D.3 Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter

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1 .3: Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter.3 Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter Name: Gruppe: Theorie: Versuch: (vom Tutor abzuzeichnen) (vom Tutor abzuzeichnen) In dieser Versuchsreihe werden diskrete Feldeffekttransistoren (FETs) und der Aufbau von entsprechenden Grundgattern behandelt. Wiederholen Sie zur Vorbereitung noch einmal die Kapitel SPICE und Messgeräte im Skript. Hinweis: as Programm ngspice ist auf den Linux PCs installiert. Um mit SPICE arbeiten zu können, müssen Sie sich auf einem der Rechner aus dem RALAB-Pool, z. B. ralab01, einloggen. n-mos Transistor Welche Vorteile haben FETs gegenüber bipolaren Transistoren? Bedenken Sie Aufgabe 1 neben Leistungsdaten auch die Prozesstechnologie. Welche Arbeitsbereiche können im Steuerkennlinienfeld eines FET unterschieden Aufgabe 2 werden? Was beschreibt die Schwellspannung ( threshold voltage ) bei einem FET? Aufgabe 3 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 3 1

2 .3: Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter Aufgabe 4 Welche Ladungsträger werden beim n-mos FET für den Ladungstransport im Kanal zwischen rain und Source benutzt? Aufgabe 5 p-kanal und n-kanal Transistoren haben bei gleichen Kanal-Abmessungen unterschiedliche Leitfähigkeiten. Was ist die Ursache für die unterschiedlichen Leitfähigkeiten? Aufgabe 6 Im Praktikum werden n-mos FETs vom Typ ZVN3306A verwendet. iese lassen sich in SPICE mit folgender Steueranweisung modellieren:.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 Schreiben Sie ein SPICE Programm zur Simulation der Steuerkennlinie des n- MOS FET ZVN3306A, U GS = 0,..., 7 V mit den Parametern U S =2, 3, 4, 5 V. Achten Sie darauf, den Bulk-Anschluss immer mit Source zu verbinden. Kopieren Sie das SPICE Programm auf Ihren Hardwarepraktikum-Account und geben Sie hier den ateinamen an. Versuch 7 Simulieren Sie die Steuerkennlinie mit dem SPICE Programm aus Aufgabe 6. Lassen Sie sich den Versuch am Rechner von Ihrem Tutor abzeichnen und geben Sie einen Ausdruck der Simulationsergebnisse mit dem Versuchsprotokoll ab. Simulation am Rechner gesehen 2 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 3

3 .3: Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter Schreiben Sie ein SPICE Programm zur Simulation der Ausgangskennlinie des n- Aufgabe 8 MOS FET ZVN3306A im Bereich U S = 0,..., 7 V mit den Parametern U GS = 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 V. Kopieren Sie das SPICE Programm auf Ihren Hardwarepraktikum-Account und geben Sie hier den ateinamen an. Simulieren Sie die Ausgangskennlinie mit dem SPICE-Programm aus Aufgabe 8. Versuch 9 Lassen Sie sich den Versuch am Rechner von Ihrem Tutor abzeichnen und geben Sie einen Ausdruck der Simulationsergebnisse mit dem Versuchsprotokoll ab. Simulation am Rechner gesehen Nehmen Sie zum Vergleich die Steuerkennlinie und die Ausgangskennlinien Versuch 10 des diskreten Transistors ZVN3306A mit der in Abbildung.1 gezeigten Messanordnung auf (Pinbelegung siehe.2). Welche Funktion hat in dieser Anordnung der Lastwiderstand R L? Abbildung.1: Messanordnung zur Aufnahme der Kennlinien. Abbildung.2: Pinbelegung der Transistoren ZVN3306A und ZVP3306A. Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 3 3

4 .3: Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter Verwenden Sie zur Aufnahme der Steuerkennlinie den Parameter U B = 5V und begrenzen Sie dabei den Strom auf 130 ma (messen Sie Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom mit dem igitalmultimeter). Bestimmen Sie I wie in Abbildung.1 angegeben für die Gatespannungen U GS = 0, 1, 2, 2.5, 3 und 3.5 V und tragen Sie die Messdaten als Graph auf. Geben Sie die Schwellspannung des Transistors an. ie Ausgangskennlinien sollen für die Parameter U GS = 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 und 3.5 V bestimmt werden. Variieren Sie für jeden Wert von U GS die Spannung U B zwischen 0 und 5 V (überprüfen Sie vorher noch einmal die Strombegrenzung auf 130 ma). Erstellen Sie aus den gemessenen Werten für U S und den zugehörigen wie oben bestimmten Werten I das iagramm mit den Ausgangskennlinien (x-achse U S [nicht U B!], y-achse I ). Versuch 11 ieser Versuch ist freiwillig. Wenn nur der qualitative Verlauf der Steuerkennlinie bestimmt werden soll, lässt sich dies ohne Einzelmessungen wie folgt mit Funktionsgenerator und Oszilloskop durchführen: Ersetzen Sie die Spannungsquelle für U GS durch den Funktionsgenerator und stellen Sie eine reieckspannung ein, die zwischen -1 und 3.5 V schwingt (beliebige Frequenz zwischen 1 und 10 khz). Zum Einstellen der reieckspannung nach dem Einschalten die Taste > so oft drücken bis im isplay die Signalform TRIANGLE angezeigt wird. Anschließend mit den Tasten SUB FUNC und > die Betriebsart C-Offset On einstellen. Mit den rehreglern für C-Offset und Amplitude lässt sich das Signal in den gewünschten Bereich schieben (mit dem Oszilloskop überprüfen, dazu Signalankopplung mit der Taste AC/C in den C- Modus schalten). Um den Verlauf der Steuerkennlinie auf dem Oszilloskop anzuzeigen, wird U GS an den Eingang CHII (X-Achse) und US invertiert an den Eingang CHI (Y-Achse) des Oszilloskops angeschlossen. Nach Umschalten in den XY-Betrieb (zweimal die Taste A/XY drücken) erscheint auf dem Schirm die Spannung U S ( I ) in Abhängigkeit von U GS. Wählen Sie einen geeigneten Maßstab für X- und Y-Achse. 4 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 3

5 .3: Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter Grundgatter Geben Sie den Stromlaufplan eines NOR-Gatters in CMOS Technologie an. Aufgabe 12 Welche Stimuli müssen Sie an die Eingänge des NOR-Gatters legen, um Aufgabe 13 die logische Funktion des Gatters zu validieren? Müssen die Stimuli in einer besonderen Reihenfolge angelegt werden? Welche Stimuli müssen Sie an die Eingänge des NOR-Gatters legen, um die Aufgabe 14 Schaltzeiten des Gatters zu validieren? Müssen die Stimuli in einer besonderen Reihenfolge angelegt werden? Bauen Sie auf der Experimentierplatine das NOR-Gatter auf und validieren Sie Versuch 15 die logische Funktion des Gatters und protokollieren Sie Ihre Messergebnisse. Für die Versorgungsspannung stellen Sie an der stabilisierten Spannungsquelle eine Spannung von 5 V ein und begrenzen Sie den Strom auf 130 ma. Messen Sie Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom mit dem igitalmultimeter. ie Eingabestimuli können mit dem Funktionsgenerator im Gleichspannungsbetrieb erzeugt werden. Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 3 5

6 .3: Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter Versuch 16 Um das Schaltverhalten des NOR-Gatters zu untersuchen, stellen Sie am Funktionsgenerator eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von 50 khz ein. Verbinden Sie beide Eingänge des NOR-Gatters mit dem TTL-Ausgang des Funktionsgenerators. Nehmen Sie mit dem Oszilloskop das Eingangs- und Ausgangssignal des NOR Gatters für die Frequenzen 50 khz, 500 khz und 5 MHz auf. Tragen Sie alle Signale in ein iagramm mit normalisierter Zeitachse ein, d. h. unabhängig von der gewählten Frequenz beträgt die Periodendauer stets 1. Verwenden Sie unterschiedliche Farben, um die Ausgangssignale für die verschiedenen Frequenzen kenntlich zu machen. Aufgabe 17 Im Folgenden soll die Stromaufnahme des NOR-Gatters untersucht werden. Welche Stromarten kann man in CMOS Gatter unterscheiden? Wie ist der Zusammenhang zwischen Betriebsfrequenz und Stromaufnahme? Aufgabe 18 Schreiben Sie ein SPICE-Programm, das an beide Eingänge des NOR-Gatters die gleiche Rechteckspannung anlegt und den Strom zwischen Versorgungsspannung und Masse (I ) ausgibt. Verwenden Sie folgendes Halbleitermodell für p-mos Transistoren: 6 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 3

7 .3: Versuchsreihe 3: Transistoren und Grundgatter.model zvp3306a pmos vto= rs=5.227 rd=7.524 is=1e-15 kp=.145 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 lambda=6.67e-3 Verbinden Sie jeweils den Bulk-Anschluss mit Source. Kopieren Sie das SPICE Programm auf Ihren Hardwarepraktikum-Account und geben Sie hier den ateinamen an. Simulieren Sie das NOR-Gatter für die Frequenzen 50 khz, 500 khz und 5 MHz. Versuch 19 Lassen Sie sich die Simulation am Rechner abzeichnen und fügen Sie dem Protokoll einen Ausdruck Ihrer Simulationsergebnisse bei. Erläutern Sie die Ergebnisse. Simulation am Rechner gesehen Lassen sich die Ergebnisse der SPICE-Simulation mit den vorhandenen Aufgabe 20 Messgeräten reproduzieren? Skizzieren Sie eine geeignete Versuchsanordnung. Bauen Sie die Versuchsanordnung aus Aufgabe 20 auf und vergleichen Sie Ihre Versuch 21 Ergebnisse mit den Ergebnissen der SPICE-Simulation. Schalten Sie alle Geräte bis auf den Rechner aus. Überprüfen Sie, ob alle Leitungen, Versuch 22 Multimeter und Tastköpfe aufgeräumt sind. Stellen Sie die Stühle an die Tische und vergewissern Sie sich nochmals, dass der Platz in ordnungsgemäßem Zustand ist. Lassen Sie bitte keinen Unrat unter den Tischen stehen! Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 3 7