnsistorn. ntr dr Annhm, dss b 5 V bträgt nd di Eingngsspnnng von 0V f 5 V rhöht wird, rgbn sich für di Gt-orc-pnnngn dr Trnsistorn di in Tbll 3.5 fglisttn pnnngswrt Gn nd Gp. Für di in dr Tbll ntrlgtn Wrt sind in Bild 3.83 di chnittpnkt dr bidn Knnlininfldr ingtrgn. Vrändrt mn di Eingngsspnnng in shr klinn chrittn, rhält mn di in Bild 3.83 ingzichnt "Lstkrv". Trägt mn di Asgngsspnnng übr dr Eingngsspnnng f, rhält mn di Übrgngsknnlini dr chltng. Für Wrt von < thn nd > b - thp ist ntwdr dr n-knl odr dr p-knl Trnsistor gsprrt. Dr Drinstrom ist dmit I D 0. Im Brich dzwischn nimmt dr Drinstrom znächst z, bis bid Trnsistorn glich sgstrt sind. Dis ist dr Fll für b /. Wird witr rhöht, nimmt dr trom widr b, bis r bi b - thp dn Wrt 0 rricht. Disn Vrhltn ds troms ist bnflls in Bild 3.84 drgstllt. Di tilhit dr Übrtrgngsfnktion ist bi b / m größtn. Dshlb ist für nlog chltngn in MO-Tchnik hir dr idl Arbitspnkt. Abhängig von dr Größ

97 Elktronisch chltngn 89 dr Vrsorgngsspnnng rhält mn so inn mhr odr wnigr großn Brich, in dm di chltng nhz linr rbitt. Gn Gp 0V 0V -5V V V -4V V V -3V 3V 3V -V 4V 4V -V 5V 5V -0V 6V 6V -9V 7V 7V -8V 8V 8V -7V 9V 9V -6V 0V 0V -5V V V -4V V V -3V 3V 3V -V 4V 4V -V 5V 5V 0V Tbll 3.5 Zsmmnhng zwischn Eingngsspnnng nd Gt-orc-pnnng ds n- Knl nd p-knl-trnsistors inr MO - Grndschltng. 5 0,5 V 0,4 I D ma 0 0,3 A 5 0, I D 0, thn thp 0 0, / V Bild 3.84 Übrtrgngsfnktion nd Vrhltn ds Drinstroms inr MO-chltng

98 Elktronisch chltngn Grndschltngn D bi MO-chltngn di Trnsistorn immr prwis ingstzt wrdn, sind Grndschltngn wi orc-, Drin- odr Gt-chltng nicht möglich. Di infchst Grndschltng ist hirbi dr invrtirnd Vrstärkr, wi r in Bild 3.85 in zwi Asführngn drgstllt ist. Bild 3.85 zigt in chltng zr Vrstärkng klinr Wchslspnnngn mit nr inr positivn pnnngsqll, währnd Bild 3.85b in chltng drstllt, mit dr sowohl klin Wchsl- wi ch klin Glichspnnngn vrstärkt wrdn könnn. Im Idlfll ist bi disr chltng di Asgngsspnnng 0, wnn di Eingngsspnnng 0 ist. Dr Arbitspnkt bidr chltngn ligt gn bi dr Hälft dr nglgtn Vrsorgngsspnnng. b b - b ) b) Bild 3.85 MO - Grndschltngn

99 Elktronisch chltngn 9 4. Vrstärkrschltngn Lrnzil: Knnnlrnn dr Grndlgn von Vrstärkrschltngn Vrsthn dr Fnktion von tromqlln- nd tromspiglschltngn Knnnlrnn ds Afbs nd dr Wirkngswis ds Diffrnzvrstärkrs Vrsthn dr Bgriff Ggnkopplng nd Mitkopplng in Vrstärkrschltngn Vrstärkr sind in wsntlich Bgrpp dr nlogn chltngstchnik. In modrnn ignlvrrbitngs- nd Mßsystmn wrdn di ignl znhmnd in digitlr Form vrrbitt. Doch di ignl nsrr Aßnwlt sind rsächlich nlogr Art nd wrdn von nsorn rfsst. Andr ignl wrdn drhtlos vrbritt, z.b. dio, TV, Mobilfnk, WLAN. Ach dis ignl müssn zrst von dr Antnn rfsst nd nlog witr vrstärkt wrdn, bvor drch ntsprchnd Anlog-/Digitlwndlr für di digitl Witrbrbitng fbritt wrdn. Bild 4. zigt in ignlvrrbitngsktt, in dr in physiklisch Größ drch inn nsor rfsst wird nd nch nlogr nd digitlr Vrrbitng widr übr inn nlogn Aktor f in physiklisch Größ inwirkt. Im ignlwg in Bild 4. sind zwi Artn von Vrstärkrn ingstzt wordn. Dr Vrstärkr nch dm nsor rbitt im Klinsignlbtrib, währnd dr Aktor von inm Listngsvrstärkr ngstrt wird. Ein wichtigs ntrschidngsmrkml ist dr Frqnzbrich, in dm dr Vrstärkr rbitn soll. Dbi ntrschidt mn zwischn Glichspnnngs- nd Wchslspnnngsvrstärkrn. Di Wchslspnnngsvrstärkr wrdn in Nidrfrqnz- nd Hochfrqnz- nd Mikrowllnvrstärkr ingtilt. Trotz ihrr Vilflt bsirn ll Vrstärkr f dn Trnsistorgrndschltngn. i ntrschidn sich drch di Kopplng dr Ein- nd Asgäng bzw. zwischn dn inzlnn Vrstärkrstfn. Ein ondrstllng nhmn Oprtionsvrstärkr in. Dshlb wrdn si ch in Kpitl 5 xtr bhndlt. 4. Mhrstfig Vrstärkr In dn vorsggngnn Kpitln wrdn di vrschidnn Grndschltngn mit bipolrn nd Fldffkt Trnsistorn nd infch Vrstärkrschltngn mit immr nr inm inzlnn Trnsistor bhndlt. Oftmls ist br di Vrstärkng inr inzlnn tf nicht srichnd. Dort müssn mhrstfig Vrstärkr ingstzt wrdn. Am Bispil ins zwistfign Wchslspnnngsvrstärkrs nch Bild 4. soll xmplrisch gzigt wrdn, wlch zsätzlichn ndbdingngn dbi z bchtn sind. Bild 4. Blockschltbild inr ignlvrrbitngsktt.

100 Elktronisch chltngn 9 b 3 T T L E E E E ) L β BE β BE b) Bild 4. Zwistfigr Wchslspnnngsvrstärkr. ) Gsmtschltng, b) Klinsignl- Erstzschltbild Dr Vrstärkr bstht s zwi hintrinndr gschlttn Emittrschltngn. Di Vrstärkng dr rstn tf bträgt: i r A mit 4. r BE BE Im Widrstnd r sind ll Widrständ zsmmngfsst, di für di rst tf ls Lst wirkn. Disr lässt sich nhnd ds Klinsignl-Erstzschltbilds, Bild 4. b), licht rmittln. Es ist: r β r β β β β Wnn wir di bi dr Emittrschltng gtroffnn Vrinbrngn, dss di Widrständ ds pnnngstilrs nd groß ggnübr dm diffrntilln Bsis-Emittr-Widrstnd β / ds Trnsistors im Arbitspnkt sind, könnn wir di Glichng 4. vrinfchn z: 4. r β β β 4.3

101 Elktronisch chltngn 93 Di Wchslspnnngsvrstärkng dr rstn tf wird dmit z: A β 4.4 Di Vrstärkng dr zwitn tf wird nlog z dr Brchnng dr rstn tf drchgführt. i r A r 4.5 c mit BE b Dr Lstwidrstnd r dr zwitn tf ist nch Bild 4. b) di Prlllschltng dr bidn Widrständ nd L. Dmit ist: L r 4.6 L Dmit rhltn wir di Wchslspnnngsvrstärkng dr zwitn tf: L A 4.7 L Di Gsmtvrstärkng bidr tfn ist ds Prodkt dr Einzlvrstärkngn A nd A dr bidn tfn. A gs mit A nd A wird A gs A A A A A gs β L L 4.8 Wi bi lln bishrign Btrchtngn nd Vrinfchngn müssn ch bi disr chltng di Kpzitätn,, nd 3 so gwählt wrdn, dss ihr Blindwidrstnd /ω für di Frqnz dr z vrstärkndn Wchslspnnng shr klin wird. J nidrigr br di Frqnzn wrdn, mso größr müssn di Kpzitätn dr Kondnstorn wrdn, ws widrm ch in größrs Volmn dr Blmnt bdtt. Bi dn modrnn MD- Blmntn knn dis shr schnll dz führn, dss sinnvoll wchslspnnngsgkopplt Vrstärkr übrhpt nicht mhr rlisirbr sind. In disn Fälln müssn dnn Glichspnnngsvrstärkr ingstzt wrdn. 4. tromqlln nd tromspigl Ein tromqll lifrt inn konstntn Asgngsstrom nd in tromspigl stllt m Asgng in vrstärkt odr bgschwächt Kopi ds Eingngsstroms brit. Dmit ist in tromspigl in stromgstrt tromqll. Jdr tromspigl knn ch ls tromqll btribn wrdn, wnn dr Eingngsstrom konstnt ghltn wird.

102 Elktronisch chltngn tromqlln Btrchtn wir di Asgngsknnlinin ins bipolrn Trnsistors odr MOFETs, dnn vrlfn dis in inm witn Brich horizontl, sih Bild 4.3. Dr Kollktor- odr Drin- trom hängt fktisch nicht von dr Kollktor-Emittr-pnnng bzw. Drin-orc-pnnng b. omit knn mn inn Trnsistor ls tromqll instzn, wnn mn sin Eingngsspnnng konstnt hält. Dbi mpfihlt sich di Emittr- bzw. orc-chltng mit tromggnkopplng. Dr Asgngstrom wird drch di Formln 4.9 bschribn: BE const. I ( BE, E ) I ( BE ) const. I 4.9 G const. I D( G, D ) I D( G ) const. Dmit rhält mn nch dr Mschnglichng I >> I B BE BE ( I I B) E BE I E Drs folgt mit I I I, BE 0 7V 0 BE 0 E 0, 7V E 4. Dr Trnsistor in dr Emittrschltng rbitt nr korrkt, wnn E > E,st ist nd dmit gilt: > 0 4. E E,st BE E,st Ds Asgngsknnlininfld ist in Bild 4.3 drgstllt. Dr Innnwidrstnd, mn knn ihn ch ls Asgngswidrstnd dr tromqll bzichnn, inr idln tromqll ist nndlich. Dr Asgngswidrstnd ist dfinirt ls r 4. I 0const. I ma E,st 0,7 0,70 0,68 0,66 BE V E V Bild 4.3 Asgngsknnlininfld ins bipolrn Trnsistors.

103 Elktronisch chltngn 95 Wi brits disktirt wrd, wird dr rl Anstig dr Asgngsknnlinin drch dn Erly- Effkt vrrscht. As dr Forml für dn Asgngswidrstnd dr Emittrschltng mit tromggnkopplng rgibt sich ntr dr Annhm von nd g 0 r i βe E r re >> rbe re const. BE Für β >> nd r BE β/ folgt: r re βr ( ) E E für für E E << r >> r BE BE 4.4 Für in tromqll mit MOFET rhält mn ntr Anwndng dr orc-chltng mit tromggnkopplng nd I I D I G I G I th 4.5 β 0 Bim Einzl-MOFET knn mn I nd vorgbn nd dmit 0 I th β I 4.6 Dn Asgngswidrstnd rhält mn s dr orc-chltng mit tromggnkopplng mit: r i 0 const. rd >> / r D >> B ( ( ) ) r ( ) B D tromqlln mit diskrtn Trnsistorn Bild 4.4 zigt di häfigstn prktischn tromqlln. Für I q >> I B 0 gilt I I q q b b I BE mit BE 0, 7V 3 I3 BE 4.8 Dr Asgngstrom ist tmprtrbhängig, d di Bsis-Emittr-pnnng von dr Tmprtr bhängt di dt d BE mv/k 4.9 dt 3 3 In dr chltng nch Bild 4.4b wird di Tmprtrbhängigkit vrringrt, indm di Bsis- Emittr-pnnng drch di pnnng n dr Diod kompnsirt wird. Dmit gilt mit D BE nd I q >> I B 0

104 Elktronisch chltngn 96 Bild 4.4 tromqlln mit diskrtn Trnsistorn. ( ) ( ) 0 7V mit 3 3, I I I I D D b q D b q 4.0 omit rhält mn für di Tmprtrbhängigkit ds Asgngsstroms: ( ) D b D I dt d dt di mv/k mv/k Für di chltng nch Bild 4.4c rgibt sich V, I Z BE Z 4. Di gringst Tmprtrbhängigkit rhält mn mit Z 5 6 V. 4.. tromspigl Bild 4.5 zigt di chltng von tromspigln mit bipolrn Trnsistorn nd MOFETs. Ein tromspigl bstht im infchstn Fll s zwi Trnsistorn nd zwi Widrständn zr tromggnkopplng. Drch inn Vorwidrstnd V knn mn inn konstntn frnzstrom instlln nd somit dn tromspigl in in tromqll mwndln. Für dn tromspigl mit npn-trnsistorn nch Bild 4.5 rgibt dr Mschnstz ( ) ( ) BE B BE B I I I I 4.3 Nch dn Formln für di npn-trnsistorn nch Kpitl 3. B I I I I B I I I I B A E B T BE T BE,, 4.4

105 Elktronisch chltngn 97 Bild 4.5 tromspigl mit bipolrn Trnsistorn nd MOFETs.. Für dn rstn Trnsistor könnn wir dn Erly-Effkt vrnchlässign, d E BE << A ist. As dm Knotnstz folgt I I I I, I I 4.5 B B Für dn llgminn Fll rhält mn drch Einstzn von 4.5 in 4.4 nd bi Vrnchlässigng ds Erly-Effkts folgnd Glichng I I I Tln I Tln 4.6 B I B I Dis Glichng ist xplizit nicht lösbr. Für srichnd groß Widrständ dominirn di linrn Trm in dr Glichng nd mn rhält: I I 4.7 Drs folgt für dn Asgngsstrom mit Hilf von 4.5: I B I B>> / I 4.8 Dmit bstimmt nr noch ds Widrstndsvrhältnis ds Übrstzngsvrhältnis zwischn Eingngs- nd Asgngsstrom.

106 Elktronisch chltngn Dr Diffrnzvrstärkr Für vil Anwndngn wrdn Vrstärkr bnötigt, di in shr groß Bndbrit für ignl von Glichspnnng bis hin z Frqnzn im MHz-, j sogr bis in dn GHz-Brich bsitzn müssn. Dis bdtt, dss sowohl dr Eingng dr Vrstärkrschltng wi ch di inzlnn tfn bi mhrstfign Vrstärkrn, nicht mhr drch Kondnstorn ntkopplt wrdn könnn. Andr Problm bi dr Vrstärkng von shr klinn ignln mit äßrst gringr Listng dr ignlqll sind törngn, di f dm Wg vom ignlgbr zm Vrstärkr in di Vrbindngslitngn inkoppln könnn. Für dis Afgbn sind ndr Konzpt für dn chltngsfb rfordrlich, ls si bishr in dr Vorlsng bhndlt wrdn. Ein Lösng bitt hirbi in chltng, wi si in Bild 4.6 gzigt wird. Einn Vrstärkr mit dism Afb nnnt mn ch Diffrnzvrstärkr. Im Folgndn soll drch di Erlätrng dr chltng di Bzichnng rklärt nd rrbitt wrdn. Di chltng in Bild 4.6 bsitzt zwi Eingäng, di nicht drch Kondnstorn glichspnnngsmäßig von dr ignlqll ntkopplt sind, d.h. di Glichspnnngn n dr Bsis dr bidn Trnsistorn T nd T ligt ch m Innnwidrstnd dr Qlln n. Dmit di gzigt chltng ch inwndfri fnktionirt müssn folgnd Bdingngn rfüllt sin: - bid Trnsistorn nd di Widrständ nd müssn jwils di glichn Knnwrt bsitzn. - di Trnsistorn nd di Widrständ müssn so ngordnt sin, dss di gnnntn Pr möglichst ch di glich Tmprtr bsitzn, lso möglichst gt thrmisch gkopplt sind. - für bid Trnsistorn müssn glich Arbitspnkt ingstllt wrdn. b T T i E i E E E - b Bild 4.6 Grndschltng ins Diffrnzvrstärkrs

107 Elktronisch chltngn 99 Im Ggnstz z dn bishr bhndltn chltngn bsitzt dr Vrstärkr in Bild 4.6 jtzt zwi Eingäng. Wnn wir di Glichngn dr bidn Eingngsmschn rstlln, rhltn wir: E BE BE E E BE BE E 0 0 Msch Msch 4.9 Di Eingngsspnnngn nd bsthn s inm Glichntil (Arbitspnktinstllng) nd inm Wchslntil (z vrstärknd Wchslspnnng). Drch Einstzn dr tilhit nd mformng nch BE I / wrdn di Glichngn dr Mschn z: ( ) ( ) gilt für E E E E E E i i i i i i i i >> β 4.30 Di pnnng E m Emittrwidrstnd E wird drch di mm dr Emittrström dr bidn Trnsistorn bstimmt nd wird mit dr Vrinfchng für β» z: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) i i E E E E E E E E E E E E E E E E E 4.3 D wir vorsgstzt hbn, dss bid Trnsistorn idntisch Knnwrt bsitzn, müssn lso ch di tilhitn glich sin. Mit wird di pnnng m Emittrwidrstnd E z: ( ) ( ) ( ) E E E E E wird mit >> 4.3 Di pnnng E ist proportionl dr mm dr bidn Eingngsspnnngn ( ), d.h. wnn bid Wchslspnnngsntil di glich Polrität nd idntisch Amplitdn bsitzn vrändrt sich E proportionl dr mm ( ). Di Bsis-Emittr-pnnng ist nch dr Mschnglichng di Diffrnz dr Eingngsspnnng nd dr pnnng m Emittrwidrstnd. Vrändrt sich E, wrdn BE nd BE vrändrt, wodrch di Arbitspnkt dr bidn Trnsistorn vrschobn wrdn. Af ds Asgngsknnlininfld ins Trnsistors bzogn, bdtt dis in Abnhm bzw. Znhm dr trspnnng nd dmit Abnhm bzw. Erhöhng ds Kollktorstroms, ws widrm z inm rdzirtn bzw. rhöhtm Emittrstrom nd dmit z inr Vrklinrng bzw. Vrgrößrng dr pnnng m Emittrwidrstnd führt. Dis Art dr Ggnkopplng hbn wir bishr nr zr Kompnstion dr Tmprtrinflüss

108 Elktronisch chltngn 00 btrchtt. i wirkt in disr chltng br ch, wnn n bidn Eingängn idntisch Wchslspnnngn nlign. Mn spricht in inm solchn Fll ch von Glichtktsignln. Drch di Ggnkopplng ist di Vrstärkng disr ignl klin. Hbn di Eingngswchslspnnngn dggn ntggn gstzt Polrität nd glich Amplitd blibt di mm dr Eingngsspnnngn ( ) konstnt, d.h. Di pnnng E m Emittrwidrstnd ändrt sich nicht. Dmit blibn ch di Arbitspnktinstllngn dr bidn Trnsistorn nd di pnnngsvrstärkng dr chltng rhltn, d s kin Ggnkopplng wi in vorhr bschribnn Fll gibt. Dis Btribsrt bzichnt mn ls Ggntktbtrib. Mn dfinirt jtzt in Glichtktsignl G 4.33 nd in Ggntktsignl D 4.34 Di Glichtktvrstärkng wird dmit z: A G 4.35 G G E Bim Ggntktbtrib wird di chltng in Bild 4.6 jdoch ls in Kombintion inr Kollktor- nd inr Bsisschltng ingstzt. Nch Glichng 3.77 ist di Vrstärkng dr Kollktorschltng tw nd nch Gl di dr Bsisschltng tw. Dis bdtt, dss ds vrstärkt ignl von Eingng m Kollktor ds Trnsistors bggriffn wird nd mgkhrt. Di Ggntktvrstärkng dr chltng ist AD β mit rbe AD r β E r D D BE nd re >> wird 4.36 Ds Vrhältnis dr Ggntkt- zr Glichtktvrstärkng ist G A A D G E E 4.37 nd wird Glichtktntrdrückngsfktor (ommon Mod jction tio, M) gnnnt. Vrstärkr nch Bild 4.6 hbn lso ntrschidlichs Btribsvrhltn, bhängig von dr Phsnlg dr Eingngswchslspnnngn zinndr. Im sognnntn Ggntktbtrib

109 Elktronisch chltngn 0 (diffrntil mod) ist di pnnngsvrstärkng wsntlich höhr ls im Glichtktbtrib (common mod). Dshlb bzichnt mn dis Art von Vrstärkrn ls Diffrnzvrstärkr. m di Glichtktntrdrückng witr z vrbssrn, müsst mn dn Emittrwidrstnd witr rhöhn. Dis würd br z inr Vrschibng ds Arbitspnkts z immr höhrn Glichntiln dr Eingngsspnnngn führn. Dshlb vrwndt mn nstll ds Emittrwidrstnds in Konstntstromqll bzw. in tromspiglschltng wi si im vornggngnn Kpitl bschribn wrd. D di chltng ch klin Glichspnnngn bnso wi klin Wchslspnnngn vrstärkn soll, snkt mn ds Potntil ds Arbitspnkts n dr Bsis drch Vrwndng inr ngtivn pnnngsqll sowit b, dss s grd dm Msspotntil (0 Volt) ntspricht. Drch gignt Dimnsionirng dr tromqll nd Erstzn dr Kollktorwidrständ drch in tromspiglschltng wird rricht, dss bi inr Eingngsspnnng von 0V di Asgngsspnnng bnflls 0V ist. Di vollständig chltng ist in Bild 4.8 gzigt. Mit disr chltng wrdn Glichtktntrdrückngsfktorn bis G 0 6 rricht. Dr Eingngswidrstnd ins Diffrnzvrstärkrs ist dr inr Kollktorschltng ( β E ). Drch dn hohn diffrntilln Widrstnd dr tromqll knn r shr licht Wrt > 0 6 Ω nnhmn. b i Bis T 3 T 4 i i T T i gs T 6 T 5 - b Bild 4.7 Typisch chltng ins Diffrnzvrstärkrs in Bipolrtchnologi 4.4 Ggntktvrstärkr Zr Vrstärkng von Wchslspnnngn, di sowohl positiv wi ch ngtiv Amplitdn bsitzn müssn, insbsondr bi Endstfn von Listngsvrstärkrn wrdn Ggntktvrstärkr ingstzt. Dis vrrbitn ds Eingngssignl in zwi Knäln. Dr in Knl vrstärkt di positivn nd dr ndr di ngtivn Antil ds ignls. In dr modrnn chltngstchnik wrdn dz vorwignd komplmntär Kollktorstfn bzw. Drinstfn ingstzt. Ein infch Form ins Ggntktvrstärkrs ist in Bild 4.9 drgstllt. Dr npn- Trnsistor übrträgt di positiv Hlbwll dr sinsförmign pnnng nd ist währnd dr

110 Elktronisch chltngn 0 ngtivn Hlbwll gsprrt. Dis wird vom pnp-trnsistor übrtrgn, dr währnd dr positivn Hlbwll gsprrt ist. Am Lstwidrstnd L lign dnn nchinndr bid Hlbwlln n. Ist 0, sind bid Trnsistorn gsprrt, d.h. dr Asgngsstrom ist i E 0. Ein rl Btrchtng dr Asgngsspnnng wird notwndig, d wir bi dr Btrchtng dr Asgngsknnlininfldr dr Trnsistorn fstgstllt hbn, dss ntrhlb BE 0,6-0,7 V dr Trnsistor z sprrn bginnt. In Bild 4.8 b) ist dr Zsmmnhng zwischn dr Eingngsspnnng nd dm Emittrstrom i E drgstllt. Mn rknnt, dss dr Emittrstrom ( i E (β) i B ) ntrhlb inr Eingngsspnnng von 0,7 V shr strk nichtlinr wird, ws dnn z inr strkn Vrzrrng dr Asgngsspnnng im Brich m 0V hrm führt. Dis Vrzrrngn mögn zwr bi shr großn Asgngssignln km ins Gwicht flln, br bi nidrign Asgngsspnnngn sind si doch shr störnd. b i E -i E L ) - b i E -0,7V 0,7V t b) Bild 4.8 ) Kollktorschltng mit komplmntärn Trnsistorn, b) Anstrknnlini nd Asgngsspnnng dr Ggntktvrstärkrstf Dis Vrzrrngn könnn rdzirt wrdn, wnn di Anstrng dr chltng vrändrt wird. Bild 4.9 ) zigt in rwitrt Ggntktstf. Di Bsis dr bidn Trnsistorn wird jtzt übr inn pnnngstilr mit zwi Widrständn nd zwi Diodn ngstrt. Wnn jtzt di Eingngsspnnng 0V bträgt, lign n dn bidn Bsisnschlüssn brits tw 0,7 V n, d.h. s flißt brits in hstrom drch di Trnsistorn. Dr Vrstärkr ist dmit lso ch bi 0V m Eingng btribsbrit. Di Anstrknnlini wird ddrch linr, wi in Bild 4.9 b) drgstllt. Di Bsis-Emittr- Vorspnnng für di bidn Trnsistorn wird drch di Diodn rzgt. Dis wrdn übr di Widrständ nd mit dm notwndign trom vrsorgt, so dss jwils tw 0,7 V pnnng übr dn Diodn D nd D gmssn wrdn knn. Dr Vortil ds Einstzs von Diodn ligt in dr glichzitign Kompnstion dr

111 Elktronisch chltngn 03 tmprtrbdingtn chwnkngn dr Bsis-Emittrspnnng dr Trnsistorn. ntr dn bishr gmchtn Vorsstzngn, dss bid Trnsistorn idntisch Knnlininfldr bsitzn nd n bidn Diodn di glichn pnnngn bflln, sind ch di bidn hström i En nd i Ep glich nd drch di Lst flißt kin trom, d ds Asgngspotntil dmit ch z Nll wird. Wrdn Asgngsstfn mit höhrr Vrstärkng odr höhrr Asgngslistng bnötigt, mss di chltng nch Bild 4.9 ) m in witr Trnsistorstf nch Bild 4.0 rwitrt wrdn. Di Trnsistorn T 3 nd T 4 wrdn dbi zr dirktn Anstrng dr Trnsistorn T bzw. T ingstzt. m in korrkt Bsis- Emittr- Vorspnnng z rzgn, müssn jtzt jwils zwi Diodn in ih gschltt wrdn. Dmit wird in Vorspnnng für di bidn jwils in ih gschlttn Bsis-Emittr-Diodn dr npn- bzw. pnp-trnsistorn von tw,4 V rzgt, so dss di hström widr symmtrisch ingstllt wrdn könnn. Di Kombintion zwir Trnsistorn wi si in dr chltng nch Bild 4.0 ingstzt wird, nnnt mn Drlington- chltng. Di tromvrstärkng ist dbi ds Prodkt s dn Einzlstomvrstärkngn β 3 β dr npn-trnsistorn T nd T 3 bzw. β 4 β dr pnp-trnsistorn T nd T 4. b i D hstrom i En i E D -i E -0,7V L 0,7V hstrom i Ep - b ) b) Bild 4.9 ) Erwitrt Kollktorschltng b) Linrisirt Anstrknnlini dr Ggntktvrstärkrstf b D 3 D 3 D L D 4 Bild 4.0 Ggntktvrstärkrstf für hoh Vrstärkng - b

112 Elktronisch chltngn ückgkopplt Vrstärkr Bi dr tbilisirng ds Arbitspnkts wrd bi dn Trnsistorgrndschltngn brits mhrfch dr Bgriff ückkopplng vrwndt. Allgmin vrstht mn drntr, dss in Til ds Asgngssignls f irgndin Art nd Wis f dn Eingng zrückgführt wird. Ds Asgngssignl knn dbi in trom odr in pnnng sin, bsthnd ntwdr s inr rinn Glich- odr Wchslgröß odr inr Kombintion s inr Glich- nd inr Wchslgröß. Bi dr ückkopplng ntrschidt mn j nch Vrschibng dr Phs zwischn Eingngssignl nd dm zrück gkoppltn ignl zwischn Mitkopplng (Phsnvrschibng n π, mit n0,,,3,...) nd Ggnkopplng (Phsnvrschibng (n) π, mit n0,,,3,...). Di Mitkopplng rhöht di Vrstärkng. Dis knn bsondrs bi mhrstfign Vrstärkrn dz führn, dss di chltng instbil wird, d.h. di Asgngssignl wrdn immr größr, bis si schlißlich n dn Asstrngsgrnzn ndn. Ein linr Abhängigkit zwischn Eingngsnd Asgngsgröß bstht dnn nicht mhr. Mn spricht ch dvon, dss di chltng schwingt. Dis Instbilität ist bi Vrstärkrschltngn nrwünscht, hinggn bi Oszilltorn, Komprtorn nd chmitt-triggrn für in inwndfri Fnktion notwndig. Di Ggnkopplng rnidrigt di Vrstärkng. Dis hbn wir bsondrs bim Diffrnzvrstärkr nd bi dr tbilisirng ds Arbitspnkts drch in Kollktorstrom- ückkopplng gshn. Drch in Wchslstrom- odr pnnngs-ggnkopplng wird br ch di Vrstärkng ds ignls rdzirt. Dis dint.. zr tbilisirng dr Vrstärkng von mhrstfign Vrstärkrn d dmit di Vrzrrngn im Großsignlbtrib rdzirt nd di Bndbrit dr Vrstärkr rhöht wrdn knn. Vrzrrngn im Großsignlbtrib ntsthn drch di gkrümmtn Knnlinin dr Trnsistorn. Im Klinsignlbtrib stlln wir dn Arbitspnkt in nd ändrn ds Eingngssignl nr wnig, so dss dr Kollktorstrom sich ch nr in inm klinn Brich vrändrt. Wir ghn dvon s, dss di tilhit I / T konstnt ist. Im Großsignlbtrib jdoch ist di Ändrng ds Kollktorstroms so groß, dss wir dis vrinfcht Annhm nicht frchtrhltn könnn. Di tilhit mss dshlb ls vrändrlich in Abhängigkit vom Kollktorstrom btrchtt wrdn. Brits bi instfign Vrstärkrn ohn Ggnkopplng gilt: A währnd bi inr Vrstärkrstf mit inm zsätzlichn Emittrwidrstnd nd dr Annhm E» di Vrstärkng nbhängig von wird: A E Di Vrstärkng wird lso nr noch von dr äßrn Bschltng ds Trnsistors bstimmt. In dr Forml kommn kin nichtlinrn Größn mhr vor. Am Bispil dr chltngn in dn Bildrn 4. nd 4.3 solln di Prinzipin dr Ggnkopplng nd dr Mitkopplng für glichbzw. wchslspnnngsgkopplt zwistfig Vrstärkr vrnschlicht wrdn Ggnkopplng Wird di pnnng n dr Bsis von Trnsistor T rhöht, sinkt di pnnng m Kollktor von T nd dmit ch n dr Bsis von T b. Di pnnng m Kollktor von T stigt n. Ein klinr Til disr pnnng wird übr G f dn Emittr von T zrückgführt. Dr Anstig dr Emittrspnnng rdzirt di Bsis-Emittr-pnnng von T, d.h., di pnnng m Kollktor von T nd n dr Bsis von T wird rhöht. Dmit sinkt di pnnng m Kollktor von T. Drch dis Ggnkopplng stbilisirt sich di Asgngsspnnng.

113 Elktronisch chltngn 05 b T T T T G M E E E E Bild 4. Prinzip ) dr Ggnkopplng nd b) dr Mitkopplng für Glichspnnngn 4.5. Mitkopplng Wird di pnnng n dr Bsis von Trnsistor T rhöht, sinkt di pnnng m Kollktor von T nd dmit ch n dr Bsis von T b. Di pnnng m Kollktor von T stigt n. Ein klinr Til disr pnnng wird übr M f di Bsis von T zrückgführt. Di Erhöhng dr Bsis-Emittr pnnng bwirkt in Absinkn dr pnnng m Kollktor von T nd n dr Bsis von T. Dmit stigt di pnnng m Kollktor von T witr n nd bnso di n dr Bsis von T. Disr Vorgng widrholt sich solng, bis di mximl pnnng m Kollktor von T rricht ist. Drch dn Mchnisms dr Mitkopplng knn di chltng, bhängig vom ingstlltn Vrstärkngsfktor schnll di Asstrgrnz ds Vrstärkrs rrichn. In Bild 4.3 ) nd b) ist di Ggn- nd Mitkopplng für Wchslspnnngn drgstllt. Dr Mchnisms ist drslb wi bi dn Glichspnnngn. Allrdings mss bi inr Mitkopplng n di ntsthndn Vrzrrngn bi dn Asgngssignln gdcht wrdn, d mn bi mhrstfign Vrstärkrn shr schnll s inm Klinsignlbtrib in dn Großsignlbtrib kommt. Dnn knn ch shr licht s inr sinsförmign chwingng m Eingng ds Vrstärkrs in rchtckförmig chwingng m Asgng ds Vrstärkrs ntsthn. Di Prinzipin dr Ggnkopplng nd dr Mitkopplng wrdn insbsondr ch bi chltngn mit intgrirtn Vrstärkrn, di in inm spätrn Kpitl bhndlt wrdn, in wsntlich oll bi dr Fnktion dr fzbndn chltng spiln. b b T T T T G M E E E E Bild 4.3 Prinzip ) dr Ggnkopplng nd b) dr Mitkopplng für Wchslspnnngn 5. Oprtionsvrstärkr Lrnzil:

114 Elktronisch chltngn 06 Afb nd Wirkngswis ds Oprtionsvrstärkrs Vrsthn dr grndlgndn Eignschftn ds Oprtionsvrstärkrs Knnnlrnn nd Vrsthn dr nlogn Grndschltngn mit Oprtionsvrstärkrn Knnnlrnn ds Afbs von Mssvrstärkrn 5. Afb nd Wirkngswis Ein Oprtionsvrstärkr ist in mhrstfigr Vrstärkr, dr ls intgrirt chltng hrgstllt wird. Dr Vrstärkr ist so bschffn, dss sin Wirkngswis übrwignd drch sin äßr Bschltng bstimmt wrdn knn. m dis z rmöglichn, wrdn Oprtionsvrstärkr ls glichspnnngsgkopplt Vrstärkr mit hohr Vrstärkng sgführt. Dmit kin zsätzlichn Mßnhmn zr Arbitspnktinstllng rfordrlich wrdn, sind in dr gl zwi Btribsspnnngsqlln rfordrlich in positiv nd in ngtiv. Es gibt ht in nhz nübrschbrs Angbot n Oprtionsvrstärkrn. i ntrschidn sich nicht nr drch ihr Btribsdtn, sondrn ch drch ihrn prinzipilln Afb. Anhnd ds prinzipilln Afbs (Bild 5.) ins dr rstn Oprtionsvrstärkr, dm µa 74, soll di Wirkngswis nähr rklärt wrdn. b I 0 µa I 300 µa T 7 T T - I I k T 6 I I T 5 T 3 T 4 kω kω - b Bild 5. Prinzipillr Afb ds Oprtionsvrstärkrs µa 74. D Oprtionsvrstärkr nivrsll ingstzt wrdn solln, bnötign i in möglichst hoh Diffrnzvrstärkng A D nd inn hohn Glichtktntrdrückngsfktor G. Di gfordrtn Bdingngn könnn nr drch dn Einstz mhrrr gkoppltr Vrstärkrstfn in inr intgrirtn chltng rricht wrdn. Di Trnsistorn T nd T bildn dn Eingngsdiffrnzvrstärkr, dr in fst jdm Oprtionsvrstärkr in irgndinr Form vorhndn ist. Im Ggnstz zr in Kpitl 4 gzigtn Grndschltng wird hir nr di Asgngsspnnng m Kollktor von T zr nächstn tf witrglitt. Dr Trnsistor T 4 ist in tromqll nd dint ls Arbitswidrstnd für T. Dr trom ist nicht konstnt, d T 4

115 Elktronisch chltngn 07 zsmmn mit T 3 inn tromspigl für dn Kollktorstrom I drstllt. Dmit rgibt sich dr Asgngsstrom dr Eingngsstf z I I I 5. Di zsmmn gschlttn Emittr ds Diffrnzvrstärkrs wrdn übr in Konstntstromqll, di hir bnso wi di tromqll I schltngstchnisch nicht fglöst ist, mit dr positivn Btribsspnnng vrbndn. Führt mn di Emittrnschlüss von T 3 nd T 4 nch ßn, nstll si wi in Bild 5. intrn mit dr ngtivn Btribsspnnng z vrbindn, knn mn di Kollktorrhström dr bidn Trnsistorn drch in Potntiomtr, dssn Mittnbgriff dnn mit b vrbndn wird, ggnsinnig vrändrn nd dmit in Nllpnktinstllng vornhmn. Dr Trnsistor T 5 bildt in witr Vrstärkrstf, dr ch noch in zsätzlich tf ntlng dr gstrichlt gzichntn Vrbindngslini vorgschltt sin knn. Ds ymbol zigt, dss s sich hirbi m in Drlington-tf hndlt, di bim Ggntktvrstärkr im vorign Kpitl gzigt wrd. T 5 wird in inr Emittrschltng mit inr Konstntstromqll nstll ins infchn Lstwidrstnds btribn. Di Trnsistorn T 6 nd T 7 bildn di Asgngsstf. i rbitn ls komplmntär Emittrfolgr mit shr klinm hstrom im Ggntktbtrib. (Bschribng in Kpitl 4) Di Gsmtvrstärkng dr chltng ist ds Prodkt dr Einzlvrstärkngn dr hintrinndr gschlttn Vrstärkrstfn. Drch dn Einstz ins Diffrnzvrstärkrs ls Eingngsstf wrdn Glichtktsignl ntrdrückt nd Diffrnzsignl hoch vrstärkt. Es könnn Diffrnzvrstärkngn im Brich A D rricht wrdn. Ddrch ist in strk Ggnkopplng übr in äßr Bschltng möglich. Di Asgngsspnnng ds Oprtionsvrstärkrs ( ) AD D AD 5. ist lso glich dr vrstärktn Eingngsspnnngsdiffrnz D. Dr gstrichlt ingzichnt Kondnstor k zwischn Kollktor nd Bsis von T 5 dint zr Korrktr ds Frqnzgngs dr chltng. Af sinn Einflss f ds Vrhltn dr chltng soll n disr tll nicht nähr inggngn wrdn. b b D - - b - b Bild 5. Anschlssblgng ins Oprtionsvrstärkrs. Abb. 5. zigt ds chltsymbol von Oprtionsvrstärkrn. Di bidn Eingäng wrdn ls invrtirndr (-) nd nichtinvrtirndr () Eingng bzichnt. Zr Vrsorgng bsitzt dr Oprtionsvrstärkr zwi Btribsspnnngsnschlüss, n di in positiv nd ngtiv

116 Elktronisch chltngn 08 Btribsspnnng nglgt wird. Oprtionsvrstärkr bsitzn slbst kinn Mssnschlß, obwohl di Eingngs- nd Asgngsspnnngn drf bzogn wrdn. Üblich Btribsspnnngn sind ± 5 V für nivrslnwndngn. Ht wrdn vrmhrt ch Oprtionsvrstärkr mit Btribsspnnngn von ± 5 V ingstzt nd dr Trnd ght z inr witrn Vrklinrng dr Btribsspnnng. Bild 5.3 Übrtrgngsknnlini ins Oprtionsvrstärkrs. Di Übrtrgngsknnlini ins rln Oprtionsvrstärkrs ist in Bild 5.3 drgstllt. Di Diffrnzvrstärkng ist ggbn drch d A D 5.3 d D AP i ntspricht dr tigng im Bild 5.3. Mn siht, dss Brchtil von inign mv srichn, m dn Asgng voll szstrn. Dr linr Arbitsbrich wird oft ch ls Asgngssstrbrkit bzichnt. Wnn di Asstrgrnz rricht ist, stigt bi witrr Vrgrößrng von D nicht witr n, d. h., dr Vrstärkr wird übrstrt. Fssn wir di bishrign Bschribngn zsmmn, rhält mn für inn idln Oprtionsvrstärkr folgnd Assgn: - dr Eingngswidrstnd r dr bidn Eingäng ist shr hoch > r > - dr Asgngswidrstnd r dr Ggntktndstf ist shr klin > r > 0 - di Diffrnzvrstärkng A D im Lrlf ist shr groß > A D > D intgrirt Oprtionsvrstärkr in großn tückzhln hrgstllt wrdn, gibt s bi dr Hrstllng drch di Vilzhl dr Hrstllngsschritt ch Tolrnzn bi dn Blmntn. Dis führn dz, dss di Knngrößn dr Oprtionsvrstärkr schwnkn könnn nd Eingriff ds Anwndrs zr Optimirng sinr chltng notwndig mchn. Di Hrstllr gbn dshlb nr typisch Wrt bzw. min.- nd mx.- Wrt für di inzlnn Knngrößn n nd führn zsätzlich Anschlüss zr Bschltng drch dn Anwndr nch ßn. Im Wsntlichn sind ds Anschlüss zr Kompnstion von Vrschibngn dr Eingngsrhström nd zr Kompnstion ds Frqnzgngs ds Vrstärkrs. Im rstn Fll spricht mn ch von Offstspnnngs- bzw. Offststromkompnstion.

117 Elktronisch chltngn 09 Zm bssrn Vrständnis soll znächst dr Bgriff Offstspnnng ( O ) rlätrt wrdn. Bild 5.4 zigt in Modll hirfür. ind di Knnwrt dr Blmnt dr Eingngsstf nicht idntisch, wird sich dis ddrch bmrkbr mchn, dss im Fll inr Eingngsspnnngsdiffrnz D 0 in nbknnt Eingngsoffstspnnng O wirkt nd di Asgngsspnnng 0 ist. Vrbindt mn lso dn invrtirndn mit dm nichtinvrtirndn Eingng ins Oprtionsvrstärkrs, knn mn m Asgng di mit A D vrstärkt Diffrnzspnnng dr Eingngsspnnng mssn, vorsgstzt, di witrn tfn bsitzn slbst kinn zsätzlichn Offst. Bild 5.4 Modll zm Einflss dr Offstspnnng in mhrstfign Vrstärkrn. Allgmin ist di Asgngsspnnng D ( ) A 5.4 D O tzt mn mgkhrt di Bdingng, di Asgngsspnnng soll Nll sin, nd nimmt ls Bispil zwi Vrstärkrstfn nch Bild 5.4 mit vrschidnn Offstspnnngn n, mss dz ls Eingngsspnnng di Offstspnnng 5.5 ( ) 0 O O O A nglgt wrdn. o gshn ist di Offstspnnng lso di pnnng, di m Eingng ins Oprtionsvrstärkrs nglgt wrdn mss, dmit di Asgngsspnnng Nll wird. Dis llgmin gültign Btrchtngn übr Afb, Eignschftn nd Wirkngswis von Oprtionsvrstärkrn gltn znächst nr für ds Blmnt ohn zsätzlich äßr Bschltng. Dr Vortil dr Oprtionsvrstärkr ligt jdoch in dn vilfältign Möglichkitn, drch äßr Bschltng ds Vrstärkrs di Eignschftn dr chltng dn gwünschtn Anfordrngn nzpssn. Dshlb solln ls nächsts zwi Grndschltngn ds Oprtionsvrstärkrs ntrscht wrdn. 5. Grndschltngn mit Oprtionsvrstärkrn 5.. Dr invrtirnd Vrstärkr Di chltng ds invrtirndn Vrstärkrs ist in Bild 5.5 gzigt. Di Eingngsspnnng wird übr dn Widrstnd n dn invrtirndn Eingng ngschlossn. Ein Til dr Asgngsspnnng wird übr dn Widrstnd N f dnslbn Eingng zrückgführt. Dis ückkopplng vom Asgng zm invrtirndn Eingng ds Vrstärkrs stllt in Ggnkopplng dr. D wir dn invrtirndn Eingng ls virtlln Msspnkt btrchtn könnn, rgibt sich für dn invrtirndn Vrstärkr s dm Knotnstz folgnds:

118 Elktronisch chltngn 0 N Hirbi hbn wir di wichtigst gl zr Brchnng von Vrstärkrschltngn mit Oprtionsvrstärkrn bntzt. i ltt: Di Asgngsspnnng ins bschlttn Oprtionsvrstärkrs stllt sich so in, dss di Eingngsspnnngsdiffrnz glich Nll wird. Bild 5.5 chltng ins invrtirndn Vrstärkrs. Vorsstzng dfür ist, dss di chlifnvrstärkng groß gng ist, nd dss wirklich Ggnkopplng vorligt nd kin Mitkopplng. omit rgibt sich für di Vrstärkng ds invrtirndn Vrstärkrs: A 5.4 N Di Vrstärkng dr chltng wird lso nr noch drch di bidn äßrn Widrständ bstimmt nd nicht drch di Eignschftn ds Oprtionsvrstärkrs. 5.. Dr nichtinvrtirnd Vrstärkr Bild 5.6 zigt di chltng ds nichtinvrtirndn Vrstärkrs. Btrchtn wir dn Vrstärkngsprozss qlittiv. Lssn wir di Eingngsspnnng von Nll f inn positivn Wrt nstign. Im rstn Agnblick ist di Asgngsspnnng noch Nll nd dmit ch di rückgkopplt pnnng. Ddrch tritt m Vrstärkringng di pnnng D f. D dis pnnng mit dr hohn Diffrnzvrstärkng A D vrstärkt wird, stigt schnll f positiv Wrt n nd dmit ch di rückgkopplt pnnng m invrtirndn Eingng. Ddrch vrklinrt sich D. Di Ttsch, dss di Asgngsspnnngsändrng dr Eingngsspnnngsändrngn ntggnwirkt, ist typisch für di Ggnkopplng.

119 Elktronisch chltngn Bild 5.6 chltng ins nichtinvrtirndn Vrstärkrs. Mn knn drs folgrn, dss sich in stbilr Endzstnd instlln wird. Zr qntittivn Brchnng ds ingschwngnn Zstnds ght mn dvon s, dss di Asgngsspnnng sowit nstigt, dss si glich dr vrstärktn Eingngsspnnngsdiffrnz ist. Di Vrstärkng lässt sich widr licht drch dn Knotnstz brchnn: N A Offstspnnng nd Offststrom Di im vorign Kpitl bsprochn Offstspnnng wirkt sich f di bidn grd bhndltn Vrstärkrschltngn s. m di Aswirkng dr Offstspnnng f dis strk ggngkoppltn chltngn nähr z ntrschn, knn mn sich Erstzschltbildr nch Bild 5.7 rstlln. Wir btrchtn dbi dn Oprtionsvrstärkr ls idl. tzt mn di Eingngsspnnng z Nll, sind di Bdingngn für bid chltngn glich. Am Asgng ds nichtinvrtirndn Vrstärkrs rhält mn dnn wi brits bsprochn di vrstärkt Offstspnnng: ( ) N O Di Offstspnnng wird lso mit dm glichn Fktor wi ds Eingngssignl vrstärkt nd nicht mhr mit dr shr hohn Lrlfvrstärkng. Wnn wir bim invrtirndn Vrstärkr wi in Bild 5.7 b gzigt, di Offstspnnng m nichtinvrtirndn Eingng nlgn gilt Glichng 5.6 ch mit srichndr Nährng für dis chltng. Nchdm wir bishr di Oprtionsvrstärkr mit Asnhm dr Offstbtrchtng ls "idl" ngnommn hbn, solln im Folgndn inig rl Eignschftn dr Oprtionsvrstärkr bschribn wrdn. Dis sind: Eingngsström, Eingngs- nd Asgngswidrständ. Di Eingngsström n dn bidn Eingängn ins Oprtionsvrstärkrs ntsprchn dm Bsisstrom (bzw. dm Gtstrom bi FETs) dr Eingngstrnsistorn. in Größ hängt vom vrwndtn Trnsistortyp nd von dr Eingngsschltng b. Im britn Angbot dr vrschidnn Typn von Oprtionsvrstärkrn lign di Wrt dr Eingngsström im Brich von wnign pa bis hin z inign µa.

120 Elktronisch chltngn N D O 0V idl 0V - idl - N O ) Nichtinvrtirndr Vrstärkr b) invrtirndr Vrstärkr Bild 5.7 Einflss dr Offstspnnng f dn nichtinvrtirndn nd invrtirndn Vrstärkr. D di Eingngsschltng wi gzigt mit inm konstntn Kollktorstrom btribn wird, sind ch di Bsisström prktisch glich groß. m Prmtrschwnkngn dr Btil (wi ch bi dr Offstspnnng) z bschribn wrdn im Dtnbltt dr Vrstärkr in mittlrr Eingngsrhstrom (inpt bis crrnt) I B ( I I ) 5.7 nd in Offststrom (inpt offst crrnt) I O I I 5.8 nggbn. As disn Angbn knn dr Anwndr licht di Eingngsström ds Oprtionsvrstärkrs brchnn: I I I B ± IO I B IO / / 5.9 Dnch wrdn jdm Eingng in hstrom nd di Hälft ds Eingngs-Offst-troms zgordnt. Zr Vrinfchng knn mn br ch dn Offststrom nr inm Eingng zordnn, wi dis in Bild 5.8 gzigt ist. Dr ddrch bdingt möglich Fhlr ist shr klin, dnn in dr gl ist dr Offststrom shr vil klinr ls dr hstrom. Di Wirkng dr Eingngsrhström nd dr Eingngsoffststroms f di bidn bishr bhndltn Vrstärkrschltngn knn mit Hilf von Bild 5.9 brchnt wrdn. Mit dr vrinfchtn Drstllng dr Eingngsström nch Bild 5.9 nd dr Bdingng, dss di Widrständ nch folgndr gl g N ( ) N 5.0 dimnsionirt sind, wird di Asgngsspnnng ds nichtinvrtirndn Vrstärkrs z: N IO N 5.

121 Elktronisch chltngn 3 I B - - I O I B Bild 5.8 Vrinfcht Drstllng dr Eingngsrhström nd ds Offststroms N g I O I B - I B idl - N I B I O - I B idl - B B ) b) Bild 5.9 Wirkng dr Eingngsström bim ) nichtinvrtirndn nd b) invrtirndn Vrstärkr Dr Abglich von g nch dr gnnntn Bdingng bwirkt, dss di n dn Eingängn ds Oprtionsvrstärkrs ligndn Widrständ glich groß sind. Dr Eingngsrhstrom I B ht dmit kinn Einflss mhr f di Asgngsspnnng. Es blibt nr noch in Fhlr drch dn Offststrom I O. D disr br mist shr klin ist, lohnt s sich nicht, inn shr fwndign Abglich vorznhmn, wi dis für di Eingngsoffstspnnng üblich ist. Bim invrtirndn Vrstärkr wird n dn nichtinvrtirndn Eingng, dr normlrwis dirkt n Mss glgt wird, in Widrstnd B ngschlossn, dssn Wrt nch dr Bdingng B N ( ) N 5. rmittlt wrdn knn. Dmit sind wi bim nichtinvrtirndn Vrstärkr di Gsmtwidrständ n bidn Eingängn glich. Für di Asgngsspnnng rgibt sich: N I O N 5.3 Dmit blibt ch hir dr glich drch dn Offststrom bdingt Fhlr wi bim nichtinvrtirndn Vrstärkr, I O N.

122 Elktronisch chltngn 4 Zm bssrn Vrständnis dr grd ingstztn gln für di Dimnsionirng dr Widrständ g nd B solln di rln Eingngswidrständ ds Oprtionsvrstärkrs gnr ntrscht wrdn. 5.4 Eingngs- nd Asgngswidrstnd Zr Vrnschlichng dr Wirkng ds Eingngs- nd ds Asgngswidrstnds soll Bild 5.0 dinn. In Bild 5.0 ) sind di bim Oprtionsvrstärkr wirksmn Widrständ schmtisch ingzichnt. D dr Eingngsvrstärkr ins Oprtionsvrstärkrs in Diffrnzvrstärkr ist, knn mn nch Bild 5.0 b) zwi Eingngswidrständ ntrschidn: dn Diffrnz- Eingngswidrstnd nd dn Glichtkt-Eingngswidrstnd. Dr Glichtkt-Eingngswidrstnd wird bstimmt drch dn Eingngswidrstnd inr Emittrschltng mit tromggnkopplng r r BE β E mit shr großm Emittrwidrstnd E, dr dm Widrstnd dr Konstntstromqll ntspricht. Dmit könnn shr hoh Widrstndswrt rricht wrdn. Di Glichtktingngswidrständ r G lign zwischn dm jwilign Eingng nd Mss, lso prlll z dn Eingängn. - - r G r D D A D r r G ) D T T G I E r G r D r G I E G g D A D b) Eingngsstf c) Asgngsstf Bild 5.0 Ggntkt- nd Glichtktingngswidrstnd nd Asgngswidrstnd bim Oprtionsvrstärkr. Zr ntrschng ds Diffrnzingngswidrstnds mss mn dn Wg ds Ggntktsignls nähr btrchtn. Di Eingngsstf wirkt jtzt wi in ihnschltng inr Kollktor- nd inr Bsisschltng. As dr Btrchtng dr Eingngswidrständ dr Grndschltngn in Kpitl 3 wissn wir, dss dr Eingngswidrstnd in Kollktorschltng r β E ist, nd dr inr Bsisschltng tw /. Dmit wird dr Diffrnzingngswidrstnd r D drch dn hohn Eingngswidrstnd dr Kollktorschltng bstimmt. Dr Asgngswidrstnd wird drch di Ggntktndstf bstimmt, di widrm in Kollktorschltng drstllt. Wnn kin Emittrwidrstnd vorhndn ist, wird r ( g /β/), wobi g dr Asgngswidrstnd dr vorgschlttn Vrstärkrstf im Oprtionsvrstärkr

123 Elktronisch chltngn 5 ist. Di pnnng dr Qll ist di mit dr Diffrnzvrstärkng A D vrstärkt Diffrnz dr Eingngsspnnngn. Dr Asgngswidrstnd r knn dmit shr klin Wrt nnhmn. 5.5 Frqnzgng Bim tdim ds Dtnbltts ins Oprtionsvrstärkrs findt mn nbn inr Füll von tchnischn Dtn in Vilzhl von grphischn Drstllngn, di Asknft übr ds Vrhltn ds Blmnts gbn. Ein wsntlich Angb ist dbi di Drstllng dr Diffrnzvrstärkng A D (Opn-Loop ignl Diffrntil Voltg Amplifiction) übr dr Frqnz, wi si für dn schon rwähntn Oprtionsvrstärkr µa 74 in Bild 5. gzigt ist. Opn-Loop bdtt, dss dr Oprtionsvrstärkr ohn äßr Ggnkopplng btrchtt wird. Di Drstllng rfolgt üblichrwis in db (Dzibl) übr dm Logrithms dr Frqnz, wobi AD db 0 log 5.4 ist. Dis bdtt: 0 db ntsprchn inr pnnngsvrstärkng von 0, 40 db inr von 00 sw. Bild 5. Frqnzgng dr Diffrnzvrstärkng A D ins Oprtionsvrstärkrs µa 74 Af dn Vrstärkngsfktor bzogn, bdtt dis in doppllogrithmisch Drstllng, br wi Bild 5. zigt, wird drs bi dr Angb in db in infch logrithmisch. Mn knn s dr Drstllng folgnds rknnn: Bi Frqnzn ntrhlb 3 Hz bträgt A D übr 00 db ist lso größr 0 5. Dnch wird mit stigndr Frqnz A D immr klinr, bis bi tw MHz di Vrstärkng f 0 db odr dn Wrt bgsnkn ist. Di tigng dr Grdn bträgt tw 0 db pro Dkd dr Frqnz. Dis ntspricht inm Tifpss. Für dn Anwndr lässt sich drs di mximl möglich Frqnz blsn, di für in gwünscht Vrstärkng inr Eingngsspnnng möglich ist. Bchtn sollt mn ch di ndbdingngn, ntr dnn dr gzigt Frqnzgng gilt. Dis sind hir im Bild dirkt mit nggbn: Btribsspnnng ± 5V, Asgngsspnnng ± 0 V, Lstwidrstnd m Asgng kω nd 5 mgbngstmprtr. Nbn dm sognnntn Amplitdngng ist br für di inwndfri Fnktion inr chltng ch dr sognnnt Phsngng ntschidnd. Bim Phsngng wird di Phsnvrschibng ds Asgngssignls ggnübr dm Eingngssignl drgstllt. Di Phsnvrschibng ist bi nidrfrqntn ignln prktisch sschlißlich drch prsitär Kpzitätn dr Blmnt

124 Elktronisch chltngn 6 vrrscht, währn bi hoch- nd höchstfrqntn Vrstärkrn ch di Lfzit ds ignls drch dn Vrstärkr mit zr Phsnvrschibng biträgt. Di tbilität inr Vrstärkrschltng hängt von dr Phsnlg zwischn Asgngs- nd Eingngssignl b. D Oprtionsvrstärkr immr mhrstfig Vrstärkr sind, nd jd inzln tf in igns Tifpssvrhltn zigt, ist s sinnvoll, sich in Modll mit dn wichtigstn Tifpässn z rstlln. Bild 5. Grnzfrqnzn in inm Oprtionsvrstärkr nch Bild 5. Für di chltng in Bild 5. würd dis dr Drstllng in Bild 5. ntsprchn. Di Eingngsstf bsitzt wgn dr gringn Eingngsström nd dr hohn Eingngswidrständ di nidrigst Grnzfrqnz. Mit dn in Bild 5. ngnommnn Wrtn bträgt dis 0 khz. Di Grnzfrqnz dr Drlingtonstf ist fgrnd dr wsntlich höhrn tröm nd klinrn wirksmn Widrständ schon dtlich höhr. Di Grnzfrqnz dr Ggntktndstf wird im Wsntlichn drch dn pnp -Trnsistor bstimmt, dr bi shr priswrtn Tchnologin oft schlchtr Dtn ls dr npn - Trnsistor bsitzt. Prinzipill ist mit jdm Tifpss obrhlb dr Grnzfrqnz in Abnhm dr Vrstärkng m 0 db / Dkd nd in zsätzlich Phsnvrschibng vrbndn. Bi dr Grnzfrqnz bträgt di Phs 45 nd wächst bi höhr wrdndn Frqnzn bis f 90 n. As dn Übrlgngn nd Brchnngn nch Bild 5. knn in Bod-Digrmm s Grdnstückn konstrirt wrdn, wi s in Bild 5.3 drgstllt ist. Mn rknnt bi f g in Absinkn ds Btrgs dr Vrstärkng A D m 0 db / Dkd nd brits in Vrschibng dr Phs m 45. Dis vrändrt sich nn mit 90 / Dkd, so dss si bi f g 00 khz brits 35 bträgt. Ab hir sinkt A D mit 40 db / Dkd. Zwischn f g nd f g3 bträgt di Phs 80, ws in mkhr dr Fnktion bdtt. An disr tll ist ds Asgngssignl ggnübr dm Eingngssignl invrtirt. Ob in chltng bi inr bstimmtn Frqnz schwingt, hängt dvon b, ob für di sgwählt Frqnz di chwingngsbdingng A 0 k A D mit k A A ϕ 0 k A ( k A ) D D 0, 360,... Amplitdnbdingng Phsnbdingng 5.5 rfüllt ist. i bstht s dn bidn hir fgführtn Tiln, dr Amplitdnbdingng nd dr Phsnbdingng. Nr wnn bid Bdingngn rfüllt sind, gibt s m Asgng dr chltng in chwingng mit konstntr Amplitd. Für di chltng in Bild 5. wär dis Bdingng für inn invrtirndn Vrstärkr mit A 000 rfüllt. In Bild 5.3 knn mn bi dr Frqnz, für di in Phs von 80 bglsn wrdn knn, di Diffrnzvrstärkng A D 0 3 rmittln. Ein Invrtirng ds Eingngssignls rzgt witr 80 Phsnvrschibng, so dss bid Bdingngn in Glichng 5.5 rfüllt sind.

125 Elktronisch chltngn A D0 g 0 A D A 0 4 A 0 3 g g g 0 0 ϕ A 0 k f g f g f g k 0k 00k M 0M α f 80 f / Hz Bild 5.3 Bod-Digrmm für di Erstzschltng nch Bild 5. Dis gilt br nr, wnn di zr Ggnkopplng vrwndtn Widrständ kin zsätzlichn prsitärn Kpzitätn odr Indktivitätn bsitzn. In dism rln Fll wird di Frqnz, bi dr di chwingngsbdingng rfüllt ist knpp nbn dr hir rmittltn lign. Bim Afb von Vrstärkrn mss mn lso ds Bod-Digrmm ds vrwndtn Oprtionsvrstärkrs gn nlysirn. Dis knn insbsondr bi britbndign Vrstärkrn Problm britn, d sich di Phs dbi ch mhrfch m 360 vrschibn knn, nd dmit innrhlb ds Frqnzbrichs n mhrrn tlln, d.h., bi mhrrn Frqnzn, di chwingngsbdingng rfüllt sin knn. Dort mss drch zsätzlich xtrn Blmnt in Korrktr ds Frqnz- bzw. Phsngngs vorgnommn wrdn, so dss di Bdingngn nch Gl. 5.5 im gwünschtn Arbitsbrich ni rfüllt sind. Ein Assg übr di tbilität inr Vrstärkrschltng lifrt di sognnnt Phsnrsrv. Dis ist dfinirt ls α 80 ϕ( f ) 5.6 Allgmin lässt sich sgn, j größr di Phsnrsrv, mso stbilr vrhält sich in Vrstärkrschltng. Für dn Entwicklr ist s wichtig, s dn Dtn nd Digrmmn ds Dtnbltts di richtign nd notwndign Informtionn z ntnhmn. As dm Bod-Digrmm (Bild 5.3) lässt sich für in gwünscht obr Grnzfrqnz dr mximl Vrstärkngsfktor, dr drch di xtrn Ggnkopplng ingstllt wrdn knn, ntnhmn. o ist z.b. für f g3 MHz nr noch in mximl Vrstärkng A < 00 möglich. Bi dn gnzn Btrchtngn sind wir bishr dvon sggngn, dss rin sinsförmig ignl vrstärkt wrdn. Häfig lign br ch Trpz- odr rchtckförmig ignl vor. m ll in disn ignln vorkommndn Frqnzn z rmittln mss di Forirrih dr Eingngsfnktion rmittlt wrdn. Drs knn dnn in Einschwingvorgng ds Asgngssignls in Abhängigkit von dr Phsnrsrv rmittlt wrdn. Bild 5.4 zigt di prngntwort m Asgng ins Oprtionsvrstärkrs in Abhängigkit dr Phsnrsrvα. Bi α < 90 rknnt mn in Übrschwingn, ds mhr odr wnigr schnll bklingt. Mn ht in dism Fll in Übrlgrng ds ttsächlichn ignls mit inr gdämpftn chwingng, di drch di Antil höhrr Frqnzn im Eingngssignl ntstht nd di Phsnrsrv für dis Obrwll nh 0 ligt.

126 Elktronisch chltngn 8 Bild 5.4 prngntwort m Asgng ins Oprtionsvrstärkrs in Abhängigkit dr Phsnrsrv α. (gstrichlt: ) 5.6 Ggngkopplt chltngn mit Oprtionsvrstärkrn Nchdm di wsntlichn Eignschftn von Oprtionsvrstärkrn rlätrt wrdn, wolln wir ns jtzt mit inr ih von chltngn zr lisirng bstimmtr Fnktionn mit Oprtionsvrstärkrn ls zntrlm Elmnt bfssn. Di Grndschltngn invrtirndr nd nichtinvrtirndr Vrstärkr wrdn brits bsprochn. Af disn chltngn wrdn di nn folgndn fbn Invrtirndr Intgrtor Erstzt mn dn ückkopplngswidrstnd N bim invrtirndn Vrstärkr drch dn Kondnstor wird drs in invrtirndr Intgrtor dr in Bild 5.5 drgstllt ist. Dr Widrstnd m nichtinvrtirndn Eingng dint dr Kompnstion ds Eingngsrhstroms. Di Asgngsspnnng rgibt sich z: t i ( t ) dt Q0 ( t 0 ) Q 0 ist dbi di Ldng, di sich zm Zitpnkt t 0 f dm Kondnstor bfindt. tzt mn für i - /, rhält mn di Asgngsspnnng in Abhängigkit von dr Eingngsspnnng nd dr Zitkonstntn τ. t ( t ) dt ( t 0 ) Btrchtn wir nn zwi ondrbtribsfäll:. Für in zitlich konstnt Eingngsspnnng rhltn wir di Asgngsspnnng ( 0) t t 5.9

127 Elktronisch chltngn 9 Di Asgngsspnnng ändrt sich lso linr mit dr Zit. Di chltng ignt sich dshlb shr gt zr Erzgng von Drick- nd ägzhnschwingngn. i _ Bild 5.5 Invrtirndr Intgrtor mit Eingngsrhstromkompnstion. Für in sinsförmig Eingngsspnnng wird di Asgngsspnnng t ˆ ˆ sin ω t dt ( t 0) cos ωt ( t 0) 5.0 ω 0 Di Amplitd dr Asgngsspnnng ist lso mgkhrt proportionl zr Krisfrqnz ω Invrtirndr Diffrnzirr Wnn mn mit inm Oprtionsvrstärkr drch äßr Bschltng ds Eingngssignl intgrirn knn, ligt di Vrmtng nh, dss s ch in chltng zr Diffrnzirng ins ignls gbn wird. Vrtscht mn Widrstnd nd Kondnstor wi in Bild 5.6 gzigt, rhält mn inn invrtirndn Diffrnzirr. Drch Anwndng dr Knotnrgl m mmtionspnkt rhält mn di Asgngsspnnng d 0 dt N d N dt 5. Ach hir solln widr zwi ondrfäll btrchtt wrdn:. Di Ändrng dr Eingngsspnnng nch dr Zit si konstnt, wi dis bi inr Drickschwingng dr Fll ist. Di Asgngsspnnng wird dmit d N τ const. 5. dt t. Im Fll inr sinsförmign Eingngsspnnng wird di Asgngspnnng ( ˆ sin ωt) ω ˆ cos ωt d N 5.b N dt

128 Elktronisch chltngn 0 N _ N Bild 5.6 Invrtirndr Diffrnzirr mit Eingngsrhstromkompnstion Addirr Häfig ist s notwndig, mhrr Eingngssignl z inm gminsmn Asgngssignl zsmmnzführn. Dz knn in chltng nch Bild 5.7 fgbt wrdn. Di chltng ist in Erwitrng ds invrtirndn Vrstärkrs m zsätzlich Eingäng. Am invrtirndn Eingng ist nch dr Knotnrgl ch hir di mm llr tröm glich Nll. Entsprchnd dm invrtirndn Vrstärkr wird di Asgngsspnnng N N N ist jtzt di mm llr Eingngsspnnngn. Wi s Glichng 5.3 z ntnhmn ist, knn jd inzln Eingngsspnnng mit inm ignn Vrstärkngsfktor A gwichtt wrdn. Ach hir ist s sinnvoll, mit inm Widrstnd K in Kompnstion ds Eingngsrhstroms vorznhmn. K wird rmittlt, in dm mn dn Widrstndswrt dr Prlllschltng llr Widrständ m invrtirndn Eingng brchnt. i i N N 3 i i K Bild 5.7 Invrtirndr Addirr mit Eingngsrhstromkompnstion btrhirr Nicht gnz so infch wi ds Addirn ist ds btrhirn mhrrr Eingngsspnnngn. Zm inn könnn nr zwi pnnngn voninndr sbtrhirt wrdn, zm ndrn müssn strng Entwrfskritrin inghltn wrdn. Di chltng in Bild 5.8 mit inm inzlnn Oprtionsvrstärkr bstht s inm invrtirndn (wnn 0 ist) nd inm nichtinvrtirndn (wnn - 0 ist) Vrstärkr. Dr pnnngstilr 3, 4 mss di m ins

129 Elktronisch chltngn höhr Vrstärkng ds nichtinvrtirndn Vrstärkrs kompnsirn, dmit m Asgng ds richtig Ergbnis rschint. Es ist lso: Ist 4 3 wird für für 0 odr 0 mit A A Di Asgngsspnnng ist dmit: ( A ) für ( ) A mit A 5.5 ind di bidn Vrstärkngsfktorn A nd A - nglich groß, so ist di Asgngsspnnng nicht mhr xkt di Diffrnz dr bidn Eingngsspnnngn. i wird z A A A A 5.6 Für inn optimln Btrib dr chltng ist s lso wichtig, dss di Widrstndsvrhältniss in dn bidn Zwign shr gn inghltn wrdn nd bid Vrstärkngsfktorn glich groß sind Bild 5.8 btrhirr mit inm Oprtionsvrstärkr Logrithmirr oll di Asgngsspnnng ins Vrstärkrs dm Logrithms dr Eingngsspnnng ntsprchn, knn mn di Exponntilfnktion inr Diod ntzn. D dr Diodnstrom im Drchlssbrich br dn Korrktrfktor m ( < m < ) bsitzt ist dis Exponntilfnktion nr ingschränkt tglich. Bim Kollktorstrom ins Bipolrtrnsistors jdoch ist disr Korrktrfktor nicht mhr vorhndn. Di chltng in Bild 5.9 ist ds Ergbnis disr Vorbtrchtng.

130 Elktronisch chltngn I - Bild 5.9 Grndschltng ins Logrithmirrs Für dn Kollktorstrom I gilt: I BE BE I I T I T BE T ln 5.7 I Dr Kollktorstrom wird bstimmt drch di Eingngsspnnng nd dn Widrstnd, d wir nnhmn könnn, dss dr Eingngsstrom ds Oprtionsvrstärkrs vrnchlässigbr klin ist. Dmit rgibt sich di Asgngsspnnng z: T ln T ln0 log 60 mv log 5.8 I I I für Eingngsspnnngn > 0. Drch dn hohn Eingngswidrstnd ds Oprtionsvrstärkrs rgibt sich in Gsmtbrich ds Logrithms von bis z 9 Dkdn. Di Grndschltng in Bild 5.9 ht br dn Nchtil, dss di Tmprtrbhängigkit ds Trnsistors voll in di Asgngsspnnng inght. oll dis vrmidn wrdn, ist in rhblich fwndigr chltng notwndig. Bild 5.0 zigt di vollständig chltng ins tmprtrkompnsirtn Logrithmirrs mit zwi Oprtionsvrstärkrn. Hir wird di Diffrnz zwir Logrithmn gbildt, wodrch sich di Tmprtrinflüss liminirn lssn. Dr Diffrnzvrstärkr s dn bidn Trnsistorn T nd T bildt nn di igntlich Logrithmirng. D di Wirkngswis dr chltng nicht offnsichtlich ist, soll dis nn tws gnr ntrscht wrdn. As dr Mschnrgl folgt für di pnnngn m Diffrnzvrstärkr BE BE Für di Kollktorström dr bidn Trnsistorn gilt: I BE I T nd I I BE T 5.30

131 Elktronisch chltngn 3 Ds Vrhältnis dr bidn tröm ist BE BE BE T I T BE I T I I T 5.3 As Bild 5.0 könnn wir für di bidn Kollktorström nd di pnnng folgnd Bzihngn ntnhmn: rf I, I, I I T T OP 3 OP rf Bild 5.0 Tmprtrkompnsirtr Logrithmirr Drch Einstzn rhält mn di Asgngsspnnng 3 T ln 5.33 rf Dr Widrstnd 4 ht kinn Einflss f di Asgngsspnnng. Er sollt so gwählt wrdn, dss dr pnnngsbfll klinr blibt, ls di mximl Asgngsspnnng ds Oprtionsvrstärkrs OP. Dr Widrstnd sollt bnflls nicht z hochohmig sin. Wrt m kω sind hirbi üblich. Wnn mn ch noch dn Einflss von T rdzirn möcht, mss inn positivn Tmprtrkoffizintn von tw 0,3 % /K bsitzn Exponntilfnktion Ein chltng zr Erzgng inr -Fnktion ist ähnlich fgbt wi dr grd bsprochn Logrithmirr. Wi bi Intgrtor nd Diffrnzirr wrdn infch di Blmnt gtscht. Bild 5. zigt inn infchn -Fnktionsgnrtor.

132 Elktronisch chltngn 4 N I - Bild 5. Einfchr -Fnktionsgnrtor Di Asgngsspnnng dr chltng wird mit I I BE T I T 5.34 z I N N I T 5.35 Di Eingngsspnnng mss hir ngtiv sin. Für di Tmprtrbhängigkit dr chltng gilt di glich Assg wi bim Logrithmirr. Di chltng ins tmprtrkompnsirtn -Fnktionsgnrtors ist gn so fwndig, wi di ds Logrithmirrs in Bild Mssvrstärkr Zr gnn Mssng klinr, störbhfttr ignl ist s nicht srichnd, chltngn mit nr inm Oprtionsvrstärkr, wi si bishr bsprochn wrdn, inzstzn. Zwr hbn Oprtionsvrstärkr n sich in rcht gt Glichtktntrdrückng, br di gn Mssng von Potntildiffrnzn ist mit inm rinn btrhirr nicht immr möglich, d dr Eingngswidrstnd im Wsntlichn drch di xtrn Bschltng bstimmt wird nd rcht nidrig (im Vrhältnis zm Eingngswidrstnd ds OPV) sin knn. Dshlb solltn wnigstns pnnngsfolgr ls Impdnzwndlr vorgschltt wrdn, wi in Bild 5. drgstllt. Di Asgngsspnnng ist: ( ) 5.36 Ein höhr Glichtktntrdrückng rhält mn, wnn mn nstll dr pnnngsfolgr nichtinvrtirnd Vrstärkr, di inn shr hohn Eingngswidrstnd bsitzn, instzt. Di zghörig chltng ist in Bild 5.3 gzigt. Am Widrstnd tritt di Potntildiffrnz - f. Ds Vrhältnis dr Widrständ / bstimmt di Vrstärkng dr chltng, d

133 Elktronisch chltngn 5 dr nchgschltt btrhirr nr di Vrstärkng A fwist. Dis chltng wird ls "Instrmnttion Amplifir" odr Elktromtrsbtrhirr bzichnt. _ OP OP3 OP Bild 5. btrhirr mit vorgschlttn pnnngsfolgrn Di Asgngsspnnng disr chltng ist: ( ) 5.37 Dis chltng knn zwr mit diskrtn Blmntn fgbt wrdn, in intgrirt Vrsion, di nr noch dn Widrstnd ls xtrns Blmnt zlässt ist br rhblich gnr. Dmit ist s möglich, mit nr inm Widrstnd di Vrstärkng inzstlln. Bi rinr Glichtktnstrng d.h., G, wird ch G. Dmit wrdn Glichtktsignl mit A G vrstärkt, nbhängig von dr Vrstärkng A D dr Diffrnzsignl. Di Glichtktntrdrückng dr Gsmtschltng ist von dr ltztn tf gprägt. J gnr di Widrstndspr 3 im invrtirndn nd im nichtinvrtirndn Zwig ngpsst sind, m so bssr wird di Glichtktntrdrückng. i knn m inig Größnordnngn höhr sin, ls di ins inzlnn Oprtionsvrstärkrs. 3 3 _ OP OP3 OP 3 3 Bild 5.3 chltng ins Instrmnttion Amplifirs (Elktromtrsbtrhirr)

134 Elktronisch chltngn 6 6. Kippschltngn Lrnzil: Knnnlrnn ds prinzipilln Afbs von Kippschltngn Fnktion von Kippschltngn mit bipolrn Trnsistorn Fnktion von Kippschltngn mit Oprtionsvrstärkrn 6. Kippschltngn mit bipolrn Trnsistorn Bi dn bishr bsprochnn linrn chltngn wrd dr Arbitspnkt so sgwählt, dss in klin Asstrng m dn Arbitspnkt z inr proportionl vrstärktn Asgngsspnnng gführt ht. Bi dn Kippschltngn rbitn wir mit zwi Btribszständn dr Trnsistorn. Dbi bsirn di Kippschltngn f inr Mitkopplng. i ntrschidn sich von mitgkoppltn Linrschltngn (Oszilltorn) ddrch, dss sich ihr Asgngsspnnng nicht kontinirlich ändrt, sondrn nr zwischn zwi fstn pnnngswrtn hin nd hr springt. D di Asgngsspnnng nr dis bidn Wrt nnhmn knn, wrdn di Kippschltngn oft dn digitln chltngn zgordnt. i bildn dn Grnzbrich zwischn dn nlogn nd digitln chltngn. Dr Kippvorgng knn f ntrschidlich Wis sglöst wrdn. Bi dn bistbiln Kippschltngn ändrt sich dr Asgngszstnd nr dnn, wnn mit Hilf ds Eingngssignls in mkippvorgng sglöst wird. Bim Flip-Flop gnügt in krzr Impls, währnd bim chmitt-triggr in bständigs Eingngssignl rfordrlich ist. Ein monostbil Kippschltng bsitzt nr inn stbiln Zstnd. Dr zwit Zstnd ist nr für in bstimmt Zit, di drch di Dimnsionirng dr Blmnt fstglgt wird, stbil. Nch Ablf disr Zit kippt di chltng widr zrück in ihr Asgngszstnd. Ein stbil Kippschltng bsitzt kinn stbiln Zstnd, sondrn kippt ohn äßr Anrgng ständig hin nd hr. i wird ch ls Mltivibrtor bzichnt. Di dri Grndtypn von Kippschltngn könnn drch ntrschidlich Aswhl dr Mitkopplngsglidr rlisirt wrdn. Ein Übrsicht übr di vrschidnn Kopplglidr ist in Bild 6. nd Tbll 6. ggbn. Kippschltng Nm Kopplglid Kopplglid Bistbil Flip-Flop chmitt-triggr Monostbil nivibrtor Astbil Mltivibrtor Tbll 6. lisirng dr Kopplglidr für vrschidn Kippschltngn. Bild 6. Prinzipill Anordnng von Kippschltngn.

135 Elktronisch chltngn Bistbil Kippschltng 6... Flip-Flop Di Fnktionswis ds Flip-Flop ist wi folgt: Ein positiv pnnng m Eingng öffnt dn Trnsistor T, dmit flißt in Kollktorstrom drch T nd di Kollktorspnnng n T wird klinr. Dmit wird di Bsis-Emittrspnnng n T klinr; d.h. dr Bsisstrom von T sinkt. Dmit rdzirt sich dr Kollktorstrom von T nd somit nimmt di Kollktorspnnng von T z. Übr dn Widrstnd B rfolgt in Mitkopplng, ws z inm Anstig ds Bsisstroms von T führt. Dr sttionär Zstnd ist rricht, wnn di Kollktorspnnng von T bis f di ättigngsspnnng bgnommn ht. Dmit sprrt T nd T wird übr dn Widrstnd B litnd ghltn. Dshlb knn mn nch Abschlss ds mkippvorgngs di pnnng m Eingng widr f Nll stzn, ohn ds di chltng ihrn Zstnd ändrn wird. Mn knn ds Flip-Flop widr zrückkippn, indm mn in positiv pnnng n dn Eingng nlgt. Dnn wird sich dr obn bschribn mkippvorgng in ntggngstztr Abfolg widrholn bis ntsprchnd dr Trnsistor T litt nd T sprrt. In dr Digitltchnik wird ds Flip-Flop zr pichrng von Zständn (Informtionn) bntzt. Di Eingäng nd wrdn zm tzn bzw. ückstzn bntzt nd dshlb ntsprchnd ls - bzw. - Eingäng bzichnt. Ds Flip-Flop wird dnn -Flip-Flop gnnnt. b A B B A T T V V Bild 6. chltng ins Flip-Flop chmitt-triggr Ein ndr Möglichkit, inn Kippvorgng drchzführn, bstht drin, nr in Eingngsspnnng z vrwndn. Dbi litt mn dn Kippvorgng ddrch in, dss mn di Eingngsspnnng bwchslnd positiv bzw. ngtiv mcht. Bild 6.3 zigt di chltng ins chmitt-triggrs nd di Abhängigkit dr Asgngsspnnng von dr Eingngsspnnng. Wnn di Eingngsspnnng di obr chltschwll,in übrschritt, springt di Asgngsspnnng n dn obrn Grnzwrt,mx. i springt rst widr f Nll zrück, wnn di ntr chltschwll,s rricht ist. Disr Effkt ist in dr Übrtrgngsknnlini (Bild 6.3b) ls Hystrs z shn. Di chltng fnktionirt wi folgt: Drch in Anstrng ds Trnsistors T dr bistbiln Kippschltng mit inr pnnng übr inn Bsiswidrstnd B rhält mn inn zwistfign Trnsistorvrstärkr mit inr Mitkopplng wi in Bild 6.3 ) gzigt. Für 0 V gibt s zwi stbil Zständ.

136 Elktronisch chltngn 8 b A T T B,mx B ) b),min,s 0,in Bild 6.3 chltng ins chmitt-triggrs () nd Übrtrgngsknnlini (b). Erricht di Eingngsspnnng di chwll,in, wird di Asgngsspnnng infolg dr Mitkopplng übr sprngrtig dn Wrt,mx rrichn, ch wnn sich di Eingngsspnnng nr lngsm ändrt. springt rst dnn widr f dn Wrt,min zrück, wnn di Eingngsspnnng di chwll,s rricht. Di pnnngsdiffrnz,in -,s nnnt mn ch chlthystrs, di mso klinr wird, j größr di Abschwächng ds mitgkoppltn Asgngssignls drch dn pnnngstilr, B ist. Di chlthystrs vrschwindt für B 0. Dr chmitt-triggr knn lso sinsförmig odr drickförmig Eingngsspnnngn in chtcksignl mwndln, wi s in Bild 6.4. gzigt ist. T D,in 0,s t T Bild 6.4 mwndlng inr drickförmign Eingngsspnnng in in rchtckförmig Asgngsspnnng. Währnd bi dr chltng nch Bild 6.3 in ngtiv Eingngsspnnng für ds Errichn dr Asschltschwll bnötigt wird, ist in mittrgkoppltr chmitt-triggr mit sschlißlich positivn pnnngn nstrbr nd somit shr infch in dr Digitltchnik instzbr. Dshlb soll di Fnktion dr chltng n disr tll sführlich disktirt wrdn. Ein ntsprchnd chltng ist in Bild 6.5 zsmmn mit dr Übrgngsknnlini drgstllt.

137 Elktronisch chltngn 9 b B I E Τ Τ I E B E ) b b) E E 0,s,in Bild 6.5 Emittrgkoppltr, nichtinvrtirndr chmitt-triggr: ) chltbild nd b) Übrtrgngsknnlini. Ght mn von dr Annhm s, dss B >> ist nd di stspnnng ins ingschlttn Trnsistors E 0 ist, knn mn folgnd vrinfchtn Übrlgngn nstlln: Ist di Eingngsspnnng <,in, so sprrt Trnsistor T nd Trnsistor T litt. Dmit ist I E << I E. Di pnnng m Widrstnd E ist E ) ( IE IE E 6. odr vrinfcht I 6. E Mit EE. IE b E 6.3 wird di pnnng für di Einschltschwll z E,in b E BE,T 6.4

138 Elktronisch chltngn 30 Für >,in litt Trnsistor T währnd Trnsistor T sprrt. Dr trom I E ist jtzt shr klin ggnübr dm trom I E in Trnsistor T. I E b E 6.5 nd dmit di pnnng E I E 6.6 E Ist >, wird I E < I E nd dmit wird ch di pnnng dr ntrn chltschwll,s <,in. E,s b BE, T E. 6.7 Für di Anstrng von Trnsistor T mss dbi di folgnd Bdingng rfüllt sin: B B,T b IE E B BE,T Monostbil Kippschltngn Zr lisirng ins nivibrtors ght mn von inm Flip-Flop s nd rstzt inn Mitkopplngswidrstnd drch inn Kondnstor. D übr ihn kin Glichstrom flißn knn, ist T litnd nd T sprrt. Bild 6.6. zigt di chltng nd dn zitlichn Vrlf dr pnnng n vrschidnn Knotn dr chltng. Ein positivr pnnngsimpls m Eingng öffnt T. Ddrch springt di Kollktorspnnng von T f Nll. Disr prng wird übr ds Hochpssglid B f di Bsis von T übrtrgn nd T sprrt. Übr dn Mitkopplngswidrstnd wird T litnd ghltn, ch wnn di Eingngsspnnng widr Nll ist. Übr dn Widrstnd B wird dr Kondnstor widr fgldn nd dmit stigt di Bsisspnnng n T nch folgndr Forml n: t ( B ) B t b 6.9 Di rfordrlich Zit, dmit B nll wird bträgt: t 6.0 B ln 0, 7 B Nch disr Zit wird dr Trnsistor T widr litnd, d.h. di chltng kippt widr in ihrn stbiln Zstnd zrück.

139 Elktronisch chltngn 3 t b BE A B B A t t T V T BE t ) b) t t Bild 6.6 chltng ins nivibrtors () nd zitlichr Vrlf dr pnnngn n sgwähltn Knotn dr chltng (b) Astbil Kippschltngn Erstzt mn bim nivibrtor (monostbil Kippschltng) ch dn zwitn ückkopplwidrstnd drch inn Kondnstor, wrdn bid Zständ nr für in bgrnzt Zit stbil. Di chltng kippt zwischn dn bidn Zständn hin nd hr nd wird dshlb Mltivibrtor gnnnt. Bild 6.7 zigt di chltng ins Mltivibrtors nd dn zitlichn Vrlf dr pnnngn n sgwähltn Knotn dr chltng. Di chltzit für di bidn Zständ rgibt sich ntsprchnd Forml 6.0: t B ln 0, 7 t 6. B ln 0, 7 B B 6. Anhnd ds zitlichn Vrlfs ist z shn, dss di chltng kippt, wnn dr bishr gsprrt Trnsistor litnd wird. Bi dr Dimnsionirng dr Widrständ B nd B ist wnig Frirm. i müssn nidrohmig ggnübr β sin, dmit dr trom srichnd ist, m dn litndn Trnsistor in di ättigng z bringn. Andrrsits müssn si hochohmig ggnübr sin, dmit sich di Kondnstorn bis f di Btribsspnnng fldn könnn. Dmit rgibt sich di Bzihng: << B nd B << β 6.3

140 Elktronisch chltngn 3 b t t B B BE A A T T t t BE ) b) Bild 6.7 chltng ins Mltivibrtors () nd zitlichr Vrlf dr pnnngn n sgwähltn Knotn d chltng (b). 6. Kippschltngn mit Komprtorn Btribt mn inn Oprtionsvrstärkr ohn Ggnkopplng, wi in Bild 6.8 drgstllt, rhält mn inn Komprtor. Di Eingngsspnnng wird mit inr frnzspnnng rf vrglichn. Di pnnng D rf wird mit dr Lrlfvrstärkng A D vrstärkt. Di Asgngsspnnng wird:,mx,min für für D D rf rf > 0 < 0 nd 6.4 Wgn dr shr hohn Vrstärkng ins Oprtionsvrstärkrs spricht di chltng brits f shr klin pnnngsdiffrnzn n. i ignt sich dhr zm Vrglich von zwi pnnngn mit hohr Präzision. D A D _ rf Bild 6.8 chltng ins Komprtors mit Oprtionsvrstärkr

141 Elktronisch chltngn chmitt-triggr mit Oprtionsvrstärkr Im Kpitl 6.. hbn wir gzigt, dss in chmitt-triggr in Komprtor ist, bi dm Einnd Asgngsschltschwll nicht zsmmnflln. 6.. Invrtirndr chmitt-triggr Dn schltngstchnischn Afb ins invrtirndn chmitt-triggrs mit inm Komprtor nd zwi Widrständn zigt Bild 6.8. Di chlthystrs wird drch in Mitkopplng ds Asgngssignls f dn nichtinvrtirndn Eingng ds Komprtors übr dn pnnngstilr s nd rricht. Di bidn chltschwlln,in nd,s sind bi disr chltng,in,min,,s,mx 6.5 Drs rgibt sich dr pnnngshb odr di chlthystrs z (,mx,min ) b,mx - b,in,s,min ) b) Bild 6.8 Invrtirndr chmitt-triggr mit inm Komprtor: ) chltbild nd b) Übrtrgngsknnlini 6.. Nichtinvrtirndr chmitt-triggr Einn nichtinvrtirndn chmitt-triggr knn mn z.b. mit inm Komprtor, zwi Widrständn nd inr frnzspnnngsqll rf nch Bild 6.9 rlisirn. Di chltschwlln sind bhängig vom Vrhältnis dr bidn Widrständ nd nd dn mximl rrichbrn pnnngspgln dr Asgngsspnnng (Bild 6.9 b). Di frnzspnnngsqll rlbt in Vrschibng dr chltschwlln. Di Einschltschwll für di chltng in Bild 6.9 ) rgibt sich für D 0 s: rf,min,in rf 6.7

142 Elktronisch chltngn 34 b,mx ) rf D - b b),min,s,in rf 0V Bild 6.9 Nichtinvrtirndr chmitt-triggr ) chltbild nd b) Übrtrgngsknnlini ds chmitt-triggrs. Dmit wird:,in,min rf 6.8 Entsprchnd rhält mn für di Asschltschwll:,mx rf rf, s 6.9 nd drs,s,mx rf. 6.0 As dn Glichngn 6.8 nd 6.0 rknnt mn, dss di chltschwlln mit rf sowohl in positivr, wi ch in ngtivr ichtng mit glichr Gwichtng "vrschobn" wrdn könnn. Vrbindt mn dn invrtirndn Eingng ds Komprtors dirkt mit Mss, ntspricht dis inr frnzspnnng rf 0 nd mn rhält in m dn Nllpnkt symmtrisch Hystrs. Dr pnnngshb dr Hystrs ist,in,s (,mx, min ) 6. nd dmit nbhängig von dr frnzspnnng.

143 Elktronisch chltngn Mltivibrtorn mit Oprtionsvrstärkr Bschltt mn inn chmitt-triggr so, dss ds Asgngssignl vrzögrt f dn Eingng glngt, ntstht in Mltivibrtor ntsprchnd Bild 6.0. Wnn di pnnng m invrtirndn Eingng dn Triggrpgl übrschritt, kippt di chltng m. Dmit stigt di Asgngsspnnng f di ntggngstzt Asstrngsgrnz. In Folg läft di pnnng m invrtirndn Eingng in di ntggngstzt ichtng, bis dr ndr chwllwrt rricht ist. Dnn kippt di chltng in dn Asgngszstnd zrück. Dr pnnngsvrlf in Bild 6.0b vrdtlicht disn Vorgng.,in α mx,s α mx mit α. As dr chltng könnn wir di Diffrntilglichng für di pnnng m invrtirndn Eingng, - fschribn: d dt ± mx 6. Mit dr ndbdingng: α 6.3, in mx Erhltn wir folgnd Lösng: t ( ) ( t) mx α 6.4 Mit disr Glichng lässt sich di Zit brchnn, di zm Errichn ds Triggrpgls α bnötigt wird.,s mx α t ln ln α 6.5 Bild 6.0 Mltivibrtor mit Komprtor: ) chltbild, b) zitlichr pnnngsvrlf.

144 Elktronisch chltngn 36 Dmit bträgt di gsmt chwingngsdr: T t α ln ln α 6.6 Für folgt: T ln3. 6.7

145 Elktronisch chltngn Grndlgn digitlr chltngn Lrnzil: Knnnlrnn dr grndlgndn Dfinitionn für digitl chltngn trktr nd Bzichnngn von gnormtn chltzichn nch DIN Invrtr nd törbständ In dn nlogn chltngn drft di Asgngsspnnng di positiv nd ngtiv Asstrngsgrnz nicht rrichn. In digitln chltngn rbitt mn mit zwi Btribszständn. Mn intrssirt sich nr noch dfür, ob in pnnngswrt größr bzw. klinr ls in vorgschribnr Grnzwrt ist. Di Grnzwrt wrdn ls H für dn High - Zstnd nd L für dn Low -Zstnd bzichnt. Di xktn Zhlnwrt für dis Grnzwrt hängn von dr ingstztn chltngstchnik b. m in indtig Zordnng dr pnnngn z rmöglichn, solln pnnngspgl zwischn L nd H nicht vorkommn. Am Bispil ins infchn Pglinvrtrs in Emittrschltng solln dis Bsondrhitn rklärt wrdn. Bild 7. zigt di chltng nd di Übrtrgngsknnlini. Di chltng soll folgnd Fnktion hbn: für,l soll H sin nd für,h soll L sin. prrt mn dn Trnsistor in Bild 7., wird di Asgngsspnnng im nblsttn Fll b. Flls di nidrohmigst Lst L ist, tilt sich di pnnng nd s gilt ½ b. ichrhitshlbr dfinirn wir,h.5 V. Ds ist lso di klinst Eingngsspnnng bi dr dr Trnsistor voll ingschltt ist. Witrhin soll di Eingngsspnnng,L sin, dmit H wird. Als,L dfinirn wir di größt Eingngsspnnng, bi dr dr Trnsistor grd noch sprrt. Bi inm i-trnsistor sind ds,l 0.4 V. Dr Einzlstörbstnd gibt n, m wi vil di Eingngsspnnng ins Gttrs in inr Ktt von sonst ngstörtn Gttrn gändrt wrdn drf, ohn dss di Informtion vrfälscht wird. Dis ist dr Fll, wnn dr chltpnkt nicht übrschrittn wird. b ) b) Bild 7. Emittrschltng ls Invrtr () nd Übrtrgngsknnlini für V (b). Am Bispil dr Übrtrgngsknnlini ins TTL-Invrtrs (Bild 7.) könnn wir dn törbstnd dfinirn. Dz lgn wir znächst dn pnnngshb H - L fst. Für dn H- törbstnd gilt: 7. H H Dr L-törbstnd ist wi folgt dfinirt:

146 Elktronisch chltngn L L ist di pnnng im chltpnkt dr Übrtrgngsknnlini. V H H 4 3 L L 45 o 3 4 / V Bild 7. Übrtrgngsknnlini nd törbständ ins TTL-Invrtrs (7404) Di törbständ sind in Mß für di Btribssichrhit dr chltng. Btrchtn wir rl törbständ bi inm Invrtr ds Typs N7404. Bild 7. zigt di Übrtrgngsknnlini ds Gttrs. Di rltivn törbständ sind: Z H H L, Z L. 7.3 Di in Bild 7. gzigt Übrtrgngsknnlini ds TTL-Invrtrs lifrt mit 3,65 V - 0, V 3,55 V di Einzlstörbständ: L,4 V nd H,5 V, nd di rltivn Einzlstörbständ: Z L 40% nd Z H 60%. 7. Anstigs- nd Gttrlfzitn lisirbr Impls hbn ndlich stil Anstigs- nd Abfllsflnkn. D si mistns ch nicht trpzförmig sind, dfinirt mn di Anstigs- nd Abfllszitn zwischn dn 0%- nd 90%-Pnktn ds Mximms, d.h. dr Implsmplitd nch Bild.0. Di ymbol t r nd t f stimmn mit dn nglsächsischn Bzichnngn für ris nd fll tim übrin. Di Implsdr t D wird zwischn dn 50%-Pnktn gmssn. Gttrlfzitn wrdn mist drch ndr physiklisch Effkt bstimmt ls Anstigs- nd Abfllszitn. Bispilswis knn in lng vrlstlos Litng inn chtckimpls prktisch nvrzrrt, br mit großr Vrzögrng übrtrgn.

147 Elktronisch chltngn 39 % t D t pdhl t pdlh % % ) t r t f 0 b) t Bild 7.3 hrktristisch Zitn von Implsn: ) Implsdr t D, Anstigs- nd Abfllzit t r nd t f nd b) Vrzögrng dr Vordr- nd ückflnk t pdhl nd t pdlh In nichtlinrn Hlblitrschltngn knn zdm dr Übrgng f dn nidrigrn Pgl vrschidn strk ggnübr dm mgkhrtn Übrgng f dn höhrn Pgl vrzögrt wrdn. In dr gl dfinirt mn di Vrzögrngn (propgtion dly, High-Low, Low-High) t pdhl nd t pdlh zwischn dn 50%-Pnktn dr Eingngs- nd Asgngsimpls nch Bild 7.3. Di Gttrlfzit ist ls Mittlwrt s dn bidn Flnknvrzögrngn dfinirt t pd t pdlh t pdhl 7.4 Glgntlich wird di Gttrlfzit ch ls Mittlwrt dr Vrzögrng zwischn dn chltpnktn nch Bild.4 nggbn, drn pnnngn nicht dn 50% ntsprchn. Di ntrschid dr Mittlwrt nch dn bidn Dfinitionn sind jdoch mist vrnchlässigbr. Di Gttrlfzit bipolrr Trnsistorn hängt von dr Lfzit dr Minoritätsträgr in dr Bsis τ B nd von dr Zitkonstnt b, di s dm Lstwidrstnd L nd dr Erstzkpzität E brchnt wrdn knn: t k ( τ ) 7.5 pd B L E wobi k in Proportionlitätskonstnt ist. 7.3 Vrlstlistng Intgrirt chltngn hbn in ndlich Vrlstlistng P, di zr Erwärmng ds hips führt. Di Tmprtrrhöhng ds hips bträgt bi inr mgstztn Vrlstlistng nd inr mgbngstmprtr T A T T T P 7.6 hip A th Dbi ist th dr Wärmwidrstnd zwischn hip nd Kühlkörpr. Di mximl Vrlstlistng, di von dr hipfläch ohn Zwngskühlng bgführt wrdn knn, bträgt tw W/cm.

148 Elktronisch chltngn 40 Dr Momntnwrt dr Vrlstlistng stzt sich s inm sttischn nd dynmischn Antil zsmmn P P stt P dyn 7.7 Di sttisch Vrlstlistng ist drch di bidn qsisttionärn Btribsström I nd I, di dn bidn pnnngspgln L nd H ntsprchn. Bi bknntm Tstvrhältnis r t /t nd inr Tktfrqnz von f T /t p (t p t t ) gilt P stt [ I ( r) I r] ( ) H L 7.8 ntr dr Annhm von I 0 nd I ( H L )/ L rgibt sich in sttisch Vrlstlistng P stt ( ) r H L 7.9 L Di dynmisch Vrlstlistng rgibt sich s dn mldngsprozssn dr Lstkpzität. Di Lstkpzität stzt sich s dr Eingngskpzität dr folgndn Gttr nd dr Kpzität dr Vrbindngslitng zwischn dn Gttrn zsmmn. Di dynmisch Vrlstlistng lässt sich nährngswis wi folgt bschätzn. Di Enrgi, di in inr Kpzität gspichrt ist, bträgt: W 7.0 Währnd inr Priod ds Tktsignls wird di Kpzität zwiml mgldn. Mit dr Annhm, dss di Kpzität übr in idl tromqll mgldn wird, rgibt sich di mittlr Vrlstlistng z P dyn ( H L ) ft 7. Di gsmt Vrlstlistng bträgt somit ( ) ( ) H L r f P L T 7. L Di Vrlstlistng wächst mit znhmndr Tktfrqnz nd Lstkpzität nd bnhmndm Lstwidrstnd. Ein oft bntzts Gütkritrim für ds dynmisch Vrhltn logischr chltngn ist ds Vrzögrngszit-Listngs-Prodkt (powr-dly prodct). Drntr vrstht mn di Enrgi, di zm chltn ins Gttrs rfordrlich ist: W P 7.3 t pd Bid Fktorn diss Prodkts solln möglichst klin sin.

149 Elktronisch chltngn Lstfktorn Jdr Gttringng blstt dn vorhrghndn chltkrissgng wil in bstimmtr trom zm trn ds Gttrs bnötigt wird. Mn dfinirt ls Eingngslstfktor dijnig Blstng, di in Eingng ins infchn Grndgttrs drstllt. o bträgt zm Bispil bi dr Trnsistor-Trnsistor-Logik (TTL) dr Eingngsstrom bi L-Pgl,6 ma nd bi H-Pgl 40 µa. Dr Eingngslstfktor wird häfig ls Fn-in bzichnt. Dr Asgngslstfktor N 0 gibt n, mit wlchr mximln Anzhl von Gttringängn dr glichn chltkrisfmili mit inm Eingngslstfktor in Asgng blstt wrdn drf. Dr Asgngslstfktor wird häfig ls Fn-ot bzichnt. Zm Bispil hbn TTL-Gttr in dr gl inn Asgngslstfktor von N 0 0. Listngsgttr hbn inn größrn Fn-ot. Zsätzlich mss di kpzitiv Lst dr Eingngskpzität ds folgndn Gttrs nd di Litngskpzität brücksichtigt wrdn. Bi MO-chltngn ist di mximl zlässig Asgngsblstng prktisch nr drch di kpzitiv Lst bstimmt, d dr sttisch Eingngsstrom shr gring ist. 7.5 Positiv nd ngtiv Logik Di Angbn für L nd H sind kin logischn Zständ, sondrn pnnngswrt. Dis bschribn di Arbitswis dr chltng. Wlch logisch Vrknüpfng in chltng rzgt, knn rst gsgt wrdn, wnn di pnnngswrt dn logischn Zständn 0 nd zgordnt wordn sind. Di Zordnng dr pnnngspgl z dn logischn Zständn knn folgndrmßn rfolgn: Positiv Logik: Ngtiv Logik: L H L H 0 0 Ht wird in dr Digitltchnik vorwignd mit positivr Logik grbitt. 7.6 Gnormt chltzichn Zr Drstllng logischr Fnktionn digitlr chltngn wrdn vrinfchnd ymbol vrwndt, m komplx Zsmmnhäng drch chltplän drstlln z könnn. chltzichn wrdn wi di ymbol inr chrift im Lf ihrr Gschicht f dn jwilign tnd dr tchnischn Entwicklng drch di Fstlgng von Normn ngpsst. Di ltzt Normng in dr Bndsrpblik Dtschlnd fnd 984 sttt nd wrd ntr dr Bzichnng DIN Til vröffntlicht. i nthält di intrntionl Norm IE 67- von 983. Ach wnn im nglischsprchign m nch wi vor ndr ymbol vrwndt wrdn, wolln wir ns hir mit dn nch DIN gnormtn chltzichn bfssn. Di wichtigstn Grndlmnt disr Norm sind im Folgndn zsmmngstllt nd wrdn drch vrinfcht Formlirngn rlätrt. Dr gn Wortlt dr Dfinitionn knn bi Bdrf in dn DIN - Normn nchglsn wrdn. Als Grndlmnt dr logischn ymbol dint in chtck, dssn itnkntn in dn Abmssngn fri wählbr sind. Di logisch Fnktion nd di Fnktion dr Ein- nd Asgäng wrdn drch zsätzlich ymbol dfinirt. Zrst wolln wir ns mit dr Drstllng logischr Eingäng bfssn.

150 Elktronisch chltngn Drstllng von Eingängn Nichtinvrtirndr Eingng ( ktiv high ) Invrtirndr Eingng ( ktiv low ) Dynmischr Eingng. Hirbi findt in intrn Übrnhm von logischr Informtion währnd dr nstigndn Flnk ds ignls n dism Eingng sttt. Wird ds ymbol mit dm vorign (Kris) kombinirt, gschiht dis bi dr fllndn Flnk Drstllng von Asgängn Di Fnktion von Asgängn logischr chltngn ist rcht mfngrich. Dshlb wrdn di Anschlüss mit inr ih von vrschidnn ymboln kombinirt. Wichtig ist hir, di Bdtng dr ymbol gn z knnn, m klr z rknnn, wi di logisch Informtion m Asgng z wrtn ist, bzw. f wlch Art nd Wis nchfolgnd Blmnt ngschlossn wrdn müssn. Im Ggnstz z nlogn chltngn, n dnn wir ntwdr in pnnng odr inm trom ls Asgngsgröß rhltn, bfssn wir ns bi logischn chltngn nr mit dn logischn Pgln H nd L (odr nd 0). Di Asgäng wrdn nn fst sschlißlich mit dn Bchstbn Y (logisch Gttr) nd Q (Flipflops, pichrschltngn) gknnzichnt. Di Asgngssymbol bsitzn folgnd Bdtng: Nichtinvrtirtr Asgng Invrtirtr Asgng Offnr Asgng, ktiv Low, z.b. offnr Kollktor ins npn- Trnsistors, offnr Drin bi n-knl Fldffkttrnsistor. Im Low-Pgl ist dr Asgng nidrohmig zm Mssnschlss. Offnr Asgng, ktiv High, z.b. offnr Emittr ins npn-trnsistors, offnr orc bi n-knl Fldffkttrnsistor. Im High-Pgl ist dr Asgng nidrohmig zm Btribsspnnngsnschlss.

151 Elktronisch chltngn 43 trdirtr Asgng (postpond otpt). Ein Zstndsändrng diss Asgngssignls wird so lng fgschobn, bis ds Eingngssignl, wlchs di Zstndsändrng vrnlsst ht, widr in sinn rsprünglichn Asgngszstnd zrückgkhrt ist. Tristt Asgng. Zsätzlich z dn logischn Zständn High nd Low gibt s noch inn drittn, hochohmign Zstnd Logisch Grndlmnt Di logisch Fnktion ins Gttr-Bstins wird im Allgminn drch in Bzichnng in dr rchtn obrn Eck ds ymbols nggbn. Im Folgndn Abschnitt solln znächst nr di logischn Grndlmnt btrchtt nd rlätrt wrdn. Tribr, Pffr Am Asgng ligt dr glich logisch Pgl, wi m Eingng Invrtr (NOT) Am Asgng ligt ds komplmntär Eingngssignl Odr - Gttr (O) Nicht - Odr - Gttr (NO) ND - Gttr (AND) Nicht - ND - Gttr (NAND) Antivlnz - Gttr (EXO)

152 Elktronisch chltngn 44 Äqivlnz - Gttr (EXNO) Listngs-Elmnt, Tribr (Bffr). Dr Asgngsstrom ist ggnübr normln Logikbstinn m in Vilfchs höhr. Gttr mit Hystrs (chmitt-triggr) Monostbils Elmnt (Monoflop) Bvor wir ns mit Bispiln komplxrr Logikschltngn bfssn, müssn wir zrst di Bdtng von Bzichnngn, di innrhlb dr ymbol z findn sind nd Eingäng mit wichtigr zsätzlichr Informtion vrshn, bfssn. Erst mit disr Bzichnng ist in xkt Zordnng dr Eingäng zinndr nd zr logischn Fnktion ds Elmnts möglich. Für di Bzichnng könnn Bchstbn nd Ziffrn vrwndt wrdn. Grndsätzlich gilt folgnd gl: Folgt in Zhl inm Bchstbn, so hndlt s sich m inn Eingng, dr innrhlb dr Logikschltng mit mindstns inm witrn Eingng vrknüpft ist. Dr odr di mit dism Eingngssignl vrknüpftn ndrn Eingäng führn dnn di glich Ziffr vor dm Bchstbn. Ein Bdingng ist immr dnn rfüllt, wnn ds Logiksignl im Innrn ds Elmnts inn High- Pgl bzw. in ngnommn ht. Eingngsbzichnngn könnn sin: n Gn Dr lock- odr Tkt Eingng gibt dn mit dr Zhl n gknnzichntn Eingängn nr dnn di dfinirt Wirkng, wnn n sich im intrnn - Zstnd bfindt. All Eingäng, wlch von dism Eingng gstrt wrdn, sthn in inr ND- Bzihng z dism Eingng. nj,nk,nd Nimmt dr J-Eingng dn intrnn -Zstnd n, wird im Elmnt in gspichrt, nimmt dr K-Eingng dn intrnn -Zstnd n, wird im Elmnt in 0 gspichrt. ind bid Eingäng JK, so rfolgt bi jdr Priod ds n-ignls in Wchsl ds Asgngssignls in dn komplmntärn Zstnd. Dr intrn Logikzstnd ds D- Eingngs wird im Elmnt gspichrt. Nimmt dr -Eingng dn intrnn -Zstnd n, so wird im Elmnt in 0 gspichrt. (st-eingng)

153 Elktronisch chltngn 45 Nimmt dr -Eingng dn intrnn -Zstnd n, so wird im Elmnt in gspichrt. (t-eingng) Di Eingäng nd könnn ch ls n bzw. n gknnzichnt wrdn. T Nimmt dr T-Eingng dn intrnn -Zstnd n, so wchslt dr intrn Zstnd ds Asgngssignls in sinn komplmntärn Zstnd. (Toggl- Eingng) Mnch Logikschltngn bsitzn nbn inm Logiklmnt noch in zsätzlichs trlmnt, in dm tilwis rcht komplx Fnktionn ntrgbrcht wrdn. Di in inm trtil ins intgrirtn Bstins vrwndtn Bchstbn hbn nch dr Norm di Bdtng inr Abhängigkit dr gstrtn Eingäng von dn trsignln. Im Einzlnn sind dis: Gn Vn Nn Mn ENn Ln Tn n,n n An ND-Vrknüpfng mit inm odr mhrrn Eingängn ODE-Vrknüpfng mit inm odr mhrrn Eingängn EXO-Vrknüpfng (Antivlnz-chltng) mit inm odr mhrrn Eingängn Mod (Btribsrtnfstlgng) Enbl-Eingäng (Frigbsignl) Lod-Eingäng (Übrnhmsignl für n bstimmtn Eingängn nlignd Informtionn) Toggl-Eingäng t- nd st Eingäng lock- odr Tkt-Eingäng Adrssn - Eingäng Anhnd von Bispiln solln di Knnzichnngn dr Eingäng nn nähr rlätrt wrdn.

154 Elktronisch chltngn Bispil. Bistbil Elmnt: D J K Q Q Q Q Drch di Knnzichnng mit zwi Asgängn, di in nichtinvrtirt nd in invrtirt logisch Informtion nzign, ist üblichrwis z rknnn, dss in bistbils Logiklmnt nthltn ist. Hir hndlt s sich m in D-Flipflop, dssn logischr Pgl m Eingng D mit dr nstigndn Flnk ds ignls m Eingng übrnommn, nd sofort n dn Asgng witrglitt wird. Hir hndlt s sich m in JK-Flip-Flop, dssn logisch Pgl m Eingng J bzw. K mit dr nstigndn Flnk ds ignls m Eingng übrnommn, nd sofort n dn Asgng witrglitt wrdn. Mn spricht ch dvon, dss mit dr nstigndn Flnk ds Blmnt gtriggrt wird.. Komplx Bstin: G G A B D A B D Hir wird in sognnntr Bstribr-Bstin mit Tristt- Asgng drgstllt. Er nthält in trlmnt nd cht Logiklmnt. Dr tringng G ist mit dn Eingängn A - D nd dr Eingng G mit A - D drch in ND-Fnktion vrknüpft. Ligt m Eingng G in LOW-Pgl n, so wrdn di ntsprchndn logischn Pgl n dn Eingängn A - D n di zghörign Asgäng drchgschltt. Entsprchnds gilt für G nd di Eingäng A bis D. Ligt n dn tringängn in HIGH-Pgl n, sind di Asgäng hochohmig. A B D E F 0 } G Y 4 z Mltiplxr: 0 Ds Zichn G sgt s, dss di Eingäng 0 nd ls 3 binär Adrss dr Eingäng bis F fzfssn sind nd mit inm von disn in ND-Fnktion bildn. Bispilswis ist für A, B0 dr Eingng D mit dm Asgng Y "vrbndn". Whrhitstbll: B A Y D 0 E F

155 Elktronisch chltngn chltkrisfmilin Lrnzil: Knnnlrnn ds Afbs dr ntrschidlichn chltkrisfmilin für intgrirt Digitlschltngn chltkrisfmilin mit bipolrn Trnsistorn chltkrisfmilin in MO Tchnik Vrsthn von lktronischn chltrn mit Fldffkt Trnsistorn 8. Bipolr intgrirt chltngn Logisch Gttr bildn di lmntrn Grndbstin digitlr chltngn nd ystm. Di Bzichnng Gttr (Tor) wist drf hin, dss dis Tor drch dn Einflss dr n dn Eingängn ligndn pnnngn göffnt odr gschlossn wrdn könnn. Af dis Art nd Wis könnn Informtionn witrglitt odr ihr Witrlitng vrhindrt wrdn. Di logisch Fnktion dr Gttr, d.h. di logisch Vrknüpfng von As- nd Eingängn, wird mit Hilf dr chltlgbr bschribn. Di mistn indstrill hrgstlltn chltngn nthltn ls Grndlmnt NAND- bzw. NO-Gttr. Dis Gttr sind ökonomisch günstig hrstllbr nd nivrsll instzbr. As dr Vorlsng Grndlgn dr Digitltchnik sind di grndlgndn Fnktionn dr chltlgbr nd ihr lisirng mit Hilf von chltwrkn bknnt. lisschltngn sind ls infch chltwrk instzbr. i wrdn ht noch in dr trkstromtchnik ingstzt. Komplxr logisch Vrknüpfngn rfordrn jdoch nivrsll instzbr nd schnll Gttr. Dis Gttr könnn mit Diodn, bipolrn Trnsistorn odr MO-Trnsistorn fgbt wrdn. Gttr, di nch bstimmtn Prinzipin fgbt wrdn, nnnt mn in chltkrisfmili. Gttr inr chltkrisfmili lssn sich problmlos z komplxn Vrknüpfngsschltngn zsmmnschltn, d si inhitlich pnnngspgl für HIGH- nd LOW-Pgl hbn. 8.. DTL-chltngn Wird di logisch Vrknüpfng dr Eingngssignl mit Diodn vorgnommn, rhält mn di Diodn-Trnsistor-Logik (DTL). Bild 8. zigt in NAND-Gttr mit zwi Eingängn. Ligt n dn Eingängn in H-Pgl n, sind di Eingngsström fgrnd dr in prrrichtng btribnn Eingngsdiodn gring. Ligt n dn Eingängn in LOW-Pgl (L-Pgl) n, wird dr trom in dn Asgngstrnsistor ds vorhrign Gttrs drch dn Widrstnd bstimmt. Bi Gttrn mit mhrrn Eingängn ddirn sich di tröm, so dss m Widrstnd in rcht hoh Vrlstlistng ntsthn knn. Dr Widrstnd 3 dint zm schnlln Ablitn dr Bsisldng ds Asgngstrnsistors bim Asschltn. L Y A B E E D D 3 A Bild 8. chltbild ins DTL - NAND -Gttrs mit zwi Eingängn.

156 Elktronisch chltngn 48 Erstzt mn di Diod D dr DTL-chltng nch Bild 8. drch inn Trnsistor nd inn witrn Widrstnd (sih Bild 8.), so wird dr Eingngsstrom I E für inn L-Pgl m Eingng m dn Fktor /( ) vrklinrt nd dmit z: I E D E 8. 5 V 5 V L L Y Y A I E A I E B B E E D 3 A E E 3 A ) b) 5 A V 0 () 5 () 0 0,5 5 7,5 0 5 c) E / V Bild 8. ) DTL NAND - Gttr mit zwi Eingängn nd rhblich klinrn Eingngsströmn ls nch Bild 8., b) DTL NAND - chltng mit großm törbstnd, c) Übrtrgngsknnlinin: () norml p-n-diod D nch Bild 8., () Znr-Diod nch Bild 8.b. D ist di Drchlss-pnnng dr Eingngsdiod nd E di stspnnng ds vollständig ingschlttn Asgngstrnsistors dr vorhrghndn tf. Bild 8. zigt dis vrbssrt Vrsion dr DTL-chltng für in Vrsorgngsspnnng 5 V. Drch di dzirng ds Eingngsstroms wird ch di Vrlstlistng im Gttr dtlich rdzirt. Wird nstll dr ilizim-diod D zwischn Eingngs- nd Asgngstrnsistor in Znr- Diod mit Z 6,8 V ingstzt nd di DTL-chltng bi inr Vrsorgngsspnnng von 5 V btribn (Bild 8.b), rhält mn inn wsntlich größrn törbstnd nd in nhz symmtrisch Übrgngsknnlini m dn chltpnkt wi Bild 8.c zigt.

157 Elktronisch chltngn TTL-chltngn Im Ggnstz zr DTL-chltng wird di logisch AND-Vrknüpfng dr Eingngssignl ins Gttrs bi dr TTL-Tchnologi (Trnsistor-Trnsistor-Logik) mit inm Mlti-Emittr- Eingngstrnsistor drchgführt. Mlti-Emittrtrnsistorn könnn bsondrs pltzsprnd intgrirt wrdn, d di Emittrdiffsionsbrich nbninndr ohn zsätzlich p-n- Isoltionsring im glichn Bsisdiffsionsbrich ngbrcht wrdn. Ein bsondrs infch Aslgng inr TTL NAND-chltng mit inm Mlti-Emittr-Trnsistor m Eingng nd inm Trnsistor mit "offnm" Kollktor m Asgng zigt Bild 8.3. m di logischn pnnngspgl m Asgng fzbn, mss in xtrnr Lstwidrstnd L zwischn Vrsorgngsspnnng nd dm Kollktor ds Asgngstrnsistors vorhndn sin. L Y Y A B T T Bild 8.3 TTL NAND - Grndschltng mit npn-trnsistorn nd offnm Kollktor. Wrdn n inn dr bidn Eingäng A odr B in L-Pgl nd n dn ndrn in H-Pgl nglgt, ist dr Trnsistor T ingschltt. An dr Bsis ds Trnsistors T ligt dnn bnflls in L-Pgl n, so dss T sprrt. Dr Kollktor ds Trnsistors T, dr ls Asgng dr chltng dint nd übr inn xtrnn Widrstnd L mit vrbndn ist, ligt dmit f dm H-Pgl. Dr Bsisstrom von T flißt drch dn f L-Pgl ligndn Gttr-Eingng s dm chltkris hrs. Di mm llr Emittrström ist glich dm Bsisstrom von T, dr shr klin ist. Wird nn n bid Eingäng A nd B in H-Pgl nglgt, so wird di pnnng m Emittr von Trnsistor T höhr ls di pnnng m Kollktor ( BE(T) ) nd dr Trnsistor wird invrtirt btribn (Invrsbtrib). Dr Bsis-Kollktor p-n-übrgng ist in Drchlssrichtng gpolt. Übr di Bsis-Kollktor-Diod von Trnsistor T flißt in Drchlssrichtng in Bsisstrom in dn Trnsistor T nd schltt disn in. Am Asgng Y stllt sich in L-Pgl in, d.h. di Kollktor-Emittr-ättigngsspnnng. Di Entldng inr Kpzität m Asgng Y knn shr schnll rfolgn, d dr Widrstnd E zwischn Kollktor nd Emittr ds Trnsistors T im ingschlttn Zstnd shr klin wird. Dmit dr L-Pgl inn möglichst nidrign Wrt nnimmt, mss zglich ds Vrhältnis L / E möglichst groß sin. Andrrsits führt in z großr Widrstnd L f z groß Zitkonstntn L bim Afldn dr Lstkpzität m Asgng Y dr chltng. Ach würd di pnnng H ds H-Pgls strk von dr Zhl dr ngschlossnn Gttr bhängig wrdn: H n I 8. E L Wobi n di Anzhl dr Eingäng ist, nd I E dr Eingngsstrom ins Eingngs.

158 Elktronisch chltngn 50 4 k Ω,6k Ω 5 V 400 Ω 4 T 4 I E A B T T D 4 Y I A T 3 E E k Ω 3 A Bild 8.4 chltbild inr tndrd TTL - NAND chltng. Drch di Erwitrng mit inr Emittrfolgrstf wrdn di Eingngsström noch klinr nd di Ändrng dr Eingngsspnnng vrstärkt, d.h. di Übrtrgngsknnlini fällt stilr b. Di Ggntktndstf mit nidrigm Asgngswidrstnd rmöglicht in wsntlich schnllr mldng dr Lstkpzität, ls dis vorhr mit dm Lstwidrstnd L möglich wr. Dis tndrd-ttl-chltng ins NAND-Gttrs mit Eingngsschtzdiodn nd dr Ggntkt-Endstf dr sognnntn "Totm-Pol Asgngsstf ist in Bild 8.4 drgstllt. Im Ggnstz z dr in Bild 8.3 drgstlltn chltng bnötigt mn kinn xtrnn Lstwidrstnd, m bid logisch Pgl dfinirt inzstlln. Ligt n inm dr bidn Eingängn A odr B in pnnng E 0 V n, litt dr Trnsistor T. Di Trnsistorn T nd T 3 sind gsprrt nd Trnsistor T 4 ist litnd, so dss dr Asgng dr chltng sich im High-Zstnd bfindt. Di Endstf knn inn rltiv großn Asgngsstrom lifrn, dr dnn di Lstkpzität schnll flädt. Ligt n bidn Eingängn in hoh Eingngsspnnng E E 5 V n, sind T nd T 3 ingschltt (in dr ättigng), nd T 4 sprrt. Di Lstkpzität knn dmit übr T 3 schnll ntldn wrdn. Gttr mit Tri-tt Asgng Bi Anwndngn, in dnn TTL-chltkris n Bssystm ngschlossn wrdn, ist s zwckmäßig, chltkris mit Tristt Asgng inzstzn. Bi disn chltkrisn knn dr Asgng drch in trsignl in dn hochohmign Zstnd gschltt wrdn. Dr Asgng disr chltkris knn somit dri Zständ nnhmn: LOW- nd HIGH-Zstnd mit inm nidrohmign Asgngswidrstnd nd inn hochohmign Zstnd. Dn hochohmign Zstnd rlisirt mn drch prrn dr bidn Asgngstrnsistorn. Bild 8.5 zigt di chltng ins TTL-Gttrs mit Tristt Asgng. Bim Anlgn ins H-Pgls n dn tringng wrdn di Trnsistorn T 7 nd T 8 litnd. Ds bwirkt, dss dr dritt intrn Eingng ds Mlti-Emittr- Trnsistors T f Nll gzogn wird, wodrch T nd T 5 gsprrt wrdn. Zsätzlich rnidrigt D di Bsisspnnng von T 3 f tw 0,7 V, so dss ch T 3 nd T 4 gsprrt sind. Dr Asgng ds Gttrs ist somit hochohmig. Ds trsignl wird ch otpt nbl - ignl gnnnt. Bim Anlgn ins L-Pgls n wird T 6 litnd nd dmit T 7 nd T 8 gsprrt. Di chltng rbitt ls normls TTL Gttr mit zwi Eingängn. Dr Asgng ist ktiv, d. h. r knn L- odr H-Pgl nnhmn. tndrd-ttl-chltngn hbn in groß Gttrlfzit, d di Trnsistorn in di ättigng mschltn.

159 Elktronisch chltngn 5 Bild 8.5 chltbild inr TTL chltng mit Tristt-Asgng chottky- nd Low-Powr chottky-ttl-chltngn Zr Vrwirklichng krzr Gttrlfzitn mss nbn dn Abfll- nd Anstigszitn vor lln Dingn di pichrzit klin ghltn wrdn. Di pichrzit bim bipolrn Trnsistor ist in Effkt, dr drch di Fordrng nch inm schnlln Einschltn ds Trnsistors nd inr klinn Kollktor - Emittr - stspnnng hrvorgrfn wird. Bids rfordrt inn rltiv großn Bsisstrom. Wird di Eingngsspnnng E sprngrtig von 0V f rhöht, wird ch sprngrtig in Bsisstrom i B flißn, dr im Einschltmomnt fgrnd dr prrschichtkpzität dr Bsis-Emittr-Diod übrschwingt (Bild 8.6 b). Dr Trnsistor wird litnd, d.h. di Kollktor-Emittr-pnnng E sinkt vom H-Pgl f dn L-Pgl b. Di Bsis-Emittr-pnnng bträgt BE 0,7 V. Erricht di Kollktor-Emittr-pnnng Wrt ntr 0,7 V, wird nn ch di Bsis-Kollktor-Diod litnd. Dr Kollktor knn jtzt nicht mhr di vom Emittr injizirtn Ldngsträgr s dr Bsis fnhmn; vilmhr wrdn ch noch vom Kollktor Ldngsträgr in di Bsis mittirt. Dmit bfindn sich vil mhr fri Ldngsträgr in dr Bsis, ls notwndig. Bim Abschltn ds Trnsistors mss jtzt zrst di in dr Bsis vorhndn übrschüssig Ldng bgbt wrdn, bvor di Kollktor-Emittr-pnnng widr 0,7 V rricht, nd dr Kollktor widr ls Kollktor rbitn nd dmit dr Trnsistor mit dm Abschltn bginnn knn. Di dz notwndig Zit nnnt mn pichrzit. Dr Trnsistor ht lso in wsntlich größr Vrzögrngszit bim Abschltn ls bim Einschltn (t pdlh >> t pdhl ). Dr Eintritt in di ättigng knn drch inn großn Bsisvorwidrstnd B nr bis z inm gwissn Grd vrmidn wrdn, d im prktischn Btrib zr Gwährlistng ds ntrn pnnngspgls, trotz Exmplrstrngn, chwnkngn dr Tmprtr, dr Vrsorgngsspnnng nd vrschidnr Blstngn m Asgng, di Kollktor-Emittr- pnnng klin wrdn mss. Ein witr Möglichkit bstht drin, prlll zm Bsiswidrstnd inn Kondnstor z lgn. Drch dn shr klinn Blindwidrstnd ds Kondnstors bim chltvorgng wrdn zwr bim Ein- nd Asschltn di Abfll- bzw. Anstigszit dr Asgngsspnnng rdzirt, br mit dm Nchtil, dss groß Widrständ

160 Elktronisch chltngn 5 nd Kpzitätn intgrirtr chltngn in groß hipobrfläch bnsprchn nd dmit für höhr Intgrtionsdichtn nicht gignt sind. Käflich intgrirt Digitlschltngn bsitzn dshlb kin linrs -Glid m Eingng, sondrn in nichtlinr chottky-diod zr Bgrnzng dr Bsis-Kollktor-pnnng. Di chltng ins chottky-diodn-invrtrs nd di zghörign trom- nd pnnngsvrläf sind in Bild 8.6 z shn. Nch Anlgn inr sprngförmign positivn pnnng E übrnimmt znächst dr Trnsistor dn volln Bsisstrom i B i B, d di Asgngsspnnng noch größr ls di Eingngsspnnng, d.h. A > E ist, nd dhr di chottky-diod gsprrt blibt. Wnn di Asgngsspnnng ntr E 0,7 V bsinkt, wrdn glichzitig di chottky- nd di Bsis-Kollktor-Diod in Drchlssrichtng btribn. Di chottky-diod übrnimmt br dn übrschüssign Bsisstrom, d si mit KD 0,3 V in m tw 0,4 V klinr Knickspnnng ls di p-n-diod ds Trnsistors zwischn Bsis nd Kollktor bsitzt, so dss ltztr wit ntrhlb ihrr Knickspnnng btribn wird. Dr Bsisstrom i B ds chottky-diodn-trnsistors knn nch Bild 8.6b wsntlich größr gwählt wrdn ls für dn qsisttionärn Kollktorstrom notwndig wär ( i B >> i B ). Dr L-Pgl dr Asgngsspnnng rhöht sich br m di Knickspnnng dr chottky-diod. L Y i ) B i B i D i' B i' E B E A E i B i B i' B 0 i D i' B t b) A E 0 t Bild 8.6 () Emittrschltng mit diskrtr chottky-diod zwischn Bsis nd Kollktor zr Vrmidng dr ättigng, ymbol ins Trnsistors mit intgrirtr chottky-diod, (b) Zitbhängigkit dr tröm nd pnnngn bim Ein - nd Asschltn.

161 Elktronisch chltngn 53 Dmit wird di ättigng dr Bsis vrmidn. Bim Asschltn knn dshlb dr Bsisstrom ds chottky-trnsistors prktisch ohn Vrzögrng dr pnnng folgn, d sich kin übrschüssign Ldngsträgr in dr Bsis bfindn, lso ch kin pichrffkt xistirt. Di Asgngsknnlininfldr ins Trnsistors mit nd ohn chottky-diod sind in Bild 8.7 nd b gzigt. Ein I- Knnlini inr inzlnn chottky - Diod ist in Bild 8.7c z shn. Di bidn Trnsistorknnlinin ntrschidn sich im Wsntlichn nr drch in m tw KD 0,3 V größr Kollktor-Emittr-stspnnng ds chottky-diodn-trnsistors, d in Asstrng bis tif in di ättigng, B > 0,3 V, vrhindrt wird. 60 I ma I B I B 0 µ A / tf ) 0 0,5,0,5,0,5 3,0 3,5 4,0 E / V Bild 8.7 Knnlininfldr ds Trnsistors nd dr chottky-diod dr Invrtrschltng in Bild 8.6: ) Trnsistor ohn chottky-diod, b) Trnsistor mit chottky-diod, c) Knnlini dr chottky-diod zwischn Bsis nd Kollktor Ein chottky-diod knn mit wnigr ls 0% zsätzlichr hipfläch intgrirt wrdn ohn dss Zlitngskpzitätn ftrtn. Di chottky-trnsistor-logik ht ggnübr dr gsättigtn Trnsistorlogik di folgndn Vortil:. wsntlich kürzr chltzitn drch Vrmidng dr ättigng,. klinr Vrlstlistng drch klinr pnnngshüb, klinr mschltnrgin, 3. höhr tromvrstärkng, d in Gold-Dotirng nicht mhr gbrcht wird, m drch vrstärkt kombintion di ättigngszit z rdzirn, 4. flxiblrr chltngsntwrf, d p-n- nd chottky-diodn sowi npn-trnsistorn zr Vrfügng sthn.

162 Elktronisch chltngn 54 Dis Vortil rricht mn f Kostn:. ins sgfiltrn nd fwndigrn Entwrfs insbsondr für bsondrs schnll chltngn,. gringrr tchnologischr Hrstllngstolrnzn, 3. ins klinrn törbstnds infolg inr größrn Kollktor-Emittr stspnnng. Di chottky-diodn-tchnik ht sich ht für di mittlrn nd höhrn Gschwindigkitsbrich witghnd drchgstzt.,8 k Ω 900 Ω 50 Ω 6 T5 T4 A B T T 5 3,5 k Ω Y T3 3 E E A Bild 8.8 chottky - TTL - NAND Gttr mit chottky - chtzdiodn m Eingng Bild 8.8 zigt in infch Aslgng ins chottky-ttl-gttrs, di prktisch idntisch mit dr TTL-chltng in Bild 8.4 ist. Low-Powr-chottky-TTL Drch dn Einstz dr chottky-diod wird di ättigng dr Trnsistorn vrmidn. Ds führt z inr rltiv hohn Vrlstlistng dr chltkris. Di Eingngsschltng dr Low-Powr- chottky-chltngn (L-TTL) wichn dtlich von dr TTL-Grndschltng b. i bsirn f dr Diodnvrknüpfng, wi si brits bi dr DTL-Fmili ingstzt wrd. Bild 8.9 zigt di chltng ins L-TTL-Gttrs. 5 k Ω k Ω 00 Ω A 4 k Ω Y B 0 k Ω,5k Ω 3k Ω Bild 8.9 Low-Powr chottky - TTL - NAND Gttr mit chottky - chtzdiodn m Eingng

163 Elktronisch chltngn 55 Di bidn Eingäng sind mit chottky-diodn zr logischn Vrknüpfng nd inr chtzschltng vor ngtivn Übrspnnngn sglgt. Logik-Fmili: t / ns pd P stt / mw L / Ω Gsättigt Tchnik: N ngsättigt Tchnik: N 74 L N N 74 AL N 74 A 00,7 8 0 Tbll 8. Übrsicht übr bipolr Logikfmilin. Es bdtn: L : Low-Powr chottky; : chottky; AL: Advncd Low-Powr-chottky; A: Advncd chottky. In Tbll 8. sind di typischn Dtn ins NAND-Gttrs mit zwi Eingängn dr Brih 74.. von Txs Instrmnts für di wichtigstn TTL-chltkristchnologin zsmmngfsst. Di nggbnn Gttrlfzitn gltn für in Lstkpzität von L 5 pf 8..5 Übrsicht übr di chltkrisfmilin Tbll 8. Übrsicht übr di chltpgl dr vrschidnn chltkrisfmilin Eingngspgl / V Asgngspgl / V Low High Low High min. mx. min. mx. min. mx. min. mx. DTL -,4 3, ,5 4,0 - TTL - 0,8, ,4,4 - L-TTL - 0,8, ,4,4 - NMO -0,5 0,65, 5 0 0,45,4 5 MO ,0 4,99 5

164 Elktronisch chltngn 56 Tbll 8.3 Übrsicht dr bipolrn Logikschltkris

165 Elktronisch chltngn MO-chltkris Di MO-Tchnologi ht ggnübr dr bipolrn Tchnologi folgnd Vortil, di ihrn Einstz für di Hrstllng von intgrirtn chltkrisn bstimmn: Gringr Bdrf n hipfläch Einfch Hrstllngstchnologi Klin Vrlstlistng Listngslos strbr Ggnwärtig hbn di n-knl-mo-, MO- nd BiMO-Tchnologi in prktisch Bdtng für Is. 8.. NMO-chltngn chltt mn inn n-knl MO-Trnsistors vom Anrichrngstyp übr inn ohmschn Widrstnd DD n di Btribsspnnng DD, so ntstht in wichtig Grndschltng dr Digitltchnik (sih Bild 8.9). Dis chltng ntspricht dr orc-grndschltng, di in Kpitl 3.4 bsprochn wrd. Bi dr Eingngsspnnng E 0 m Gt ist dr Trnsistor gsprrt nd di Asgngsspnnng ht dn mximln Wrt DD. mgkhrt ist di Asgngsspnnng shr klin, wnn di Eingngsspnnng inn großn Wrt ht, z.b. DD 0 V. Dis Grndschltng ht di Fnktion ins Invrtrs. Mn spricht von inm logischn Invrtr, wnn di pnnng m Eingng nr zwi Pgl nnhmn knn, z.b. 0,3 V nd 5 V odr 0 V, di häfig mit L (LOW) nd H (HIGH) gknnzichnt wrdn. olch Invrtr könnn f infch Wis logisch hintrinndr gschltt wrdn, d.h. di Asgngsspnnng ds inn Invrtrs knn dirkt ohn zsätzlich chltmßnhmn mit dm Eingng ds folgndn Invrtrs gkopplt wrdn. In Bild 8.9 sind dri Möglichkitn für dn Afb ins Invrtrs in dr NMO Tchnik nd drn Übrtrgngsknnlinin gzigt. Bild 8.9 zigt inn Invrtr mit inm ohmschn Widrstnd ls Lst nd dssn Übrtrgngsknnlini. Bim Drchlfn dr Eingngsspnnng E von Nll bis DD glngt dr chlttrnsistor vom prrbrich übr dn ättigngsbrich bis in dn linrn Brich. D di Hrstllng von Widrständn shr tr ist nd vil hipfläch bnötigt, ist s infchr inn Lsttrnsistor s dr glichn tchnologischn Brt nch Bild 8.9b inzstzn bi dm Gt nd Drin mitinndr vrbndn sind ( G D ). Dr Lsttrnsistor rbitt hir ls nichtlinrr Widrstnd. Für Eingngsspnnngn, di dn Trnsistor sprrn, blibt in pnnngsbfll übr dm Lsttrnsistor. omit ist di Asgngsspnnng im H-Pgl m tw th gringr ls bi inm ohmschn Lstwidrstnd. Disr Nchtil wird vrmidn, wnn ls Lsttrnsistor nstll ins Anrichrngstyps in Vrrmngstyp mit inr ngtivn chwllspnnng ingstzt wird, bi dm orc nd Gt vrbndn blibn, lso G 0 ist. Disr Fll ist in Bild 8.9c drgstllt. Di voll Btribsspnnng stht wi bi inm linrn Lstwidrstnd ls Asgngsspnnng zr Vrfügng. Dr Lsttrnsistor vom Vrrmngstyp wirkt in inm witn pnnngsbrich wi in tromqll. Dr mximl trom nd di Vrlstlistng (I L ) sind rhblich klinr drch dn Einstz ins Lsttrnsistors vom Vrrmngstyp nstll ins Trnsistors vom Anrichrngstyp. Di Übrgngsknnlini ist in Bild 8.9c ingzichnt. Di Lstknnlinin für dn ohmschn Widrstnd nd di bidn Trnsistorn sind in Bild 8.9d in ds Knnlininfld ds chlttrnsistors ingzichnt.

166 Elktronisch chltngn 58 DD E DD A / V ) E A V E DD A / V b) E A V E DD A c) E / V Bild 8.9 chltbildr nd Übrtrgngsknnlinin ins Invrtr ) mit Lstwidrstnd, b) mit Lsttrnsistor vom Anrichrngstyp (AT) nd c) mit Lsttrnsistor vom Vrrmngstyp (VT). A V

167 Elktronisch chltngn 59 I D ma,,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,0 5,0 AT 4,0 3,5 0,4 3,0 0,3 VT 0,,5 0,,0 0, DD D / V Bild 8.9 d Knnlininfld ds chlttrnsistors mit dn Lstfnktionn dr dri Invrtr nch 8.9 -c. G V Vrknüpfngsglidr mit NMO-chltngn Bild 8.0 zigt in NO- nd NAND-chltng in NMO-Tchnik mit inm ohmschn Arbitswidrstnd. Ein NO-Gttr ntstht ddrch, dss mn di Asgäng mhrrr Invrtr prlll schltt nd nr in Lstwidrstnd für ll Invrtr ingstzt wird. DD DD Y ) A B A B DD DD Y A B b) A B Bild 8.0 ) NO- nd b) NAND - chltng mit n-knl MOFETs vom Anrichrngstyp.

168 Elktronisch chltngn 60 DD DD Y Y B A B A Bild 8. NO- nd NAND - chltng mit n-knl MOFETs vom Anrichrngstyp mit Lsttrnsistor vom Anrichrngstyp. Wird inr dr dri Eingäng mit dm H-Pgl ngstrt, so schltt dr Asgng f dn L- Pgl. Zr lisirng inr NAND- chltng wrdn di Eingngstrnsistorn in ih gschltt. Ligt n lln dri Eingängn H-Pgl n, so schltt dr Asgng f LOW. Bild 8. zigt di chltngn von NAND- bzw. NO-Gttrn mit Lsttrnsistor. 8.. MO-chltngn Afb nd Fnktionswis ins MO-Grndgttrs wrdn im Kpitl 3.5 bsprochn. Di Bildr 3.79 nd 3.34 zign ntsprchnd di chltng nd Übrtrgngsfnktion inr MO Grndschltng. Di Übrtrgngsfnktion ist bi dr Hälft dr Vrsorgngsspnnng shr stil nd vrläft symmtrisch zm mschltpnkt. Ds infch Grndgttr bildt inn Invrtr, dr nochmls in Bild 8. drgstllt ist. Di Übrtrgngsknnlinin ds MO- Invrtrs für vrschidn Btribsspnnngn sind in Bild 8.b gzigt. Ein NAND-chltng in MO-Tchnologi, di 3 Eingngssignl vrknüpft, ist in Bild 8.3 z shn. Nr wnn ll Eingäng A bis in positiv pnnng führn, di dm H-Pgl ntspricht, sind di dri in ih gschlttn n-knl Trnsistorn litnd, so dss dr Asgng Y dn L-Pgl nnimmt. D in dism Fll di dri prlll gschlttn p-knl Lsttrnsistorn sprrn, flißt bis f Lckström kin trom übr di NAND-chltng, wnn dr L- odr H- Zstnd m Asgng rricht wordn ist. Groß tröm nd Vrlstlistngn trtn krzzitig DD V 5 0 DD 5 V DD 0 V A Y 5 DD 5 V ) b) / V Bild 8. ) chltng ins MO-Invrtrs nd b) Übrtrgngsknnlinin für vrschidn Btribsspnnngn.

169 Elktronisch chltngn 6 DD Y A B Bild 8.3 chltng ins NAND-Gttrs in MO-Tchnik. währnd ds mschltns f, wnn bispilswis A nd B f dr Vrsorgngsspnnng DD lign nd dn Brich m DD / drchläft. Di mittlr Vrlstlistng dr MO-NAND- chltng blibt lso wi bi inm MO-Invrtr ßrordntlich klin. Wird dr Asgng Y dr chltng in Bild 8.3 drch groß Eingngskpzitätn dr folgndn tfn blstt, müssn di Trnsistorn ntsprchnd groß sglgt wrdn m di notwndign tröm zm Af- nd Entldn dr Lstkpzitätn fzbringn. Di Afldzitkonstnt τ ist dm Drchlsswidrstnd ins Lsttrnsistors dr NAND-chltng proportionl. Dhr knn di Hlblitrobrfläch dr NAND-chltng minitrisirt wrdn, wnn di Lstkpzität klin blibt. Dm Asgng von MO-Grndgttrn sind nr klin tröm ntnhmbr, di grd zr Anstrng von wnign MO Eingängn odr inm Eingng von Low-Powr (L)-TTL- chltngn srichn. m dn Asgngsstrom z rhöhn, wrdn Pffrstfn ingstzt. Bild 8.4 zigt in NAND-Gttr mit zwi nchgschlttn Invrtrn ls Asgngspffr. Ein NAND-Gttr in Bild 8.4 rzgt ls Fnktion dr Eingngssignl m Asgng ntwdr in nidrohmig Vrbindng mit dr Mss odr dr Vrsorgngsspnnngslitng. i sind lso nicht gignt für dn dirktn Anschlss n di Litng ins Bssystms mit viln ndrn, di z vrschidnn Zitn nd n vrschidnn Ortn inspisn solln. Dhr wrdn chltngn bnötigt, drn Asgng währnd dr ndps nbhängig von dn logischn Eingängn hochohmig ist. Mn spricht von Tristt-chltngn, wnn nbn dn bidn logischn ch in hochohmigr Zstnd ingstllt wrdn knn. Ein Tristt-Invrtr DD Y A B Bild 8.4 chltng ins NAND-Gttrs mit Tribrstfn in MO-Tchnik.

170 Elktronisch chltngn 6 t DD Y t A Y 0 X HiZ 0 0 A ) b) Bild 8.5 Tristt MO-Invrtr. ) chltng, b) Whrhitstbll ist in Bild 8.5 skizzirt. Ligt sin trspnnng t n Mss, so wird dr Asgng Y drch j inn gsprrtn Trnsistor von Mss nd Vrsorgngsspnnng gtrnnt. Für t H ist di norml Invrtrfnktion gwährlistt Anpssngsschltngn Müssn innrhlb inr lktronischn chltng intgrirt chltkris vrschidnr Logikfmilin vrwndt wrdn, ist s notwndig, di Art nd Wis dr Vrbindng z knnn. Di Zsmmnschltng von MO-chltkrisn mit TTL-chltngn bi vrschidnn Vrsorgngsspnnngn zigt Bild 8.6. Wi Bild 8.6 ngibt, könnn di Asgäng von MO-Bstinn dirkt mit dn Eingängn von TTL-Bstinn vrbndn wrdn, wnn in inhitlich Vrsorgngsspnnng von 5 V vorhndn ist. Wrdn MO-I s mit inr Vrsorgngsspnnng von 5 V ingstzt, 5 V MO TTL ) DD 5 V 5k Ω 5 V MO 7,5k Ω 60 Ω TTL b) DD 5 V MO 5 V L-TTL c) Bild 8.6 Anpssngsschltngn von vrschidnn MO - chltngn mit Vrsorgngsspnnngn von 5 V nd 5 V f TTL- nd L-TTL chltngn.

171 Elktronisch chltngn 63 TTL 5k Ω MO DD 5 V ) 5 V TTL 0k Ω MO DD 5 V b) Bild 8.7 Anpssngsschltngn von TTL - f MO chltngn. mss zr Anstrng von tndrd-ttl Bstinn in chltng nch Bild 8.6 b zr Anpssng dr Logikpgl fgbt wrdn. Di Invrsion ds ignls drch di Anpssngsschltng stllt kin Problm dr, wil i drch inn witrn Invrtr f dr MO - odr TTL - it licht kompnsirt wrdn knn. Ein Anpssngsschltng ntfällt in dr gl, wnn nstll von tndrd-ttl-, Low-Powr- chottky-ttl-bstin vrwndt wrdn (Bild 8.6 c), d bi Eingngsspnnngn > 5 V di chottky-diod in prrrichtng btribn wird. Bi inr Vrbindng ds Asgngs ins Gttrs in TTL-Tchnologi mit Eingängn von MO-chltkrisn, sollt immr in sognnntr Pll-p-Widrstnd nch dn Bildrn 8.7 nd b ingstzt wrdn, m dn H-Pgl ds TTL-Asgngs nzhbn. Dmit wird rricht, dss m MO-Eingng ch indtig dr H-Pgl nligt. Ach wird ddrch dr törbstnd m Eingng dr MO-chltng vrgrößrt MO-Brih 4000 Dis MO-Brih wr di rst fnktionsfähig ih in MO-Tchnologi, di vrglichbr Fnktionn zr TTL-chltkrisfmili nbot. Jdr chltkris disr Fmili nthält zsätzlich Asgngspffr. Ds ht mhrr Vortil: größr Asgngstribrfähigkit, höhrr sttischr törbstnd infolg dr wsntlich stilrn Übrtrgngsknnlini, höhrr dynmischr törbstnd wgn ds klinrn Asgngswidrstnds sowi kürzr Vrzögrngs- nd chltzitn. Di chltngn dr MO-Brih 4000 könnn im Btribsspnnngsbrich von 3 bis 5 V btribn wrdn. Dbi bträgt di sttisch tromfnhm typischr Gttr bi 5 V Btribsspnnng für Invrtr µa, für Flipflop 4 µa nd für höhr intgrirt chltngn c. 50 µa. Di typischn Eingngs-stström sind klinr ls 0,3 µa. Di typisch Vrzögrngszit bi inr kpzitivn Lst von 50 pf bträgt bi 5 V 55 ns für in infchs NAND-Gttr Hochgschwindigkits-H/HT-ih it 98 wrdn schnll MO-Logikschltkris hrgstllt, di tw di Gschwindigkit dr Low-Powr chottky-ttl-fmili fwisn. i hbn dn Vortil, dss si bdingt drch di gring Listngsfnhm bis in dn Frqnzbrich von inign MHz wsntlich nidrigr Vrlstlistng hbn. Dis höhr chltgschwindigkit wrd ddrch rzilt, dss nstll ds bi dr 4000r ih vrwndtn Mtll-Gts in ilizim-gt Vrwndng findt. Di Hrstllng dr schnlln H/HT-ihn führt in großm mfng zr Ablösng dr bis z dism Zitpnkt dominirndn TTL- bzw. Low-Powr chottky-ttl-chltkris.

172 Elktronisch chltngn 64 DD D3 D T E D T Bild 8.8 Eingngsstf dr MO HT-chltkrisrih. Es gibt zhlrich ignl- nd Anschlsskomptibl Typn. Di H-ih knn mit Asgngssignln von TTL-chltkrisn ngstrt wrdn, mss br m Eingng mit inm Pll-p-Widrstnd bschltt wrdn, m dn ignlpgl gringfügig nzhbn. Di HT- ih ntrschidt sich ggnübr dn ndrn Brihn drch di rnidrigt mschltschwll. Ddrch ist dis ri voll TTL-komptibl. Di Hochgschwindigkits-MO-ihn H/HT hbn folgnd Vortil ggnübr dn ihn MO 4000 bzw. Low-Powr chottky-ttl: Vrglichbr chltgschwindigkit z Low-Powr chottky-ttl; Wsntlich klinr Listngsfnhm ls Low-Powr chottky-ttl bi nidrign nd mittlrn chltfrqnzn;. 0-fch chltgschwindigkit nd c. 0-fch Asgngstribr-Fähigkit im Vrglich zr MO-ih Eingngsstf Bild 8.8 zigt di Eingngsstf nd Bild 8.9 di Asgngsstf dr HT-ih. Drch D3 nd ddrch, dss T inn höhrn tromvrstärkngsfktor ls T fwist, wird di mschltschwll f c.,4 V bgsnkt, m ddrch in voll TTL-Komptibilität z rziln. D, D, nd schützn di Eingäng vor lktrosttischn Afldngn. Asgngsstf T6 nd T7 bildn in Ggntkt-Endstf. Di Asgngsstrom-Blstbrkit ds chltkriss ligt in dr Größnordnng von 30 bis 60 ma j nch Typ. D4 nd D5 rgbn sich drch prsitär pn-übrgäng. Ein tndrd-ht-asgng knn 0 Low-Powr chottky-ttl- Eingäng nstrn. Bild 8.9 Asgngsstf dr MO HT-chltkrisrih.

173 Elktronisch chltngn Advncd MO-ih A/AT Di wsntlichn Anwndr-Vortil disr chltkris-ih sind bi dr Bibhltng dr shr nidrign MO-Vrlstlistng in höhr chltgschwindigkit ggnübr dr H/HT- ih. o rrichn Toggl-Flipflops mximl Frqnzn größr ls 00 MHz sowi vrgrößrt Asgngsström, z. B. von ± 75 ma bi Tribrschltngn für 75 Ω Litngn. Witrhin hbn si in dtlich Vrringrng dr Amplitd von Asgngs-törspnnngn, di infolg von sonnzn nd flxionn im chltkris ftrtn könnn Advncd High-pd-MO-ih AH/AHT Dis MO-ih wrd 995/96 ingführt nd ht di vortilhftn Eignschftn dr H/HT-ih, jdoch in 3-fch höhr ignlvrrbitngsgschwindigkit nd nr 50 % dr sttischn Vrlstlistng. Dis ih wrd optimirt für inn Btribsspnnngs-Brich von,0 bis 5,5 V nd tilwis ch spzifizirt für Btribsspnnngn von 3,3 V. Di Eingngsspnnngn dürfn bis z 5 V btrgn. Typisch Flipflop-Tktfrqnzn könnn bis z 70 MHz bi 5 V btrgn. Di Asgngstribr-Fähigkit ligt bi ± 8 ma für 5 V. Trnd Zsmmnfssnd wolln wir noch inml di wichtigstn Vor- nd Nchtil von MO- chltngn fführn. Vortil: Extrm nidrigr Listngsvrbrch bi nidrign Frqnzn (sttisch Vrlstlistng im nw-brich); Hoh sttisch nd dynmisch törsichrhit ( 0,3 bis 0,45 E ); Extrm großr Btribsspnnngs-Brich ( bis 5 V, hrnschltkris bis hrb z 0,7 V); Witghnd Tmprtrnbhängigkit dr chltschwll. Nchtil: ltiv großr Flächnbdrf (tw 3-fch ggnübr NMO-Tchnik); Mhr Hrstllngsschritt ls bi NMO-chltngn. Di hoh törsichrhit, di infch Btribsspnnngs-Vrsorgng (nstbilisirt, shr gringr Listngsbdrf, Btribsspnnng von TTL-ystmn vrwndbr) nd di gring Listngsfnhm bi nidrign chltfrqnzn sind bi zhlrichn Einstzfälln rhblich Vortil ggnübr TTL-chltngn. MO-chltngn sind dhr sit Jhrn (tw b Mitt dr 80r Jhr) di wichtigst chltkris-tchnologi dr digitln chltkristchnik, insbsondr für höchstintgrirt chltkris. Allrdings wird bi dr Groß- nd Höchst- Intgrtion mist nicht di klssisch MO-Tchnik, sondrn in Kombintion von MOnd NMO-Tchnik vrwndt. Folgnd dri Grppn von MO-chltngn lssn sich ntrschidn:

174 Elktronisch chltngn 66. Klssisch MO-Tchnik j 50 % p- nd n-knl MO, vorwignd bi chltkrisn mittlrn Intgrtions-Grds (µprozssorn, AM, Logik). Vortil: Voll Asntzng dr Listngsfähigkit von MO-trktrn;. Vrhältnis p- z n-knl MO-Tchnik von 40:60 bzw. 0:80, typisch für di mistn 8- bit MO-Mikroprozssorn; Kompromiss zwischn vrtrtbrr Vrgrößrng dr hip- Fläch nd vrbssrtr MO-Listngsfähigkit; 3. hr grings Vrhältnis von p- z n-knl MO-Tchnik, d. h., gringr MO-Antil in NMO-trktrn, m di Listngsfähigkit ggnübr rinn NMO-trktrn bi km vrgrößrtr hip-fläch z vrbssrn. Bispil : DAM BiMO-chltngn Nbn viln Vortiln hbn MO-chltkris dn Nchtil, dss ihr Asgngstribrfähigkit klinr ist ls di von Endstfn mit bipolrn Trnsistorn. Ds ist z. B. bi Bstribr- chltkrisn für shr hoh chltfrqnzn in Nchtil (Tribn von größrn kpzitivn Lstn). Drch di Kombintion dr MO-Tchnologi mit bipolrn Trnsistorn lssn sich di günstign Eignschftn dr MO-Tchnik mit dnn dr Bipolrtchnik vrbindn. Bipolr Trnsistorn könnn infolg ihrr hohn tilhit bi Anstrng mit rltiv klinr Bsisspnnng groß Asgngsström mit shr stiln Flnkn lifrn, so dss Asgngskpzitätn bsondrs schnll mgldn wrdn. In dn Eingngs- nd dn Zwischnstfn von Gttrn sind MO-chltngn wgn ihrr shr gringn Listngsfnhm übrlgn. Di Firm Txs Instrmnts brcht 987 di rst BiMO- ih f dn Mrkt. In BiMO-chltngn wrdn nbn MO-Gttrn ch n-p-n-trnsistorn, vorzgswis in Endstfn, vrwndt. D zsätzlich tchnologisch chritt ggnübr MO-chltngn rfordrlich sind nd dr hipflächn-bdrf ggnübr MO bis z inm Fktor größr ist, stign di Hrstllngskostn. BiMO-chltkris vrwndn TTL-Pgl n dn ignn Asgängn. i sind mit TTL-Fmilin dirkt zsmmnschltbr. Ggnübr Bipolr- chltkrisn hbn si vor llm im hochohmign Zstnd von Tristt-Asgngsstfn inn dtlich gringrn Listngsbdrf (< 0 %). Mit stigndr chltfrqnz nimmt ihr Listngsfnhm nr wnig z, vrglichbr mit Bipolr-chltkrisn. Bild 8.9 Eingngsstf ins BiMO-Gttrs.

175 Elktronisch chltngn 67 D T E T T 3 Asgng A T 4 Bild 8.9b Asgngsstf ins BiMO-Gttrs. Eingngs-chltng Bild 8.8 zigt di vrinfcht Eingngsschltng dr ins BiMO-Gttrs. m m Eingng Komptibilität mit TTL-Pgln z rhltn, mss di mschltschwll ds MO-Invrtrs T, T3 tw,5 V btrgn. Di Btribsspnnng ds Invrtrs wird dhr mittls D nd T m tw,5 V vrringrt. Ds ht zsätzlich dn Vortil, dss dr bim mschltn ds Invrtrs ftrtnd trom-pik zwischn DG nd Mss vrkürzt nd vrklinrt wird. Für E L wird drch inn ückkopplngs-zwig, in dn T4 inbzogn ist, di orc-pnnng von T f di voll Btribsspnnng rhöht, dmit di nchfolgndn tfn sichr ngstrt wrdn. Zsätzlich rzgt dis ückkopplngs-chltng in Eingngsschlthystrs von 00 bis 00 mv, wodrch dr törbstnd vrgrößrt wird. Asgngs-chltng Bild 8.9b zigt vrinfcht in BiMO-Asgngsstf. Wnn dr tromschltr T litt, flißt trom übr nd T in di Bsis von T4. Folglich gilt : A AL. Zr glichn Zit sprrn T nd T3. Wnn E von H f L schltt, sprrn T nd T4 nd ds Drlington-Pr T,T3 wird übr dn drch flißndn Bsisstrom ingschltt. bgrnzt dn Asgngsstrom bi A AH. 997 rschin di mit inr Btribsspnnng von 3,3 V btribn ALB-(Advncd Low- Voltg BiMO-) Fmili.

176 Elktronisch chltngn 68 Tbll 8.3 Übrsicht NMO MO BiMO

177 Elktronisch chltngn Elktronisch chltr ( Trnsfrgttr, Trnsmission Gt ) In dr chltngstchnik wrdn nbn dn logischn Gttrn häfig ch schnll lktronisch chltr bnötigt, di immr dnn ingstzt wrdn, wnn in mchnischr chltr odr in lis z lngsm sind, odr wnn in chltr in inr intgrirtn chltng bnötigt wird. Bild 8.0 ) zigt dn Afb ins ht üblichn lktronischn chltrs in dr MO-Tchnik. Er bstht s inm n- nd inm p-knl Trnsistor, di prlll gschltt sind nd mit invrtirtn trsignln t nd t btribn wrdn. Ist t 0 V (Low-Pgl) nd t DD (High-Pgl), sprrn bid Trnsistorn. Dis ntspricht inm göffntn mchnischn chltr. Ist t DD (High-Pgl) nd t 0 V (Low-Pgl), litn bid Trnsistorn. Ein mchnischr chltr wär jtzt gschlossn. Dmit wird rricht, dss bid Trnsistorn glichzitig s- bzw. ingschltt sind. In Bild 8.0 b) sind di Widrständ n nd p dr bidn Trnsistorn nd dr Gsmtwidrstnd gs ds lktronischn chltrs im ingschlttn Zstnd drgstllt. Lign klin positiv Eingngsspnnngn E n, so ist dr n-knl Trnsistor nidrohmig. Bi Eingngsspnnngn thp < E < ( DD - thn ) ist dr Gsmtwidrstnd tw konstnt nd bi pnnngn E > ( DD - thn ) ist dr p-knl Trnsistor nidrohmig. Dmit ist s möglich, sowohl nlog pnnngswrt wi ch digitl Pgl von dr inn it zr ndrn it ds lktronischn chltrs z übrtrgn, wi dis mit jdm mchnischn chltr möglich ist. Wrdn mschltr bnötigt, so müssn ldiglich zwi Trnsmission Gts prlll gschltt nd f inr it mitinndr vrbndn wrdn. t t 0 ) E(A) t DD A(E) E(A) t A(E) p n b) 0 thp gs ( DD - thn ) DD DD DD E(A) A(E) c) t E(A) A(E) t Bild 8.0 ) Elktronischr chltr in MO-Tchnik, b) Widrstnd ds chltrs für t, c) kompltt chltng mit Invrtr zm mschltn ds Trnsfrgttrs nd logischs ymbol

178 Elktronisch chltngn qntill Logik 9. Flip-Flop-chltngn Lrnzil: Knnnlrnn von Grndlmntn für di sqntill Logik Klssifizirng dr vrschidnn Flip-Flop chltngn Vrsthn dr Fnktion von vrschidnn Flip-Flop-Fmilin: o zstndsgstrtn Flip-Flops o tktzstndsgstrtn Flip-Flops o tktflnkngstrtn Flip-Flops 9.. Klssifizirng Alln Flip-Flop ist gminsm, dss si zwi stbil Zständ hbn. i ntrschidn sich br wsntlich drch di Bdingngn, ntr dnn si zwischn dn bidn Zständn hin nd zrück schltn. Es lssn sich zwi groß Grppn bildn. Ein Grpp mfsst ll Flip-Flop, di zstndsgstrt sind, währnd di zwit Grpp ll tktgstrtn (gtkttn) Flip-Flop- Artn rfsst. ntr Tktstrng vrstht mn folgndn Vorgng: di Übrnhm dr Informtion von dn vorbritndn Eingängn rfolgt nr bi Vorhndnsin ins zsätzlichn Tktsignls. Di Grpp dr tktgstrtn Flip-Flop knn widr ntrtilt wrdn in zwi Grppn:. di Grpp dr tktzstndsgstrtn nd. di Grpp dr tktflnkngstrtn Flip-Flop. Bim infchn tktzstndsgstrtn Flip-Flop wird di n dn Vorbritngsingängn lignd Informtion währnd dr gsmtn Dr ds Tktimplss in ds Flip-Flop übrnommn. omit wirkn sich ignländrngn währnd dr Tktphs sofort f dn Asgng s. Dshlb wrdn si ls Affng-Flip-Flop (Ltch) bntzt nd sind für Tilr nd Zählr nicht gignt. Wrdn zwi tktzstndsgstrt Flip-Flops in ih gschltt (Mstr-lv), wirkt sich in ignländrng n dn Vorbritngsingängn znächst nr f dn Mstr s. Erst wnn dr Tktzstnd sich ändrt (z.b. von H nch L) wird dr im Mstr gspichrt Zstnd übr dn lv-flip-flop n dn Asgng übrgbn. Flip-Flop Zstndsgstrt FF Tktgstrt FF Tktzstndsgstrt FF Tktflnkngstrt FF Einflnkngstrt FF Zwiflnkngstrt FF Tbll 9. Übrsicht übr di Flip-Flop-Grppn.

179 Elktronisch chltngn 7 Bi flnkngstrtn Flip-Flop wird di Informtion mit dr ktivn Tktflnk übrnommn. Währnd dr Zit zwischn zwi ktivn Tktflnkn ist ds Flip-Flop nmpfindlich ggnübr ignländrngn n dn Vorbritngsingängn. Di Flnkn ds Tktimplss müssn shr stil sin, dmit kin flschn Informtionn übrnommn wrdn. Ein witr Möglichkit dr Flnknstrng bstht ch hir in dr Zsmmnschltng von zwi Flip-Flops z inm Mstr-lv Flip-Flop. Dbi wrdn bid Flnkn ds Tktimplss sgntzt. Dshlb nnnt mn dis trng Zwiflnknstrng. Dr Eingng ds rstn Flip-Flops spricht f di fstignd Tktflnk n, währnd ds zwit Flip-Flop rst f di bfllnd Flnk rgirt. Q Q ) Q b) Q c) Q Q 0 0 Q - Q d) Bild 9. - Flip-Flop: ) logischs ymbol, b) chltbild mit NO - Gttrn nd c) Whrhitstbll, d) ignlvrläf n dn Ein- nd Asgängn 9.. Zstndsgstrt Flip-Flop Ein -Flip-Flop, dssn logischs chltbild in Bild 9. gzigt ist, knn ls infchst Form inr pichrschltng btrchtt wrdn. Bild 9.b zigt dn Afb ins -FF mit NO-Gttrn. Knnzichnnd für Flip-Flops s Gttrn ist di übrkrzt ückkopplng dr Asgäng f di Eingäng dr Gttr. Ddrch wird rricht, dss di Asgngszständ rhltn blibn, ch wnn ds ntsprchnd Eingngssignl nicht mhr nligt. Di Whrhitstbll für ds -Flip-Flop ist in Bild 9.c nggbn. ind di Eingäng 0, so ist ds Flip-Flop inktiv, d.h. dr gspichrt Zstnd blibt rhltn. Ein Kombintion dr Eingngssignl, 0 bwirkt, dss dr Asgng Q

180 Elktronisch chltngn 7 wird, währnd mit 0 nd dr Asgng Q 0 wird. Dr Zstnd rzgt n dn Asgängn bidr Gttr dn Zstnd Q Q 0 (chrffirt Brich in Bild 9. d). Ein Übrgng f dn Eingngszstnd 0 würd m Asgng z inm nicht dfinirtn Zstnd Q 0 odr Q führn, bhängig von gringfügign ntrschidn dr Gttrlfzitn dr bidn NO-Gttr. Dshlb mss drf gchtt wrdn, dss di bidn Eingäng nicht glichzitig wrdn könnn. In Bild 9. ist ds -Flip-Flop mit NO-Gttrn in inr ndrn Form gzichnt. Ein lisirng ins solchn Flip-Flops in NMO-Tchnik rknnt mn in Bild 9.b. Als Lsttrnsistorn wrdn hir n-knl MOFET vom Vrrmngstyp ingstzt. Bild 9.c zigt in -Flip-Flop mit zwi NO-Gttrn in MO-Tchnik. Q Q ) DD Q Q b) DD Q Q c) Bild 9. - Flip-Flop: ) chltbild mit NO - Gttrn, b) chltng mit n-knl MOFETs vom Anrichrngs- nd Vrrmngstyp nd c) MO-chltng. Vrwndt mn nstll dr NO-Gttr NAND-Gttr, rhält mn in -Flip-Flop. Bild 9.3 zigt ) ds logisch chltbild, b) dn Afb mit NAND-Gttrn, c) di zghörig Whrhitstbll nd d) in Bispil von möglichn ignln n dn Eingängn nd Asgängn ds Flipflops. Bi dism Flip-Flop sind di ktivn Eingngszständ di Low-Pgl. Bim -Flip-Flop rgibt folglich in Eingngszstnd 0 n dn bidn Asgängn Q nd Q in, so dss bim glichzitign Übrgng dr Eingäng nch dr Asgngszstnd nicht dfinirt ist. Bi dism Flip-Flop mss lso drf gchtt wrdn, dss n dn bidn Eingängn nicht glichzitig in Low-Pgl nligt odr in Übrgng von 0 nch nicht glichzitig n bidn Eingängn rfolgt. Ach hir sind di Brich mit dn Eingngszständn 0 schrffirt.

181 Elktronisch chltngn 73 Bild 9.4 zigt nochmls ds -Flip-Flop mit dm Afb mit NAND-Gttrn nd in ntsprchnd Aslgng dr chltng mit n-knl Fldffkttrnsistorn. Di Lsttrnsistorn sind ch hir slbstlitnd. Q Q Q ) b) Q Q Q c) Q - Q - d) Bild Flip-Flop: ) logischs ymbol, b) chltbild mit NAND - Gttrn nd c) Whrhitstbll, d) ignlvrläf m Ein- nd Asgng DD Q Q Q Q ) b) Bild Flip-Flop: ) chltbild mit NAND - Gttrn nd b) chltng mit n-knl MOFETs vom Anrichrngs- nd Vrrmngstyp.

182 Elktronisch chltngn Tktzstndsgstrt Flip-Flop Tktzstndsgstrts -Flip-Flop Erwitrt mn ds, -Flip-Flop nch Bild 9.b drch Vorschltn zwir AND-Gttr n di in gminsmr Tkt ngschlossn wird, rhält mn in tktzstndsgstrts -Flip-Flop. Bild 9.5 zigt ds logisch chltbild nd Bild 9.5b dn bschribnn chltngsfb mit Gttrn. Ein lisirng mit n-knl Fldffkttrnsistorn ist in Bild 9.5c gzigt. Q Q Q ) b) Q DD Q Q c) d) 0 Q Q x x Q - Q 0 0 Q - Q Q Q ) t t t t t Bild 9.5 Tktzstndsgstrts - Flip-Flop: ) logischs ymbol, b) chltbild mit Gttrn, c) chltng mit n-knl MOFETs, d) Whrhitstbll nd ) ignlvrläf

183 Elktronisch chltngn 75 Di Whrhitstbll (Bild 9.5 d) zigt, dss s ch bi dism Flip-Flop inn nrlbtn Zstnd gibt, dnn hir sind bid Asgäng 0. Dshlb mss ch bi dism Flip- Flop drf gchtt wrdn, dss spätstns bim Übrgng ds Tktsignls von nch 0 dr Zstnd vrmidn wird, d sonst dr Zstnd dr Asgäng Q nd Q nicht dfinirt ist. In Bild 9.5 ) ist dr Zstnd schrffirt ingzichnt. Vor dm End ds Tkts ist widr in rlbtr Zstnd 0 nd vorhndn, so dss bim Übrgng von -> 0 in dfinirtr Asgngszstnd vorhndn ist. Ein witrs tktzstndsgstrts - Flip-Flop zigt Bild 9.6, jdoch mit inm - Flip- Flop ls pichrschltng. Q Q Q ) b) Q 0 Q Q x x Q - Q 0 0 Q - Q c) t t t Q d) Q t t Bild 9.6 Tktzstndsgstrts - Flip-Flop: ) logischs ymbol, b) chltbild mit NAND -Gttrn, c) Whrhitstbll nd d) ignlvrläf

184 Elktronisch chltngn 76 Tktzstndsgstrts D - Flip-Flop Ein tktzstndsgstrts Flip-Flop bi dm s kinn nrlbtn Eingngszstnd gibt, ist ds D - Flip-Flop. Diss Flip-Flop nnnt mn ch trnsprnts Flip-Flop, d währnd dr Dr ds H-Pgls ds Tkts in Vrändrng dr Eingngsinformtion D sofort m Asgng rschint. Nimmt dr Tkt dn L-Pgl n, blibt di zltzt nlignd Informtion gspichrt. D D D Q Q ) b) Q Q c) D Q Q 0 x Q - Q d) Bild 9.7 Tktzstndsgstrts D - Flip-Flop: ) logischs ymbol, b) chltbild mit NAND - Gttrn, c) Whrhitstbll nd d) ignlvrläf. Bild 9.7 zigt in möglich lisirng ins D-Flip-Flops mit NAND-Gttrn. Btrchtt mn dn D-Eingng ls "t"-ignl, ligt m zwitn Eingngsgttr ds invrtirt ignl ls "st" n, wnn glichzitig ist. Ist 0 ist dr D-Eingng inktiv. In Bild 9.7 c di zghörig Whrhitstbll gzigt. Di ignlvrläf in Bild 9.7 d) zign di bschribn "Trnsprnz" ds D-Flip-Flops. Dis Brich sind ntrlgt ingzichnt.

185 Elktronisch chltngn 77 Tktzstndsgstrt Mstr lv Flip-Flops Im Witrn soll in tktzstndsgstrts - Mstr - lv Flip-Flop nch Bild 9.8 sführlich rklärt wrdn. Q Q Q Q ) Q Q Q Q b) c) Bild 9.8 Tktzstndsgstrts - Mstr - lv - Flip-Flop: ) chltbild mit logischn

186 Elktronisch chltngn 78 ymboln b) chltbild mit logischn Gttrn nd c) ignlvrläf Währnd ds H-Zstnds ds Tkts wird dr Eingngszstnd vom rstn Flip-Flop fgnommn nd dort gspichrt, währnd ds zwit Flip-Flop noch di Informtion ds vorign Zstnds spichrt. Ändrt sich dr Pgl ds Tkts nch Low, wird di Asgngsinformtion ds rstn Flip-Flops in ds zwit Flip-Flop fgnommn nd n dn Asgng witrglitt. Ds rst Flip-Flop wird inktiv. Di Eingngsinformtion rschint lso m di Dr ds H-Zstnds ds Tktsignls vrzögrt m Asgng. Ach bi dism -Flip- Flop mss drf gchtt wrdn, dss dr Eingngszstnd vrmidn wird (schrffirtr Brich in Bild 9.8 c), d sonst bim Übrgng ds Tktsignls von High nch Low n dn Asgängn Q nd Q in ndfinirtr Zstnd ftrtn knn. Disr Nchtil wird vrmidn, wnn mn nstll ds - Flip-Flops in tktzstndsgstrts JK - Mstr-lv Flip-Flop vrwndt, dssn Afb in Bild 9.9 gzigt ist. (J Jmp, K Kill) Dr ntschidnd ntrschid zm -Flip-Flop ligt in dr ückführng dr Asgngssignl Q nd Q nd drn Vrknüpfng mit dn Eingängn K nd J. Drch di so ntstndn Vrknüpfng von, J nd Q bzw., K nd Q knn bi JK immr nr in Zwig ds Eingngs-Flip-Flops gstzt wrdn. Mn spricht in dism Fll ch von inm "Toggl-Flip- Flop". ) J K Q Q J Q Q Q Q K b) J Q Q K Q Q c) Bild 9.9 Tktzstndsgstrts JK - Mstr - lv - Flip-Flop mit Vrzögrng: ) logischs ymbol, b) chltbild mit tktzstndsgstrtn -Flip-Flops nd Gttrn, c) chltbild mit

187 Elktronisch chltngn 79 logischn Gttrn d) Bild 9.9 d) ignlvrläf Di ignlvrläf in Bild 9.9 d) zign di Zständ n dn Eingängn nd n dn Asgängn ds Mstr- (Q) nd ds lv-flip-flops (Q). Di schrffirtn Brich mrkirn di Zitspnnn, in dnn ds Flip-Flop ntwdr f in Aktion m J- (Q 0) odr K-Eingng (Q ) rgirt Tktflnkngstrt Flip-Flop Einflnkngstrt D-Flip-Flop Ds infchst inflnkngstrt Flip-Flop ist in D-Flip-Flop. Bild 9.0 zigt ds logisch chltbild, dn logischn Afb nd in Zitdigrmm für in solchs D-Flip-Flop. Ds Gsmt-Flip-Flop ist s zwi tktzstndsgstrtn D-Flip-Flops fgbt. Di m Eingng D nlignd Informtion wird währnd ds L-Zstnds ds Tktsignls vom Mstr- Flip-Flop übrnommn (Q). Ds lv-flip-flop ist währnd disr Zit inktiv. Bim Übrgng ds Tkts von L nch H wird ds lv-flip-flop ktiv nd glichzitig ds Mstr-Flip-Flop inktiv. Ddrch wird di in dism Momnt n D nlignd logisch Informtion im Mstr- Flip-Flop gspichrt nd vom lv-flip-flop n dssn Asgng Q übrggbn. pätr

188 Elktronisch chltngn 80 Ändrngn ds Eingngssignls hbn kinn Einflss mhr f dn Asgng, d dr "Mstr" währnd ds H-Pgls ds Tktsignls gsprrt blibt. D D Q ) Q b) D Mstr-FF D Q Q lv-ff D Q Q D c) Q t t D t Q t Q t Q t Q d) t Bild 9.0 Einflnkngstrts D Flip-Flop ) ymbol, b) chltbild mit zwi zstndsgstrtn D - Flip-Flops, c) Zitbhängigkit von Ein- nd Asgängn nd d) ignlvrläf

189 Elktronisch chltngn 8 tndrdisirt D-Flip-Flops (z.b. 74AT74) bsitzn nbn dr Fnktion ds flnkngstrtn D-Flip-Flops zsätzlich di Fnktion ins -Flip-Flops. Bild 9. zigt ds logisch ymbol ins inflnkngstrtn D-Flip-Flops mit synchronn tz- nd ückstzingängn nd Bild 9.b di schltngstchnisch lisirng mit Gttrn. In dr MO-Tchnik wrdn di chltngn f in möglichst gring Anzhl von Trnsistorn optimirt. Ein ttsächlich lisirng f dm hip knn dshlb völlig ndrs sshn, ls in Grndntwrf f Gttrbn. In Bild 9.c ist in lisirng ds bschribnn inflnkngstrtn D-Flip-Flops mit tktnbhängign tz- nd ückstzingängn gzigt. ) D D Q Q D Q Q b) D A B B A A Q Q A B B lock c) Bild 9. Einflnkngstrts D - Flip-Flop mit tz- nd ückstzingängn: ) ymbol nd Whrhitstbll b) chltbild mit logischn Gttrn nd c) lisirng dr chltng in dr MO-Tchnik

190 Elktronisch chltngn 8 t t D t t t Q t Q t Q Q t t Bild 9. Einflnkngstrts D - Flip-Flop mit tz- nd ückstzingängn: d) ignlvrläf Als Anwndr disr intgrirtn Flip-Flop Bstin mss mn br ch hir widr bchtn, dss für di tktnbhängign tz- nd ückstzingäng di glich Whrhitstbll wi für ds -Flip-Flop mit NAND-Gttrn nch Bild 9.3 gilt. Also ch hir gibt s inn nrlbtn Eingngszstnd: 0. Disr Zstnd ist in Bild 9. d) schrffirt gknnzichnt. Ein- nd Zwiflnkngstrt JK-Flip-Flops Nbn dn tktzstndsgstrtn Mstr-lv Flip-Flops gibt s noch in- nd zwiflnkngstrt Mstr-lv Flip-Flops. Ds ntrschidlich Vrhltn ins tktzstndsgstrtn nd ins zwiflnkngstrtn JK-Flip-Flops ist in dn Whrhitstblln nd Zit-Digrmmn in Bild 9. drgstllt.

191 Elktronisch chltngn 83 J K Q Q t ü t ü J ) J K Q 0 x x Q - Q - 0 Q - K Q J K Q Q J t ü t ü b) J K Q 0 x x Q - Q - 0 Q - K Q Bild 9. Logischs ymbol, zitlich Vrläf dr Ein- nd Asgngssignl nd Whrhitstbll von JK - Flip-Flops: ) Zstndsgstrts JK-Flip-Flop, b) zwiflnkngstrts JK-Flip-Flop Di Übrnhmzit t ü, währnd dr in H-Pgl n dn Eingängn J odr K im Mstr-Flip- Flop zwischngspichrt wird, ist bim zstndsgstrtn Flip-Flop di gsmt Zit, in dr ds Tktsignl H ist (Bild 9.). Di Übrnhmzit t ü, währnd dr in "H"-Pgl n dn Eingängn J odr K im Mstr-Flip- Flop zwischngspichrt wird, ist bim tktflnkngstrtn Flip-Flop nr di Zit ds Anstigs dr Flnk ds Tktsignls (Bild 9.b). Di Übrgb ds gspichrtn ignls n dn Asgng rfolgt in bidn Fälln rst bim Übrgng ds Tktsignls in dn "L"-Pgl. Bild 9.3 zigt dn Afb ins solchn zwiflnkngstrtn JK-Flip-Flops. owohl ds Mstr- wi ch ds lv-flip-flop sind hir inflnkngstrt D-Flip-Flops wi in Bild 9.0 drgstllt. Bi dr nstigndn Flnk ds Tktsignls wird ds Eingngssignl in ds Mstr-Flip-Flop übrnommn. Bi dr bfllndn Flnk ds Tktsignls rhält drch dn vorgschlttn Invrtr ds lv-flip-flop in nstignd Tktflnk nd übrnimmt di Asgngsinformtion ds Mstr-Flip-Flops. Bi dr ht übrwignd ingstztn Asführngsform ds JK-Mstr-lv Flip-Flops rfolgt di Übrnhm ds Eingngssignls bnflls währnd dr Flnk ds Tktsignls, d.h. bim Wchsl von inm logischn Zstnd in dn ndrn. Di Übrgb dr so gspichrtn Informtion rfolgt br nicht m di Dr ds Tktsignls vrzögrt, sondrn sofort.

192 Elktronisch chltngn 84 ) J K Q Q J D D Q Q K b) c) Bild 9.3 Zwiflnkngstrts JK - Flip-Flop: ) logischs ymbol, b) chltbild mit zwi inflnkngstrtn D -Flip-Flops nd Gttrn nd c) ignlvrläf Ds chltngssymbol ins inflnkngstrtn JK-Flip-Flops nd dr Afb mit Gttrn bzw. mit D-Flip-Flops nd Gttrn ist in Bild 9.4 z shn. Dr Krn ds Flipflops wird hir von zwi tktzstndsgstrtn bzw. inm inflnkngstrtn D-Flipflop gbildt.