Elektronik

02 Verstärker, Bipolartransistor

Prof. Dr. Jörg Vollrath

01 Einführung

Video der 2. Vorlesung 22.3.2021

Länge:

0:2:40 Videos

0:4:40 Schaltungstechnik, LTSPICE

0:7:15 LTSPICE BJT Kennlinie

0:9:0 Ausgangskennlinie

0:11:2 MOSFET und Elektronik 3

0:13:26 Transistortypen

0:14:50 Unterschied Enhancement und Depletion

0:15:0 Schwellspannung

0:15:50 Distributoren

0:19:27 DMASS Distributoren und Transistoren

0:22:42 Verstärkerkennlinien

0:26:50 Ersatzschaltbilder

0:33:20 Kleinsignalersatzschaltbild

0:37:20 Transistorgleichungen

0:39:50 beta und KP beim MOSFET

0:44:50 T Modell

0:48:50 Wie kommt man auf ri, gm, ro

0:54:46 Transistor Ersatzschaltbild

1:1:20 T Modell Eingangswiderstand

1:3:20 Ersatzschaltung

1:6:50 Spannungsverstärkung

1:7:50 Rechnung

Übersicht

Verstärker
Ersatzschaltbild

Verstärker Eigenschaften

Verstärkung (Spannung, Strom, Leistung)
Offset, Level shifter
Eingangswiderstand
Ausgangswiderstand
Frequenzgang
Leistung, Wirkungsgrad

Elektronik 3 MOSFET Verstärker

Verstärker und Ersatzschaltbilder

Quellenumwandlung
Ersatzwiderstand

Transistorschaltung

Was ist ein Kleinsignalersatzschaltbild?

Eingangswiderstand
Gesteuerte Quelle
Ausgangswiderstand

Frequenzgang
Verstärkung

AmplifierESB.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 80 80 0 80
WIRE 160 80 80 80
WIRE 480 80 272 80
WIRE 560 80 480 80
WIRE 624 80 560 80
WIRE 272 96 272 80
WIRE 80 112 80 80
WIRE 160 112 160 80
WIRE 480 112 480 80
WIRE 560 112 560 80
WIRE 80 208 80 192
WIRE 80 208 0 208
WIRE 160 208 160 176
WIRE 160 208 80 208
WIRE 224 208 160 208
WIRE 272 208 272 176
WIRE 272 208 224 208
WIRE 480 208 480 192
WIRE 480 208 272 208
WIRE 560 208 560 176
WIRE 560 208 480 208
WIRE 624 208 560 208
WIRE 224 224 224 208
FLAG 0 80 Ve
FLAG 624 80 Vo
FLAG 224 224 0
SYMBOL res 64 96 R0
SYMATTR InstName ri
SYMATTR Value {Ri}
SYMBOL cap 144 112 R0
SYMATTR InstName Ce
SYMATTR Value {Ce}
SYMBOL bi 272 96 R0
SYMATTR InstName B1
SYMATTR Value I={gm}*V(Ve)
SYMBOL res 464 96 R0
SYMATTR InstName ro
SYMATTR Value {Ro}
SYMBOL cap 544 112 R0
SYMATTR InstName Co
SYMATTR Value {Co}
TEXT 8 248 Left 2 !.param Ri=100k\n.param Ce=1p\n.param gm=14m\n.param Ro=100k\n.param Co=1p
TEXT 272 256 Left 2 !VE VE 0 SINE(0 0.02 10k) AC 1
TEXT 280 288 Left 2 !;tran 500u
TEXT 272 320 Left 2 !.ac dec 10 1 1G
TEXT 56 56 Left 2 ;B, G
TEXT 248 232 Left 2 ;E, S
TEXT 360 56 Left 2 ;C, D

Transistor Ersatzschaltbild

Unit 2, 5-9

Bipolartransistor (Common Emitter)
Eingangswiderstand	Gesteuerte Quelle	Ausgangswiderstand	Spannungsverstärkung
$r_i = \frac{U_T}{I_B} = \beta \frac{U_T}{I_C}$	$g_m \cdot v_e = \frac{I_C}{U_T} \cdot v_e$ $\beta \cdot i_b$	$r_o = \frac{V_A}{I_C}$ $\left( r_o = \frac{V_A + V_{CE}}{I_C} \right)$	$v_u = - \frac{V_A}{U_T} = - \frac{I_C}{U_T} r_o$
MOSFET (Common source)
$r_i = \infty$	$g_m \cdot v_e = \sqrt{2 K_P I_{DS}} v_e$	$r_o = \frac{1}{\lambda I_{DS} }$	$v_u = - \sqrt{2 K_P I_{DS}} \cdot r_o = - \frac{1}{\lambda } \sqrt{\frac{2 K_P}{I_{DS}}}$

AmplifierESB.asc

Die Werte ergeben sich aus den Ableitungen der Stromgleichungen.
Elektronik 3 MOSFET Kleinsignalverhalten
Die gesteuerte Quelle wird als Stromquelle modelliert, damit externe Widerstände parallel zum Ausgangswiderstand liegen und man einfach sieht, wie die Spannungsverstärkung durch Erniedrigung des Widerstandes beeinflusst wird.
Das Schaltbild ist am günstigsten für die Common Emitter und Common Source Konfiguration.
Bei der Spannunsverstärkung ist r_o meist viel größer als ein Lastwiderstand und wird durch diesen ersetzt.

MOSFET und Bipolartransistor
Kleinsignalparameter und Verstärkung

Bipolartransistor:
β = 100, U_EA = 75 V,
U_CE = 10 V

I_C	g_m= $\frac{I_C}{U_T}$	r_BE = $\frac{\beta}{g_m}$	r_o = $\frac{U_{EA}}{I_C}$	\|v_f\| = $\frac{U_{EA}}{U_T}$
1 uA	40 uS	2.5 MΩ	75 MΩ	3000
10 uA	400 uS	250 kΩ	7.5 MΩ	3000
100 uA	4 mS	25 kΩ	750 kΩ	3000
1 mA	40 mS	2.5 kΩ	75 kΩ	3000
10 mA	400 mS	0.25 kΩ	7.5 kΩ	3000

MOSFET:
KP = 1 mA/V², λ =0.0133V^-1,
U_DS = 10 V

I_C	g_m = $\sqrt{2 K_P I_D}$	r_in = ∞	r_o = $\frac{1}{\lambda I_D}$	\|v_f\| = $\frac{1}{\lambda}\sqrt{\frac{2K_P}{I_D}}$	$U_{GS}-U_{th}$
1uA	44.7uS	$\infty$	85.2M $\Omega$	3363	0.04 V
10uA	141uS	$\infty$	8.5M $\Omega$	1063	0.14 V
100uA	447uS	$\infty$	852k $\Omega$	363	0.45 V
1mA	1.41mS	$\infty$	85.2k $\Omega$	106	1.41 V
10mA	4.47mS	$\infty$	8.5k $\Omega$	34	4.47 V

v_f: Spannungsverstärkung in Vorwärtsrichtung (Bipolartransistor)
MOSFET Spannungsverstärkung:

$|v_{f}| = |v_{u}| = \frac{g_{m}}{r_{o}} = \frac{2 I_{D}}{U_{GS}-U_{th}} \frac{1}{\lambda I_{D}}$

$|v_{f}| = \frac{ 2 I_{D }}{\sqrt{\frac{2 I_{D}}{K_{P}}}} \frac{1}{\lambda I_{D}} = \frac{1}{\lambda}\sqrt{\frac{2 K_P}{I_D}}$

Das Verhalten des MOSFETs wird durch das W/L Verhältnis in K_P skaliert.
Bei integrierten Schaltungen wird L durch die Feature size des Herstllungsprozeß bestimmt und dann werden je nach Strombedarf mehrere MOSFETs parallel geschaltet.
12 Bipolartransistor

Diskussion Vergleich MOSFET und Bipolartransistor

Ähnliche Spannungen und für I_C=I_D=1uA ähnliche Spannungsverstärkung
U_BE = 0.7V für alle Bipolartransistoren ( Diodenflussspannung)
U_GS verschieden je nach Schwellspannung U_th
- Bevorzugt Transistor mit Schwellspannung U_th =0.7V
I_D skalierbar mit W/L des Transistors
Spannungsverstärkung nimmt für hohe Ausgangsströme ab.
Ausgangswiderstand abhängig von U_EA, $\lambda$
Eingangswiderstand beim MOSFET $\infty$
Eingangssignale für das Kleinsignalmodell

MOSFET: u_gs < 0.2(U_GS-U_th)
Bipolartransistor: u_be < 0.005V, i_c < 0.2I_C

Hybrid π und T-Ersatzschaltbild

Unit 2, 10-13

Nächste Vorlesung

Verstärkerkonfigurationen:

Common emitter, Common source
Common base, Common gate
Common collector (emitter follower), Common drain (source follower)

2021 Schaltungstechnik 02 Verstärker Prof. Dr. Joerg Vollrath