TNF. Musterlösungen Übung Halbleiterschaltungstechnik WS 2012/13. Übungsleiter: Christian Diskus Martin Heinisch Erwin Reichel

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1 TNF Musterlösungen Übung Halbleiterschaltungstechnik WS 212/13 Übungsleiter: Christian Diskus Martin Heinisch Erwin Reichel Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik Altenbergerstr. 69, 44 Linz, Internet: c IME, Heinisch

2 Inhaltsverzeichnis 1 Wiederholung: Lineare Netzwerke 2 Aufgabe 1: Lineare Ersatzquellen Aufgabe 2: Superposition I Aufgabe 3: Superposition II Diode 5 Aufgabe 4: Grafische Netzwerkanalyse von nichtlinearen Spannungs- und Stromteilern Aufgabe 5: Parallelschaltung von Dioden Aufgabe 6: Serienschaltung von Dioden Aufgabe 7: Iteration Aufgabe 8: Kleinsignalbetrieb Aufgabe 9: Kleinsignal-Abschwächer Aufgabe 1: Spannungsstabilisierung mit Zener-Dioden Aufgabe 11: Diodenschaltung I Aufgabe 12: Diodenschaltung II Aufgabe 13: Diodenschaltung III Aufgabe 14: Diodenschaltung IV Aufgabe 15: Z-Diode I Aufgabe 16: Z-Diode II Aufgabe 17: Brückenschaltung mit Dioden Der Bipolartransistor 15 Aufgabe 18: Bipolartransistor Aufgabe 19: Arbeitspunkteinstellung für den Bipolartransistor BC 546 B Einfache Verstärkerschaltungen 2 Aufgabe 2: Berechnung des Arbeitspunktes Aufgabe 21: Betriebsparameter der stromgegengekoppelten Emitterschaltung.. 22 Aufgabe 22: Berechnung des Temperatureinflusses mithilfe des KSESB Aufgabe 23: Möglichst großer Emitterwiderstand bei vorgegebenen Aussteueramplituden Aufgabe 24: Vorgabe der maximal zulässigen Arbeitspunktverschiebung Aufgabe 25: Spannungsgegengekoppelte Emitterschaltung Aufgabe 26: Kollektorschaltung Aufgabe 27: Basisschaltung Aufgabe 28: Zusammenfassung Einfache Verstärkerschaltungen i

3 6 Zweistufige Verstärkerschaltungen 34 Aufgabe 29: Zweistufiger Transistorverstärker Stromquellen und Stromspiegel 35 Aufgabe 3: Stromgegengekoppelte Transistorschaltung als Stromquelle Aufgabe 31: Totale Temperaturkompensation Aufgabe 32: Einfacher Stromspiegel Aufgabe 33: 3-Transistor-Stromspiegel Aufgabe 34: Stromspiegel mit Kaskode Aufgabe 35: Wilson-Stromspiegel Differenzverstärker 41 Aufgabe 36: Differenzverstärker mit realer Stromquelle Aufgabe 37: Differenzverstärker mit Transkonduktanz-Eingangsstufe Oszillatoren 44 Aufgabe 38: Oszillator mit OPV Aufgabe 39: Colpitts-Oszillator in Basisschaltung Der pnp-bipolartransistor 46 Aufgabe 4: Stromgegengekoppelte Emitterschaltung mit pnp-transistor Feldeffekt-Transistoren 48 Aufgabe 41: MOSFET Verstärkerschaltung mit symmetrischem Ausgang Aufgabe 42: MOS-Stromspiegel Aufgabe 43: CMOS Grundschaltungen Aufgabe 44: CMOS Grundschaltungen

4 1 Wiederholung: Lineare Netzwerke Aufgabe 1 Lineare Ersatzquellen Aufgabe 2 Superposition I 2

5 Aufgabe 3 Superposition II 3

6 Ad Superposition II 4

7 2 Diode Aufgabe 4 Grafische Netzwerkanalyse von nichtlinearen Spannungs- und Stromteilern a) b) I D / A I 57 ma AP Arbeitsgerade.1 U D,.695 V U 1 =U -U D, V U D / V (a) I I D / A I D, 43 ma I 1 =I -I D, 7 ma U D,.69 V AP U D / V (b) 5

8 Aufgabe 5 Parallelschaltung von Dioden a) Ad a) I 1.5 I 1,min I 2 / A 1 I 1,max b).5 I 1,min.75 A I 1,max A Ad b) I 1.5 I / A I 1,max I 1,min.5 I 1,min.64 A I 1,max.896 A U / V 3 6

9 Aufgabe 6 Serienschaltung von Dioden I 2 / A 1 U 1,max.644 V.5 U 1,min.556 V U 2 / V U 7

10 Aufgabe 7 Iteration 1. Mo glichkeit: ID / A UD / V Mo glichkeit: 5 UD / V UD / V ID / A UD / V UD / V.6953 ID / A ID / A ID / A.7

11 Aufgabe 8 Kleinsignalbetrieb Minimale(r) und maximale(r) Diodenspannung/ -strom a) grafisch I D / A U D / V Arpeitspunkt: U D,.625 V, I D, 37.5 ma 2. Kleinsignalbetrachtung: u D 16 mv, i D 22.5 ma 3. Bestimmung der/des minimale(n) und maximale(n) Diodenspannung/ -stromes U D, max = U D, + U D+ U D, + u D =.641 V U D, min = U D, U D U D, u D =.69 V I D, max = I D, + I D+ I D, + i D = 6 ma I D, min = I D, I D I D, i D = 15 ma Anmerkung: Im gezoomten Plot sieht man schön den Unterschied zwischen linearisierter Diodenkennlinie im AP und tatsächlicher Kennlinie. Obwohl wir uns hier noch nicht ganz im steilen Bereich der Kennlinie befinden, ist der durch diese Linearisierung entstehende Fehler nicht all zu groß. 9

12 b) rechnerisch mit Kleinsignalbetrachtung 1. Arpeitspunkt (durch Iteration bestimmt): U D, = V, I D, = ma 2. Kleinsignalbetrachtung: r D n U T r D u D = Û = mv r D + R i D = Û r D + R = ma I D, 3. Bestimmung der/des minimale(n) und maximale(n) Diodenspannung/ -stromes U D, max = U D, + U D+ U D, + u D = V U D, min = U D, U D U D, u D =.6927 V I D, max = I D, + I D+ I D, + i D = ma I D, min = I D, I D I D, i D = ma 1

13 Aufgabe 9 Kleinsignal-Abschwächer 11

14 Aufgabe 1 Spannungsstabilisierung mit Zener-Dioden 12

15 Aufgabe 11 Diodenschaltung I Aufgabe 12 Diodenschaltung II Bsp 11 Bsp U / V D I D / A I D / A I D / A I D / A U D / V U / V D U / V D 13

16 Aufgabe 13 Diodenschaltung III a) U 1 = 3.3 V, U 2 =.67 V b) U 1 = 3.3 V, U 2 = 1.38 V Aufgabe 14 Diodenschaltung IV a) r diff = r D1 b) r diff = R + r D2 Aufgabe 15 Z-Diode I a) U a = 3.2 V, I Z = 1 ma b) U a = 2 V, I Z = ma Aufgabe 16 Z-Diode II a) U L = +3.8 V, P D1 = 49.6 mw, P D2 = 186 mw b) U L = 3.57 V, P D1 = mw, P D2 = mw Aufgabe 17 Brückenschaltung mit Dioden a) Ersatzspannungsquelle: U LL = 2.2 V, R i = 2 Ω, (I k = 1.1 A) b) c) U D, = V, I D, =.6893 A d) r D = mω, r a = R i r D = 7.2 mω 14

17 3 Der Bipolartransistor Aufgabe 18 Bipolartransistor Siehe Übungsskript 15

18 Aufgabe 19 Arbeitspunkteinstellung für den Bipolartransistor BC 546 B a.1) Spannungseinstellung Stromeinstellung a.2) 1 1 IC[mA], COLLECTOR CURRENT VCE = 5V VBE[V], BASE-EMITTER VOLTAGE I C /ma 9 2 C 5 C IB/µA I B /µa IC/mA a.3) Spannungseinstellung I C /ma I C /ma Für T=25 C! 4 5 C 3 2 Anm.: An dieser Stelle soll nur gezeigt werden, dass die Gleichstromverstärkung i.a. nicht konstant, sondern auch I C - und temperaturabhängig ist. Hier wurde eine Gleichstromverstärkung zwischen beiden Kennlinien angenommen und die I C - und Temperaturabhängigkeit werden nicht weiter berücksichtigt. 2 C a.4) + Keine Abhängigkeit von B-Streuungen - Starke Abhängigkeit von Temperatur-Änderungen Bei der Spannungseinstellung wird die Basis- Emitterspannung auf einem konstanten Wert gehalten. Dadurch ist der Kollektorstrom zufolge 1 1 mit den temperaturabhängigen Parametern I B /µa Stromeinstellung U BE /V stark temperaturabhängig. Der Basisstrom stellt sich je nach Temperatur und Gleichstromverstärkung entsprechend ein. Anm.: I C, würde für T=25 C dem geforderten Wert I C, soll entsprechen! C 2 C Keine Abhängigkeit von Temperatur-Änderungen - Starke Abhängigkeit von B-Streuungen I C /ma I C /ma 2 Bei der Stromeinstellung wird der Basisstrom auf einem konstanten Wert gehalten. Dadurch ist der Kollektorstrom zufolge I B /µa U BE /V stark vom tatsächlichen Wert der Gleichstromverstärkung abhängig. Die Basis-Emitter-Spannung stellt sich je nach Temperatur und Gleichstromverstärkung entsprechend ein. 16

19 b.1) Basis-Spannungsteiler Basis-Vorwiderstand b.2) Beim (niederohmigen) Basis-Spannungsteiler handelt es sich, vereinfacht gesagt, nach wie vor um eine Spannungseinstellung. Für Spannungseinstellungen verwendet man die Transistorgleichung Mit dem (hochohmigen) Basis-Vorwiderstand stellt man den Basisstrom um den Kollektorstrom zu berechnen. Die Annahme ist wegen der Steilheit der Kennlinie nicht zulässig! Mithilfe des Datenblattes lässt sich bestimmen, dass für T =25 C eine Spannung von U BE, (T )=.7265 V einzustellen ist. Demzufolge berechnet sich die einzustellende Basis-Emitter-Spannung für eine Temperatur wie folgt: und folglich den Kollektorstrom ein. Die Abhängigkeit des Kollektorstomes von der Basis-Emitterspannung Die in diesem Bsp. gegebenen Transferkennlinien für den BC 546 B wurden mit einem CAD-Programm ermittelt. Aus diesen Kennlinien lässt sich die Temperaturabhängigkeit noch genauer bestimmen. Man erhält zufolge der Simulationsergebnisse für den BC 546 B: 1.55 Die (korrigierte) einzustellende Basis-Emitterspannung berechnet sich daher wie folgt: 1.55 ist sehr gering und daher ist die Annahme zulässig. b.3) Dimensionierung vs. bzw. allg. x + Stabilität der Spannungsquelle steigt mit x Stabilität der Spannungsquelle impliziert steile Arbeitsgerade. Steile Arbeitsgeraden implizieren schwache Temperaturstabilität! Verlustleistung an R 1 und R 2 steigt auch mit x 17

20 b.4) Spannungseinstellung Stromeinstellung 4 5 C 2 C 4 5 C 2 C I C /ma 2 Eingezeichnete AG (ESB!) I C /ma Eingezeichnete AG U BE /V U BE /V Eingezeichnete AG (ESB!) 15 Eingezeichnete AG 45 I B /µa 1 I B /µa U BE /V U BE /V Anm.: Das Einzeichnen aller Arbeitspunkte wäre lt. Angabe nicht nötig. Der Vollständigkeit halber wurden sie hier dennoch eingezeichnet. b.5) Geringe Abhängigkeit von B-Streuungen Starke Abhängigkeit von Temperaturänderungen Starke Abhängigkeit von B-Streuungen Kaum Abhängigkeit von Temperaturänderungen b.6) 4 5 C 2 C 3 I C /ma U BE /V 18

21 c.1) Stromgegenkopplung Spannungsgegenkopplung c.2) c.3) Wie wir in den vorigen Beispielen gesehen haben, weisen die Schaltungen, für die die Annahme nicht zulässig ist, eine sehr steile Arbeitsgerade auf (Spannungseinstellung). Daher lässt sich vereinfacht sagen, dass die Annahme für alle Schaltungen zulässig ist, die eine flache Arbeitsgerade aufweisen. In Pkt c.4 sehen wir, dass beide Schaltungen eine flache AG aufweisen. D.h. die Annahme ist für beide Schaltungen zulässig. Erklärung der Regelungen: Stromgegenkopplung: Annahme: Die Spannung am Widerstand R 2 ist nahezu konstant. Steigt nun I C, zufolge einer Temperaturerhöhung, fällt am R E eine höhere Spannung ab. Demzufolge sinkt U BE,, was der I C -Zunahme entgegenwirkt. Spannungsgegenkopplung: 1. Annahme: Die Kollektor-Emiter-Spannung ist nahezu konstant. Steigt nun I C,, fällt an R eine höhere Spannung ab. Demzufolge sinkt U BE,, was wiederum der I C -Zunahme entgegenwirkt. 2. Robustheit gegen B-Streuungen: Hier wird der Basisstrom nicht mehr eingeprägt. (Bei den vorherigen Schaltungen mit Stromgegenkopplung galt: I B ist fix und I C =B I B ist demnach stark von B-Streuungen beeinflusst.) Bei der spannungsgegengekoppelten Emitterschaltung gilt aber I B =I C /B. D.h. größere Gleichstromversträrkungen bewirken kleinere Basisströme, was dem Einfluss der B-Streuung entgegenwirkt. Diese,,Regelung funktioniert umso besser, je kleiner man U CE, wählen kann. c.4) c.5) 2 5 C 2 C Masche (mit ESB): 2 5 C 2 C Masche: Eingezeichnete AG (ESB!) Eingezeichnete AG I C /ma I C /ma U BE /V U BE /V Eingezeichnete AG (ESB!) 4 Eingezeichnete AG I B /µa U BE /V I B /µa U BE /V

22 5 Einfache Verstärkerschaltungen Aufgabe 2 Berechnung des Arbeitspunktes 2

23 21

24 Aufgabe 21 Betriebsparameter der stromgegengekoppelten Emitterschaltung 22

25 23

26 24

27 Aufgabe 22 Berechnung des Temperatureinflusses mithilfe des KSESB 25

28 Aufgabe 23 Möglichst großer Emitterwiderstand bei vorgegebenen Aussteueramplituden a) V CE (sat), max = 6 1 ma I C, max = 1 ma.1.8 I C /A.6.4 P V, max = 5 mw (P C : Collector Power Dissipation) U CE /V V CE (sat), max = 25 1 ma Anmerkung: Für die Sättigungsspannungen wurden die Maximalwerte gewählt, um im Betrieb ja nicht in den Sättigungsbereich zu gelangen. b).1.8 I C, max / 2 = 5 ma I C /A U CE, min, I C, max U CE /V U = 15 V Anmerkung: Der Faktor 1/2 ist willkürlich gewählt. Man wählt ihn nur um auf der sicheren Seite zu sein. (I C, max = 1 ma gilt bei 25 C. Bei höheren Temperaturen liegt der maximal zulässige Kollektorstrom darunter.) Für Präzissionsschaltungen würde man I C, max noch weiter beschränken. Arbeitsgerade Anmerkung: Im Datenblatt sind nur zwei Punkte für die Sättigungsspannung gegeben. U CE, min (I C ) liegt i.a. nicht auf einer Geraden, d.h. lineare Interpolation zwischen diesen beiden Punkten macht wenig Sinn. Der Einfachheit halber wählen wir den Maximalwert U CE, min =.6 V. (Man könnte aber genauso.5 V bzw. den linear interpolierten Wert.456 V wählen.) 26

29 27

30 Aufgabe 24 Vorgabe der maximal zulässigen Arbeitspunktverschiebung 28

31 Aufgabe 25 Spannungsgegengekoppelte Emitterschaltung 29

32 3

33 Aufgabe 26 Kollektorschaltung 31

34 Aufgabe 27 Basisschaltung 32

35 Aufgabe 28 Zusammenfassung Einfache Verstärkerschaltungen 33

36 6 Zweistufige Verstärkerschaltungen Aufgabe 29 Zweistufiger Transistorverstärker 34

37 7 Stromquellen und Stromspiegel Aufgabe 3 Stromgegengekoppelte Transistorschaltung als Stromquelle 35

38 36

39 Aufgabe 31 Totale Temperaturkompensation 37

40 Aufgabe 32 Einfacher Stromspiegel 38

41 39

42 Aufgabe 33 3-Transistor-Stromspiegel a) k I = I a I e = B + B 2 I a = U 2 U BE k I R V b) R i = r a = r EA, 2 Aufgabe 34 Stromspiegel mit Kaskode a) k I = I a I e = B B B I a = U U BE k I R V ( b) R i = r a = r EA, B r ) EA, 2 + r EA, 2 r BE, 3 r EA, 3 + r BE, 3 r EA, 2 + r BE, 3 Aufgabe 35 Wilson-Stromspiegel a) k I = I a I e = B B I a = U 2 U BE k I R V ( b) R i = r a r EA, B ) 1 + k I 4

43 8 Differenzverstärker Aufgabe 36 Differenzverstärker mit realer Stromquelle 41

44 Aufgabe 37 Differenzverstärker mit Transkonduktanz-Eingangsstufe 42

45 43

46 9 Oszillatoren Aufgabe 38 Oszillator mit OPV 44

47 Aufgabe 39 Colpitts-Oszillator in Basisschaltung 45

48 1 Der pnp-bipolartransistor Aufgabe 4 Stromgegengekoppelte Emitterschaltung mit pnp-transistor 46

49 47

50 11 Feldeffekt-Transistoren Aufgabe 41 MOSFET Verstärkerschaltung mit symmetrischem Ausgang 48

51 49

52 Aufgabe 42 MOS-Stromspiegel Aufgabe 43 CMOS Grundschaltungen 1 Siehe Aufgabenskript 5

53 Aufgabe 44 CMOS Grundschaltungen 2 a) b) NOR-Gatter OR-Gatter Inverter NAND-Gatter AND-Gatter Inverter V DD V DD V DD V DD U 1 V DD U 2 U 1 U a U a U 2 51