Technische Informatik I Übung 4: MOSFET-Schaltungen (INF 1210) - Teil 2 Übung 4: MOSFET-Schaltungen P. Rüffer, W. Adi

Aufgabe 1: MOS-Transistor Arbeitspunkteinstellung Berechnen Sie für die Schaltung in Bild 1 die Spannung UGS für die Werte des Arbeitspunktes IA = 30 mA und UA=5,5 V. Die MOS-Kennlinie ist gegeben. Berechnen Sie RD sowie R1 und R2 bei IR=1 µA Berechnen Sie den Spannungs-Verstärkungsfaktor ua/uS , , UDD= + 9 V IR = 10 µ A Lösung: (1) Aus der MOSFET Kennlinie UGS = 1,6 V für IA = 30 mA und UA=5,5 V RD= ? R2= ? Last-Kennliniengleichung: UDD = ID RD +UDS 9 V = 0.03 RD + 5,5 => RD=116,7 Ω ua Große C ID (2) UDS Da IR= 10 µ A R1 + R2 = 9V/ 10 µ A = 900 k Ω UGS = 1,6 V = 9V · R1 / (R1 + R2) 1,6 V = 9V · R1/900 k Ω => R1= 160 k Ω => R2= 900-160 = 740 k Ω us R1= ? UGS=UBIAS Bild 1 Schaltung mit MOS-Transistor

Arbeitspunkt: IA= 30 mA, UA= 5,5V Lösung 1: MOS-Transistor Arbeitspunkteinstellung (1) 9 V = ID 116,7 + UDS 77,1 mA Arbeitspunkt: IA= 30 mA, UA= 5,5V UGS= 1,6V IA=30 mA 9V UA= 5,5V

Lösung 1: MOS-Transistor Arbeitspunkteinstellung Kleinsignal-Ersatzschaltung: Batterie wird als Kurzschluss betrachtet Großer Kondensator wirkt als Kurzschluss Transistor Kleinsignal-Ersatzschaltung einsetzen (3) UDD= + 9 V IR=1 µA G D RD= 116 Ω R2= 740 kΩ us ua D 160 kΩ 740 kΩ 116Ω gm uGS Großer C ID S G UDS R1= 160 kΩ S us UGS=1,6 V Spannungsverstärkung (Ohne Einheiten): ua = gm . uGS . RD = 2,6 10-2 uS x 116,7 (da uGS=uS) = 3,03 uS =>Verstärkungsfaktor ua/ uS ≈ 3

Aufgabe 2: Schaltung mit MOS-Transistor In Bild 2 ist eine Verstärkerschaltung mit dem MOS-Transistor T dargestellt. Der Transistor soll im „aktiven Bereich“ mit einem Strom ID = 2 mA betrieben werden. Als Transistor-Parameter sind bekannt: Ut = 2 V, und Weitere Angaben: R1 = 2 M, R2 = 1 M, UB = 24 V. U B R R 1 3 T R R 2 4 Bild 2 Schaltung mit MOS-Transistor

Aufgabe 2: Schaltung mit MOS-Transistor Berechnen Sie für den geforderten Betriebsfall die Spannung UGS. Bestimmen Sie den Wert des Widerstandes R4, der zur Einstellung der unter a) berechneten Spannung zwischen Gate- und Source- Anschluss erforderlich ist. Welche Bedingung muss der Widerstand R3 erfüllen, damit ein Betrieb des Transistors im Abschnürbereich (Sättigungsbereich) sichergestellt ist?

Lösung 2: Schaltung mit MOS-Transistor Bestimmung von UGS für vorgegebenes ID = 210-3 A Für die Berechnung von ID aus physikalischen Größen kann die folgende Formel für den Abschnürbereich aus der Vorlesung benutzt werden: mit Aufgelöst nach UGS ergibt sich:

Lösung 2: Schaltung mit MOS- Transistor Berechnung von R4 Der Spannungsumlauf am Eingangskreis ergibt: (1) Da beim MOSFET für den Gate- Strom IG = 0 angenommen werden kann, ergibt sich UR2 nur aus dem Spannungsteiler mit R1 und R2: (2) (2) in (1) eingesetzt und nach R4 aufgelöst ergibt:

Lösung 2: Schaltung mit MOS- Transistor Berechnung von R3 Die Grenze vom Triodenbereich zum Abschnürbereich (Sättigungsbereich) wird von folgender Bedingung aus der Vorlesung bestimmt: Die Grenze wird also durch eine minimale Drain- Source- Spannung UDS,MIN bestimmt. Ein weiterer Zusammenhang für UDS ergibt sich aus dem Spannungsumlauf am Ausgangskreis: Man beachte, dass IS = ID gilt. Die Formel nach R3 aufgelöst: Setzt man UDS,MIN für UDS, ergibt sich der folgende Maximalwert (wegen des Vorzeichens von UDS!) für R3: