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1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik - Mikrozustand EPotentialenergie Teilchen Energiezustand E, N Mikrozustand Mittlere.

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1 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik - Mikrozustand EPotentialenergie Teilchen Energiezustand E, N Mikrozustand Mittlere Anzahl der Teilchen Makrozustand

2 2Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik - Makrozustand EPotentialenergie Makrogröße - T

3 3Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik EPotentialenergie T1T2 Mittlere Energie

4 4Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik EPotentialenergie T1T2 Mittlere Energie

5 5Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik EPotentialenergie T1

6 6Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik EPotentialenergie Makrozustand mit vielen Realisierungsmöglichkeiten (Entropie) T1 Anzahl der Teilchen Energieverteilung mit wenigen…

7 7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik EPotentialenergie Temperatur Boltzmannsche Konstante Konstante Bei Zimmertemperatur Aufgabe 1, E, N Energieverteilung mit meisten Mikrozuständen

8 8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Statistische Physik EPotentialenergie T1T2T1T2TM Wärmetransfer

9 9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Klassisch EPotentialenergie KM

10 10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Quantenmechanisch – Bose-Einstein und Fermi-Dirac EPotentialenergie FD BA Ef, T Besetzungswahrscheinlichkeit

11 11Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Fermi-Energie EPotentialenergie FD Ef2, T Ef1, T

12 12Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Diffusion Teilchentransfer Ef1Ef2EfM

13 13Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Halbleiter Ef2, T E Elektron in Bewegung Bandlücke

14 14Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Teilchendichte p = Na n = ?n = ni p = ni

15 15Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Teilchendichte p = Na p = ? n = Nd n = ?

16 16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ströme p = Na n = Nd

17 17Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ströme n = Nd

18 18Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ströme n = Nd

19 19Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

20 20Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

21 21Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

22 22Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

23 23Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

24 24Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

25 25Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

26 26Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Kondensator V

27 27Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DEPFET V

28 28Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang Leitungsband Valenzband ElektronenLöcher Valenzelektronen + Donator-Ione Valenzelektronen + Anzeptor-Ione N SiliziumP Silizium

29 29Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband

30 30Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband

31 31Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband

32 32Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband

33 33Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang - Kontaktpotential Leitungsband Valenzband

34 34Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang - Gleichgewicht Leitungsband Valenzband Drift Generation Diffusion

35 35Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Durchlassrichtung Leitungsband Valenzband

36 36Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Durchlassrichtung Leitungsband Valenzband

37 37Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Durchlassrichtung Leitungsband Valenzband

38 38Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Durchlassrichtung Leitungsband Valenzband Diffusion Rekombination

39 39Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Durchlassrichtung Leitungsband Valenzband Diffusion Rekombination n=?

40 40Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Durchlassrichtung Leitungsband Valenzband Diffusion Rekombination

41 41Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang Leitungsband Valenzband Drift Generation Diffusion

42 42Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Sperrrichtung Leitungsband Valenzband

43 43Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Sperrrichtung Leitungsband Valenzband

44 44Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Sperrrichtung Leitungsband Valenzband

45 45Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs PN Übergang – Polung in Sperrrichtung Leitungsband Valenzband Drift Generation n=?

46 46Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband Valenzband Löcher Elektronen Gate SourceDrain

47 47Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor – Gate Spannung pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q q

48 48Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q q

49 49Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor - Inversion pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q 0 q0q0 0 ψ0 ~ 0.85 V n ψ ψ0ψ0

50 50Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q 0 q0q0 0 ψ0 ~ 0.85 V n ψ ψ0ψ0

51 51Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung - Kanal NN NN ψ0ψ0 VG=VT+ΔV - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq VG=VT+ΔV pn Leitungsband Valenzband Elektronen

52 52Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung - Kanalladung NN NN ψ0ψ0 VG=VT+ΔV - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq VG=VT+ΔV pn Leitungsband Valenzband Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche

53 53Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung – Drain/Source Bias NN NN Ψ 0 +V Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq Vs VG=VT+ΔV Vs pn Leitungsband Valenzband

54 54Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung – Drain/Source Bias NN NN Ψ 0 +V Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche 0 - q 0 q 0 +0 ΔVΔVΔVΔV VG=VT+ΔV ΔVΔV VT pn Leitungsband Valenzband

55 55Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN NN VG Vds

56 56Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN NN VG Vds Querschnitt Ladungsdichte Mobilität E-Feld Breite/Lange des Gates

57 57Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN NN VG Vds

58 58Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN N N VG Vds eV ds Vds I

59 59Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N VG Vds eV DB VdsVdssat=Vgs-VT Ilim Isat I VT Pinch off

60 60Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N VG Vds I

61 61Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N VG Vds I

62 62Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N VG Vds I

63 63Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Stromsättigung NN N N VG Vds I

64 64Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Widerstand Größere Spannung Keine Spannung Noch größere Spannung F I Elektrostatische Wechselwirkung I=0 Viskose Reibung. Konstante Kraft bewirkt den konstanten Strom

65 65Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Widerstand (2) Spannung Keine Spannung U F I I=0

66 66Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kondensator und Spule + + UU Analogie zu KondensatorKleinere SpannungGrößere Spannung I-I

67 67Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Spule Kg F I 0, t = 0 Kg I>>0, Später Keine Spannung I=0 Trägheit statt Reibung Bei konstanter Kraft steigt der Strom gleichmäßig

68 68Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker Vout Vin niedriges Potential hohes Potential

69 69Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker Vout Vin Arbeitspunkt

70 70Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker Vout Vin hohes Potential niedriges Potential

71 71Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kleinsignalparameter VG0 ΔVG gm ΔVG Kleinsignalschaltung Nicht-lineare Schaltung

72 72Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - gm Vout Vin

73 73Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin

74 74Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin

75 75Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin

76 76Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin

77 77Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin

78 78Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin

79 79Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin

80 80Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Linearität Vout Vin Signalbereich

81 81Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Stabilisierung Vout Vin

82 82Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Stabilisierung Vout Vin

83 83Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker - Stabilisierung Vout Vin

84 84Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung Vout Vin

85 85Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung Vout Vin

86 86Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung Vout Vin

87 87Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung Vout Vin

88 88Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung Vout Vin

89 89Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung Vout Vin

90 90Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin Δ=0

91 91Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin

92 92Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin

93 93Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin

94 94Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin Δ=0

95 95Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AC Verstärkung Vout Vin

96 96Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AC Verstärkung Vout Vin

97 97Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AC Verstärkung Vout Vin

98 98Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AC Verstärkung Vout Vin

99 99Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AC Verstärkung Vout Vin

100 100Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AC Verstärkung Vout Vin

101 101Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AC Verstärkung Vout Vin

102 102Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Rückkopplung Rückkopplung – ein wichtiges Prozess in der Natur -Ein Teil des Ausgangssignals wird benutzt um das Eingangssignal zu beeinflussen. -Regelung des Systems – negative Rückkopplung

103 103Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Rückkopplung (2) Rückkopplung in Elektronik Vorteile -Arbeitspunkt des Verstärkers mit Rückkopplung ist unempfindlich für Änderung des Prozessparameter und Temperatur -Bandbreite ist höher -Linearität besser -Eingangs- und Ausgangsimpedanzen können angepasst werden. Nachteile -Verstärkung wird kleiner -Gefahr vor Schwingungen -Millereffekt

104 104Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Einige Größen… A β + XsXiXo A β + XsXi XoXi* Closed-loop Gain (Gegenkoppelte Verstärkung) Open-loop Gain (Lerlaufverstärkung) Loop Gain – Return ratio (Schleifenverstärkung)

105 105Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Negative und positive Rückkopplung Negative Rückkopplung Positive Rückkopplung Wenn A OL und βA Realzahlen sind, negative Rückkopplung bedeutet: Wir definieren die negative Schleifenverstärkung T

106 106Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Messungen von A OL und T A β + Xi XoXi* A β + XsXi XoXi* Test VV T LeerlaufverstärkungSchleifenverstärkung

107 107Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Empfindlichkeit von A F A (Leerlaufverstärkung) ist groß, aber stark Prozessabhängig. Rückkopplung wird normalerweise mit R und C aufgebaut Wir rechnen die Empfindlichkeit von der rückgekoppelten Verstärkung auf die Änderung von A

108 108Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Rückkopplung und Linearität XiXo Xi A B + Ein Verstärker mit schlechter Linearität Seine Verstärkung ist eine MacLaurinsche Reihe Rot - Grundfrequenz Blau – Die Oberwelle Harmonic Distortion (harmonische Verzerrung)

109 109Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtlinearer Verstärker mit Rückkopplung A B + β + Die Rückkopplung verursacht auch die höheren Oberwellen, wir begrenzen unsere Analyse nur auf die erste

110 110Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Grundfrequenz A + β + Xs Xo Xi

111 111Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Oberwelle A B + β + Xs Xo Ohne RK war Quelle für die Oberwelle Eingang für die Quelle, Ergebnis von der letzten Folie Mit RK Xi

112 112Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse von Schaltungen mit einer Schleife Passives Netzwerk Passives Netzwerk Feedback Xs XiXi* Xo FB XsXi XoXi* Verstärker, leitet die Signalen nur in eine Richtung Rückkopplung mit passiven Bauteilen, leitet die Signalen nur in beide Richtungen Masse Vereinfachtes Bild

113 113Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse von Schaltungen mit einer Schleife XsXi XoXi* XsXi XoXi* V Feedforward (Vorwärtsregelung) Aktive Verstärkung Feedforward (Dead System Gain)

114 114Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse von Schaltungen mit einer Schleife XsXi XoXi* XsXi XoXi* V Signaldämpfung Rückkopplung Signaldämpfung im Eingangsnetz Rückkopplung

115 115Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse von Schaltungen mit einer Schleife Signaldämpfung am Eingang Rückkopplung Feedforward (Vorwärtsregelung) Aktive Verstärkung Schleifenverstärkung Leerlaufverstärkung Dead system Gain Schleifenverstärkung = =Aktive Verstärkung X Rückkopplung Leerlaufverstärkung = = Aktive Verstärkung X Signaldämpfung im Eingangsnetz

116 116Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Die Messungen XsXi XoXi* V XsXi XoXi* V Signaldämpfung am EingangRückkopplung Feedforward (Vorwärtsregelung) Aktive Verstärkung

117 117Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse von Schaltungen mit einer Schleife Xi XoXi* V Leerlaufverstärkung FeedforwardAktive Verstärkung X Signaldämpfung Aktive Verstärkung X Rückkopplung

118 118Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Feedback (DC) ++ U IN U OUT = A U IN Xi Xo Rin Rout

119 119Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Testschaltungen für Feedbackanalyse AOL1 – Gain am EingangsnetzAOL2 – aktive Verstärkung RKFF T - Schleifenverstärkung Messpunkt - blau Testquelle - rot Kurzschluss

120 120Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker + U IN - AU IN + R IN R OUT + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XsXi

121 121Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker (Verstärkung) + U IN - AU IN + R IN = R OUT = OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XsXi

122 122Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Signaldämpfung im Eingangsnetz + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + U IN - AU IN + R IN = R OUT = 0

123 123Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Direkte (aktive) Verstärkung + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + - AXi* + Xi*

124 124Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schleifenverstärkung + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + - AXi* + Xi*

125 125Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Dead System Gain (FF) + U IN - AU IN OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* Xo Xs

126 126Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärkung mit RK + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo +


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