BUSIII
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Fichier Détails
| Cartes-fiches | 72 |
|---|---|
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Géographie |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 16.04.2016 / 16.07.2022 |
| Lien de web |
https://card2brain.ch/box/busiii
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| Intégrer |
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Welche Bedeutung hat die Abkürzung IGFET?
Insulated-Gate Field-Effekt Transistor
Das Gate ist durch eine Isolierschicht vom Kanal getrennt
Das Funktionsprinzip eines FET basiert auf der Steuerung des Widerstandes zwischen Drain und Source. Bitte erläutern Sie die beiden unterschiedlichen Prinzipien für die Steuerung!
Anreicherungsprinzip bei dem die Ladungsträger im Kristall unter dem Gate Angereichert werden.
Verarmungstyp bei dem die Ladungsträger im Kristall unter dem Gate verarmt werden.
Nennen Sie die 3 gemeinsamen Kennlinienmerkmale von MOSFET und PNFET!
• kleine Spannungen U_DS gekrümmter Verlauf (Anlaufbereich)
• bei steigender Spannung U_DS wird der Stromzuwachs immer geringer
• trotz steigender Spannung U_DS keine Stromerhöhung (Sättigungsbereich, Abschnürbereich)
Welche Eigenschaften kennzeichnen den FET im Vergleich zum Bipolartransistor?
- hoher Eingangswiderstand
- Spannungssteuerung am Gate
- so gut wie kein Stromfluss an Gate für niedrige Frequenzen
- Funktion als veränderbarer Widerstand
- geringes Rauschverhalten
- Empfindlichkeit gegen Radioaktive und Kosmische Strahlung geringer Thermisch stabiler, weil kein Thermischer Durchbruch, Schnelles Schaltverhalten weil nur Majoritätsträger vorhanden
In welcher Größenordnung liegen die Spannungen Up und Uth?
n-kanal Verarmungstyp
Uth = Up = -2V
p-kanal Verarmungstyp
Uth = Up = 2V
n-kanal Anreicherungstyp
Uth = 0,75V- 1V
p-kanal Anreicherungstyp
Uth = -0,75- -1V
Zeichnen Sie das Ausgangskennlinienfeld eines FET und kennzeichnen Sie den Anlaufbereich und den Abschnürrbereich sowie die Abschnürrspannung!
-Udss: Abschnürrspannung
-durchgezogene Linien: Anlaufbereich
-gestrichelte Linien: Abschnürrbereich
Erläutern Sie den Aufbau und die Funktion eines FET anhand einer Skizze!
...
Nennen Sie 3 charakteristische Unterschiede zwischen MOSFET und PNFET!
MOSFET haben wesentlich kleinere Gate- Source- Ströme als PNFET
MOSFET sind erheblich empfindlicher gegenüber Gate- Spannungsdurchbrüchen als PNFET .
Im NF- Bereich bis 100 kHz zeigen PNFET um den Faktor 10...1000 kleinere Rauschspannungen als MOSFET
Welche Unterschiede (Aufbau, Eigenschaften) bestehen zwischen einem PNFET und einem MOSFET?
- Der MOS FET hat ein Isoliertes Gate, welches meist durch SiO2 (Silizium Oxid) vom Kanal isoliert ist und
- der PN FET hat einen PN Übergang als Isolierschicht zum Kanal.
- Beim MOSFET werden Ladungsträger vom Substrat in den Kanal gezogen oder verdrängt,
- beim PN FET wird der PN Übergang zum Kanal ausgeweitet oder abgebaut
- Beide Transistoren werden über ein Elektrisches Feld gesteuert
Welche vier MOSFET- Typen werden unterschieden?
Selbstsperrender Typ = Anreicherungstyp in n- oder p-Kanal-Ausführung
Selbstleitender Typ = Verarmungstyp in n- oder p-Kanal-Ausführung
Zeichnen Sie die Source- Schaltung für einen selbstsperrenden n- Kanal MOSFET!
...
Welche Auswirkung hat die Kanallängenmodulation beim MOSFET?
Die Kanallängenmodulation verursacht den Anstieg des Stromes im Abschnürbereich.
(Early Effekt des MOSFET)
Welchen Einfluss hat die Temperatur auf das Betriebsverhalten eines MOSFET?
- Bei Erwärmung sinkt die Leitfähigkeit des Kanals, der Strom wird kleiner
- Der Transistor stabilisiert sich selber
- Bei steigender Temperatur vergrößert sich außerdem die Schwellspannung Uth um 0,5 ... 4 mV/K
Für welche Anwendungen eignen sich Dual- Gate- FET?
- Der Dualgate FET hat zwei unabhängige Gateanschlüsse
- Er wird als Mischer oder als Regelverstärker eingesetzt
- Die Mischung ist Multiplikativ
Erläutern Sie die Funktion des PNFET bei zunehmender Spannung UDS (UGS=0)!
Bei zunehmender Spannung U_ds (U_gs=0) wächst die Verarmungszone im Stromkanal und es entsteht eine keilförmige Einschnürung. Diese wächst mit zunehmender Spannung U_ds.In diesem Bereich ist der Drainstrom I_d propotional zu U_ds ( Ohmescher Bereich).Bei Erreichen der Spannung U_dssat hat sich der Kanal soweit verengt, dass eine weitere Erhöhung der Spannung U_ds keine weitere Stromsteigerung bewirkt (I_dssat fließt).Externe Spannung U_gs, die den Kanal vollständig abschnürrt heißt AbschnürrspannungUp.
Zeichnen Sie die Schaltung "FET als steuerbarer Widerstand" und erläutern Sie die Funktion sowie die Bedeutung der einzelnen Bauelemente!
- Spannungsteiler:
- R1 (Drainwiderstand) und Rds (FET)
- Rds wird durch die Spannung Ugs gesteuert .
- R2 und R3 liniearisieren die Kennlinienverläufe
- Wenn R1>Rds, dann ist Ua in weiten Bereichen steuerbar
- Ua nicht zu gross wählen, da sonst der FET nicht mehr im Anlaufbereich arbeitet
Zeichnen Sie eine Sourceschaltung mit selbstleitendem MOSFET und geben Sie für Kleinsignalbetrieb die Formeln an: dID = f (dUGS, dUDS) und ) und für die Spannungsverstärkung AV = dUDS / dUGS
\(dI_D=S*dU_{GS}+{1 \over r_{DS}}*dU_{DS}\)
\(A_V={dU_{DS} \over dU_{GS}}=-S*{R_D*r_{DS}\over r_{DS}+R_D}\)
Welche praktische Bedeutung hat die Gate- und die Drainschaltung?
Gateschaltung: Hochfrequenztechnik (z.B. Hochfrequenzverstärker), nur selten in Gebrauch
Drainschaltung (auch „Sourcefolger“): Niederfrequenzbereich (z.B. Impedanzwandler)
Zeichnen Sie die Schaltung "FET als Konstantstromquelle mit Hilfsspannung" und erläutern die Funktion sowie Sie die Bedeutung der einzelnen Bauelemente!
R1, R2 Spannungsteiler für festes Gate Portential.
Rv – Vorwiderstand
Rs – Gegenkopplung
Dimensionierung wie bei der Arbeitspunkteinstellung
Funktion:
- Gewünschter Strom wird über U_b Rs eingestellt.
- Steigt der Strom an Rs so nimmt Ugs ab, der Transistor sperrt.
- Sinkt der Strom dann steigt die Spannung (Transistor leitet → konstanter Stromfluss)
Zeichnen Sie die Schaltung "FET als Konstantstromquelle ohne Hilfsspannung" und erläutern die Funktion sowie Sie die Bedeutung der einzelnen Bauelemente!
- Mit dem Widerstand Rs wird der Konstantstrom Id eingestellt.
- Mit Hilfe des Widerstandes Rs wird Ugs eingestellt und somit der Widerstand Rds.
Zeichnen Sie die Schaltung "Differenzverstärker mit FETs" und erläutern die Funktion sowie Sie die Bedeutung der einzelnen Bauelemente!
- Der Differenzverstärker mit FETs funktioniert ähnlich wie der mit Bipolartransistoren.
- Die Konstantstromquelle sorgt für ein konstantes Ik.
- Somit ist, wenn beide Transistoren das gleiche Eingangspotential am Gate haben, der Strom in beiden Transistoren Identisch
- Wird z.B. Ue1 erhöht, wird der T1 weiter aufgesteuert. Aufgrund der Konstantstromquelle wird T2 weiter zugesteuert.
- Ua1 Sinkt Ua2 steigt.
Erläutern Sie die Funktion des Leistungs- MOSFET anhand der Abbildung1! Nennen Sie die Vorteile des Leistungs- MOSFET!
- Planartechnik- Drain und source liegen sich großflächig gegenüber.
- Das Gate liegt Isoliert in der Mitte der beiden Source Anschlüsse.
- Stromfluss zum n- Bereich erst, wenn der p Bereich durch Anlegen einer Gatespannung oberflächennah invertiert wird und sich ein n Kanal bildet; von dort werden die Elektronen vertikal nach unten zum n+ Drain befördert
Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild des IGBT und erläutern Sie die daran die Funktion!
- Der MOSFET wird „Leistungslos“ am Gate angesteuert und steuert somit die Basis des Biportransistors.
- Dieser wird dadurch in den Leitfähigen Zustand versetzt
- Der Stromfluss für die Basis wird über die Source-Drainstrecke des FETs geleitet und tritt nicht an dem Gate auf
Zeichen und beschriften Sie das Schaltbild eines OPs inkl. aller Spannungen und Ströme und geben Sie die Formel an für die Berechung der Ausgangsspannung!
...
Nennen Sie 5 Anwendungsbeispiele für OPs!
Impedanzwandler
Strom Spannungswandler
Ohmmeter
Verstärker
Differenzier Glied
Zeichen und beschriften Sie das vereinfachte OP-Ersatzschaltbild!
...
Zeichnen Sie die Ausgangskennlinie des nicht gegengekoppelten realen OPs und wählen Sie für die Skalierung typische Werte!
...
Zeichen Sie einen gegengekoppelten OP mit dem Rückkopplungsnetzwerk "K" berechen Sie Spannungsverstärkung (allgemeine Herleitung)!
\(A = {Ua \over Ue}={A_D \over 1+kA_D}\)
Erläutern Sie "anschaulich" das Prinzip der Gegenkopplung an einer OP- Schaltung!
• Der OP verstärkt die Spannungsdifferenz Ud = Up − Un = +1V mit seiner sehr
großen Leerlaufverstärkung (ca. 100.000-fach).
• Die Ausgangsspannung Ua ändert sich sehr schnell in Richtung positiver Spannungen.
• Ein Teil von Ua wird nun über den Spannungsteiler R1, R2 auf den invertierenden Eingang als Un zurückgekoppelt, d.h. mit dem Ansteigen von Ua steigt auch Un an und somit wird die Spannungsdifferenz Ud = Up − Un immer kleiner, je mehr Ua ansteigt.
• Wenn nun Ud ≈ 0V erreicht wird, steigt Ua nicht mehr weiter an, ein stabiler Endzustand ist erreicht !
Welche Bedeutung hat der Wert "open loop gain"?
Leerlaufverstärkung
Welche Bedeutung hat die Gleichtaktverstärkung?
Beide Eingänge der OP s werden mit der gleichen Spannung U GT betrieben (Gleichtaktsignal).
Damit stellt sich Ud = 0 V ein.
Welche Bedeutung hat CMRR und wie wird der Wert berechnet?
CMRR= Common Mode Rejection Ration (Gleichtaktunterdrückung)
Sie gibt an, wie gut Gleichtaktsignale unterdrückt werden.
Erläutern Sie die Kenngröße "Input Offset Voltage" anhand einer Skizze! Wie kann der auftretende Fehler kompensiert werden?
Eingangs-Offset-Spannung
Beide Eingänge auf Masse
Ua hochohmig messen
Viele Ops haben separate Anschlüsse, über die man eine Kompensation durchführen kann.
Skizzieren Sie den Frequenzgang (Amplitudengang) eines frequenzkompensierten OPs und erläutern Sie das "Verstärkungs- Bandbreite-Produkt"!
- Alle OP`s haben zwecks Stabilität einen Frequenzgang, wie Tiefpass 1.Ordnung (-20dB/Dekade).
- Verstärkungs-Bandbreite-Produkt konstant.
- Je kleiner die Verstärkung, desto größer die Bandbreite und umgekehrt.
- Mit fb lässt isch feststellen wie groß die Bandbreite bei der eingestellten Differenzver. Vd ist.
- fg – Grenzfrequenz (-3 dB Fehler)
- ft – Transitfrequenz
Welche OP-Kenngröße kennzeichnet die Großsignalgrenzfrequenz und wie wird Sie berechnet?
Sr =Slew-Rate (max. Anstiegsgeschwindigkeit)
\(f_{SR} = {SR \over 2 \pi * û_a }\)
Nichtinvertierender Verstärker: Zeichen Sie die OP- Schaltung und berechnen Sie die Spannungsverstärkung (Herleitung)!
\(U_e = I*R_2\) ; \(U_a = I*(R_1+R_2)\)
\( {U_e \over R_2} = {U_a \over R_1+R_2}\)
\(V_U = {U_a \over U_e} = {R_1+R_2 \over R_2}\)
Nichtinvertierender Verstärker für große Ausgangsströme: Zeichen Sie die Schaltung, erläutern Sie die Funktion und geben Sie die Spannungsverstärkung an (keine Herleitung)! Wie groß ist der Eingangswiderstand?
Annahme: niederohmiger Verbr.
– Bei positiver Eingangs- spannung ist auch der Ausgangsstrom positiv und
T1 wird aufgesteuert; T1 arbeitet als Emitterfolger und T2 ist gesperrt.
– Die Gegenkopplung sorgt dafür, das die Ausgangsspannung korrekt auf den richtigen
Wert geregelt wird. Bei negativer Eingangsspannung ist der Ausgangsstrom negativ und T2 wird aufgesteuert und T1 ist gesperrt.
\(V_U = {U_a \over U_e}=1+{R_2 \over R_1}\)
Re = Real > 1Mohm ; Ideal unendl.
Impedanzwandler: Zeichen Sie die OP- Schaltung und berechnen Sie die Spannungsverstärkung (Herleitung)! Wie groß sind der Eingangs- und der Ausgangswiderstand?
\(U_e = U_d+ U_n \to U_a=U_n\)
\(U_e=U_d+U_a \mid U_d=0V\)
\(U_e=U_a \to V_U= {U_a \over U_e} =1\)
Erläutern Sie die Funktion der Sample & Hold - Schaltung mit OPs (siehe Schaltbild1)!
1 Gemäß Skript (Version Bendrat)
Zunächst:
Us > U
Diode gesperrt
selbstleitender FET ist durchgeschaltet
der (veränderliche) Messwert Ue wird auf den Kondensator übernommen
Nun: Us < (Ue,min +Up )
Die Diode wird leitfähig und über R wird ein Spannungsabfall generiert der dafür sorgt, dass der Transistor abschnürt.
Von diesem Zeitpunkt an sind die Spannung am Kondensator und UU aa konstant.
Invertierender Verstärker: Zeichen Sie die OP- Schaltung und berechnen Sie die Spannungsverstärkung (Herleitung)! Wie groß ist der Eingangswiderstand?
\(R_e=R_1\)
\(U_e=I*R_1\) ; \(U_a-I*R_2\)
\({U_e \over R_1}={U_a \over -R_2} \to V={U_a \over U_e}=-{R_2 \over R_1}\)
