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1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband Valenzband Löcher Elektronen Gate SourceDrain.

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Präsentation zum Thema: "1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband Valenzband Löcher Elektronen Gate SourceDrain."—  Präsentation transkript:

1 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband Valenzband Löcher Elektronen Gate SourceDrain

2 2Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Leitungsband Valenzband ElektronenLöcher Valenzelektronen + Donator-Ione Valenzelektronen + Anzeptor-Ione N SiliziumP Silizium

3 3Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ΔEe ΔEh

4 4Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband Valenzband Löcher Elektronen Gate SourceDrain

5 5Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor – Gate Spannung pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q q

6 6Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q q

7 7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor - Inversion pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q 0 q0q0 0 ψ0 ~ 0.85 V n ψ ψ0ψ0

8 8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q 0 q0q0 0 ψ0 ~ 0.85 V n ψ ψ0ψ0

9 9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung - Kanal NN NN ψ0ψ0 VG=VT0+ΔV - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq VG=VT0+ΔV pn Leitungsband Valenzband Elektronen

10 10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung - Kanalladung NN NN ψ0ψ0 VG=VT0+ΔV - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq VG=VT0+ΔV pn Leitungsband Valenzband Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche

11 11Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung – Drain/Source Bias NN NN Ψ 0 +VS Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq Vs VG=VT0+ΔV Vs pn Leitungsband Valenzband

12 12Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung – Drain/Source Bias NN NN Ψ 0 +VS Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche 0 - q 0 q 0 +0 VDSΔVΔV VG=VT0+ΔV ΔVΔV VT pn Leitungsband Valenzband

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

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

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

16 16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN N N Vds eV ds Vds I VGS

17 17Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N Vds eV DB VdsVdssat=Vgs-VT Ilim Isat I VT Pinch off VGS

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

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

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

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

22 22Ausgewählte 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

23 23Ausgewählte 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

24 24Ausgewählte 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)

25 25Ausgewählte 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

26 26Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Messungen von A OL und T A β + Xi XoXi* A β + XsXi XoXi* Test VV T LeerlaufverstärkungSchleifenverstärkung

27 27Ausgewählte 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

28 28Ausgewählte 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)

29 29Ausgewählte 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

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

31 31Ausgewählte 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

32 32Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kleinsignalmodell gmvgs rds vgs 0 + -

33 33Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse des Feedbacksystems (Übertragungsfunktion) Passives Netzwerk Passives Netzwerk Feedback Xs XiXi* Xo Signalquelle am EingangAusgang

34 34Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Testschaltungen für Feedbackanalyse AOL1 – Gain am EingangsnetzAOL2 – aktive Verstärkung RKFF T - Schleifenverstärkung Messpunkt - blau Testquelle - rot Kurzschluss

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

36 36Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ausgangswiderstand (t 11 ) Passives Netzwerk Passives Netzwerk Feedback Xi* Io Vs Impedanz ohne Verstärkung Rout=Vs/Io

37 37Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ausgangswiderstand (t 12 t 22 ) Passives Netzwerk Passives Netzwerk Feedback Xi Schleifenverstärkung mit kurzgeschlossenem Vs Xi*

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

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

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

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

42 42Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ausgangswiderstand R0 – Ausgangsimpedanz ohne Verstärkung TOCTSC Kurzschluss R=? offene Leitung Schleifenverstärkungen

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

55 55Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker + U IN - AU IN + R IN R OUT + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XsXi

56 56Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker (Verstärkung) + U IN - AU IN + R IN = R OUT = OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XsXi

57 57Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Signalgain im Eingangsnetz + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + U IN - AU IN + R IN = R OUT = 0

58 58Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Direkte (aktive) Verstärkung + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + - AXi* + Xi*

59 59Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schleifenverstärkung + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + - AXi* + Xi*

60 60Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Dead System Gain (FF) + U IN - AU IN OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* Xo Xs

61 61Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärkung mit RK + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo +

62 62Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand) + U IN - AU IN + R OUT + - OUT R1R1 R2R2 Xi Ω R IN =

63 63Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand) + U IN - AU IN + R OUT + - OUT R1R1 R2R2 Xi Ω Widerstand ohne Verstärkung

64 64Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand) Schleifenverstärkung beim offenen Ausgang + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + - AXi* + Xi* R OUT

65 65Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand) Schleifenverstärkung beim kurzgeschlossenen Ausgang + - OUT R1R1 R2R2 Xs+ Xo + XiXi* + - AXi* + Xi* R OUT

66 66Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand) + - OUT R1R1 R2R2 Ω + - AXi* + Xi* R OUT Ausgangswiderstand mit Rückkopplung

67 67Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Aufgabe R in =? Cg TransistorCS AmplifierSF Amplifier Z=?

68 68Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs T SC Cg

69 69Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs T OC Cg

70 70Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs R0R0 Cg

71 71Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kleinsignalmodell gmvgs rds vgs 0 + -


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