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

VSS = -1.6 V, VDD = 3.4 V
Das Schaltbild zeigt die einfachste Spannungsverstärkungsschaltung mit einem MOSFET und einem Widerstand.
Die statische Kennlinie der Schaltung mit den Spannungen und dem Strom wird links gezeigt.
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.
100 mV Amplitude am Eingang (grüne Kurve im Bereich der x-Achse -0.2 V bis 0 V) erzeugt ein invertiertes Signal (blau) mit 1 V Amplitude (y-Achse 2V bis 0V). Eine Spannungsverstärkung v = ua/ue mit dem Faktor 10.
Dies könnte man auch in einer zeitlichen Simulation sehen.

Wie kann man die Spannungsverstärkung ändern?
Warum benötigt man eine negative Spannungsversorgung?

• R_D: Bestimmt die Spannungsverstärkung und den Ausgangspegel
• Mit VSS kann man den Arbeitspunkt UGS und IDS bestimmen.

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.

Durch den Operationsverstärker wird eine Rückkoppelung realisiert, so dass das Ausgangssignal dem Eingangssignal folgt.
Dies gleicht die Nichtlinearitäten der Transistoren aus.

Bei sinusförmiger Wechselspannung bestimmt man die mittlere (average) Leistung.

Dabei findet man heraus, dass die mittlere Wechselspannungsleistung einer Gleichspannungsleistung mit einer Gleichspannung
\( U_{Gleich} = \frac{\hat{u}_{Wechsel}}{\sqrt{2}} \)
und einem Gleichstrom
\( I_{Gleich} = \frac{\hat{i}_{Wechsel}}{\sqrt{2}} \)
entspricht.

\( P = U \cdot I = \frac{\hat{u}}{\sqrt{2}} \cdot \frac{\hat{i}}{\sqrt{2}} = \frac{\hat{u} \cdot \hat{i}}{2} \)

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.

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.

Bei n Stufen ergibt sich eine Spannung von n · VDD.

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]	227	2100	4500	6800	8900

Je höher die Spanung, desto größer die Frequenz.

Die Gatespannung am Transistor M4 wird durch Überlagerung der Gleichspannung VDD und der Eingangsspannung UE erzeugt.

Superposition

Wechselspannungsquelle UE:
\( UG1 = \frac{\frac{1}{\frac{1}{R4}+\frac{1}{R4}}} {j \omega C3 + \frac{1}{\frac{1}{R4}+\frac{1}{R4}}} UE\)

\( UG1 = \frac{1} { j \omega C3 \left( \frac{1}{R4}+\frac{1}{R4} \right) + 1} UE\)

Für größere Frequenzen wird damit \( UG1 \approx UE \)

Gleichspannungsquelle VDD:
\( UG2 = \frac{R5}{R4 + R5} VDD \)

\( UG = UG1 + UG2 = UE + \frac{R5}{R4 + R5} VDD \)

Zur Wechselspannung UE wird eine Gleichspannung UG2 addiert.


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:
\( I_{DS} = \beta_{n4} \left( U_{GSN4} - U_{thn} \right)^2 = \beta_{p4} \left( U_{GSP4} - U_{thp} \right)^2 \)
\( \sqrt{\frac{\beta_{n4}}{\beta_{p4}}} \left( U_{E} - U_{thn} \right) = \left( U_{DD} - U_{A} - U_{thp} \right) \)
\( U_{A} = U_{DD} - U_{thp} + \sqrt{\frac{\beta_{n4}}{\beta_{p4}}} U_{thn} - \sqrt{\frac{\beta_{n4}}{\beta_{p4}}} U_{E} \)