P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor

P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor
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E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK P4-1/5
P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor
© Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl
a)
P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor
Der
Feldeffekttransistor
Elektroniksystemen.
Feldeffekttransistor
Die
als
findet
vielfältige
wichtigsten
Schalter
und
Anwendung
Anwendungen
als
sind
Verstärkerelement.
in
der
Beide
Anwendungen sollen in praktischen Beispielen veranschaulicht werden.
Eine weitere Anwendung ist der Feldeffekttransistor als elektronisch
steuerbarer Widerstand.
Bei
Verstärkerschaltungen
muss
der
Feldeffekttransistor
im
b)
Abschnürbetrieb arbeiten. Der Transistor ist dann Stromquelle. Bild P4-1
zeigt den Feldeffekttransistor mit seinen Anschlussbedingungen. Damit der
Transistor als Stromquelle betrieben wird, muss die Spannung U DS (beim
N-Kanal-Typ) bzw. die Spannung U SD (beim P-Kanal-Typ) genügend groß
sein (größer U DSP bzw. U SDP).
Bei Schalteranwendungen wird in der Regel zwischen dem Sperrbetrieb und
dem
"Widerstands"-Betrieb
umgeschaltet.
Im
Sperrbetrieb
ist
der
Feldeffekttransistor hochohmig (R OFF > 1MΩ), im "Widerstands"-Betrieb
niederohmig (R ON < einige 100Ω)
Bild P4-1: Der N-Kanal und P-Kanal JFET bzw. MOSFET mit seinen
Klemmengrößen (Strompfeile sind Richtungspfeile)
a) N-Kanal JFET und N-Kanal MOSFET
b) P-Kanal JFET und P-Kanal MOSFET
D … Drain
G … Gate
S … Source
B … Bulk
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15.03.2008 11:47
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E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK P4-2/5
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P4.1 Ermittlung des Arbeitspunktes in einer gegebenen Schaltung
P4.1 Ermittlung des Arbeitspunktes in einer gegebenen Schaltung
Zur
Bestimmung
Transistoren
n
des
Arbeitspunktstromes
Beschaltungsgleichungen
müssen
allgemein
bei
(Maschengleichungen
n
oder
Knotenpunktgleichungen) formuliert werden, bei denen neben Strömen nur
Steuerspannungen
U GS
bzw.
U SG
auftauchen.
Mit
den
n
Transistorgleichungen erhält man die gesuchten Arbeitspunktströme. In
Bild P4-2 ist eine Schaltung mit 5 Transistoren gegeben.
Aufgabe P4-1: Geben Sie für die Schaltung in Bild P4-2 die 5
Beschaltungsgleichungen zur Ermittlung des Arbeitspunktstromes an.
Geben Sie die Arbeitspunkte der 5 Transistoren an.
Mi
U GS/V
I D/µA
U DS/V
1
2
3
Auswerten
Erg. P4-1
4
5
Bild P4-2: Beispielschaltung zur Arbeitspunktbestimmung
Welche Betriebsart liegt bei M2 vor?
j M2 Stromquelle
k
l
m
n
j M2 gesperrt (R OFF)
k
l
m
n
Auswerten
Erg. P4-2
j M2 Widerstand (R ON)
k
l
m
n
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E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK P4-3/5
P4 Praktikum zum Feldeffekttransistor
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P4.2 Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinie eines
Feldeffekttransistors
P4.2 Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinie eines Feldeffekttransistors
Die Übertragungskennlinie kennzeichnet das Übertragungsverhalten des
Stromes als Funktion der Steuerspannung. Mit der Schaltung in Bild P4-3
lässt sich die Ausgangskennlinie des Transistors bestimmen.
Aufgabe P4-2: Wie muss die Schaltung in Bild P4-3 geändert werden,
damit sich die Übertragungskennlinie bestimmen lässt?
Geben Sie den Drainstrom in nachfolgender Tabelle an.
U 1/V
I D/µA
0
1
2
Auswerten
Erg. P4-3
2.5
3
Bild P4-3: Testschaltung zur Bestimmung der Ausgangskennlinie eines
P-Kanal MOSFET
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E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK P4-4/5
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P4.3 NJFET als Schalter
P4.3 NJFET als Schalter
Als nächstes ist der Feldeffekttransistor als Schalter zu betreiben. Bild P4-4
zeigt
eine
Schalteranordnung
mit
einem
PJFET.
Die
sinusförmige
Eingangsspannung V10 wird mit der Steuerspannung V30 über den PJFET
auf den Ausgang geschaltet. Die Schaltfrequenz beträgt 10kHz. Bei V30 =
-5V ist der Feldeffekttransistor gesperrt, bei V30 = 0 leitend.
Wie groß ist der maximale Ausgangsstrom bei u 1 = 0.5V?
Auswerten
A
ID =
Erg. P4-4
Welcher Widerstand R ON liegt vor?
RON =
Ω
Auswerten
Erg. P4-5
Aufgabe P4-3: Ermitteln Sie die Eigenschaften der Schaltung in Bild P4-3
durch Simulation, bauen Sie die Schaltung auf und bestätigen Sie die
Simulationsergebnisse durch Messung.
Aufgabe P4-4: Führen Sie eine FFT für das Ausgangssignal der Schaltung
in Bild P4-3 durch und diskutieren Sie das Ergebnis.
Aufgabe P4-5: Für welchen Anwendungszweck könnte man die Schaltung
in Bild P4-3 verwenden und wie müsste dafür die Schaltung modifiziert
werden?
Bild P4-4: Der Feldeffekttransistor als Schalter
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E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK P4-5/5
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P4.4 CMOS-Verstärker
P4.4 CMOS-Verstärker
Ein CMOS-Inverter des Typs HC7404 enthält komplementär angeordnete
NMOS/PMOS-Transistoren. Bild P4-5 zeigt einen CMOS-Schaltkreis mit dem
NMOS-Transistor
Anreicherungstyp),
M1
und
dem
entsprrechend
PMOS-Transistor
der
Anordnung
M2
in
(beide
einem
vom
digitalen
Inverterschaltkreis HC7404. Durch die äußere Beschaltung mit R2 und R1
liegt ein parallelgegengekoppelter Verstärker vor. Die Kapazität C1 wird
benötigt, um die DC-Komponente der Signalquelle V1 von der sich
selbsttätig einstellenden DC-Spannung an Knoten 3 zu trennen.
Aufgabe P4-6: Bestimmen Sie die Arbeitspunkte der Transistoren der
Schaltung in Bild P4-5 und bestätigen Sie das Ergebnis durch Simulation.
Ermitteln Sie sodann die DC-Übertragungskurve des CMOS-Inverters durch
Simulation.
Aufgabe P4-7: Bauen Sie die Schaltung in Bild P4-5 auf. Bestimmen Sie
die innere und die äußere Verstärkung durch Simulation und bestätigen Sie
das Simulationsergebnis durch Messung. Wodurch wird die Bandbreite
begrenzt?
Bild P4-5: CMOS-Verstärker mit Parallelgegenkopplung (NMOS:
Anreicherungstyp, PMOS: Anreicherungstyp)
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15.03.2008 11:47