Fragenkatalog zur ¨Ubung Halbleiterschaltungstechnik

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Fragenkatalog zur
Übung Halbleiterschaltungstechnik
WS 2012/13
Übungsleiter:
Christian Diskus
Martin Heinisch
Erwin Reichel
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 Arbeitspunkteintellung 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 Arbeitspunkteintellung 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 Arbeitspunkteintellung mit Stromgegenkopplung
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 Arbeitspunkteintellung mit Spannungsgegenkopplung 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 stromgegengekoppelten Emitterschaltung (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 spannungsgegengekoppelten Emitterschaltung (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 stromgegengekoppelte Emitterschaltung. Ist die Verstärkung eher
hoch oder niedrig? Ist sie positiv oder negativ?
VS.2 Zeichnen Sie eine stromgegengekoppelte Kollektorschaltung. Ist die Verstärkung eher
hoch oder niedrig? Ist sie positiv oder negativ?
VS.3 Zeichnen Sie eine stromgegengekoppelte Basisschaltung. 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 stromgegengekoppelter
Transistorschaltung mit Basisspannungsquelle, 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 stromgegengekoppelter
Transistorschaltung mit Basisspannungsquelle, 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).
SD.7 Zeichnen Sie die Schaltung eines Differenzverstärkers mit Transkonduktanz-Eingangsstufe
und erklären Sie die Funktion der Schaltung.
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.
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