5. Feldeffekt-Transistoren

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1 5. Feldeffekt-Transistoren 5. Feldeffekt-Transistoren 1. Grundlagen 2. Funktionsprinzip 3. Kennlinien und Kenngrößen 4. Grundschaltungen

2 Wh.: 5.3 MOSFET-Kennlinien Stets gilt: V G > V T d.h.: Leitender Inversionskanal 1.) Linearer, Ohmscher Bereich: V <<V G V T Ψ B 2ΨB + 2ε HLε en ( E i E F ); 2Ψ B / C i ; I (V G, V ) (Z/L) µ n C i (V G -V T )V ; Kanalleitwert: g di /dv (Z/L)C i (V G -V T ) Steilheit: g m di /dv G (Z/L)C i V 2.) Pinch-off des Kanals an rain V V,sat V G -V T 3.) Sättigungsbereich: V > V,sat Pinch-off-Punkt verschiebt von zu S Elektronen driften von Pinch-off mit v,sat 1 5 m/s durch hohes E V -V,sat /(L-L`) zu V,sat steigt mit V G denn: V,sat V G -V T da pinch-off später erreicht wird I,sat ~ Q Kanal V,sat : Zµ ε ε n oxid I V, sat G 2d L oxid ( V ) 2 T

3 usgangs-kennlinien: I (V, V G ) I ~ (V G -V T )V I K/2 (V G -V T ) 2 (1+ S / early )

4 Übertragungs-Kennlinien: I (V G ) Parabelförmige Übertragungskennlinie I (V G ) ~ (V G -V T ) 2 für V >V,sat

5 FET-Grundschaltungen: CMOS Vorteil für igitaltechnik: Sehr geringe dissipierte Standleistung Serienschaltung von nmos und pmos-fet Bsp: Inverter (2 selbstsperrende FETs): E ( ): nmos sperrt, pmos leitet V ( 1 ) E V > ( 1 ): nmos leitet, pmos sperrt ( ) Schaltströme I V V I V P-MOS S1 G Ruhestrom E N-MOS S2 E Rechtecksignal mit f 1 MHz

6 Komplementäre MOS-Logik (CMOS) Selbstsperrende p- und n-kanal MOSFETs in Reihe: n-fet mit S an Masse, p-fet mit S an V CMOS-Inverter x 1 x 2 y CMOS-NOR-Gatter CMOS-NN- Gatter Sehr geringe Leistungsaufnahme im stationären Zustand und beim Schalten: P νc P V 2 (Kapazität + Querstrom)

7 ngewandte Physik II: Elektronik 6. Operationsverstärker (OP, OPV) 1. nforderungen 2. ufbau 3. Äußere Beschaltung: Gegenkopplung 4. Reale OPV 5. nwendungsbeispiele

8 nforderungen an Operationsverstärker Verstärkung von ifferenzsignalen ( E12 E1 E2 ) Hohe Verstärkung ( ), Festlegung durch äußere Beschaltung Sehr hoch- / niederohmiger Ein- / usgang Geringer Einfluß von rift in Temperatur, Versorgungsspannung usgangsspannungen 12 beider Polarität Grundprinzip eines Operationsverstärkers: Zwei symmetrische, thermisch gekoppelte Verstärkerstufen

9 ufbau eines Operationsverstärkers Zwei Versorgungsspannungen V +, V - (typisch +15V, -15V) Zwei Eingänge p (P, +, nichtinvertierend), n (N, -, invertierend) Ein usgang mit usgangsspannung ( p n ) Mehrstufige, integrierte, symmetrische Verstärkerschaltung

10 usführungsformen Ein / mehrere OPV in IL-Gehäuse Pins: Versorgungen V +, V - und jeweils ein P, N, pro OPV

11 Typen von OPV nterscheidung nach großem / kleinem Ein- / usgangswiderstand r klein r groß r E groß r E klein

12 Kenngrößen und Kennlinien nterschiedliche Kenngrößen, abhängig vom OPV-Typ: ifferenzverstärkung (VV) (typ. Leerlaufverst. : 1 5 ) a P ifferenzsteilheit (VC) (typ.: 1 /V) S I a P Stromübertragungsfaktor (CC) k I I I a N P

13 ufbau eines OPV: 1.Stufe ifferenzverstärker Eingänge E1, E2 in ifferenzverstärker mit gleichen, thermisch gekoppelten Transistoren T 1, T 2 ef.: Gl ( E1 + E2 )/2, E1 - E2 Gleichtaktverstärkung Gl für E1 E2 Gl wegen gemeinsamem Emitterwiderstand R E : I C1,2 I E1,2 I E /2 ( Gl - BE + - )/2R E 1,2 + -R C I C1,2 1 2 ; 1-2 ; Gl d d 1 2 d Gl d Gl ; Hier genauer: Gl -R C /2R E Gl ist klein (-1-4 ) mit Konstantstromquelle (mit hohem r d - /di E ) statt R E, da: I E ( Z - BE )/Rconst.

14 ifferenzverstärkung Für E1 E2 verstärken die Transistoren die ifferenz: (vergleiche Bipolartransistor-Emitterschaltung) d d d 1 2 RC d β const const Gl Gl / r BE Typisch : -1 bis -1 (nur ifferenzverstärker, 1.Stufe) Kenngröße: Gleichtaktunterdrückung G / Gl (bis >1 5 ) Änderung von ist stets symmetrisch: I E I E1 + I E2 const. I E1 - I E2 ; I C1 - I C2 1 -R C I C1 R C I C2-2

15 Übertragungskennlinie 1,2 ( ) von npn-iff.-verstärker nnahmen: symmetrischer ufbau mit T 1, T 2 ntisymmetrischer Eingang E1 /2, E2 - /2 Konstanter Emitter-Gesamtstrom I E 2I Kollektorströme: I C1 + I C2 2I BE1,2 I I exp C1,2 S I C1 / IC 2 exp T T k B T T usgangsspannung: 1,2 b R C I C1,2 a1,2 b I ifferenzverstärkung: R C 1± tanh 2 T d d a1 d I R a2 d 2 C T < b T

16 Übertragungskennlinie 1,2 ( ) eines n-kanal MOSFET-ifferenzverstärkers Symmetrischer ufbau T 1, T 2 (bzgl. th ) rainströme: I 1,2 K 2 ( ) 2 GS1,2 th GS1 GS2 2I1 K 2I2 K I 1,2 I ± 2 2KI K 2 2, K µ ε ε n r, ox Z d L ox für < M 2 I K

17 1,2 ( ) eines n-kanal MOSFET-ifferenzverstärkers usgangsspannung: 1,2 b R I 1,2 a1 a1,2 für 2 R K I R m 2KI, b M 1 V 2 2 < M 2 I / K M,5V M,25V a2 ifferenzverstärkung: d d a1 R 2 2KI 2 IR M einstellbar mit R und über Strom I ( M ) (vgl. Stromgegenkopplung bei npn-emitterschaltung) d d a1 M 1 V M,5 V M,25 V 5 PSpice/Schaltungen_zur_Vorlesung/K6_S2_n_Kanal_ifferenz_Verstaerker.sch

18 3 nforderungen 3-stufiger OPV 1. riftfreie Verstärkung von : 1. Stufe: sym. ifferenzverstärker(s.o.) npn-ifferenzverst. mit Konstantstromquelle I E, große Gleichtaktunterdr. G 2. Großer Bereich von : 2. Stufe: unsymm. Verstärkerstufe BE <.6V (T4 sperrt): ` - ; BE >.6V (T4 leitet): ` + ; 3. Kleiner usgangswid. R <1Ω 3. Stufe: Emitterfolger-Endstufe Gegentaktschaltung: T5: npn, leitet bei `> T6: pnp, leitet bei `< 1. Stufe 2. Stufe 3. Stufe

19 Nachteile des idealen OPV mit großer Verstärkung Sättigung der usgangsspannung bei kleinem Nichtlineare Verstärkung Einfluß von Temperatur und Transistordrift Gegenkopplung des usgangs auf Eingang über Spannungsteiler

20 6.3 Gegenkopplung Nichtinvertierender Verstärker ( > ) Rückkopplungskoeffizient: k R R 1 /(R 1 +R N ) a ( e -k R a ) a e 1 k 1+ k R R für g >> 1 für g << 1 mit Schleifenverstärkung g k R + R e N a e 1 k R R1 e g>>1: Spannungsdiff.-, Klemmen-Verstärkung durch Beschaltung gegeben g<<1: keine Gegenkopplung

21 6.3 Gegenkopplung Invertierender Verstärker ( < ) Einfache Betrachtung für idealen OP, d.h.:, E+ E-, I E+ I E- : E+ E- ; I e e /R 1 -I a - a /R N ; Virtuelle Erde für idealen OP a / e -R N /R 1 Regelungstechnische Betrachtung: a (k F e -k R a ) Mit: k R R 1 /(R 1 +R N ); k F -R N /(R 1 +R N ) a e k F 1+ k R k k F F k R für g für g >> 1 << 1 (keine Gegenkopplung) g>>1: Klemmenverstärkung durch Beschaltung gegeben: k R F N a e e kr R1 e

22 6.4 Reale OPV: Bandbreite OPV ohne Gegenkopplung: Tiefpassverhalten des Transistoreingangs mit Grenzfrequenz ν g 1/RC ( ν) 1+ ν 2 ν 2 g ν ν g für ν >> ν g OPV mit Gegenkopplung (Schleifenverstärkung g k R / ): Erhöhung der Grenzfrequenz ν`g durch Reduzierung der Verstärkung ν g ν' g (ν T ) ν T ν T ν ' ν g g g

23 Bandbreite eines realen mehrstufigen OPV Jede Verstärkerstufe hat eigene Grenzfrequenz ν gi Gesamtverstärkung: ( ν ) ( ν i i ) Phasenverschiebung -9 je Stufe bei hohen Frequenzen Problem: Gegenkopplung und Phasenversch. ϕ-18 Mitkopplung, Oszillation Lösung: Frequenzkompensierte OPV: Vorschaltung eines Tiefpasses ν gt << ν gi verhindert Oszillationen, Rauschen

24 Eingangswiderstand Nichtinvertierender OPV: Gleichtakt- r gl und ifferenz-eingangswiderstand r` parallel r' d e gr di Gesamter Eingangswiderstand: r e r gl r' (typisch > GΩ) e imensionierung: R g R N R 1 /(R N +R 1 ) verhindert symmetrie (+/-) durch Gegenkopplung Invertierender OPV: Eingangswid. bestimmt durch R 1 (<1kΩ) an virt. Masse (da OPV + - regelt) R1 liegt an virtueller Masse invertierende Verstärkerschaltung

25 usgangswiderstand Nichtinvertierender OPV: ' k und ' a e a a a + I a r a a e I 1+ k a r a k e Iar g a mit g k und k R 1 /(R 1 + R N ). Stromabhängiger nteil bewirkt usgangswiderstand: r' d di a a a ra g Typisch: r a 1Ω, g1, r`a.1ω klein (Verstärker)

26 nwendungsbeispiele von OPVs 1. Summierer OP-Eingangswiderstand, d.h. I E- ; I I E,i i usgangsspannung R i E,i R i Speziell: R i R R R i E,i

27 nwendungsbeispiele von OPVs 2. Spitzenspannungsanalysator iode leitet während nstieg von E, iode sperrt bei bfall, da dann E- C > E+ E und `< C bleibt mit Spannung C max( E,bi / ) geladen Zweiter OPV liest aus mit hochohmigem Eingang Puls an Transistorbasis löscht/entlädt C Modifikation: Schalter/Transistor statt iode 3. Sample&Hold-Schaltung: Hält E (t i ) z. B. zum -Wandeln

28 nwendungsbeispiele von OPVs 4. ifferentiator IE (t) C de(t) dt I E (t) I (t) RC (t) (t) R de(t) dt (t) prop. zu aktueller bleitung von E (t) wirkt als Hochpass Hochfrequenz-Rauschen begrenzbar durch Tiefpass mit R`, C` Vertauschen von R und C: Tiefpass 5. Integrator

29 nwendungsbeispiele von OPVs 6. Komparator und iskriminator Vergleich von E und S OPV mit hohem schaltet usgang zwischen Sättigungssp. +S ( + - BE ) und -S wenn E < S, bzw. E > S, ber: hat linearen Übergangsbereich bei E S

30 nwendungsbeispiele von OPVs 7. Schmitt-Trigger Hysterese-Bereich H ( + S -- S )R 1 /(R 1 +R 2 ) E+ S - R1 Mitkopplung destabilisiert im Übergangsbereich E S schaltet schnell zwischen den zwei Sättigungswerten (mit Hysterese) Kleiner Hysteresebereich bei kleinem R 1, kleiner Schleifenverstärkung g R 1 /(R 1 +R 2 ) ber Vorr.: g>1; H >( + S -- S )/ Verwendung als Bindeglied zwischen nalog- und igitalelektronik

31 nwendungsbeispiele von OPVs 8. PI-Regler t C R 1 ifferentialglied Integrale Rückkopplung (Hochpass) (Tiefpass) t I C I R 2 P R R 2 1 Regelverstärkung: R P (1 + iω t + 1 iωt I )