Feldeffekttransistoren - antriebstechnik.fh

Laborversuch Feldeffekttransistoren
Mess- und Sensortechnik
HTA Biel
Feldeffekttransistoren
Ausgehend vom Ersatzschaltbild werden die wichtigsten statischen SPICE-Parameter bestimmt. Es folgt eine Einführung in die analoge
Schaltungstechnik mit JFET's. Auf die Theorie wie JFET's aufgebaut sind und wie sie funktionieren, wird weitgehend verzichtet.
Als Einzelelement werden FET's nicht sehr oft eingesetzt, obschon sie gegenüber bipolaren
Transistoren einige Vorteile aufweisen, wie die folgende Aufstellung zwischen JFET und bipolaren
Kleinsignal-Transistoren zeigt:
Kriterium
Vorteil JFET
Ansteuerung
Eingansiderstand
Stat. Steuerleistung
Transitfrequenz
Nachteile JFET
Empfindlich auf ESD1
Max. Spannung
Max. Strom
Preis
JFET
bipolar Transistor
Spannung
GΩ
0
GHz
Strom
kΩ
IbUe
150 MHz
Ja
ca. 30V
1..15mA
Fr. -.70
Nein
50V...600V
100mA..100A
Fr.-.25
In integrierten Schaltungen werden hingegen FET's in grösstem Umfang eingesetzt, wobei in digitalen
Schaltungen vorwiegend MOS-FET's eingesetzt werden und in analogen Schaltungen oft
JFET's.Beachten Sie, dass die in der Leitungselektronik eingesetzten POWER-MOSFET2 als
integrierte Schaltungen zu betrachten sind.
JFET-Ersatzschaltbild
1
ESD: Electrostatic Discharge
2
POWER_MOSFET werden aus mehreren tausend parallel geschalteten MOS-FET gebildet.
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Statische Kenndaten
In der normalen Betriebsart d.h. UDS > 0 werden drei Bereiche unterschieden
Sperrbereich: UGS - VT0 < 0
VTo heisst Abschnürspannung (Pinch off Voltage) bei der der Kanal gesperrt wird.
[1]
ID = 0
[2]
Sättigungsbereich: 0 < (UGS - VT0) < UDS
2
ID = β (UGS - VT0) (1 + λUDS)
[3]
Widerstandsbereich: 0 < UDS < (UGS - VT0)
ID = β UDS (2 (UGS - VT0) - UDS) (1 + λUDS)
Im Widerstandsbereich können wir mit UDS ≈ 0 und der folgenden Messschaltung bereits
wichtige Parameter ermitteln:
UGS
Messschaltung RDS = RDS(UGS)
Die Messresultate sehen wie folgt aus:
RDS = RDS (UGS)
1/RDS in Funktion von (UGS-VTO)
Wenn wir [3] nach UDS ableiten und U‘ = UGS – VTO setzen ergibt sich
[4] 1/RDS= dID/dUDS=β*2*U‘
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mit λUDS << 1 und 2 (UGS - VT0) - UDS ≈ 2 (UGS - VT0)
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.
Wir können also die Steigung der Ausgleichsgeraden in der rechten Figur als 2 β
interpretieren. Aus dieser Grafik ergibt sich auch VTo.
Den Parameter λ können wir aus der Steigung der Kennlinie im Sättigungsbereich
herauslesen oder aus [2] und zwei Messungen von IDSS z.B. mit
IDSS1 bei UGS = 0 und UDS01 = 15 V
sowie
IDSS2 bei UGS = 0 und UDS02 = 5 V
wird mit
2
UGD = 0 aus [2] IDSS = β VT0 (1 + λUDS0)
nach λ aufgelöst.
[5]
λ=
I DSS1 - I DSS2
2
βVTO (U DS01 − U DS02 )
Die beiden Widerstände RD und RS des statischen Ersatzschaltbildes lassen sich aus den
Kennlinienabweichung herauslesen, wenn die Kennlinien der beiden Dioden aufgenommen
werden. Dabei ist zu beachten, dass der im Datenblatt spezifizierte maximale Gatestrom
nicht überschritten wird. Beide Widerstände sollten zusammen kleiner als RDS ON sein.
Praktische Schaltungen
+
Rs
Symbol einer Konstantstruomdiode
Realisation mit einem JFET
Es gilt UGS = - URS = - ID*RS
Diese Eigenschaft wird zur Arbeitspunktstabilisierung verwendet, wie folgende Schaltungen
zeigen:
+
+
RG
RS
RS
RG
RS
CS
CL
CD
RS
Arbeitspunktstabilisierung
Verstärkerstufe
Der Widerstand RG zwischen Gate und Source ist nötig, damit Wechselsignale am Gate
angelegt werden können. Bei der Wahl von RG sollte berücksichtigt werden, dass RG << VTo /
IG erfüllt ist, oft wird RG = 1 MΩ gesetzt.
CD reduziert die Verstärkung bei hohen Frequenzen und verhindert dadurch hochfrequente
Schwingungen.
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Die Verstärkung schliesslich ergibt sich aus [2] unter der Annahme λUDS << 1 wie folgt
[6]
.
∂ID/∂UGS = 2 β (UGS - VT0) ≈
2 ⋅ ID
=g
(U GS − VTO ) m
gm nennt man Transkonduktanz.
[7]
.
*
v = -gm RD
mit
*
[8] RD = RD || RL|| rds
Dimensionierung
Aus dem vorgegebenen Ruhestrom IDo ergibt sich URSo = - UGSo, wobei sich UGSo aus [2] und
[5] bestimmen lässt und daraus
U
[9] RS = GSo
I Do
RG wird wie oben erwähnt oft als 1MΩ gesetzt.
[10]URD =
U BATT - U DSmin - U RSo
und
2
RD =
U RD
I Do
Oft wird RL = RD gesetzt.
CG bildet zusammen mit RG einen Hochpass.
[11]CG =
1
2πRG f u '
mit fu' ≈ fu/10
[12]CS =
gm
2πf u
[13]CL =
1
2πf u ' ( R D '+ R L )
mit RD' = RD|| rds.
CD hat die Aufgabe hochfrequente Schwingungen zu unterdrücken und ergibt sich zu
1
[14]CD =
2π R D f o
fo wird dann die obere Grenzfrequenz z.B. bei 100 kHz.
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Aufgaben:
1.
Skizzieren Sie den typischen Verlauf von ID = ID(UGS) mit UDS = konst. und ID = ID (UDS)
mit verschiedenen UGS als Parameter.
2.
Messen Sie RDS in Abhängigkeit von UGS und bestimmen Sie daraus RDS ON, VTo sowie ß
und λ.
3.
Bestimmen Sie aus den Kennlinienabweichungen der beiden Dioden des
Ersatzschaltbildes RD und RS. Beide zusammengezählt sollten einen Wert ergeben, der
viel kleiner als RDS ON ist.
4.
Realisieren Sie eine Konstantstromquelle für ID = ________ und überprüfen Sie durch
Messung die Eigenschaften.
5.
Dimensionieren Sie eine Verstärkerstufe mit obigem ID und
UBATT = _________
6.
Wie gross wird die Verstärkung?
7.
Simulieren Sie die Schaltung mit PSPICE.
8.
Die Konstantstromquelle aus Aufgabe 4 soll zu zwei Sägezahngeneratoren ausgebaut
werden, die durch die Zeilen- und Bild-synchronisationsimpulse eines Videosignals
gesteuert werden.
Ein Videosignal einer Zeile ist wie folgt aufgebaut:
.
tah = 0.18 Th = 11.5 µs
Die Synchronimpulse über ein ganzes Bild sehen wie folgt aus:
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Die folgende Schaltung trennt die Synchronisationsimpulse von BAS-Signal (BAS = Bild- und
Austastsignal):
An Stelle des BC 547 B resp. 557B wurde der BC182 B (C) resp. BC 212B eingesetzt.
Die Bildsynchronisationsimpulse können durch Integration mit einem Tiefpass gewonnen
.
werden, wie aus dem vorletzten Bild zu sehen ist. Wählen Sie t = RT CT ≈ 75µs und RT≈ 22k.
Die beiden Sägezahngeneratoren arbeiten nach dem Prinzip, dass ein konstanter Strom in
einen Kondensator zu einem linearen Anstieg der Spannung über dem Kondensator führt.
Die Synchronimpulse entladen den Kondensator jeweils wieder.
Aus IC und UBATT ergibt sich C zu
I ⋅T
C≈ C h
2 U
3 BATT
Th = 64µs
(Tv = 20ms)
τ = R∗C ≈ ∆t/5
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Werden beide Sägezahnspannungen an einen KO's im XY-Betrieb gelegt, so wird der Strahl
wie bei einem Fernsehgerät auf dem Schirm bewegt.
Nach CCIR-Norm sollten die Zeiten vom Abfall des Signals bis zum neuen Anstieg wie folgt
gewählt werden:
horizontal ∆trh = 11.5 µs
vertikal
∆trv = 1.6 ms
Im BAS-Signal ist ausser den Synchronimpulsen auch die Helligkeit des Bildes enthalten.
Damit ein helligkeitsmoduliertes Bild auf dem KO-Schirm dargestellt wird, muss das BASSignal noch an den Z-Modulationseingang des KO's gelegt werden.
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