Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Schaltungstechnik       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

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 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

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)
\( r_i = \infty \)        \( g_m \cdot v_e = \sqrt{2 K_P I_{DS}} v_e \)
        \( r_o = \frac{1}{\lambda I_{DS} } \)        \( v_u = - \sqrt{2 K_P I_{DS}} \cdot r_o = - \frac{1}{\lambda } \sqrt{\frac{2 K_P}{I_{DS}}} \)
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 ro meist viel größer als ein Lastwiderstand und wird durch diesen ersetzt.

MOSFET und Bipolartransistor
Kleinsignalparameter und Verstärkung

Bipolartransistor:
β = 100, UEA = 75 V,
UCE = 10 V
IC gm=
\( \frac{I_C}{U_T} \) 		rBE =
\( \frac{\beta}{g_m} \) 		ro =
\( \frac{U_{EA}}{I_C} \) 		|vf| =
\( \frac{U_{EA}}{U_T} \)
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,
UDS = 10 V
IC gm =
\( \sqrt{2 K_P I_D} \) 		rin = ∞ ro =
\( \frac{1}{\lambda I_D} \) 		|vf| =
\( \frac{1}{\lambda}\sqrt{\frac{2K_P}{I_D}} \) 		\( U_{GS}-U_{th} \)
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
vf: 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 KP 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

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)