Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik

24 MOSFET

Prof. Dr. Jörg Vollrath


23 MOSFET




Video der 24. Vorlesung 12.1.2021


Länge: 00:00:00
0:0:0 PFET Rechnung

0:2:0 MOSFET als Verstärker

0:3:0 Verstärker und Transistorkennlinie

0:6:0 Kleinsignalverhalten und Spannungsverstärkung

0:9:27 MOSFET Bauteil, Messung und Kennlinie

0:14:0 Messaufbau

0:16:20 Arbeitspunkt bestimmen

0:23:12 Lambda mit Gleichungen 1 und 2 (UGS = konstant)

0:29:13 Nachdenken über die Lösung

0:34:48 Schwellspannung Uth 1 und 3 (UDS = konstant)

0:40:28 KN

0:41:13 Praktische Durchführung

0:44:38 MOSFET als Spannungsverstärker

0:49:35 Schaltungssimulation in LTSPICE

0:56:13 Transistormodell in LTSPICE

0:59:55 Spannungsverstärkung Formeln

1:2:5 MOSFET als Schalter

1:4:54 Stromspitzen beim Schalten, Kapazitätsumladung

1:6:13 Helligkeit mit Pulsweitenmodulation

1:7:58 Leistungsendstufen A-Betrieb

1:11:58 Leistung P = U * I

1:14:34 Effektivwert

1:15:43 Wirkungsgrad

1:18:7 A-Betrieb 25% Wirkungsgrad

1:19:13 B und A-B Betrieb

Heute

  • MOSFET Parameter
  • MOSFET Verstärker
    • Spannungsverstärkung
    • Schalter für eine Leuchtdiode
  • Wechselspannung, Wechselstrom:
    Lautsprecher
    MOSFET Endstufen

Beispiel: MOSFET Bauteil und Kennlinie

An einem MOSFET messen Sie bei einer Gate-Sourcespannung von 2V bei UDS=3V IDS=4mA und bei UDS=5V IDS=4.4mA. Bei UGS=1.5V und UDS=3V messen Sie IDS=1mA.
Berechnen Sie \( \lambda \) , Vth und KN.

MOSFET als Spannungsverstärker

Die Eingangsspannung erzeugt eine Stromänderung, die mit RD in eine Ausgangsspannung umgesetzt wird.

Die rote Kurve zeigt die Änderung des Drain-Source-Stromes mit der Gate-Source-Spannung (Übertragungskennlinie).
Die grüne Kurve zeigt die Eingangsspannung.
Für kleine Eingangsspannungen um 0 V sieht man eine größere invertierte Ausgangsspanungsänderung.
Dies kann man auch in einer zeitlichen Simulation sehen. 50 mV Amplitude am Eingang erzeugt ein invertiertes Signal mit 550 mV Amplitude. Eine Spannungsverstärkung mit dem Faktor 11.
  • RD: Bestimmt die Spannungsverstärkung und den Ausgangspegel
  • Mit VSS kann man den Arbeitspunkt UGS und IDS bestimmen.

MOSFET als Schalter

Der Transistor schaltet die LED an oder aus.

Der Transistors wird nach dem maximalen Strom für die LED bei Betriebsspannung VDD ausgewählt.
Da der Transistor nur ein und ausgeschaltet werden kann, bestimmt man die Helligkeit der LED mit einer Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals.
Pulsweitenmodulation: Bei einer hohen Frequenz wird das Verhältnis der Zeit von Transistor an zu Transistor aus variiert.

Bei der Simulation sieht man Stromspitzen, die durch Ladung und Entladung von Kapazitäten entstehen.
Kopplung des Eingangssignals auf den Ausgang auf Grund der Gate-Drain-Kapazität.
Ladung und Entladung der Diodenkapazität.

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen A-Betrieb

Eine Last soll ein reines Wechselspannungs- oder Wechselstromsignal erhalten.
  • Verstärker im A Betrieb
  • Niedriger Ausgangswiderstand
  • Sourcefollower
  • Signalleistung(Wechselstrom) P~ = Pac
  • Insgesamt zugeführte Leistung Pav
  • Pe: Eingangsleistung
  • P=: Gleichstromleistung
  • Wirkungsgrad (Efficiency) η ζ (eta,zeta)
Man benötigt die Stromquelle I1, damit der Lastwiderstand ein reines Wechselsignal sieht.
Warum benötigt man eine Stromquelle I1 verbunden mit der negativen Spannung VSS?

Der Transistor kann nur einen Strom durchlassen oder nicht.
Deshalb wird ein Ruhestrom (Quelle I1 verbunden mit einer negativen Spannungsquelle) benötigt auf den dann ein Sinussignal addiert wird.
Ist der Transistor offen (kein Strom fliesst) ist die Last mit VSS verbunden (negative Spannung, negativer Strom).
Ist der Transistor geschlossen (der maximale Strom fliesst), teilt sich dieser Strom auf die Last RL und die Stromquelle I1) auf.

Leistungsendstufen A-Betrieb Beispiel

Das Schaltbild zeigt eine Source und eine Drainschaltung.
Die Versorgungsspannung beträgt +-5V.
Es soll eine Leistung von 1 W am Widerstand R1 = R2 = 4 Ω abgeben werden.
Dimensionieren Sie die Widerstände RL für maximale Leistung.
Wählen Sie einen geeigneten MOSFET aus (Vth, β, Pmax)
P = Ueff · Ieff = 0.5 · U · I

\( Va(R1) = \sqrt{2 \cdot P \cdot R1 } = 2.82 V\)

\( Ia(R1) = \sqrt{2 \cdot \frac{P}{R1} } = 700 mA\)

Amplituden Drainschaltung:
Spannungsteiler VSS zu Masse mit RL und R1
Spannungsteiler MOSFET: VDD zu Masse

Dimensionierung RL:
MOSFET aus

\( Va = |VSS| \frac{R1}{R1 + RL}\)

\( RL = \frac{( |VSS| - Va) R1}{Va} = 3 \Omega \)

MOSFET ein

\( Ids = Ia + \frac{Va+|VSS|}{RL} = 0.7 A + 2.6 A = 3.3 A \)

UGS = VDD - Va = 5 V - 2.82 V = 2.18 V

Pmax = (Vdd-Va)*Ids = 2.18 V * 3.3 A = 7.3 W


Ausgangsstufen, Leistungsendstufen A-Betrieb

Leistung am Widerstand


\( P_{RL} = \frac{V_{DD} \cdot I_{max}}{2} \)

Leistung an der Spannungsquelle VDD


\( P_{VDD} = \frac{1}{T} \int_0^{T} \left( V_{DD} \cdot \left( I_{max} + I_{max} \cdot sin( \omega t ) \right) \right) dt\)

\( P_{VDD} = V_{DD} \cdot I_{max} \)

Leistung an der Stromquelle I1


\( P_{I1} = \frac{1}{T} \int_0^{T} \left( \left( V_{DD} + V_{DD} \cdot sin( \omega t ) \right) \cdot I_{1} \right) dt\)

\( P_{VDD} = V_{DD} \cdot I_{max} \)

Wirkungsgrad


\( \eta = \frac{P_{RL}}{ P_{I1} + P_{VDD}} = \frac{\frac{V_{DD} \cdot I_{max}}{2}}{V_{DD} \cdot I_{max} + V_{DD} \cdot I_{max}} = \frac{1}{4} = 25 \% \)

LTSPICE < ctrl > < left mouseclick >: \( \eta = \frac{498mW}{1.976W} \approx 0.25 \)

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen B-Betrieb

  • Verstärker im B Betrieb
  • Niedriger Ausgangswiderstand
  • Sourcefollower mit Push-Pull Stufe
  • Kein Querstrom
  • Tote Zone: Verzerrungen
\( P_{\sin} = \frac{V_{DD}^{2}}{2 \cdot R_{L}} \)
\( P_{VDD} = \frac{1}{T} \int_0^{T/2} V_{DD} \frac{V_{DD}}{R_{L}} sin( \frac{2 \pi}{T} t) dt \)
\( P_{VDD} = \frac{1}{T} [ - \frac{V_{DD}^2 T}{2 \pi \cdot R_{L}} cos( \frac{2 \pi}{T} t)]_{0}^{T/2} \)
\( P_{VDD} = \frac{1}{T} \frac{V_{DD}^2}{R_{L}} \frac{T}{\pi} = \frac{V_{DD}^2}{\pi R_{L}} \)
\( P_{VDD} = P_{VSS} \)
\( P_{G} = P_{VSS} + P_{VDD} = \frac{2 \cdot V_{DD}^2}{\pi R_{L}} \)
\( \eta = \frac{P_{\sin}}{P_{G}} = \frac{\frac{V_{DD}^{2}}{2 \cdot R_{L}}}{\frac{2 \cdot V_{DD}^2}{\pi R_{L}}} = \frac{\pi}{4} = 0.79 = 79 \% \)

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen AB-Betrieb

  • Verstärker im AB Betrieb
  • Niedriger Ausgangswiderstand
  • Sourcefollower, CMOS-Transistoren: M6, M7
  • Guter Wirkungsgrad
  • Keine tote Zone, wenig Verzerrungen
  • Pegelverschiebung: M11, OutC1, OutC2

Ringoszillator

Je höher die Versorgungsspannung ist, desto höher ist die Frequenz und die umgesetzte Leistung.
Bei PCs wird dies genutzt, um mit hoher Spannung höhere Taktfrequenzen zu ermöglichen (Overclocking) oder mit niedriger Spannung die benötigite Leistung zu vermindern (Mobile Geräte).
Die minimale Spannung wird von den Schwellspannungen der Transistoren bestimmt. Die maximale Spannung wird von der Transistorlänge und der Dotierung bestimmt, da sich die Raumladungszonen von Drain und Source zur Verhinderung eines Durchbruchs nicht berühren dürfen.

Ladungspumpe, Pelliconi Charge pump,

  • MOS Transistor als Schalter: X1, X2, X3, X4
  • Ladungsspeicher C1, C2
  • Start: Alle Knoten 0 V.
  • Phase(1): Phi1 high (VDD), Phi2 low
    • M1:off, M9:on
    • M2:on, M8:off
    • In is charging C2: VDD
    • Out is connected to C1: VDD
  • Phase(2): Phi1 low, Phi2 high (VDD)
    • M1:on, M9:off
    • M2:off, M8:on
    • In is charging C1: VDD
    • Out is connected to C2: 2 VDD
  • C1,C2: 10 uF
  • C3: 1 uF
Eine Ladungspumpe kann Spannungen erzeugen, die größer sind als die Versorgungsspannung oder negativ sind. Jede Stufe kann erhöht oder erniedrigt die erzeugte Spannung um eine Versorgungsspannung.
Zum Verständnis der Schaltung führt man die Simulation per Hand durch.
Bei einer Änderung der Spannung an Phi1 wird die Spannungsdifferenz an C1 entsprechend verschoben.
Achtung: Bulk der PFETs muss mit der größten Spannung verbunden sein.

Bei negativen Spannungen wird Eingang und Ausgnag vertauscht und der Bulk Anschluss der NFETs mit der negativsten Spannung verbunden.

ChargeN.asc

Da im idealen Fall die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung ist, wird bei erhöhter Spannung am Ausgang der Ausgangsstrom entsprechend kleiner.
Dies ist bei der Dimensionierung der Schaltung zu beachten.

Mehrere Stufen

  • Es dauert einige Zeit bis die Ausgangsspannung erreicht ist.
  • Ausgangsspannungsschwankungen
Bei n Stufen ergibt sich eine Spannung von n · VDD.

Praktische Realisierung

Ladungspumpe          Ringoszillator

Ringoszillator


C = 470 nF, f = 1kHz, VDD = 4 V.
Bei der Ladungspumpe wird die Spannung ohne Last von 4 V auf 8 V verdoppelt.
Mit einer Last von 68kΩ reduziert sich die Spannung.

VDD [V] 2 3 4 5 6
f [kHz]2272100450068008900

Je höher die Spanung, desto größer die Frequenz.

Spannungsregler

  • Ein Operationsvertärker steuert einen sehr grossen MOSFET (M1) an.
  • Der Op vergleicht die Ausgangsspannung (U1) mit einer Referenzspannung(Uref).

Nächste Vorlesung: Uebung



25 Uebung      

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 \( I_{DSM1} \).
Quelle: WS2011_Aufgabe_3.asc

Verstärker Grundschaltungen mit Diodenlast

Der PFET M4 ersetzt den Widerstand. Da Gate und Drain verbunden sind, ist im Kleinsignalersatzschaltbild nur der Ausgangsleitwert gmp wirksam.
1/gmp ist normalerweise kleiner als Rdp.
Durch das Größenverhältnis (Stromverhältnis, β )der Transistoren lässt sich die Verstärkung festlegen.
Mit dieser Schaltung lässt sich nur eine niedrige Verstärkung realisieren (< 10).
Kleinsignalbetrachtung:
\( v_u = \frac{u_a}{u_e} = - \frac{u_e \cdot g_{mn4} \cdot \frac{1}{g_{dn4} + g_{mp4}}}{u_e} = - \frac{ g_{mn4} }{g_{dn4} + g_{mp4}} \approx - \frac{ g_{mn4} }{g_{mp4}} \)
Großsignalbetrachtung:
\( I_{DS} = \beta_{n4} \left( U_{GSN4} - U_{thn} \right)^2 = \beta_{p4} \left( U_{GSP4} - U_{thp} \right)^2 \)
\( \sqrt{\frac{\beta_{n4}}{\beta_{p4}}} \left( U_{E} - U_{thn} \right) = \left( U_{DD} - U_{A} - U_{thp} \right) \)
\( U_{A} = U_{DD} - U_{thp} + \sqrt{\frac{\beta_{n4}}{\beta_{p4}}} U_{thn} - \sqrt{\frac{\beta_{n4}}{\beta_{p4}}} U_{E} \)