Hardwarepraktikum SS 97: 2. Laboreinheit
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Hardwarepraktikum SS 97: 2. Laboreinheit Dozent: Dirk Pape, Tutoren: Herbert Kiefer, Arno Schoedl, Thomas Spitzer 4. Versuch: der Bipolartransistor als Verstärker Wir beschränken uns hier auf die Verstärkerschaltung mit einem Bipolartransistor (Kleinsignalverstärkung). Auch der MOSFET-Transistor kann in einer ähnlichen Schaltung als Verstärker verwendet werden. Der Verstärkungsfaktor ist jedoch geringer. Es kann jedoch am Ausgang eine größere Leistung erreicht werden (siehe Literatur). Vorbereitung a) Simulieren Sie das Ausgangskennlinienfeld IC(UCE) des npn-Kleinsignaltransistors BC547 mit IB=0µA, 20µA, ..., 200µA als Parameter und UCE=0V..10V in Schritten von 100mV. Eine Konstantstromquelle kann mit I<name> Netz1 Netz2 Wert in den Strompfad gelegt und mit der .DC Anweisung variiert werden. b) Berechnen Sie den durch RB=1MΩ bestimmten durchschnittlichen Strom durch die Basis-Emitter-Diode des Bipolartransistors. Gehen Sie von einer Knickspannung von 775mV aus! c) Simulieren Sie die diesem Basis-Emitterstrom entsprechende IC(UCE)-Kennlinie des Transistors erneut, und lesen Sie den Strom im Arbeitspunkt ( 1--2- 10V=5V) ab. Ermitteln Sie grafisch die Größe des Widerstandes RL, so daß die Verstärkerschaltung im Arbeitspunkt arbeitet (Eintragen der Widerstandgeraden durch zwei gegebene Punkte). Gehen Sie dabei von einer Ausgangslast ≥5kΩ aus. d) Simulieren Sie die Verstärkerschaltung mit RB=1MΩ, C1=10nF, C2=100nF, RL= 100Ω, 10kΩ und im Arbeitspunkt sowie einer 100kHz-Sinuseingangsspannung Uin von 20mV, 50mV, 100mV Amplitude im Zeitbereich von zwei Schwingungsperioden der Eingangsspannung. Ausgangslast sei 5kΩ. Interpretation! e) Wozu dienen die beiden KondensatoUB=10V ren in der Verstärkerschaltung? R L Laboraufgaben RB A) Bauen Sie die Verstärkerschaltung so auf, daß sie im berechneten ArbeitsC2 C1 punkt arbeitet. Erzeugen Sie mit dem Frequenzgenerator das Eingangssignal ˜Uout von 20mV Amplitude und 100kHz (SiBC547 nussignal). Nehmen Sie parallel so˜Uin 5kΩ wohl das Eingangssignal als auch das Ausgangssignal (einmal vor und einmal nach dem Ausgangskondensator) 0V mit dem Oszilloskop auf. Stellen Sie experimentell die Schaltung in den Arbeitspunkt (falls er vom berechneten abweicht), indem Sie RL durch einen variablen Widerstand ersetzen. Messen Sie die Amplituden am Oszilloskop und bestimmen Sie den Spannungsverstärkungsfaktor experimentell. B) Erhöhen Sie vorsichtig die Amplitude des Eingangssignals und beobachten Sie! Interpretation! C) Erhöhen und verringern Sie die Frequenz des Eingangssignals! Interpretation! 5. Versuch: Technologieparameter von MOSFET-Transistoren Vorbereitung a) Erklären sie die Arbeitsweise von FET und MOSFET-Transistoren. b) Simulieren Sie mit SPICE das Ausgangskennlinienfeld IDS(UDS) mit UGS als Parameter eines n-Kanal-MOSFET (UDS=0..10V[10mV], UGS=0..5V[1V]) sowie die eines p-Kanal-MOSFET (UDS=0..-10V[10mV], UGS=0..-5V[1V]). c) im einfachen Modell gilt folgende Formel für das Ausgangskennlinienfeld des n-KanalMOSFET. Dabei sind β – der Steilheitsfaktor – und UT=UT0 – die Schwellspannung bei Substratvorspannung 0V – Bauteilkonstanten, die sich aus der Konstruktion und Geometrie des Transistors ergeben: I DS ( U DS, U GS ) = U DS β U GS – U T – ------------ U DS 2 falls U DS ≤ U GS – U T ( ohmscher Bereich ) 2 1 --- β ( U GS – U T ) 2 falls U DS > U GS – U T ( Sättigungsbereich ) Im verfeinerten Modell (mit Kanallängenverkürzung) geht noch der Parameter λ ein: I DS ( U DS, U GS ) = U DS β U GS – U T – ------------ U DS ( 1 + λU DS ) 2 falls U DS ≤ U GS – U T 2 1 --- β ( U GS – U T ) ( 1 + λU DS ) 2 falls U DS > U GS – U T Laboraufgaben A) Zur Bestimmung der Technologieparameter eines n-Kanal-MOSFET messen Sie zunächst die Kennlinie IDS(UDS) mit UGS=UDS mittels eines geeigneten IDS Meßprogramms. Berechnen Sie aus den Meßergebnissen die TechnologieUDS parameter UT und β. Tip: Verwenden Sie die Kennliniengleichung des einfachen Modells. Tragen Sie aus Ihren Meßwerten die Ab2I DS ( U DS ) hängigkeit auf, berechnen Sie Ausgleichsgeraden durch lineare Anpassung. Ermitteln UGS Sie dann UT und β aus den Geraden-Parametern. B) Messen Sie für denselben Transistor das IDS(UDS)-Kennlinienfeld mit UGS als Parameter. Messen Sie den ohmschen und den Sättigungsbereich getrennt mit zwei Meßprogrammen, mit denen Sie die entsprechenden Spannungsbereiche von UDS mit der Auflösung 0,1V durchfahren. Berechnen Sie λ aus den Meßergebnissen. Tip: Ermitteln Sie λ aus der gemessenen Kurve für den Sättigungsbereich. C) Nehmen Sie die Steuerkennlinie IDS(UGS) bei konstanter Drain-Source-Spannung • des n-Kanal-MOSFET (UDS=10V, UGS=0..10V), • eines p-Kanal-MOSFET (UDS=-10V, UGS=0..-10V) und • eines n-Kanal-FET vom Verarmungstyp (BF900, beide Gates miteinander verbunden, UDS=10V, UGS=0..-10V) mit einem geeigneten Meßprogramm auf. Vergleichen Sie die Ergebnisse im Hinblick auf die Verwendung der Transistoren als Schalter! 6. Versuch: Transistoren als Schalter (statisches Verhalten) Vorbereitung a) Simulieren Sie die Transferkennlinien folgender NMOS-Inverterschaltungen jeweils mit und ohne kapazitiver Last (100pF) am Ausgang. Inverter mit Widerstandslast Inverter mit Verarmungslast 10V 10V RL=10kΩ Uout Uin 0V 10V BF900 Uout Uin Inverter mit PMOS-Last (CMOS-Inverter) Uout Uin 0V 0V b) Simulieren Sie für alle drei Schaltungen auch die Stromaufnahme des Invertertransistors IDS(Uin). c) Wieso bezeichnet man die letzten beiden Schaltung als Inverterschaltungen mit aktiver Last im Gegensatz zur ersten Schaltung (passive Last)? Laboraufgaben A) Bauen Sie die Schaltungen aus a) auf, und visualisieren Sie die Transferfunktionen (mit und ohne Lastkondensator) mit dem Oszilloskop (physikalische Schaltskizze, Bildschirmausdruck, Erklärung, Vergleich mit Simulation). B) Ersetzen Sie in der ersten Schaltung RL durch einen variablen Widerstand (0..1000Ω). Erzeugen Sie das Ein- und Ausgangssignal auf dem Oszilloskop und ändern Sie den Widerstand. Beobachten sie qualitativ, beschreiben und interpretieren Sie! Schauen Sie sich auch die Transferfunktionen an. C) Bestimmen Sie für alle unbelasteten Schaltungen aus den Signalen die Logikpegel und die Störspannungsabstände durch Cursormessungen am Oszilloskop.
