Transistorschaltungen

Transkript

1 Transistorschaltungen V DD in Volt 3 2 V Ein - UTh,P V Ein - UTh,N U Th,P U Th,N V Ein in Volt a) Schaltung b) Übertragungsfunktion

2 Bipolar Transistorschaltung im System I Ein C Ein? V CC I Aus C Aus System-Einbindung von Bipolar-Schaltungen. Bei der Berechnung des Arbeitspunktes wird von einer Potenzialentkopplung der Ein- und Ausgänge ausgegangen

3 Ein- und Ausgangswiderstand V CC V CC i Ein?? i Aus u Ein RL u Aus Bestimmung von r Ein Bestimmung von r Aus Modellvorstellungen zur Bestimmung von Ein- und Ausgangswiderstand

4 Stromquellen und Widerstände i B i B r BE βi B R r BE (1+β)R i B i E i E R r BE βi B R + r BE (1+β) Vereinfachung von Kleinsignal-Ersatzschaltbildern bei gesteuerten Stromquellen. Diese Technik funktioniert, wenn 1/r CE = 0 ist oder wenn r CE = parallel zur Stromquelle liegt.

5 Temperaturabhängigkeit Temperaturabhängigkeit der Kleinsignal-Verstärkung als Funktion des Kollektorstromes für drei verschiedene Temperaturen am Beispiel des Transistors BC239. An diesem Beispiel wird deutlich: Robuste Schaltungen sind nur solche, deren Eigenschaften nicht von einem bestimmten Wert für ß abhängen

6 Emitter Grundschaltung V CC R B R C Oben: Minimalform der Emitterschaltung: Namensgebend ist das feste Emitterpotenzial i Ein i B i Aus u Ein R B r BE βi B r CE R C u Aus Unten: Kleinsignal- Ersatzschaltbild

7 Stromgegenkopplung R B1 R B2 V CC R C R E Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung. R E sorgt für eine reduzierte aber gegenüber Temperaturschwankungen von U D weniger anfällige Spannungsverstärkung. Im Verbund mit R E sorgt der zweite Basiswiderstand R B2 für eine verringerte Abhängigkeit vom genauen Wert für B E bzw. ß

8 V CC Kollektor Grundschaltung R B1 Oben: Kollektorschaltung. Der Kollektor liegt auf konstantem Potenzial R B2 R E i Ein u Ein i B R B1 R r BE B2 i B R E u Aus i Aus R L Unten: Kleinsignal- Ersatzschaltbild der Kollektorschaltung mit Quelle (links) und Last (rechts)

9 V CC Basis Grundschaltung i Ein C u Ein V B R B1 R B2 R C R E βib R E r BE i B (r ) CE R C u Aus i Aus R L Oben: Basisschaltung. Sie hat ein (fast) konstantes Basispotenzial. Dafür sorgt der Kondensator. Unten: Kleinsignal- Ersatzschaltbild für den Grenzfall eines konstanten Basispotenzials

10 Darlington Transistoren V BB T V EB V C 1 T1 T 2 V EE T 2 T 1 T 2 Darlington-Schaltung aus zwei NPN Transistoren. Komplementäre Darlington-Schaltungen. Sie erlauben höhere Spannungsausgangsamplituden als die aus Transistoren gleicher Polarität bestehenden, denn zwischen Basis- und Lastanschluss liegt nur eine Diodenspannung

11 Gegentakt Endstufe V CC Urform der Gegentakt-Endstufe: RB1 R B2 NPN PNP Ein kleiner Strom durch die Basiswiderstände führt zu einer um 2 Diodenspannungen auseinandergezogenen Ansteuerung der beiden Transistoren. Damit kompensieren die externen Dioden die Basis- Emitter-Dioden der Transistoren und verhindern, dass diese gleichzeitig sperren

12 Schottky-Transistor Der Schottky- Transistor und seine Entstehung aus Schottky-Diode und Transistor

13 CMOS Inverter V DD 1 Der CMOS-Inverter, Urahn aller CMOS-Gatter: links die Schaltung, rechts das Schatlsymbol, dessen Kreis ganz rechts die Signalinversion andeutet

14 Kennlinie des CMOS Inverters V DD in Volt U Th,P U Th,N V Ein V Ein - UTh,P V Ein - UTh,N in Volt Kennlinie des CMOS- Inverters. Dort, wo die Geraden geschnitten werden, ändern sich die Betriebszustände. Links von der gepunkteten Linie ist der PMOS- Transistor im Anlauf, rechts von der gestrichelten Linie ist der NMOS-Transistor im Anlauf a) Schaltung b) Übertragungsfunktion

15 CMOS Inverter Kleinsignal Ersatzschaltbild u Ein g m,n u Ein g m,p i Aus g d,n g d,p u Aus Kleinsignal-Ersatzschaltbild des in CMOS-Inverters

16 Quarz X ω 1 R } Abreitspunkt 1 U t C C }Schwingkreis Quarz und zwei seiner Piezo-elektrischen Anwendungen: Feuerzeug und Oszillator (unter Verwendung eines Bildes aus WIKIPEDIA) Verlauf des Blindwiderstandes eines Quarzes und diesen nutzende Oszillatorschaltung

17 Elektronischer Schalter V DD V DD NMOS PMOS Transfer-Gatter, auch bekannt als elektronischer Schalter. Hier sind die Gates so angeschlossen, dass der Gesamtleitwert maximal ist

18 Zustände am Transfer-Gatter NMOS V DD V DD - U gesperrt V DD abgeschnürt Th,N Anlauf 0 0 abgeschnürt V V DD DD - U Th,N Operationsmodi der MOS- Transistoren bei der Gate- Schaltung. Bei langsamen Potenzialänderungen am Eingang werden die Diagonalen der dargestellten Quadrate durchlaufen. Schnelle Wechsel spielen sich in den Randbereichen ab PMOS V DD V DD abgeschnürt Anlauf -U Th,P gesperrt 0 abgeschnürt 0 -U Th,P V DD

19 Leitwert des Transfergatters G PMOS + NMOS V DD -U Th,P V DD -UTh,N Leitwertverlauf des Transfer- Gatters für sich langsam ändernde Eingangspotenziale. Bei symmetrischer Wahl der Transistorparameter verhält sich die Schaltung um = V DD /2 herum wie ein Ohm'scher Widerstand

20 Master-Slave Flipflop T 1 T 1 T T Ein Master-Slave Flipflop (oben) und seine Wirkung auf den zeitlichen Verlauf von Signalen (unten): T sl sl sl sr sr sr t t Ein stark gestörtes Eingangssignal wird gesäubert und mit dem Taktsignal synchronisiert. Das Taktsignal und sein Komplement bestimmen, ob speichern links (sl) oder speichern rechts (sr) aktiv ist t t

21 Fehlerhafte Gegentakt-Endstufe V = + R L 5 V -4-2 Ausgangspotenzial [Volt] 4 2 Eingangspotenzial 2 4 [Volt] Aufgabe: Noch nicht ganz praxistaugliche Gegentakt-Endstfe mit Last RL Sie führt, wie rechts gezeigt zu Verzerrungen V = V -2-4

22 CMOS Inverter-Querschnitt p- Substrat Aufgabe: Gezeigt: Querschnitt durch die beiden Transistoren eines CMOS-Inverters auf einem Silizium-Chip Gesucht: Was ist wie dotiert und wie angeschlossen?

23 Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung R B V CC R C Aufgabe: Was kann durch geschickte Dimensionierung bei dieser Emiterschaltung mit Spannungsgegenkopplung erreicht werden?

24 Schottky-TTL Gatter V 1 V 2 V CC 2k T 1 T 2 T 3 T 4 3k T 6 T 5 Aufgabe: Warum ist T4 kein Schottky Transistor? Bitte erklren Sie die Funktion der beiden Schottky-Dioden. Warum sind die meisten Transistoren Schottky-Transistoren? Bitte erklären Sie das Zusammenspiel der TransistorenT3 und T4 Bitte bestimmen Sie die internen Potenziale sowohl für den Fall V 1 = V 2 = 5 V als auch für V 1 = 0 V und V 2 = 5 V.

25 Comparator V 1 V 2 S 1 S 2 C C C L 1 S V C C C L Aufgabe: Finden Sie eine vernünftige Abfolge von Schalterstellungen, so dass am Ende mit möglichst großerverstärkung den Unterschied von V 1 und V 2 weitergibt. Welche Parameter der Invertertransistoren sind für die Qualität der Gesamtschaltung entscheidend?...

26 R B1 R B2 V CC R C R E Konstruktion von Kleinsignalbildern R B1 1. Schritt R B2 i B V CC r BE R 0 C R E βi B Aufgabe: Konstruktion des Kleinsignal Ersatzschaltbildes für die Emitterschaltung mit Gegenkopplung i B r BE βi B 2. Schritt Lösung: zunächst wird nur der Transistor ersetzt (1. Schritt), dann alle festen Potenziale gleich Null gesetzt und die Schaltung neu sortiert (2. Schritt) u Ein R B1 R B2 R E R C u Aus