Elektronik 3

14 Verstärkergrundschaltungen

Prof. Dr. Jörg Vollrath

13 Stromspiegel

Video 14 Verstärkerschaltungen

Länge: 01:06:27

0:0:0 Willkommen

0:0:14 Verstärkerschaltung

0:5:34 Spannungsverstärkung

0:8:1 LTSPICE

0:10:39 180° Phasendrehung

0:13:19 Gleichungen um die Schaltung zu optimieren

0:16:19 AC Analyse Frequenzgang

0:18:59 Kapazität als Hochpass

0:20:29 Transistorkapazitäten

0:22:5 Simulation zeigt nur das was modelliert wird.

0:23:56 Nachdenken über die Lösung

0:25:59 Übungsaufgaben Rückmeldung

0:26:46 Dotierung und Nettodotierung

0:28:39 Nettodotierung

0:29:50 Vollständige Angaben bei der Klausur

0:30:59 Sinnvolle Dateinamen

0:32:29 Unterschiedliche Bezeichner, Vernachlässigbare Größen

0:35:23 Diodenarbeitsbereiche und Parameter

0:37:39 Durchlassbereich

0:38:57 Widerstandsbereich

0:40:18 Strukturelles Arbeiten

0:43:7 Wilson Stromspiegel

0:46:28 Strombank

0:47:57 Referenzstromquellen

0:49:43 14 Verstärkerschaltungen Schaltbild

0:52:13 Verstärkerkennlinien

0:55:17 Arbeitspunkteinstellung

0:58:39 Schaltungsanalyse

0:59:18 VDD Knotenname repräsentiert eine Spannungsquelle

1:0:59 Erläuterung Kleinsignalersatzschaltbild

1:3:17 Umzeichnung des Ersatzschaltbildes

1:5:14 Warum Kapazitäten mit Kurzschluss ersetzen

1:6:24 Aufgabe für Sie Vout/Vin darstellen

Rückblick und Heute

Stromspiegel

Verstärker
Arbeitspunktberechnung
Zeichnen des Kleinsignalersatzschaltbildes
Berechnung der Spannungsverstärkung

MOSFET oder Bipolartransistor als Verstärker

Eingangs- und Ausgangsbeschaltung

Arbeitspunkt: U_BE, U_GS
Ausgangsstrom: I_DS, I_CE

Optimierung von Verstärkereigenschaften

Verstärkung
Eingangsspannungsbereich
Ausgangsspannungsbereich
Leistungsverbrauch
Frequenzgang

Verstärker Grundschaltungen: Schaltbild

Grundschaltungen.asc

Version 4
SHEET 1 1172 680
WIRE 416 112 384 112
WIRE 448 112 416 112
WIRE 768 112 736 112
WIRE 800 112 768 112
WIRE -384 128 -416 128
WIRE -352 128 -384 128
WIRE 32 128 0 128
WIRE 64 128 32 128
WIRE -416 144 -416 128
WIRE 448 160 448 112
WIRE 448 160 384 160
WIRE 800 160 800 112
WIRE 800 160 736 160
WIRE 64 176 64 128
WIRE 64 176 0 176
WIRE 336 192 320 192
WIRE 688 192 608 192
WIRE -48 208 -64 208
WIRE -416 240 -416 224
WIRE -320 240 -416 240
WIRE -64 240 -64 208
WIRE 0 240 0 224
WIRE 0 240 -64 240
WIRE 96 240 0 240
WIRE 384 240 384 208
WIRE 480 240 384 240
WIRE 736 240 736 208
WIRE 832 240 736 240
WIRE -496 256 -640 256
WIRE -80 256 -224 256
WIRE -336 288 -416 288
WIRE 80 288 0 288
WIRE 464 288 384 288
WIRE 816 288 736 288
WIRE -496 320 -496 256
WIRE -464 320 -496 320
WIRE -80 320 -80 256
WIRE -48 320 -80 320
WIRE 336 320 176 320
WIRE 608 320 608 192
WIRE 608 320 544 320
WIRE 688 320 608 320
WIRE -416 352 -416 336
WIRE -336 352 -336 288
WIRE -336 352 -416 352
WIRE 0 352 0 336
WIRE 80 352 80 288
WIRE 80 352 0 352
WIRE 384 352 384 336
WIRE 464 352 464 288
WIRE 464 352 384 352
WIRE 736 352 736 336
WIRE 816 352 816 288
WIRE 816 352 736 352
WIRE -416 368 -416 352
WIRE 0 368 0 352
WIRE 384 368 384 352
WIRE 736 368 736 352
FLAG 384 368 0
FLAG 320 192 VBIAS
FLAG 480 240 UA3
FLAG 176 320 UGS
FLAG 416 112 VDDB
FLAG 736 368 0
FLAG 832 240 UA4
FLAG 544 320 UGS
FLAG 768 112 VDDC
FLAG -416 368 0
FLAG -320 240 UA1
FLAG -384 128 VDD
FLAG 0 368 0
FLAG 96 240 UA2
FLAG 32 128 VDDA
FLAG -224 256 UGS
FLAG -640 256 UGS
SYMBOL nmos4 336 240 R0
SYMATTR InstName MN1
SYMBOL pmos4 336 112 R0
SYMATTR InstName M1
SYMBOL nmos4 688 240 R0
SYMATTR InstName MN2
SYMBOL pmos4 688 112 R0
WINDOW 3 60 72 Left 2
SYMATTR InstName M2
SYMBOL nmos4 -464 240 R0
SYMATTR InstName MN3
SYMBOL nmos4 -48 240 R0
SYMATTR InstName MN4
SYMATTR Value2 m=4
SYMBOL pmos4 -48 128 R0
SYMATTR InstName M4
SYMATTR Value2 m=1
SYMBOL res -432 128 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 1k
TEXT -376 24 Left 2 !.model NMOS NMOS(LEVEL=1 KP=500u VT0=1 LAMBDA=0.002 CGSO=1n CGBO=2n CGDO=200n)\n.model PMOS PMOS(LEVEL=1 KP=500u VT0=-1 LAMBDA=0.002 CGSO=1n CGBO=2n CGDO=200n)
TEXT -408 408 Left 2 !;tran 0 120u 20u
TEXT -112 408 Left 2 !;ac oct 10 100 100000k
TEXT -496 88 Left 2 !VDD VDD 0 10
TEXT 128 96 Left 2 !VBIAS VBIAS 0 DC 5
TEXT -312 88 Left 2 !VE UGS 0 SINE(5 0.1 100k) AC 1
TEXT 184 408 Left 2 !.dc VE 0 10 0.1
TEXT 496 96 Left 2 !VDDA VDDA 0 15
TEXT 496 128 Left 2 !VDDB VDDB 0 10
TEXT 496 160 Left 2 !VDDC VDDC 0 10

a) Widerstandslast b) Diodenlast c) Stromquellenlast d) Inverter
Man sieht einen Verstärker mit verschiedenen Lasten:
Widerstand, Transistordiodenschaltung, Stromquellenlast, Inverter
Mit der Widerstandslast und der Diodenlast lassen sich nur kleine Verstärkungen realisieren.
Mit der Stromquellenlast läßt sich eine höhere Verstärkung mit einem vorgegebenen Strom (einer vorgegebenen Leistung) erreichen.
Ein Verstärker mit einer hohen Verstärkung hat einen kleinen Eingangsspannungsbereich.
Die Versorgungsspannung und das Transistorverhalten begrenzen den Ausgangsspannungsbereich.

$\Delta U_A = v_u \Delta U_E$
Δ U_A: Ausgangsspannungsbereich
Δ U_E: Eingangsspannungsbereich
v_u: Spannungsverstärkung
Aus Kostengründen oder Leistungsfähigkeit kann es sein, dass man kein Operationsverstärker zur Verfügung hat und eine der Schaltungen verwenden muss.
Bei allen Schaltungen muss sich das Eingangssignal um einen Arbeitspunkt, hier 5 V, bewegen.
Durch Einführen einer negativen Spannung anstatt Masse (0 V), lässt sich der Arbeitspunkt zu 0 V verschieben. Dann ist das Verhalten des Verstärkers aber immer noch sehr stark Versorgugsspannugsabhängig.
Für die Verstärkung von Wechselspannungen kann man den Arbeitsbereiches durch Widerstände festlegen und die Wechselspannung mit einem Kondensator dazu addieren.

Verstärker Grundschaltungen: Kennlinie

Die DC Kennlinie zeigt das Grosssignalübertragungsverhalten.
Die Steigung der Kurven gibt die mögliche Spannungsverstärkung an.
Die Schaltungen mit der Stromquelle als Last und der Inverter haben die größte Spannungsverstärkung.
Dies kann man mit einer AC Simulation in dB darstellen.
Nur wenn die Gate Sourcespannung sich um 5V bewegt, wirken die Schaltungen als Verstärker.

Verstärker Grundschaltungen: Arbeitspunkt

GrundschaltungenB.asc

Version 4
SHEET 1 1196 708
WIRE 416 112 384 112
WIRE 448 112 416 112
WIRE 768 112 736 112
WIRE 800 112 768 112
WIRE -416 128 -560 128
WIRE -384 128 -416 128
WIRE -352 128 -384 128
WIRE 0 128 -144 128
WIRE 32 128 0 128
WIRE 64 128 32 128
WIRE -560 144 -560 128
WIRE -416 144 -416 128
WIRE -144 144 -144 128
WIRE 448 160 448 112
WIRE 448 160 384 160
WIRE 800 160 800 112
WIRE 800 160 736 160
WIRE 64 176 64 128
WIRE 64 176 0 176
WIRE 336 192 320 192
WIRE 688 192 608 192
WIRE -48 208 -64 208
WIRE -416 240 -416 224
WIRE -320 240 -416 240
WIRE -64 240 -64 208
WIRE 0 240 0 224
WIRE 0 240 -64 240
WIRE 96 240 0 240
WIRE 384 240 384 208
WIRE 384 240 336 240
WIRE 480 240 384 240
WIRE 608 240 608 192
WIRE 736 240 736 208
WIRE 736 240 688 240
WIRE 848 240 736 240
WIRE -560 256 -560 224
WIRE -560 256 -576 256
WIRE -496 256 -560 256
WIRE -144 256 -144 224
WIRE -144 256 -160 256
WIRE -80 256 -144 256
WIRE -560 272 -560 256
WIRE -144 272 -144 256
WIRE -336 288 -416 288
WIRE 80 288 0 288
WIRE 464 288 384 288
WIRE 816 288 736 288
WIRE -496 320 -496 256
WIRE -464 320 -496 320
WIRE -80 320 -80 256
WIRE -48 320 -80 320
WIRE 256 320 256 240
WIRE 256 320 240 320
WIRE 336 320 256 320
WIRE 608 320 608 240
WIRE 608 320 592 320
WIRE 688 320 608 320
WIRE -416 352 -416 336
WIRE -416 352 -560 352
WIRE -336 352 -336 288
WIRE -336 352 -416 352
WIRE 0 352 0 336
WIRE 0 352 -144 352
WIRE 80 352 80 288
WIRE 80 352 0 352
WIRE 384 352 384 336
WIRE 464 352 464 288
WIRE 464 352 384 352
WIRE 736 352 736 336
WIRE 816 352 816 288
WIRE 816 352 736 352
WIRE -416 368 -416 352
WIRE 0 368 0 352
WIRE 384 368 384 352
WIRE 736 368 736 352
FLAG 384 368 0
FLAG 320 192 VBIAS
FLAG 480 240 UA3
FLAG 176 320 UGS
FLAG 416 112 VDDB
FLAG 736 368 0
FLAG 848 240 UA4
FLAG 544 320 UGS
FLAG 768 112 VDDC
FLAG -416 368 0
FLAG -320 240 UA1
FLAG -384 128 VDD
FLAG 0 368 0
FLAG 96 240 UA2
FLAG 32 128 VDDA
FLAG -224 256 UGS
FLAG -640 256 UGS
SYMBOL nmos4 336 240 R0
SYMATTR InstName MN1
SYMBOL pmos4 336 112 R0
SYMATTR InstName M1
SYMBOL nmos4 688 240 R0
SYMATTR InstName MN2
SYMBOL pmos4 688 112 R0
WINDOW 3 60 72 Left 2
SYMATTR InstName M2
SYMBOL nmos4 -464 240 R0
SYMATTR InstName MN3
SYMBOL nmos4 -48 240 R0
SYMATTR InstName MN4
SYMATTR Value2 m=4
SYMBOL pmos4 -48 128 R0
SYMATTR InstName M4
SYMATTR Value2 m=1
SYMBOL res -432 128 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 1k
SYMBOL cap 608 304 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 1�
SYMBOL res 704 224 R90
WINDOW 0 -4 58 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res 352 224 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL cap 240 304 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 1�
SYMBOL res -160 128 R0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 200k
SYMBOL res -160 256 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 100k
SYMBOL cap -160 240 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 1�
SYMBOL res -576 128 R0
SYMATTR InstName R6
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res -576 256 R0
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 100k
SYMBOL cap -576 240 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C4
SYMATTR Value 1�
TEXT -376 24 Left 2 !.model NMOS NMOS(LEVEL=1 KP=500u VT0=1 LAMBDA=0.002 CGSO=1n CGBO=2n CGDO=200n)\n.model PMOS PMOS(LEVEL=1 KP=500u VT0=-1 LAMBDA=0.002 CGSO=1n CGBO=2n CGDO=200n)
TEXT -408 408 Left 2 !;tran 0 2.2u 0.2u
TEXT -112 408 Left 2 !.ac oct 10 100 100000k
TEXT -496 88 Left 2 !VDD VDD 0 10
TEXT 128 96 Left 2 !VBIAS VBIAS 0 DC 7
TEXT -312 88 Left 2 !VE UGS 0 SINE(5 0.1 10000k) AC 1
TEXT 184 408 Left 2 !;dc VE 0 10 0.1
TEXT 496 96 Left 2 !VDDA VDDA 0 10
TEXT 496 128 Left 2 !VDDB VDDB 0 10
TEXT 496 160 Left 2 !VDDC VDDC 0 10

Durch einen Kondensator wird der Wechselspannunganteil des Eingangssignals zum Gate des Transistor geführt.
Ein Gleichanteil am Gate des Transistors bestimmt den Arbeitspunkt. Dieser wird entweder mit einem Spannungsteiler erzeugt oder durch einen Rückkopplungswiderstand.
Mit einem Widerstand in Serie zum Eingangskondensator kann man die Spannungsverstärkung verkleinern.

Schaltungsanalyse

Arbeitspunkt (DC)

C: Unterbrechung
Spannungsteiler, Stromgleichung, Spannungsgleichung: I_DS, V_GS

Kleinsignalanalyse

Superposition: DC Spannungsquellen sind ein Kurzschluss.
Kapazitäten: Kurzschluss
Berechnung der Verstärkung (Spannung/Strom)
Berechnung der Übertragungsfunktion (Frequenzverhalten) mit Kapazitäten

MOSFET Sourceschaltung: Kleinsignalersatzschaltbild 1

Kleinsignalersatzschaltbild

Kapazität -> Kurzschluss
Induktivität -> Unterbrechung
Spannungsversorgung -> Kurzschluss (nach Masse)

Eingangs- und Ausgangswiderstand
Spannungs- und Stromverstärkung

MOSArbeit03.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 224 -64 144 -64
WIRE 224 -32 224 -64
WIRE 144 0 144 -64
WIRE 144 0 64 0
WIRE 240 0 144 0
WIRE 64 16 64 0
WIRE 240 128 240 80
WIRE 240 128 144 128
WIRE 288 128 240 128
WIRE 368 128 288 128
WIRE 416 128 368 128
WIRE -112 144 -144 144
WIRE 64 144 64 96
WIRE 64 144 -32 144
WIRE 80 144 64 144
WIRE 144 160 144 128
WIRE 64 224 64 144
WIRE 368 224 368 208
WIRE 144 256 144 240
WIRE 240 256 240 208
WIRE 240 256 144 256
WIRE 64 320 64 304
WIRE 240 320 240 256
WIRE 240 320 64 320
WIRE 240 336 240 320
FLAG 240 336 0
FLAG 368 224 0
FLAG -144 144 Vin
IOPIN -144 144 In
FLAG 80 144 VG
FLAG 288 128 VD
FLAG 416 128 Vout
IOPIN 416 128 Out
FLAG 224 -32 0
SYMBOL res 48 208 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 125k
SYMBOL res 48 0 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 500k
SYMBOL res 352 112 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res 224 -16 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 20k
SYMBOL res -16 128 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res 224 112 R0
SYMATTR InstName RD
SYMATTR Value 100k
SYMBOL bi 144 160 R0
WINDOW 0 24 3 Left 2
SYMATTR InstName B1
SYMATTR Value I=gm * V(VG)

MOSArbeit04.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE -128 128 -144 128
WIRE -32 128 -48 128
WIRE 64 128 -32 128
WIRE 80 128 64 128
WIRE 240 128 144 128
WIRE 288 128 240 128
WIRE 352 128 288 128
WIRE 432 128 352 128
WIRE 464 128 432 128
WIRE 144 160 144 128
WIRE 352 192 352 128
WIRE 432 192 432 128
WIRE -32 208 -32 128
WIRE 64 208 64 128
WIRE -32 320 -32 288
WIRE 64 320 64 288
WIRE 64 320 -32 320
WIRE 144 320 144 240
WIRE 144 320 64 320
WIRE 240 320 240 208
WIRE 240 320 144 320
WIRE 352 320 352 272
WIRE 352 320 240 320
WIRE 432 320 432 272
WIRE 432 320 352 320
WIRE 240 336 240 320
FLAG 240 336 0
FLAG -144 128 Vin
IOPIN -144 128 In
FLAG 80 128 VG
FLAG 288 128 VD
FLAG 464 128 Vout
IOPIN 464 128 Out
SYMBOL res 48 192 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 125k
SYMBOL res -48 192 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 500k
SYMBOL res 416 176 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res 336 176 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 20k
SYMBOL res -32 112 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res 224 112 R0
SYMATTR InstName RD
SYMATTR Value 100k
SYMBOL bi 144 160 R0
WINDOW 0 24 3 Left 2
SYMATTR InstName B1
SYMATTR Value I=gm * V(VG)

MOSSource02.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 160 0 80 0
WIRE 240 0 160 0
WIRE 80 16 80 0
WIRE 240 128 240 80
WIRE 288 128 240 128
WIRE 304 128 288 128
WIRE 416 128 368 128
WIRE -112 144 -144 144
WIRE -16 144 -32 144
WIRE 80 144 80 96
WIRE 80 144 48 144
WIRE 368 160 368 128
WIRE -144 208 -144 144
WIRE 80 208 80 144
WIRE 128 208 80 208
WIRE 192 208 128 208
WIRE 80 224 80 208
WIRE 368 272 368 240
WIRE -144 352 -144 288
WIRE 80 432 80 304
WIRE 240 432 240 224
WIRE 240 432 80 432
WIRE 240 448 240 432
FLAG 240 448 0
FLAG 368 272 0
FLAG 160 0 VDD
IOPIN 160 0 In
FLAG -144 352 0
FLAG -144 144 Vin
IOPIN -144 144 In
FLAG 128 208 VG
FLAG 288 128 VD
FLAG 416 128 Vout
IOPIN 416 128 Out
SYMBOL nmos 192 128 R0
SYMATTR InstName M1
SYMATTR Value NMOS1
SYMBOL res 64 208 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 125k
SYMBOL res 64 0 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 500k
SYMBOL res 352 144 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res 224 -16 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 20k
SYMBOL cap 368 112 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 1�
SYMBOL cap 48 128 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 1�
SYMBOL res -16 128 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 1k
SYMBOL voltage -144 192 R0
WINDOW 123 24 132 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value2 AC 1 0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 0.05 10k)
TEXT -192 -120 Left 2 !.model NMOS1 NMOS(LEVEL=1 KP=500u\n+ VT0=1 LAMBDA=0.0 CGSO=1n CGBO=2n CGDO=200n)\nVDD VDD 0 10
TEXT -192 -32 Left 2 !.tran 0 4m 0
TEXT -192 0 Left 2 !;ac dec 10 0.01 10MEG
TEXT -192 32 Left 2 !;op

MOSFET Sourceschaltung: Kleinsignalersatzschaltbild 2

Kleinsignalersatzschaltbild

Kapazität -> Kurzschluss
Induktivität -> Unterbrechung
Spannungsversorgung -> Kurzschluss (nach Masse)

Eingangs- und Ausgangswiderstand
Spannungs- und Stromverstärkung

MOSSource03.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE -128 128 -144 128
WIRE -32 128 -48 128
WIRE 64 128 -32 128
WIRE 80 128 64 128
WIRE 240 128 144 128
WIRE 288 128 240 128
WIRE 352 128 288 128
WIRE 432 128 352 128
WIRE 464 128 432 128
WIRE 144 160 144 128
WIRE 352 192 352 128
WIRE 432 192 432 128
WIRE -32 208 -32 128
WIRE 64 208 64 128
WIRE -32 320 -32 288
WIRE 64 320 64 288
WIRE 64 320 -32 320
WIRE 144 320 144 240
WIRE 144 320 64 320
WIRE 240 320 240 208
WIRE 240 320 144 320
WIRE 352 320 352 272
WIRE 352 320 240 320
WIRE 432 320 432 272
WIRE 432 320 352 320
WIRE 240 336 240 320
FLAG 240 336 0
FLAG -144 128 Vin
IOPIN -144 128 In
FLAG 80 128 VG
FLAG 288 128 VD
FLAG 464 128 Vout
IOPIN 464 128 Out
SYMBOL res 48 192 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 125k
SYMBOL res -48 192 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 500k
SYMBOL res 416 176 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res 336 176 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 20k
SYMBOL res -32 112 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res 224 112 R0
SYMATTR InstName RD
SYMATTR Value 100k
SYMBOL bi 144 160 R0
WINDOW 0 24 3 Left 2
SYMATTR InstName B1
SYMATTR Value I=gm * V(VG)

Eingangswiderstand	$r_e = R7 + R_{1} \|\| R_2$	Spannungsverstärkung	$v_u = - g_m\left(r_{D} \|\| R_5 \|\| R_3 \right)$
Ausgangswiderstand	$r_a = r_{D} \|\| R_5 \|\| R_3$	Stromverstärkung	$v_i = - g_m \cdot R_{1} \|\| R_2$

MOSFET Sourceschaltung SPICE Simulation

NMOS

$KP = 500 \mu AV^{-2}$ ,

$V_{T0} = 1 V = U_{Th}$

$V_{DD} = 10 V$ ,

$\lambda = 0.0167V^{-1}$

Die Größenordnung (kΩ) von R1 und R2 wird durch die Anforderung an den Eingangswiderstand bestimmt. R1 und R2 dürfen nicht zu groß gewählt werden, da Werte größer 1M

$\Omega$ nicht erhältlich sind und Leckströme die Spannung VG bestimmen könnten.
Die Spannungsverstärkung wird durch den Übertragungsleitwert (

$g_{m}$ ,

$V_{GS} - V_{Th}$ ) und den Ausgangsleitwert ( R5,

$\lambda$ ) festgelegt.

Arbeitspunkt, Grosssignal:

$V_{G} = V_{DD} \frac{R_{2}}{R_{2}+R_{1}} = 10 V \frac{ 125 k \Omega}{625 k \Omega} = 2 V$

$R_{e} = \frac{R_{2} \cdot R_{1}}{R_{2} + R_{1}} = 100 k \Omega$

$I_{DS} = \frac{K_{N}}{2} \left( V_{GS}- V_{Thn} \right)^{2} = 250\mu A$

$V_{D} = V_{DD} - R_{5} \cdot I_{DS} = 5V$

Verstärkung, Kleinsignal:
Das Eingangssignal V1 wird durch den Spannungsteiler aus R7 und Re verkleinert.

$v_{g} = v_{1} \frac{100 k \Omega}{100 k \Omega + 1 k \Omega} = 0.99$
Die Spannungsverstärkung der Sourceschaltung ist:

$I_{DS} = \frac{K_{N}}{2} \left( V_{GS}- V_{Thn} \right)^{2} \left( 1 + \lambda V_{DS} \right)$

$v_{u} = - g_{m} \cdot r_{a}$

$g_{m} = \frac{2 I_{DS}}{U_{GS}-U_{Th}} = 500 \frac{ \mu A}{V}$

$r_{a} = r_{DS} || R_{5} || R_{3}= \frac{1}{I_{DS} \lambda} || R_{5} || R_{3}$

$r_{a} = 240 k \Omega || 20 k \Omega || 100 k \Omega = 15.6 k \Omega$

$v_{u} = - 500 \frac{ \mu A}{V} \cdot 15.6 k \Omega = 7.79$

$A_{V} = 20 log( v_{u} ) = 17.8 dB$

MOSSource01.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 160 0 80 0
WIRE 240 0 160 0
WIRE 80 16 80 0
WIRE 240 128 240 80
WIRE 288 128 240 128
WIRE 304 128 288 128
WIRE 416 128 368 128
WIRE -112 144 -144 144
WIRE -16 144 -32 144
WIRE 80 144 80 96
WIRE 80 144 48 144
WIRE 368 160 368 128
WIRE -144 208 -144 144
WIRE 80 208 80 144
WIRE 128 208 80 208
WIRE 192 208 128 208
WIRE 80 224 80 208
WIRE 368 272 368 240
WIRE -144 352 -144 288
WIRE 80 432 80 304
WIRE 240 432 240 224
WIRE 240 432 80 432
WIRE 240 448 240 432
FLAG 240 448 0
FLAG 368 272 0
FLAG 160 0 VDD
IOPIN 160 0 In
FLAG -144 352 0
FLAG -144 144 Vin
IOPIN -144 144 In
FLAG 128 208 VG
FLAG 288 128 VD
FLAG 416 128 Vout
IOPIN 416 128 Out
SYMBOL nmos 192 128 R0
SYMATTR InstName M1
SYMATTR Value NMOS1
SYMBOL res 64 208 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 125k
SYMBOL res 64 0 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 500k
SYMBOL res 352 144 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res 224 -16 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 20k
SYMBOL cap 368 112 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 1�
SYMBOL cap 48 128 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 1�
SYMBOL res -16 128 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 1k
SYMBOL voltage -144 192 R0
WINDOW 123 24 132 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value2 AC 1 0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 0.05 10k)
TEXT -192 -120 Left 2 !.model NMOS1 NMOS(LEVEL=1 KP=500u\n+ VT0=1 LAMBDA=0.0 CGSO=1n CGBO=2n CGDO=200n)\nVDD VDD 0 10
TEXT -192 -32 Left 2 !.tran 0 4m 0
TEXT -192 0 Left 2 !;ac dec 10 0.01 10MEG
TEXT -192 32 Left 2 !;op

Quelle: MOSFET_Sourceschaltung_01.asc

MOSFET Sourceschaltung in SPICE: Grenzfrequenz

Transistormodellparameter:
CGDO = 200 nF/ µm ergibt ohne W,L Angabe (W,L default = 100 µm) C = 20 pF.
Transitfrequenz:

$f_{t} = \frac{g_{m}}{2 \pi C}$

$g_{m} = \frac{2 I_{DS}}{V_{GS} - V_{Th}} = 0.5 mS$

$f_{t} = \frac{g_{m}}{2 \pi C}$ = 4 MHz
Grenzfrequenz:

$f_{g} = \frac{1}{2 \pi R C} = \frac{1}{2 \pi 15.6 k \Omega \cdot 20 pF} = 511 kHz$

Fragen

Warum erreichen wir nicht die Spannungsverstärkung des Transistors?

$v_{u} = - \frac{2}{\lambda(V_{GS}-V_{Th})}$
Wie kann ich die Spannungsverstärkung erhöhen?
Kann es besser sein, wenn die Verstärkung durch externe Widerstände bestimmt wird?
Warum ist ein niedriger Ausgangswiderstand der Verstärkerstufe wichtig?

Grundschaltungen

MOSFET Sourceschaltung in SPICE
(1) Die Spannungen an Gate, Drain, Source, Eingang, Ausgang
(2) Einstellung des Arbeitspunkts mit Widerständen,
(3) Eingangs- und Ausgangssignal werden kapazitiv gekoppelt
Verstärkung in dB:

$A_{v} = 20 log \left(\frac{u_a}{u_e}\right)$
Frequenzgang: Amplitude (dB) und Phase über der logarithmischen Frequenz

MOSFET: Sourceschaltung, Drainschaltung (Sourcefollower), Gateschaltung
Bipolartransistor: Emitterschaltung, Kollektorschaltung, Basisschaltung

Wie sehen diese Schaltungen aus und welche Eigenschaften haben sie?

Arbeitspunkteinstellung (Q point)

MOSFET Drain-Sourcestrom oder Kollektorstrom wählen R_D: Ausgangssignal Spannungsbereich ausschöpfen $R_D \cdot I_D = \frac{V_{DD}-U_{DSmin}}{2} = \frac{V_{DD}-\left(U_{GSmin}-U_{th}\right)}{2}$	Bipolartransistor $R_C \cdot I_C = \frac{V_{DD}-U_{BE}}{2}$
R₁,R₂: Gate Source Spannung $U_{GS} = V_{DD} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}$	Basisstrom $I_{R2} = 2..10I_B$
C₁,C₂: Entkopplung, Hochpass $f_{gu} = \frac{1}{2 \pi \cdot C_1 R_{in}}$	Quelle: Vollrath

Einfluss der Signalquelle auf die Verstärkung

Innenwiderstand
Spannungsteiler R_i,R_e:
- $u_e=\frac{u_q}{1+\frac{R_i}{R_e}}$
- Verringerte Spannungsverstärkung
Stromteiler R_i,R_e:

$i_e=\frac{i_q}{1+\frac{R_e}{R_i}}$
Verringerte Stromverstärkung

$v_u^{'}=\frac{v_u}{1+\frac{R_i}{R_e}}$

$v_i^{'}=\frac{v_i}{1+\frac{R_e}{R_i}}$

Zusammenfassung

Das Verhalten der Verstärkerschaltung ergibt sich aus dem Zusammenspiel von:
Transistor
Arbeitspunktbeschaltung
Quelle und
Last

Dabei verschlechtert sich das Verstärkerverhalten.
Das Kleinsignalersatzschaltbild erlaubt es, die Eigenschaften der Verstärkerschaltung zu berechnen.
Widerstände werden zusammengefasst.
Spannungen und Ströme der Quellen mit Last werden berechnet.
Man rechnet von links nach rechts, von der Quelle zur Last.

Beispiel: Arbeitspunkt einer Transistorschaltung

$Kn = 250 \mu A V^{-2}, Kp = 100 \mu A V^{-2},$

$V_{TN} = 0.6 V, V_{TP} = -0.5 V, V_{DD} = 5V , \lambda = 0.001 V^{-1}.$
Bestimmen Sie die Spannungen

$V_{A}$ und

$V_{B}$ und den Strom

$I_{DSM1}$ .

Transistorgleichung in der Sättigung
Knotengleichung
PFET: Absolutwerte

$\frac{K_{P}}{2} \left( \left|V_{GS3}\right|- |V_{Thp}| \right)^{2} = \frac{K_{N}}{2} \left( V_{GS2}- V_{Thn} \right)^{2} = \frac{K_{N}}{2} \left( V_{GS1}- V_{Thn} \right)^{2}$

$V_{DD} = |V_{GS3}| + V{GS2} + V_{GS}$

$V_{A} = V_{GS1}$ ,

$V_{B} = 2 \cdot V_{A}$

$\frac{K_{P}}{2} \left( V_{DD} - 2 \cdot V_{A} - | V_{Thp}| \right)^{2} = \frac{K_{N}}{2} \left( V_{A}- V_{Thn} \right)^{2}$

$V_{DD} - 2 \cdot V_{A} - | V_{Thp}| = \sqrt{ \frac{K_{N}}{K_{P}}} \left( V_{A}- V_{Thn} \right)$

$V_{A} \left( \sqrt{ \frac{K_{N}}{K_{P}}} + 2 \right) = V_{DD} - | V_{Thp}| + \sqrt{ \frac{K_{N}}{K_{P}} } V_{Thn}$

$V_{A} = \frac{V_{DD} - | V_{Thp}| + \sqrt{ \frac{K_{N}}{K_{P}} } V_{Thn}} { \sqrt{ \frac{K_{N}}{K_{P}}} + 2} = 1.52 V$

$V_{B} = 2 \cdot V_{A} = 3.04 V$ ,

$I_{DS} = \frac{K_{N}}{2} \left( V_{A}- V_{Thn} \right)^{2} = 106\mu A$

MOSArbeit01.asc

Version 4
SHEET 1 1132 680
WIRE 160 -32 160 -48
WIRE 112 -16 96 -16
WIRE 96 80 96 -16
WIRE 160 80 160 64
WIRE 160 80 96 80
WIRE 208 80 160 80
WIRE 96 160 96 80
WIRE 112 160 96 160
WIRE 160 208 160 176
WIRE 160 208 96 208
WIRE 208 208 160 208
WIRE 96 288 96 208
WIRE 112 288 96 288
WIRE 160 320 160 304
FLAG 160 -48 VDD
IOPIN 160 -48 In
FLAG 160 320 0
FLAG 208 208 VA
FLAG 208 80 VB
SYMBOL nmos 112 208 R0
SYMATTR InstName M1
SYMATTR Value CD4007N
SYMBOL nmos 112 80 R0
SYMATTR InstName M2
SYMATTR Value CD4007N
SYMBOL pmos 112 64 M180
SYMATTR InstName M3
SYMATTR Value CD4007P
TEXT 80 -208 Left 2 !.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=250u VT0=0.6 LAMBDA=0.001 CGDO=400n)\n.model CD4007P PMOS(LEVEL=1 KP=100u VT0=-0.5 LAMBDA=0.001 CGDO=400n)
TEXT 80 -144 Left 2 !VDD VDD 0 5
TEXT 88 -56 Left 2 !.op

Quelle: WS2011_Aufgabe_3.asc

Nächstes Mal:

15 Verstärker

2020 09 07 Elektronik 3 14 Verstaerkergrundschaltungen Prof. Dr. Joerg Vollrath