MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate

Präsentation zum Thema: "MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate"—  Präsentation transkript:

1 MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate
Source Drain N N verarmt Leitungsband Löcher Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
N Silizium P Silizium Leitungsband Elektronen Löcher Valenzband Valenzelektronen + Donator-Ione Valenzelektronen + Anzeptor-Ione Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

3 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ΔEe ΔEh Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4 MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate
Source Drain N N verarmt Leitungsband Löcher Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

5 MOS Transistor – Gate Spannung
q N N N N - q Leitungsband Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

6 MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs q N
Leitungsband Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

7 MOS Transistor - Inversion
q0 N N N N - q0 ψ0 Leitungsband n Elektronen Valenzband ψ0 ~ 0.85 V ψ n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

8 MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs q0 N
ψ0 Leitungsband n Elektronen Valenzband ψ0 ~ 0.85 V ψ n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

9 Gate Spannung - Kanal VG=VT0+ΔV VG=VT0+ΔV q0+Δq N N - Δq N N - q0 ψ0 Leitungsband Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

10 Gate Spannung - Kanalladung
VG=VT0+ΔV VG=VT0+ΔV q0+Δq N N - Δq N N - q0 ψ0 Ladung pro Fläche Leitungsband Oxydkapazität pro Fläche Valenzband Q‘ ( q/cm2) n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

11 Gate Spannung – Drain/Source Bias
VG=VT0+ΔV Vs Vs VG=VT0+ΔV q0+Δq N N - Δq N N - q0 Vs Ψ0+VS Ladung pro Fläche Leitungsband Oxydkapazität pro Fläche Valenzband Q‘ ( q/cm2) n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

12 Gate Spannung – Drain/Source Bias
VG=VT0+ΔV VT VDS ΔV VG=VT0+ΔV q0+0 N N N N - q0 ΔV Ψ0+VS Ladung pro Fläche Leitungsband Oxydkapazität pro Fläche Valenzband Q‘ ( q/cm2) n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

13 Drain Spannung - Strom VGS Vds Vds sehr klein N N N N Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

14 Breite/Lange des Gates
Drain Spannung - Strom VGS Vds Vds sehr klein N N N N Mobilität Breite/Lange des Gates Ladungsdichte E-Feld Querschnitt Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

15 Drain Spannung - Strom VGS Vds Vds sehr klein N N N N Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

16 Drain Spannung - Strom VGS Vds I N N N N Vds eVds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

17 Drain Spannung - Stromsättigung
VGS Vds Ilim VT Isat I N N N N Vdssat=Vgs-VT Vds Pinch off eVDB Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

18 Drain Spannung - Stromsättigung
VGS Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

19 Drain Spannung - Stromsättigung
VGS Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

20 Drain Spannung - Stromsättigung
VGS Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

21 Stromsättigung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs VGS
Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

23 Rückkopplung (2) Rückkopplung in Elektronik Vorteile Nachteile
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 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

24 Einige Größen… Xs Xi A Xo Xs Xi Xi* A Xo + + β β Closed-loop Gain (Gegenkoppelte Verstärkung) Open-loop Gain (Lerlaufverstärkung) Loop Gain – Return ratio (Schleifenverstärkung) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

26 „Messungen“ von AOL und T
Xs Xi Xi* A Xo Xi Xi* A Xo + + V V T Test β β Leerlaufverstärkung Schleifenverstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

27 Empfindlichkeit von AF
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 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

32 Kleinsignalmodell Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
gmvgs rds + vgs - Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

33 Analyse des Feedbacksystems (Übertragungsfunktion)
Xo Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Xs Signalquelle am Eingang Ausgang Feedback Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

34 Testschaltungen für Feedbackanalyse
Messpunkt - blau Kurzschluss Testquelle - rot AOL1 – Gain am Eingangsnetz AOL2 – aktive Verstärkung RK FF T - Schleifenverstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

35 Spannungsquelle am Ausgang
Ausgangswiderstand Strom wird gemessen Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Xo=Io Xs=Vs Spannungsquelle am Ausgang Feedback Rout=Vs/Io Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

36 Ausgangswiderstand (t11)
Io Passives Netzwerk Xi* Passives Netzwerk Vs Feedback Rout=Vs/Io Impedanz ohne Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

37 Ausgangswiderstand (t12 t22)
Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Feedback Schleifenverstärkung mit kurzgeschlossenem Vs Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

38 Ausgangswiderstand Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Spannung wird gemessen Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Xo=Vo Xs=Is Stromquelle am Ausgang Feedback Rout=Vs/Io Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

39 Ausgangswiderstand (t‘11)
Passives Netzwerk Passives Netzwerk Vo Is Rout=Vs/Io Feedback Impedanz ohne Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

40 Ausgangswiderstand (t‘12 t‘22)
Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Rout=Vs/Io Feedback Schleifenverstärkung mit offenem Is Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

41 Ausgangswiderstand – die Formel
Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Xi Xi* Feedback Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

42 Ausgangswiderstand Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Kurzschluss R0 – Ausgangsimpedanz ohne Verstärkung offene Leitung Kurzschluss TOC TSC Schleifenverstärkungen Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

43 Ein Beispiel - Sourcefolger
Ausgangswiderstand gmUgs Xi Xi* Rd UIN + Ugs Ugs* UOUT Rs Rs Rg Rg ROUT Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

44 Ein Beispiel - Sourcefolger
gmUgs Rd Ugs UIN UOUT Rs Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

45 Ein Beispiel - Sourcefolger
Erste Aufgabe: Xs, Xi und Xo lokalisieren Xo Xs Xi gmUgs Rd Ugs gmUgs Xi Xi* Rd UIN UIN + Ugs Ugs* UOUT Xs UOUT Xout Rs Rs Rg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

46 Signalgain im Eingangsnetz
Xi Xi* gmUgs UIN + Ugs Ugs* Xs UOUT Xout Rs* = Rd||Rs Rg Xi UIN + Ugs Xs UOUT Xout Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

47 Direkte (aktive) Verstärkung
Xi Xi* gmUgs UIN Ugs Ugs* Xs UOUT Xout Rs* Rg Xi gmUgs* UIN + Xs UOUT Xout Rs* Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

48 Schleifenverstärkung
Xi Xi* gmUgs UIN Ugs* Ugs Xs UOUT Xout Rs* Rg Xi gmUgs* UIN + Ugs Xs UOUT Xout Rs* Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

49 Dead System Gain (FF) Xo Xs Xi Xi* gmUgs UIN + Ugs* Ugs Xs UOUT Xout Rs* Rg Xi Xi* UIN Ugs Xs UOUT Xout Rs* Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

50 Verstärkung mit RK Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
UIN UOUT Rs Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

51 Ein Beispiel - Sourcefolger
Widerstand ohne Verstärkung gmUgs Rd + Ugs Ω Rs Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

52 Ein Beispiel - Sourcefolger
Schleifenverstärkung mit offenem Ausgang gmUgs Ugs* Rd + Ugs Rs Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

53 Ein Beispiel - Sourcefolger
Schleifenverstärkung mit kurzgeschlossenem Ausgang gmUgs Ugs* Rd + Ugs Rs Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

54 Sourcefolger – wichtige Parameter
1/gm + + 1 UIN UOUT = UIN - UIN UOUT Rs ROUT = 1/gm UOUT/UIN = 1 RIN = ∞ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

55 Nichtinvertierender Verstärker
Xo Xs Xi Xi + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT ROUT UIN RIN + - AUIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

56 Nichtinvertierender Verstärker (Verstärkung)
Xo Xs Xi Xi + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT ROUT = 0 UIN RIN = ∞ + - AUIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

57 Signalgain im Eingangsnetz
Xi Xi* + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT ROUT = 0 UIN RIN = ∞ + - AUIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

58 Direkte (aktive) Verstärkung
Xi Xi* + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT Xi* + - AXi* Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

59 Schleifenverstärkung
Xi Xi* + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT Xi* + - AXi* Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

60 Dead System Gain (FF) Xo Xs Xi Xi* + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT UIN + - AUIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

61 Verstärkung mit RK Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
+ Xs + OUT + - Xo R2 R1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

62 Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
Xi Xi + OUT - Ω R2 R1 + OUT ROUT UIN RIN = ∞ + - AUIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

63 Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
Widerstand ohne Verstärkung Xi + OUT - Ω R2 R1 + OUT ROUT UIN + - AUIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

64 Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
Schleifenverstärkung beim offenen Ausgang Xi Xi* + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT ROUT Xi* + - AXi* Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

65 Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
Schleifenverstärkung beim kurzgeschlossenen Ausgang Xi Xi* + Xs + OUT + - Xo R2 R1 + OUT ROUT Xi* + - AXi* Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

66 Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
Ausgangswiderstand mit Rückkopplung + OUT - Ω R2 R1 + OUT ROUT Xi* + - AXi* Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

67 Aufgabe Rin=? Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cg Cg
Transistor CS Amplifier SF Amplifier Z=? Z=? Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

68 TSC Cg Cg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

69 TOC Cg Cg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

70 R0 Cg Cg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

71 Kleinsignalmodell Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
gmvgs rds + vgs - Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs