Transistorradio, Schaltplan und Aufbau

Transkript

1 Transistorradio, Schaltplan und Aufbau

2 Transistorradio, etwas aufwändiger

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5 Trends in der Chiptechnologie Si-Scheibendurchmesser mm mm mm mm mm ca mm kleinere Strukturen - kleinere Schaltkreisflächen oder komplexere IC Jahr Strukturbreite Speicherkapazität das entspricht: μm 4 kbit DRAM 1/4 A4-Seite ,5 μm 1 Mbit DRAM 64 A4-Seiten μm 4 Mbit 256 A4-Seiten ,6 μm 16 Mbit 1000 A4-Seiten ,18 μm 256 Mbit A4-Seiten ,13 μm 512 Mbit A4-Seiten (100 Bücher) ,050 μm 4 Gbit 800 Bücher = 1 Bibliothek?

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7 Energie um Einzelatome und Atome im Festkörper

8 W Energiebänder und Bandabstand in Abhängigkeit vom Abstand der Atome Geringer Atomabstand Großer Atomabstand d Metall Isolator

9 f (W) 1 Fermi-Verteilungsfunktion T = 0 0 W F T > 0 W kt kt 25 mev, T = 300 K f ( W ) = W exp 1 W kt F + 1

10 log ρ [Ω cm] Paraffin Diamant Glas Schiefer Reinstes Wasser reines Ge Ag Halbleiter -10 Au, Cu Sn Pb Der spezifische Widerstand ρ ist eine Stoffeigenschaft, die einen riesigen Größenordnungsbereich überspannt.

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12 Diamantgitter (kfz) (Si)

13 Zinkblende-Gitter (GaAs, CdS, ZnS u.a.)

14 Hexagonales Gitter (Wurzitgitter) (GaN, SiC, ZnO, AlN)

15 Eigenschaften technischer Widerstände: Typ P v, max T o, max R ΔR/R " R [1/K] [W] [ C] [S] % Draht 0, , Kohleschicht 0, Metallschicht 0, , Metalloxid 0,

16 Farbcode für Widerstände sengpielaudio 4-Ring-Code - Farbcode Widerstand Tabelle Farbe 1.Ring 2.Ring Multiplikator Toleranz +/- keine 20% silber 0,01 10% 1.Ziffer gold 0,1 5% 2.Ziffer schwarz Multiplikator braun % Toleranz rot % orange 3 3 1K gelb K 1.Ziffer grün K 0,50% 2.Ziffer blau 6 6 1M 0,25% 3.Ziffer violett M 0,10% Tem p.- grau M 0,05% Koeff. weiß 9 9 1G 5- und 6-Ring-Code - Farbcode Widerstand Tabelle Farbe 1.Ring 2.Ring 3.Ring Multiplikator Toleranz +/- Temperaturkeine 20% M Koeffizient silber 0,01 10% K gold 0,1 5% J schwarz ppm/k braun % F 100 ppm/k rot % G 50 ppm/k orange K 15 ppm/k gelb K 25 ppm/k grün K 0,50% D blau M 0,25% C 10 ppm/k violett M 0,10% B 5 ppm/k grau M 0,05% A weiß G

17 Widerstandsrechner: Beispiel: = 5,6 k / 10 % / 500 V

18 E-Reihen für die Widerstandsstaffelung E6 E12 E24 E6 E12 E24 ±20% ±10% ±5% ±20% ±10% ±5% 1,00 1,00 1,00 3,30 3,30 3,33 1,10 3,60 1,20 1,21 3,90 3,90 1,30 4,30 1,50 1,50 1,50 4,70 4,70 4,70 1,60 5,10 1,80 1,80 5,60 5,60 2,00 6,20 2,20 2,20 2,20 6,80 6,80 6,80 2,40 7,50 2,70 2,70 8,20 3,00 9,10

19 E-Reihen für die Widerstandsstaffelung Je größer die E-Reihe, desto kleiner sind die Toleranzen der Bauteile: E3 = über 20 %, E6 = 20 %, E12 = 10%, E24 = 5 %, E48 = 2 %, E96= 1 %, E192 = 0,5 % Mäanderform integrierter Widerstände:

20 Potentiometerkurven

21 Kapazität = Ladungsspeicherung e - U d E A + Q - Q e -

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23 Strom- und Spannungsverlauf an einer Kapazität

24 Ersatzschaltbild für hohe Frequenzen:

25 Kondensatorarten Keramikkonsendator Wickelkondensator Styroflexkondensator Elektrolytkondensator

26 Materialdaten der drei in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensator-Bauarten Anode Dielektrikum Dielektri- Zitätskonstante Spannungsfestigkeit in V/μm Aluminium Al 2 O 3 8,4 700 Tantal Ta 2 O Niob Nb 2 O

27 Drehkondensatoren Drehkondensator mit Luft-Dielektrikum mit Kunststoff-Dielektrikum

28 Induktivität U U, I I I (t) H t=0 t U ind

29 Strom- und Spannungsverlauf an einer Spule Phasenverschiebung an Induktivitäten

30 Relative Permeabilitäten μ r

31 Technische Spulen abstimmbare Kreuzwickelspule

32 Funktion des Relais

33 Technische Relais verschiedene Relais Reed-Relais Prinzip eines Reed-Relais Reed-Schalter

34 Schaltsymbol Transformator mit ein bzw. zwei Sekundärwicklungen Magnetfluß im Trafo

35 Flachtrafo Ringkerntrafo Drehstromtrafo Technische Transformatoren kleiner Eisenkerntrafo

36 10 0 Tiefpass Amplitudenverhältnis Tiefpass 10-2 Phasendrehung [ ] Frequenz Tiefpass Frequenz

37 Grenzfrequenz Tiefpass Frequenz Tiefpass Darstellung in db -40 db -20 db 0 db Amplitudenverhältnis

38 Amplitudenverhältnis 10 0 Grenzfrequenz Tiefpass Hochpass Phasendrehung [ ] Frequenz Tiefpass Hochpass Hochpass Frequenz

39 Der Schwingkreis

40 Parallelschwingkreis Spule Kondensator

41 Reihenschwingkreis

42 Erzwungene Schwingung

43 Transistorradios, Schaltpläne

44 Der p-n-übergang Dotierung N A N D x 0 x abrupter, symmetrisch dotierter p-n-übergang

45 p-gebiet n-gebiet B - B - B - P + P + P + B - B - B - P + P + P + B - B - B - P + P + P + B - B - B - P + P + P + B - B - B - P + P + P + B - B - B - P + P + P +

46 p n Konzentrationen beweglicher Ladungsträger in log. Darstellung Konzentrationen beweglicher Ladungsträger und der Dotandenionen in lin. Darstellung Der p-n-übergang Resultierende Raumladung in lin. Darstellung Elektrische Feldstärke in lin. Darstellung Potential in lin. Darstellung

47 p-n-übergang in Durchlassrichtung

48 p-n-übergang in Durchlassrichtung p-n-übergang in Sperrrichtung

49 Prinzipieller Aufbau einer Si-Diode Aufbau einer Si-Planardiode

50 Dioden, Bauformen Diode, Schaltsymbol

51 I = U n U T I S ( e 1) Diodenkennlinie und Kennliniengleichung

52 Einfluss des Halbleiters auf die Diodenkennlinie

53 I T = U n U T I S ( e 1) T Temperaturverhalten

54 I n U I = I (e T -1) s U verzerrtes Ausgangssignal Wechselspannung an einer Diode t U 0 t U =U + sin t 0 U

55 Signalverzerrungen an einer Diode Wechselspannung großer Amplitude Wechselspannung kleiner Amplitude

56 Abbau der in den Diffusionsschwänzen gespeicherten Ladung beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung

57 Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der angelegten Sperrspannung C U C S0 S ( D) = U 1 U D DIFF C S0 Nullspannungskapazität m - Gradationsexponent U DIIFF - Diffusionsspannung m Abhängigkeit der Diffusionskapazität vom Diodenstrom C D 1 ( UD) = T r D T Zeitkonstante, Trägerlebensdauer r D differentieller Widerstand

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59 Dynamisches Ersatzschaltbild der Diode R Bp g r D R Bn C s C d

60 Schaltverhalten der Halbleiterdiode Prinzipschaltung R 1 R 2 I D U q1 U q2 U D U D I D U D I D I F U F Idealer Spannungsund Stromverlauf I F U F realer Spannungsund Stromverlauf t t I R0 t S t F t RR

61 Einweggleichrichtung ohne Kondensator? mit Kondensator

62 Zweiweggleichrichtung ohne Kondensator, mit Trafo mit Mittelanzapfung?

63 Zweiweggleichrichtung ohne Kondensator, mit Graetz- oder Brückengleichrichtung

64 Brückengleichrichter

65 Schottkydiode Bänderschema Kennline und Symbol Aufbau

66 Flussspannungen von LED: GaAIAs/GaAs (rot und infrarot): 1,2 1,8 V InGaAIP (rot und Orange): 2,2 V GaAsP/GaP (gelb): 2,1 V GaP, InGaAlP (grün, ca. 570 nm): 2,2 2,5 V GaN/GaN (grün): 3,0 3,4 V InGaN (grün, 525 nm): 3,5 4,5 V InGaN (blau und weiß): 3,3 4 V

67 Bandlücke und Gitterkonstanten von Halbleitern

68 Bipolartransistor, Aufbau npn-transistor pnp-transistor zwei Beispiele für den schematischen Aufbau von npn-transistoren

69 Bipolartransistor, Aufbau vertikaler npn-transistor Kleinleistungstransitor und Leistungstransistor

70 Bipolartransistor, Ladungsträger- und Dotierprofil

71 Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung E B C R U EB U BC

72 Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung

73 Transistorgrundgleichungssystem und Gleichstromersatzschaltbild nach Ebers-Moll A I IC A I N E U EB U EB n U T n U T I = I ( e 1) I = I ( e 1) E ES U C CS CB U CB (1) I E = I ES U n EB U T n U T ( e 1) + A I ( e 1) I CS U CB (2) I C = A N I ES U EB n U T n U T ( e 1) I ( e CS U CB 1)

74 Eingangskennlinie und Ausgangskennlinienfeld in Basisschaltung

75 Eingangskennlinie und Ausgangskennlinienfeld in Emitterschaltung

76 Übertragungskennlinie eines npn-bipolartransistors

77 a) b) c) a) Einganskennlinie, b) Ausgangskennlinienfeld und c) Übertragungskennlinie eines Si-Planartransistors

78 Spannungsrückwirkung eines Bipolartransistors

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80 Vierquadranten-Kennlinienfelder von Si-npn-Transistoren

81 I Cmax P Vmax I C R AP U CE I B U q I B =100 μa U q =10 V R=500 Ω U CEm ax Ausgangskennlinenfeld und Arbeitsgerade; Blau: Belastungsgrenzen

82 Arbeitspunkt im Vierquadranten-Kennlinienfeld

83 Bipolartransistor, Stromversorgungsschaltungen R 1 R 2 R 1 R 2 a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung b) Basistromeinspeisung vom Kollektor R 2 R 1 R 2 R 1 R 3 R 4 R 3 c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)

84 Bipolartransistor, Stromversorgungsschaltungen R 1 R 2 R 1 R 2 a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung b) Basistromeinspeisung vom Kollektor R 2 R 1 R 2 R 1 R 3 R 4 R 3 c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)

85 Temperaturabhängigkeit des I CB0 und des Transistor- Ausgangskennlinienfeldes in Emitterschaltung (schematisch)

86 Ausgangskennlinienfeld eines npn-transistors BD 825 bei 21 C und 80 C

87 Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors in h-parameter-darstellung i 1 i 2 u h h 22 h 12 u h 2 21 i 1 u 2 u 1 =h 11 i 1 + h 12 u 2 (1) I 2 =h 21 i 1 + h 22 u 2 (2)

88 Umrechnung der h-parameter der Emitterschaltung in die der Basisschaltung h 11B h11e = 1+ Δh + h h E 21E 12E Für den Arbeitspunkt U CE =6 V und I C = 2mA für f= 1 khz Transistor: SC 206 h 12B = Δh h12e 1+ Δh + h h E 21E 12E h h 21B 22B Δ ΔhE h21e = 1+ Δh + h h E E 21E h22e = 1+ Δh + h h 21E 12E he = h11eh22e h12eh21e 12E h11 = 2. 1kΩ h = 3.8 h 21 = 29 h = S

89 Kenngrößen von Transistorschaltungen Eingangswiderstand Ausgangswiderstand z e z a = h = h 22 h R L h11 + R S h 21 + h 22 RS + Δh Stromverstärkung v i = h21 1+ R h L 22 Spannungsverstärkung v u = h 11 h + 21 RL R Δh L R L - Gesamtlastwiderstand am Ausgang des Transistors R s - Gesamtwiderstand am Eingang des Transistors bei kurzgeschlossener Signalquelle

90 Umrechnung der h- in y-parameter und umgekehrt y = y y = y h 11 h = h = h h Δh h h h = = h = h = 1 y y y 11 y y Δy y Δh = h 11h22 h12h21 Δy = y 11y22 y12 y21

91 Schaltverhalten des Bipolartransistors Stromverläufe 1 Schalterstellung t Prinzipschaltung 2 R 2 I B U /R q1 1 R 1 10% t 1 U /R q2 2 t s t f 2 U q11 U q12 U q2 I B U /R q2 2 90% 10% t t d t r t s t f

92 Aufbau und Schaltsymbol eines n-kanal-sfet Aufbau und Schaltsymbol eines p-kanal-sfet

93 Schaltzeichen n-kanal-sperrschicht-fet p-kanal-sperrschicht-fet Ausgangskennlinienfeld Übertragungskennline

94 Einfluß von U GS und U DS auf den Kanal des SFET

95 Übertragungskennline und Ausgangs-KLF eines n-kanal-sfet

96 Kennlinien einen p-kanal-sfet 2N 2386 Übertragungskennlinie, temperaturabhängig Ausgangskennlinienfeld

97 MOSFET, Aufbau n-kanal-mosfet p-kanal-mosfet

98 n-halbleiter Spannungsloser Zustand P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + U MS MOS-Kapazität Metall SiO2

99 MOS-Kapazität Positive Spannung am Gate Metall SiO 2 P + P + P + P + P + P + Anreicherung n-halbleiter P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + U MS

100 Negative Spannung am Gate Verarmung MOS-Kapazität Metall SiO 2 P + P + P + P + P + P + P + P + P + n-halbleiter P + P + P + P + P + P + P + P + P + U MS

101 Negative Spannung am Gate Inversion MOS-Kapazität Metall SiO 2 P + P + P + P + P + P + P + P + P + n-halbleiter P + P + P + P + P + P + P + P + P + U MS

102 Negative Spannung am Gate Starke Inversion MOS-Kapazität Metall SiO 2 P + P + P + P + P + P + P + P + P + n-halbleiter P + P + P + P + P + P + P + P + P + U MS

103 MOS-Kapazität Anreicherung Verarmung Inversion

104 Verarmung Starke Inversion MOS-Kapazität

105 Aufbau und Dimensionierung eines MOSFET

106 Einfluß von U GS und U DS auf den Kanal des MOSFET

107 Einfluß von U GS und U DS auf den Kanal des MOSFET

108 Schaltsymbole und Übertragungs- Kennlinien von MOSFETs n-mos p-mos

109 Ausgangskennlinienfeld und Übertragungskennlinie eines n-depletion-mosfet Ausgangskennlinienfeld eines n-enhancement-mosfet

110 Anreicherungs-MOSFET Verarmungs-MOSFET Grundschaltungen Sourceschaltung Gateschaltung Drainschaltung

111 Stromversorgungsschaltung für n-anreicherungs-mosfet

112 CMOS-Inverter Eingang: 0 Eingang: 1

113 Kombination von n-mosfet und p-mosfet in der CMOS-Technologie

114 Differenzverstärker

115 Prinzipieller Aufbau OPV alt Schaltsymbol neu Operationsverstärker (Prinzip)

116 OPV s: Bauformen und Kenngrößen Kenngröße Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker Leerlaufverstärkung Unendlich ca Eingangswiderstand R e unendlich Ω 1 ΜΩ bis 1000 MΩ Untere Grenzfrequenz f min 0 Hz 0 Hz Unitity-Gain-Frequenz-Bandbreite unendlich Hz > 100 MHz Gleichtaktverstärkung V Gl 0 ca. 0,2 Gleichtaktunterdrückung G unendlich ca Rausch-Ausgangsspannung U rausch 0 V ca. 3 μv Offsetspannung 0 V 2 mv Ausgangsleistung unendlich W 500 mw Ausgangswiderstand 0 Ω 150 Ω

117 Grundschaltungen mit OPV s invertierender Verstärker nichtinvertierender Verstärker

118 Impedanzwandler Strom-Spannungswandler Astabiler Multivibrator Differenzierer Bistabiler Multivibrator Summierverstärker Grundschaltungen mit OPV s Integrierer

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