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

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

Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ΔEe ΔEh 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=VT0+ΔV VG=VT0+ΔV q0+Δq N N - Δq N N - q0 ψ0 Leitungsband Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Analyse des Feedbacksystems (Übertragungsfunktion) Xo Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Xs Signalquelle am Eingang Ausgang Feedback 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Sourcefolger – wichtige Parameter 1/gm + + 1 UIN UOUT = UIN - UIN UOUT Rs ROUT = 1/gm UOUT/UIN = 1 RIN = ∞ 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

Signalgain 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

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

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

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

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

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

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

TSC Cg Cg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

TOC Cg Cg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

R0 Cg Cg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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