Fragenkatalog zur ¨Ubung Halbleiterschaltungstechnik
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Fragenkatalog zur Übung Halbleiterschaltungstechnik WS 2016/17 Übungsleiter: Christian Diskus Thomas Voglhuber-Brunnmaier Herbert Enser Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik Altenbergerstr. 69, 4040 Linz, Internet: www.ime.jku.at 1 Einführung EF.1 Zählen sie alle Elemente (Zweipole) auf, die in einer linearen Schaltung auftreten dürfen. EF.2 Wie ermittelt man den Innenwiderstand einer linearen Schaltung bezüglich eines Klemmenpaares? EF.3 Was ist die Leerlaufspannung eines linearen (Teil-)Netzwerks. Skizze! EF.4 Was ist der Kurzschlussstrom eines linearen (Teil-)Netzwerks. Skizze! EF.5 Zeichnen Sie die Ersatzschaltbilder einer Ersatzspannungsquelle sowie einer Ersatzstromquelle, benennen Sie die vorkommenden Bauelemente und geben Sie den Zusammenhang dieser an. EF.6 Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit das Superpositionsprinzip gilt? EF.7 Beschreiben Sie kurz das Superpositionsgesetz zur Ermittlung des Stromes/ der Spannung im Zweig einer linearen Schaltung. 1 2 Diode D.1 Zeichnen Sie qualitativ eine Diodenkennlinie und kennzeichnen Sie die drei charakteristischen Bereiche. D.2 Geben Sie die Gleichung der Diodenkennlinie an und erklären Sie alle vorkommenden Größen. In welchen Bereichen ist diese Gleichung gültig? D.3 Gegeben ist die Serienschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen und analysieren Sie diese Schaltung qualitativ grafisch. Geben Sie die Funktion der Lastgeraden sowie deren Schnittpunkte mit der Abszisse und der Ordinate an. D.4 Gegeben ist die Parallelschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen und analysieren Sie diese Schaltung qualitativ grafisch. Geben Sie die Funktion der Lastgeraden sowie deren Schnittpunkte mit der Abszisse und der Ordinate an. D.5 Gegeben ist die Serienschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen. Erklären sie grafisch (qualitativ), wie Sie die Kennlinie dieser Serienschaltung ermitteln können. Beschriften Sie alle Kennlinien eindeutig und geben Sie deren Funktionen an. D.6 Gegeben ist die Parallelschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen. Erklären sie grafisch (qualitativ), wie Sie die Kennlinie dieser Parallelschaltung ermitteln können. Beschriften Sie alle Kennlinien eindeutig und geben Sie deren Funktionen an. D.7 Was ist bei der Parallelschaltung von Dioden (z.B. Leuchtdioden) zu beachten? Grafische Erklärung! D.8 Leiten Sie den differenziellen Widerstand einer Diode her. Wovon hängt dieser ab? D.9 Woran erkennen Sie die Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie? Begründen Sie dies mathematisch anhand der Diodengleichung. 2 3 Bipolartransistor T.1 Skizzieren Sie den Aufbau eines npn- sowie pnp-Bipolartransistors und erläutern Sie anhand der Skizzen die Funktionsweise eines npn-Bipolartransistors. Warum kommt es zur Stromverstärkung? T.2 Skizzieren Sie: Eingangskennlinie, Transferkennlinie, Stromsteuerkennlinie und Ausgangskennlinienfeld. Geben Sie gegebenenfalls Gleichungen an, die diese Verläufe beschreiben. Unter welchen Bedingungen werden diese Kennlinien aufgezeichnet? T.3 Zeichnen Sie das 4-Quadranten-Kennlinienfeld eines Transistors. Beschreiben Sie die Methode, mit der Sie das Kennlinienfeld aufnehmen würden. T.4 Geben Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild des Transistors an, und bestimmen Sie die darin vorkommenden Symbole. T.5 Was versteht man unter einer Arbeitspunkteinstellung eines Transistors und warum ist diese überhaupt nötig? T.6 Skizzieren Sie ein 4-Quadrantenkennlinienfeld und zeichnen Sie den Arbeitspunkt für die unten dargestellte Schaltung in jede der drei Kennlinien ein. Überlagern Sie nun dem Arbeitspunkt ein Kleinsignal und bestimmen Sie UCE grafisch. 3 4 Bipolartransistor Arbeitspunkteinstellung TAP.1 Zeichnen Sie die Schaltungen zur Spannungs- und Stromeinstellung und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Kennlinien zur Stromverstärkung und Transferverhalten. TAP.2 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. TAP.3 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit Basis-Spannungsteiler und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. TAP.4 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. TAP.5 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit spannungsgesteuerter Stromgegenkopplung und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. 4 5 Emitterschaltung Kleinsignalverhalten ES.1 Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild einer Emitterschaltung mit stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung (mit Early-Leitwert). Benennen Sie alle Bauelemente und geben Sie zwei Ausdrücke für den Strom der gesteuerten Quellen an. ES.2 Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild einer Emitterschaltung mit spannungsgesteuerter Stromgegenkopplung (mit Early-Leitwert). Benennen Sie alle Bauelemente und geben Sie zwei Ausdrücke für den Strom der gesteuerten Quellen an. ES.3 Skizzieren Sie einen belasteten Verstärkervierpol und geben Sie Ausdrücke für Eingangswiderstand sowie Betriebsverstärkung an. ES.4 Skizzieren Sie einen unbelasteten Verstärkervierpol und geben Sie den Ausdruck für die Leerlaufverstärkung an. ES.5 Skizzieren Sie einen Verstärkervierpol mit entsprechender Beschaltung und geben Sie einen Ausdruck für den Ausgangswiderstand an. ES.6 Erklären Sie den Early-Leitwert und die Early-Spannung anhand des Ausgangskennlinienfeldes. 6 Verstärkerschaltungen VS.1 Zeichnen Sie eine Emitterschaltung mit stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung. Ist die Verstärkung eher hoch oder niedrig? Ist sie positiv oder negativ? VS.2 Zeichnen Sie eine Kollektorschaltung mit stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung. Ist die Verstärkung eher hoch oder niedrig? Ist sie positiv oder negativ? VS.3 Zeichnen Sie eine Basisschaltung mit stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung. Ist die Verstärkung eher hoch oder niedrig? Ist sie positiv oder negativ? 7 Stromquellen/spiegel und Differenzverstärker SD.1 Zeichnen Sie die Schaltung einer einfachen Stromquelle mit Transistorschaltung mit Basisspannungsquelle und stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung, erklären Sie die Funktion der Schaltung und geben Sie den Ausgangsstrom als Funktion von UBE an. SD.2 Zeichnen Sie die Schaltung einer einfachen Stromquelle mit Transistorschaltung mit Basisspannungsquelle und stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung, erklären Sie die Funktion der Schaltung und geben Sie den Ausgangsstrom als Funktion von UCE an. SD.3 Zeichnen Sie die Schaltung einer einfachen Stromquelle mit Basisspannungsteiler sowie schaltungstechnische Varianten zur Stabilisierung gegenüber Schwankungen von Temperatur und Versorgungsspannung. SD.4 Zeichnen Sie die Schaltung eines einfachen Stromspiegels, erklären Sie die Funktion der Schaltung und zeigen Sie Ia = Ie . SD.5 Zeichnen Sie die Schaltung eines einfachen Differenzverstärkers, erklären Sie die Funktion der Schaltung und geben Sie die Definitionen von Differenzverstärkung, Differenzeingangswiderstand und Differenzausgangswiderstand an. SD.6 Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild eines einfachen Differenzverstärkers, erklären Sie die Funktion der Schaltung und geben Sie Ausdrücke für Differenzverstärkung, Differenzeingangswiderstand und Differenzausgangswiderstand an (ohne Early-Effekt). 8 Feldeffekt-Transistoren FET.1 Zeichnen Sie die Schaltsymbole für vier verschiedene MOSFETs und zeichnen Sie für einen davon Transferkennlinie und Ausgangskennlinienfeld. FET.2 Wie lauten die Gleichungen für Transferkennlinie und Ausgangskennlinie eines nMOSFETs? FET.3 Wie lauten die Gleichungen für Transferkennlinie und Ausgangskennlinie eines pMOSFETs? FET.4 Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild eines MOSFET Transistors und geben Sie eine Formel für die Steilheit S an. FET.5 Zeichnen Sie die Schaltung für ein CMOS NAND-Gatter und geben Sie tabellarisch dessen Funktion an. FET.6 Zeichnen Sie die Schaltung für ein CMOS NOR-Gatter und geben Sie tabellarisch dessen Funktion an.
