5 Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl. P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor. P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor
P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor
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E LEKTRONIK...
Anwendungen sollen in praktischen Beispielen veranschaulicht werden. Eine weitere Anwendung ist der Feldeffekttransistor als elektronisch steuerbarer Widerstand. Bei
Verstärkerschaltungen
muss
der
Feldeffekttransistor
im
b)
Abschnürbetrieb arbeiten. Der Transistor ist dann Stromquelle. Bild P4-1 zeigt den Feldeffekttransistor mit seinen Anschlussbedingungen. Damit der Transistor als Stromquelle betrieben wird, muss die Spannung U DS (beim N-Kanal-Typ) bzw. die Spannung U SD (beim P-Kanal-Typ) genügend groß sein (größer U DSP bzw. U SDP). Bei Schalteranwendungen wird in der Regel zwischen dem Sperrbetrieb und dem
"Widerstands"-Betrieb
umgeschaltet.
Im
Sperrbetrieb
ist
der
Feldeffekttransistor hochohmig (R OFF > 1MΩ), im "Widerstands"-Betrieb niederohmig (R ON < einige 100Ω)
Bild P4-1: Der N-Kanal und P-Kanal JFET bzw. MOSFET mit seinen Klemmengrößen (Strompfeile sind Richtungspfeile) a) N-Kanal JFET und N-Kanal MOSFET b) P-Kanal JFET und P-Kanal MOSFET D … Drain G … Gate S … Source B … Bulk
P4.1 Ermittlung des Arbeitspunktes in einer gegebenen Schaltung
P4.1 Ermittlung des Arbeitspunktes in einer gegebenen Schaltung Zur
Bestimmung
Transistoren
n
des
Arbeitspunktstromes
Beschaltungsgleichungen
müssen
allgemein
bei
(Maschengleichungen
n
oder
Knotenpunktgleichungen) formuliert werden, bei denen neben Strömen nur Steuerspannungen
U GS
bzw.
U SG
auftauchen.
Mit
den
n
Transistorgleichungen erhält man die gesuchten Arbeitspunktströme. In Bild P4-2 ist eine Schaltung mit 5 Transistoren gegeben. Aufgabe P4-1: Geben Sie für die Schaltung in Bild P4-2 die 5 Beschaltungsgleichungen zur Ermittlung des Arbeitspunktstromes an. Geben Sie die Arbeitspunkte der 5 Transistoren an. Mi
U GS/V
I D/µA
U DS/V
1 2 3
Auswerten
Erg. P4-1
4 5 Bild P4-2: Beispielschaltung zur Arbeitspunktbestimmung
Welche Betriebsart liegt bei M2 vor?
j M2 Stromquelle k l m n j M2 gesperrt (R OFF) k l m n
P4.2 Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinie eines Feldeffekttransistors P4.2 Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinie eines Feldeffekttransistors Die Übertragungskennlinie kennzeichnet das Übertragungsverhalten des Stromes als Funktion der Steuerspannung. Mit der Schaltung in Bild P4-3 lässt sich die Ausgangskennlinie des Transistors bestimmen. Aufgabe P4-2: Wie muss die Schaltung in Bild P4-3 geändert werden, damit sich die Übertragungskennlinie bestimmen lässt? Geben Sie den Drainstrom in nachfolgender Tabelle an. U 1/V
I D/µA 0 1 2
Auswerten
Erg. P4-3
2.5 3 Bild P4-3: Testschaltung zur Bestimmung der Ausgangskennlinie eines P-Kanal MOSFET
P4.3 NJFET als Schalter Als nächstes ist der Feldeffekttransistor als Schalter zu betreiben. Bild P4-4 zeigt
eine
Schalteranordnung
mit
einem
PJFET.
Die
sinusförmige
Eingangsspannung V10 wird mit der Steuerspannung V30 über den PJFET auf den Ausgang geschaltet. Die Schaltfrequenz beträgt 10kHz. Bei V30 = -5V ist der Feldeffekttransistor gesperrt, bei V30 = 0 leitend. Wie groß ist der maximale Ausgangsstrom bei u 1 = 0.5V? Auswerten A ID =
Erg. P4-4
Welcher Widerstand R ON liegt vor? RON =
Ω
Auswerten
Erg. P4-5
Aufgabe P4-3: Ermitteln Sie die Eigenschaften der Schaltung in Bild P4-3 durch Simulation, bauen Sie die Schaltung auf und bestätigen Sie die Simulationsergebnisse durch Messung. Aufgabe P4-4: Führen Sie eine FFT für das Ausgangssignal der Schaltung in Bild P4-3 durch und diskutieren Sie das Ergebnis. Aufgabe P4-5: Für welchen Anwendungszweck könnte man die Schaltung in Bild P4-3 verwenden und wie müsste dafür die Schaltung modifiziert werden?
P4.4 CMOS-Verstärker Ein CMOS-Inverter des Typs HC7404 enthält komplementär angeordnete NMOS/PMOS-Transistoren. Bild P4-5 zeigt einen CMOS-Schaltkreis mit dem NMOS-Transistor Anreicherungstyp),
M1
und
dem
entsprrechend
PMOS-Transistor der
Anordnung
M2 in
(beide
einem
vom
digitalen
Inverterschaltkreis HC7404. Durch die äußere Beschaltung mit R2 und R1 liegt ein parallelgegengekoppelter Verstärker vor. Die Kapazität C1 wird benötigt, um die DC-Komponente der Signalquelle V1 von der sich selbsttätig einstellenden DC-Spannung an Knoten 3 zu trennen. Aufgabe P4-6: Bestimmen Sie die Arbeitspunkte der Transistoren der Schaltung in Bild P4-5 und bestätigen Sie das Ergebnis durch Simulation. Ermitteln Sie sodann die DC-Übertragungskurve des CMOS-Inverters durch Simulation. Aufgabe P4-7: Bauen Sie die Schaltung in Bild P4-5 auf. Bestimmen Sie die innere und die äußere Verstärkung durch Simulation und bestätigen Sie das Simulationsergebnis durch Messung. Wodurch wird die Bandbreite begrenzt?
Bild P4-5: CMOS-Verstärker mit Parallelgegenkopplung (NMOS: Anreicherungstyp, PMOS: Anreicherungstyp)
