Elektronik22 MOSFET SchaltungenProf. Dr. Jörg Vollrath21 Übung |
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Video der 24. Vorlesung 12.1.2021
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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 |
MOSFET als Spannungsverstärker
Die Eingangsspannung am Gate erzeugt eine Stromänderung IDS,
die mit RD in eine Ausgangsspannung umgesetzt wird.  |
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?
Annahme: Der Transistor soll in Sättigung arbeiten.
0 < UGS - Uth < UDS
\( I_{DS} = \beta (U_{GS} - U_{th})^2 (1 + \lambda U_{DS} ) \)
Aus der Kennlinie sieht man, dass der Faktor \( (1 + \lambda U_{DS} ) \) in erster Näherung 1 ist.
\( I_{DS} = \beta (U_{G} - V_{SS} - U_{th})^2 \)
\( U_{a} = V_{DD} - I_{DS} R_D = V_{DD} - R_D \beta (U_{G} - V_{SS} - U_{th})^2 \)
Diese Gleichung kann man linearisieren und erhält die Spannungsverstärkung Vu:
\( v_u = \frac{ d U_{a}}{d U_{G}} = - R_D \beta 2 (U_{G} - V_{SS} - U_{th}) \)
Bei der Simulation ist RD = 37.5 kΩ, β = KP/2 = 250 µAV-2, UG = 0 V, VSS = -1.6 V und Uth = 1 V.
vu = -11.25
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?
- RD: Bestimmt die Spannungsverstärkung und den Ausgangspegel
- Mit VSS kann man den Arbeitspunkt (UGS und IDS) bestimmen.
Annahme: Der Transistor soll in Sättigung arbeiten.
0 < UGS - Uth < UDS
\( I_{DS} = \beta (U_{GS} - U_{th})^2 (1 + \lambda U_{DS} ) \)
Aus der Kennlinie sieht man, dass der Faktor \( (1 + \lambda U_{DS} ) \) in erster Näherung 1 ist.
\( I_{DS} = \beta (U_{G} - V_{SS} - U_{th})^2 \)
\( U_{a} = V_{DD} - I_{DS} R_D = V_{DD} - R_D \beta (U_{G} - V_{SS} - U_{th})^2 \)
Diese Gleichung kann man linearisieren und erhält die Spannungsverstärkung Vu:
\( v_u = \frac{ d U_{a}}{d U_{G}} = - R_D \beta 2 (U_{G} - V_{SS} - U_{th}) \)
Bei der Simulation ist RD = 37.5 kΩ, β = KP/2 = 250 µAV-2, UG = 0 V, VSS = -1.6 V und Uth = 1 V.
vu = -11.25
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.
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.
Leistungsbetrachtung
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\( P_{\sin} = \frac{V_{DD}^{2}}{2 \cdot R_{L}} \) \( P_{VDD} = \frac{1}{T} \int_0^{T/2} V_{DD} \frac{V_{DD}}{R_{L}} sin( \frac{2 \pi}{T} t) dt \) \( P_{VDD} = \frac{1}{T} [ - \frac{V_{DD}^2 T}{2 \pi \cdot R_{L}} cos( \frac{2 \pi}{T} t)]_{0}^{T/2} \) \( P_{VDD} = \frac{1}{T} \frac{V_{DD}^2}{R_{L}} \frac{T}{\pi} = \frac{V_{DD}^2}{\pi R_{L}} \) \( P_{VDD} = P_{VSS} \) \( P_{G} = P_{VSS} + P_{VDD} = \frac{2 \cdot V_{DD}^2}{\pi R_{L}} \) \( \eta = \frac{P_{\sin}}{P_{G}} = \frac{\frac{V_{DD}^{2}}{2 \cdot R_{L}}}{\frac{2 \cdot V_{DD}^2}{\pi R_{L}}} = \frac{\pi}{4} = 0.79 = 79 \% \) |
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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.
\( P = U \cdot I = \frac{\hat{u}}{\sqrt{2}} \cdot \frac{\hat{i}}{\sqrt{2}} = \frac{\hat{u} \cdot \hat{i}}{2} \)
Ringoszillator
- Hintereinanderschaltung einer ungeraden Anzahl von Invertern > 1
- Inverter sind auch nur Verstärker
- Jeder Inverter hat eine Eingangskapazität und einen Ausgangswiderstand.
- \( \tau = R \cdot C \)
- Man kann dadurch die Leistung eines Halbleiterherstellungsprozesses bestimmen.
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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.
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,
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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.
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
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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] | 227 | 2100 | 4500 | 6800 | 8900 |
Je höher die Spanung, desto größer die Frequenz.