Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Schaltungstechnik       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Schaltungstechnik

01 Einführung

Prof. Dr. Jörg Vollrath


Video der 1. Vorlesung


Länge:1:14:11
0:0:36 Meine Person

0:17:21 Praktikum und Gruppen

0:22:11 Organisation Übung

0:29:39 Schaltungsentwurf

0:35:16 Model

0:36:40 Mitschrift

0:40:41 Welche Schaltungen kennen Sie?

0:43:24 Schaltungtechnik Arten

0:45:41 Umwelt und Schaltungstechnik

0:50:13 Topologie und Parameter

0:53:33 LTSPICE

0:57:4 Start LTSPICE

1:1:0 Bipolartransistor

1:3:54 Labels

1:5:54 Netzliste

1:6:14 Spannungsquelle als Text

1:9:4 Bipolartransistormodell und Parameter

1:9:54 Sättigungsstrom

Übersicht


Meine Person

  • Prof. Dr.-Ing. Jörg Vollrath
    Sprechstunde: T227 Mi 10:00-10:45 Voranmeldung per email
    Joerg.vollrath@hs-kempten.de
    Joerg.vollrath@ieee.org
  • Halbleitertechnik, Studium, Promotion, Darmstadt
    • Halbleiterspeicher DRAM, Siemens, Infineon, Qimonda
      Toshiba, IBM, Motorola
      64 Mbit .. 4 Gbit, 0.35 µm .. 50 nm
  • Vorlesungen
    • Elektronik 1
    • Elektronik 2, Grundlagen Elektrotechnik
    • Elektronik 3
    • Microelectronics
    • Interface Electronics
  • Vertretung für Hrn. Zeh im Praxis- Forschungssemester
Bei meiner Tätigkeit in der Industrie wurden die neusten CMOS-Prozesstechnolgien für integrierte Schaltungen (DRAMs) eingesetzt.
In CMOS Technologie wurden Ladungspumpen, Spannungsregler, PLLs und DLLs, analoge Verstärker, Referenzspannungsquellen, digitale Schaltungen und high speed Busse realisiert.
Dabei traten nur parasitäre, laterale bipolare Transistoren auf.
Das Design in einer neuen Technologie musste gleich funktionieren, da ein Maskensatz mehrere Hunderttausend Euro kostet.
Die Simulation wurde zur Schaltungsentwicklung eingesetzt und musste das reale Verhalten der Schaltung möglichst genau abbilden.

Eine grosse Bedeutung hat der Test.
Für die Simulation wurden sowohl CMOS Bauelementen, als auch von parasitäre Widerstände und Kapazitäten von Leitungen und Bauelementen charakterisiert.
Am Speicherchip wurden mit Hilfe von Testpunkten interne Signal gemessen und mit der Simulation verglichen.
Ausserdem wurde die Gesamtfunktionalität bei verschiedenen Spannungen und Temperaturen verifiziert. Dabei wurde auch der Herstellungsprozess variiert (Process window).
Da Millionen von Chips hergestellt wurden traten einige Fehler nur sehr selten auf 1..100 ppm und mussten dennoch reproduziert, analysiert und behoben werden, um dass Produkt erfolgreich verkaufen zu können.

Organisation


Schaltungsentwurf

http://www.emce.tuwien.ac.at/de/schaltungstechnik.htm HYBOR_A2, Description: 112dB Dynamic Range, 240MHz Bandwidth Hybrid Optical Receiver, Technology: 0.35um SiGe BiCMOS" alt="HYBOR_A2, Description: 112dB Dynamic Range, 240MHz Bandwidth Hybrid Optical Receiver, Technology: 0.35um

Integrierter Schaltkreis

Schaltplan


Übertragungsfunktion


\( \underline{V}_{u3} = \frac{\underline{u}_{a}}{\underline{u}_{e}} = - \frac{R_C}{\frac{1}{g_m} + \frac{1}{\frac{1}{R_E} + j \omega C}} \)
Breadboard

Platine (printed circuit board)
Beim Schaltungsentwurf soll ein Verhalten, das z.B. durch eine Gleichung beschrieben wird mit diskreten oder integrierten Schaltkreisen auf eine Platine in einem Gehäuse realisiert werden.
Eine typische Übertragungsfunktion, die ein elektrisches Verhalten beschreibt, ist in der Mitte abgebildet.
Man kann diese Übertragungsfunktion mit integrierten Schaltungen (links oben) oder einer Transistorschaltungen (rechts unten) realisieren. Dazu erstellt man einen geeigneten Schaltplan (links unten) und verifiziert die Funktionsweise mit einer Simulation oder mit einem Steckbrettaufbau (rechts oben).

Schaltungsentwurf

Model


  • Equation
  • Equivalent Circuit
  • Data sheet

Simulation


  • SPICE
  • Multisim

Measurement


  • Verification
  • Test
  • Electrical Data

Schaltungstechnik Arten


Analoge und digitale Schaltungstechnik


NF, HF-Schaltungstechnik


Diskrete und integrierte Schaltungen


Leistungselektronik und Low power electronics


Präzisionsschaltungen (Messtechnik)


Schaltungstechnik


Topologie und Parameter


Topologie:
Reihenschaltung und Paralellschaltung

Werte:
RR1 = 100 Ω, RR2 = 100 Ω,
RP1 = 1 kΩ, RP2 = 1 kΩ

RR1 + RR2 < 1/(1/RP1+1/RP2)
200 Ω < 500 Ω
Bei einer Reihenschaltung Addieren sich die Widerstandswerte.
Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist kleiner als der kleinste Widerstand.
Bei den gewählten Parametern (Widerstandswerten) hat die Reihenschaltung einen kleineren Widerstand als die Parallelschaltung.

Vorkenntnisse


Was benötigen Sie für die Schaltungstechnik?


Warum benötigen Sie Modelle und Ersatzschaltbilder?


Warum benötigen Sie Wechselstromrechnung und Bodediagramme?


Wie können Sie die nötigen Vorkenntnisse feststellen und erwerben?


Lernziele


Sie können verschiedene Schaltungen


berechnen,


simulieren,


aufbauen und


messen.



Sie können mit der Simulation Berechnungen verifizieren.
Sie können abschätzen, wie sich ihre Schaltung verhalten wird.
Sie können komplexere, realitätsnähere, nichtlineare Modelle in der Simulation verwenden.

LTSPICE



LTSPICE
BJT (bipolar junction transistor) und MOSFET Kennlinie.
Modell Bipolar:
.model 2N2222X NPN(IS=1.434E-14 VAF=74.03 BF=255.9 IKF=0.2847 XTB=3 
+ BR=6.092 CJC=7.306E-12 CJE=22.01E-12 TR=46.91E-9 TF=411.1E-12 ITF=.6 
+ VTF=1.5 XTF=3 RB=10 RC=1 RE=.01 Vceo=30 Icrating=800m mfg=NXP)

CD4007

.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=500u VT0=1 LAMBDA=0.002 CGSO=45n CGBO=2n CGDO=45n)
.model CD4007P PMOS(LEVEL=1 KP=500u VT0=-1 LAMBDA=0.002 CGSO=45n CGBO=2n CGDO=45n)

Zusammenfassung



Diese Vorlesung:


LTSPICE

Nächste Vorlesung:


02 Verstärker

Bauelemente


U2 slide 3,4 (ppt)

4.3.2021 Digikey: Wie viele Typen gibt es?

Thyristoren 11 k
BJT Transistoren 34 k
MOS Transistoren 66 k
IGBT Transistoren 6 k
Operationsverstärker 41 k
Dioden 144 k
Widerstände 2 M
Kapazitäten 1 M
Induktivitätzen 180 k

Diese Zahlen geben nicht die Verkaufszahlen, sondern die verfügbaren Typen an.

Operationsverstärker


4.3.2021 Digikey: 29821 aktiv

ParameterMinMax
Preis/Euro0.07700
Anstiegsgeschwindigkeit
Slew rate / (V/us)
(V(MHz) (fmax=Sr/2/pi/U)		 0.000418200
Verstärkungsbandbreiteprodukt GBW (Hz) 630200 G
Eingangsbiasstrom0.002 pA25 mA
Eingangsoffsetspannung100 nV1.3 V
Ausgangsstrom1 pA10 A
Versorgungsspannung1.35 V275 V

Schaltungsanalyse Electronic Explorer


8.3.2021 Digilent

ADC
2 Analog Scope channels ADC preamplifier signal conditioning
4 Zenerdioden, 6 OPs 2355, 26 R, 36 C
2 ADS5204, 2 OpAmp 3355, 12 R, 35 C

DAC
DAC5672, DAC7565, DAC755, REF3025, 8 R, 23 C
AWG:
OPA2355 OpAmp, THS4021 OpAmp, 14 R, 20 C
Vref:
RC4558D Opamp, 10R, 6 C
Regulators positive:
TPS54356PWP, TPS54373PWP, TPS62110RSA, TPS73625, FDS6692A FET, 10 R, 34 C, 10 L
Regulators negative:
2 TPS5430DDA, 2 B340B Zener, 4 R, 16 C, 10 L
Regulators internal supplies:
2 MC34063ADRJ, 2 MBRS140 Zener, MM3Z3V0, 7 R, 8 C, 2 L
Positive programmable supply
TPS5430DDA, TPS5420DDA, 2 OPA23650, 2 INA129U, 2 Dioden, 15 R, 18 C, 2 L
Negative programmable supply
TPS5430DDA, TPS5420DDA, 2 OPA23650, 2 INA129U, 2 Dioden, 15 R, 18 C, 2 L
Microcontroller Voltmeter:
ATtiny26, DAC7554DGS, 4 LMV324, REF30250B2, 37 R, 22 C

Audio amplifier: OpAmp, BJT, (MOSFET)

Bücher





Bücher, References



Digilent Electronic Explorer Schematic
Red Pitaya Schematic


Nächstes Mal:


02 Verstärker, Ersatzschaltbild, Bipolartransistor