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

Statistische Physik - Makrozustand Makrogröße - T Potentialenergie E Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Statistische Physik Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Potentialenergie E Mittlere Energie Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Statistische Physik Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Potentialenergie E Mittlere Energie Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Statistische Physik Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Potentialenergie E Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

Statistische Physik Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs TM TM Potentialenergie E Wärmetransfer Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Klassisch Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs KM Potentialenergie E Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Fermi-Energie Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs FD FD Potentialenergie E Ef1, T Ef2, T Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Diffusion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Teilchentransfer Ef1 Ef2 EfM EfM Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

Ströme n = Nd Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ströme n = Nd Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Kondensator V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DEPFET V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

PN Übergang - Verarmungszone Leitungsband Valenzband Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

PN Übergang - Kontaktpotential Leitungsband Valenzband Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Gate Spannung - Kanalladung VG=VT+ΔV VG=VT+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

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

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

Drain Spannung - Strom VG Vds N N N N Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Drain Spannung - Strom VG Vds N N N N Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

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

Analogie zu Kondensator Kondensator und Spule + + I -I U U Analogie zu Kondensator Kleinere Spannung Größere Spannung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

Verstärker Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Arbeitspunkt Arbeitspunkt Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

Verstärker - Linearität Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Linearität Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Linearität Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Linearität Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Linearität Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Linearität Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Linearität Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Linearität Vout Signalbereich Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Stabilisierung Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Stabilisierung Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker - Stabilisierung Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärkung mit Rückkopplung Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

AC Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AC Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AC Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AC Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AC Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AC Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AC Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout Vin Ausgewählte 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 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

„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

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

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

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

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

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

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

Analyse von Schaltungen mit einer Schleife Aktive Verstärkung Xs Xi Xi* Xo Feedforward (Dead System Gain) Xs Xi Xi* Xo V Feedforward (Vorwärtsregelung) Aktive Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Analyse von Schaltungen mit einer Schleife Signaldämpfung im Eingangsnetz Xs Xi Xi* Xo Rückkopplung Xs Xi Xi* Xo V Signaldämpfung Rückkopplung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Signaldämpfung am Eingang Die „Messungen“ Xs Xi Xi* Xo Feedforward (Vorwärtsregelung) Aktive Verstärkung V Xs Xi Xi* Xo Signaldämpfung am Eingang Rückkopplung V Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Feedback (DC) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Rin + Rout Xi Xo UIN UOUT = A UIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

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