Praktikum Elektronik WS12/13. Versuch 5 MOS Transistoren Betreuer: Michael Maurer,

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1 FRITZ-HÜTTINGER-PROFESSUR FÜR MIKROELEKTRONIK PROF. DR.-ING. YIANNOS MANOLI Praktikum Elektronik WS12/13 Versuch 5 MOS Transistoren Betreuer: Michael Maurer, michael.maurer@imtek.de Gruppe... Name Matrikelnummer Datum des Versuchs... Mit Abgabe des Protokolls erklären die Verfasser, dass sie das Protokoll in Eigenarbeit angefertigt und darin enthaltenes Fremdmaterial entsprechend gekennzeichnet haben. Darüber hinaus sind alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus anderen Schriften entnommen wurden, als solche kenntlich gemacht. Diese Arbeit ist nicht - auch nicht auszugsweise - bereits für andere Prüfungen angefertigt worden. Des Weiteren ist den Verfassern bekannt, dass eine Zuwiderhandlung als Täuschungsversuch gewertet wird und zum Ausschluss aus dem Praktikum führt. Dies hat eine Verwehrung der Zulassung zur Klausur Elektronik zu Folge. Bewertung Prozente erreicht:...% Datum... Unterschrift... Keine Bewertung ohne dieses Deckblatt!

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3 - 3 - FRITZ-HÜTTINGER-PROFESSUR FÜR MIKROELEKTRONIK PROF. DR.-ING. YIANNOS MANOLI PRAKTTI IKUM -- ELLEEKTTRONI IK -- VEERSSUCH 5 MOS Transistoren Betreuer: Michael Maurer michael.maurer@imtek.de 0761/

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5 Vorbereitungen Hinweis: Die Simulationen in PSpice zu den Versuchen können zur Verkürzung der Versuchsdurchführung als Vorbereitung durchgeführt werden. Verwenden Sie bei allen Aufgaben das Prinzip der halben Speisespannung! Verwenden Sie für die PSpice Simulationen folgende Modelle: Verwendete Bibliothek: Verwendete Bauteile: Breakout MBreakN, MbreakP Spice-Parameter der Bausteine (einstellbar im Menü Edit P-Spice-Model): CD 4007 (NMOS).model Mbreakn NMOS +TOX=70n KP=30u VTO=1V +GAMMA=0.74 LAMBDA=25m +CBD=0.02p CBS=0.02p +L=5u W=100u CD 4007 (PMOS).model Mbreakp PMOS +TOX=70n KP=12u VTO=-1V +GAMMA=0.4 LAMBDA=30m +CBD=0.02p CBS=0.02p +L=5u W=300u

6 - 6 - Vorbereitungen 1. Bulk Anschluss Bild 1: Querschnitt des CD Zeichnen Sie die Bulkverbindungen der einzelnen Transistoren ein.

7 - 7 - Vorbereitungen 2. Bauteile in CMOS Technologie 2.1. Ermitteln Sie folgende Grenzwerte aus dem Datenblatt des Bausteins CD V DDmax =, P max = Spannung an jedem Pin V max = 2.2. Kurze Erklärung der einzelnen Spice-Parameter der Transistoren (von vorheriger Seite). Freiwillig!

8 - 8 - Vorbereitungen 3. Transistorkennlinie 3.1. Skizzieren Sie das Ausgangskennlinienfeld eines MOS Transistors. Markieren und bezeichnen Sie dabei die verschiedenen Bereiche des Kennlinienfeldes Geben Sie die Gleichungen für den Drainstrom in den verschiedenen Bereichen inklusive Kanallängenmodulation an Welcher Faktor charakterisiert im Sättigungsbereich die Drainstromabhängigkeit von U DS (Gleichung)?

9 - 9 - Vorbereitungen 4. Kleinsignalersatzschaltbild eines NMOS Transistors. Annahme: Transistor arbeitet im Sättigungsbereich Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild 4.2. Durch welche Parameter kann der Wert von g m eingestellt werden? Stellen Sie die bestimmenden Gleichungen auf und leiten Sie g m her Welche Parameter wirken sich auf die Größe des Ausgangswiderstands des Transistors aus? Leiten Sie die dazugehörige Formel her.

10 Vorbereitungen 5. Berechnen und dimensionieren Sie die folgende Schaltung Gegeben: U B = 5V X C1 = (R 1 R 2 )/10 I D = 0,5mA X C2 = R 3 /10 U GS = 2,0V X C3 = R 4 /10 U R4 = 0,5V f U = 10Hz I q = 25µA Gesucht (inkl. Herleitung/Berechnung!): R 1, R 2, R 3, R 4 C 1, C 2, C 3 r EIN, r AUS

11 Vorbereitungen 6. Verständnis MOS-Transistor 6.1. Geben Sie die Gleichungen für den Drainstrom I D in den verschiedenen Arbeitsbereichen eines MOS-Transistors an inklusive Kanallängenmodulation! Welche Bedingungen müssen jeweils erfüllt sein, damit sich der Transistor im zugehörigen Bereich befindet? 6.2. In welchen Arbeitsbereich befindet sich der abgebildete Transistor? ( U T = 1V) G D S 5V 6.3. Berechnen Sie in unten gegebener Schaltung den Drainstrom I D. Prüfen Sie ihr Ergebnis auf Plausibilität. Gegeben: U T = 1 V, = 1 ma/v², R D = 400 Ohm, λ = Bleibt der Arbeitsbereich gleich, wenn U DD auf 3 V herabsetzt sowie R D auf 100 Ohm reduziert wird und stattdessen ein Transistor mit U T =0.5 V zum Einsatz kommt? U DD = +5 V R D I D T

12 Vorbereitungen 7. CMOS-Inverter Gegeben ist die Kennlinie eines CMOS Inverters. Geben Sie für jeden der gekennzeichneten Bereiche A bis E an, in welchem Arbeitsbereich sich jeweils der NMOS Transistor T n und der PMOS Transistor T p befinden. + U DD U Aus U DD A B D E U GSp T p U DSp U Ein U Aus C T n U DSn U GSn U Tn U DD /2 U DD -U Tp U DD U Ein

13 Versuchsdurchführung Hinweise: Für alle Messaufbauten soll parallel eine Simulation in PSpice und ein Vergleich mit den berechneten / gemessenen Werten durchgeführt werden. Für Messungen an CMOS-Bausteinen Tastköpfe verwenden! Im Praktikum werden CD4007 von zwei verschiedenen Herstellern benutzt, geben Sie an, welchen Sie verwendet haben! Kabelfarben: Rot = positive Spannungsquelle Blau = negative Spannungsquellen Schwarz = Masseleitung Grün/Gelb = Signalleitungen 1. Aufnahme der Eingangskennlinie eines NMOS Transistors: 1.1. Ermittelung der Messwerte (U DS = 100 mv), zwei Nachkommastellen. U GS [V] Messung I D [ma] Simulation 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Erinnerung: Eingangskennlinie bedeutet I D = f(u GS ) 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

14 Versuchsdurchführung 1.2. Aufzeichnen der Kennlinie. I D [ma] U GS [V] 1.3. In welchem Arbeitsbereich befindet sich der Transistor? 1.4. Bestimmen Sie U T und β aus der gemessenen Kennlinie des Transistors und vergleichen Sie die Werte mit den im Pspice Model angegebenen Werten.

15 PRAKTTI IKUM -- ELEKTRNIK -- VEERSSUCH 5 Versuchsdurchführung 2. Aufnahme der Ausgangskennlinie eines NMOS Transistors: 2.1. Ermittelung der Messwerte, drei Nachkommastellen. Erinnerung: Ausgangskennlinie bedeutet I D = f(u DS ) U DS [V] 0,0 0,2 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 UGS[V] Messung UGS[V] Simulation 2,0 0,000 3,0 0,000 4,0 0,000 5,0 0,000 2,0 0,000 3,0 0,000 4,0 0,000 5,0 0, Bestimmen Sie r DS und Lambda aus den Messwerten.

16 Versuchsdurchführung 3. Source Schaltung: 3.1. Aufbau der Schaltung mit den in der Vorbereitung berechneten Werten, außer: C 2 = 6 µf 3.2. Eintragen der Bauteilwerte in die Schaltung 3.3. Eintragen der DC-Spannungswerte an den Punkten A, B, C für Messung und Simulation 3.4. Messung der AC Verstärkung (U IN = 100 mv PP, 1 khz Sinus) V (ohne C 3 ) =, V (mit C 3 ) = 3.5. Messung des -3 db Frequenzganges (U IN = 100 mv PP ) f U (mit C 3 ) =, f O (mit C 3 ) = 3.6. Bestimmung der maximal möglichen unverzerrten Ausgangsspannung U OUTmaxSS =

17 Versuchsdurchführung 4. Drain Schaltung: 4.1. Aufbau der Schaltung mit den unten angegebenen Werten Gegeben: U B = 5V R1 = 56kΩ I D = 250µA R2 = 470kΩ U GS = 2,0V R3 = 10kΩ I q = 10µA C1 = 3,3µF X C1 = (R 1 R 2 )/10 C2 = 6µF X C2 = R 3 /10 U R2 = 4,5V f U = 10Hz

18 Versuchsdurchführung 4.2. Eintragen der Bauteilwerte in die Schaltung 4.3. Eintragen der DC-Spannungswerte an den Punkten A, B für Messung und Simulation 4.4. Messung der AC Verstärkung (U IN = 500 mv PP, 1 khz Sinus) V = 4.5. Messung des -3 db Frequenzganges (U IN = 500 mv PP ) f U =, f O = 4.6. Bestimmung der maximal möglichen unverzerrten Ausgangsspannung U OUTmaxSS = Tipps zu 3 und 4 Für C1 und C2 nur Folienkondensatoren verwenden!!! Für C3 einen Elko verwenden, z.b. 100 oder 220µF