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Transistorradio, Schaltplan und Aufbau
Transistorradio, etwas aufwändiger
Si-Scheibendurchmesser1970 50 mm1980 100 mm1990 150 mm1995 200 mm2001 300 mmca. 2012 450 mmkleinere Strukturen - kleinere Schaltkreisflächen oder komplexere IC
Jahr Strukturbreite Speicherkapazität das entspricht:1975 5 μm 4 kbit DRAM 1/4 A4-Seite1985 1,5 μm 1 Mbit DRAM 64 A4-Seiten1990 1 μm 4 Mbit 256 A4-Seiten1995 0,6 μm 16 Mbit 1000 A4-Seiten2000 0,18 μm 256 Mbit 16000 A4-Seiten2003 0,13 μm 512 Mbit 32000 A4-Seiten (100 Bücher)2009 0,050 μm 4 Gbit 800 Bücher = 1 Bibliothek?
Trends in der Chiptechnologie
Energie um Einzelatome und Atome im Festkörper
dGeringerAtomabstand
GroßerAtomabstand
Metall Isolator
W
6
5
4
3
2
1
0
EnergiebänderundBandabstand in Abhängigkeitvom Abstand derAtome
T = 0
T > 0
WF
kT
W
kT 25 meV, T = 300 K
f (W)1
0
( )1exp
1
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=
kTWW
WfF
Fermi-Verteilungsfunktion
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
ParaffinDiamantGlasSchieferReinstes Wasser
reines Ge
Ag
Au, Cu
SnPb
Hal
blei
ter
log ρ[Ω cm]
Der spezifische Widerstand ρ ist eine Stoffeigenschaft, die einen riesigen Größenordnungsbereich überspannt.
Diamantgitter (kfz) (Si)
Zinkblende-Gitter (GaAs, CdS, ZnS u.a.)
Hexagonales Gitter (Wurzitgitter) (GaN, SiC, ZnO, AlN)
Typ Pv, max To, max R ΔR/R "R
[W] [°C] [S] %[1/K]
Draht 0,5-600 200-350 10-1-105 0,1-10 +10-5
Kohleschicht 0,1-5 125 10-1-1012 1-20 -10-4
Metallschicht 0,1-2 170 100-107 0,1-2 -103
Metalloxid 0,5-200 180-250 10-1-106 2-10 +-104
Eigenschaften technischer Widerstände:
Farbcode für Widerstände sengpielaudio
4-Ring-Code - Farbcode Widerstand TabelleFarbe 1.Ring 2.Ring Multiplikator Toleranz +/-keine 20%silber 0,01 10% 1.Ziffergold 0,1 5% 2.Zifferschwarz 0 0 1 Multiplikatorbraun 1 1 10 1% Toleranzrot 2 2 100 2%orange 3 3 1Kgelb 4 4 10K 1.Ziffergrün 5 5 100K 0,50% 2.Zifferblau 6 6 1M 0,25% 3.Zifferviolett 7 7 10M 0,10% Tem p.-grau 8 8 100M 0,05% Koeff.weiß 9 9 1G
5- und 6-Ring-Code - Farbcode Widerstand TabelleFarbe 1.Ring 2.Ring 3.Ring Multiplikator Toleranz +/- Temperatur-keine 20% M Koeffizientsilber 0,01 10% Kgold 0,1 5% J schwarz 0 0 0 1 200 ppm/Kbraun 1 1 1 10 1% F 100 ppm/Krot 2 2 2 100 2% G 50 ppm/Korange 3 3 3 1K 15 ppm/Kgelb 4 4 4 10K 25 ppm/Kgrün 5 5 5 100K 0,50% Dblau 6 6 6 1M 0,25% C 10 ppm/Kviolett 7 7 7 10M 0,10% B 5 ppm/Kgrau 8 8 8 100M 0,05% Aweiß 9 9 9 1G
Beispiel:
5 6 00 = 5,6 k / 10 % / 500 V
Widerstandsrechner: http://www.uni-ulm.de/wwe/PHP/widerstand2.php
E6 E12 E24 E6 E12 E24
± 20% ± 10% ± 5% ± 20% ± 10% ± 5%
1,00 1,00 1,00 3,30 3,30 3,33
1,10 3,60
1,20 1,21 3,90 3,90
1,30 4,30
1,50 1,50 1,50 4,70 4,70 4,70
1,60 5,10
1,80 1,80 5,60 5,60
2,00 6,20
2,20 2,20 2,20 6,80 6,80 6,80
2,40 7,50
2,70 2,70 8,20
3,00 9,10
E-Reihen für die Widerstandsstaffelung
Je größer die E-Reihe, desto kleiner sind die Toleranzen der Bauteile:E3 = über 20 %, E6 = 20 %, E12 = 10%, E24 = 5 %, E48 = 2 %,E96= 1 %, E192 = 0,5 %
Mäanderform integrierter Widerstände:
E-Reihen für die Widerstandsstaffelung
Potentiometerkurven
Ud
+ Q
- Q
e-
e-
AE
Kapazität = Ladungsspeicherung
Strom- und Spannungsverlauf an einer Kapazität
Ersatzschaltbild für hohe Frequenzen:
StyroflexkondensatorWickelkondensator
Keramikkonsendator
Elektrolytkondensator
Kondensatorarten
Materialdaten der drei in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensator-Bauarten
Anode DielektrikumDielektri-Zitätskon-
stante
Spannungs-festigkeitin V/μm
Aluminium Al2O3 8,4 700
Tantal Ta2O5 28 625
Niob Nb2O5 42 455
Drehkondensator
mit Luft-Dielektrikum mit Kunststoff-Dielektrikum
Drehkondensatoren
I (t)
H
U
U, I
t
U ind
t=0
I
Induktivität
Phasenverschiebung an Induktivitäten
Strom- und Spannungsverlauf an einer Spule
Relative Permeabilitäten μr
abstimmbareKreuzwickelspule
Technische Spulen
Funktion des Relais
verschiedene Relais
Reed-Relais
Reed-SchalterPrinzip eines Reed-Relais
Technische Relais
Schaltsymbol Transformator mit ein bzw. zwei Sekundärwicklungen
Magnetfluß im Trafo
Drehstromtrafo
Flachtrafo Ringkerntrafo
kleiner EisenkerntrafoTechnische Transformatoren
102 103 104 105 10610-2
10-1
100
Tiefpass
Am
plitu
denv
erhä
ltnis
Frequenz
102 103 104 105 106-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Tiefpass
Phas
endr
ehun
g [°
]
Frequenz
Tiefpass
102 103 104 105 106
Grenzfrequenz
-40
dB-2
0 dB
0 dB
Tiefpass
Am
plitu
denv
erhä
ltnis
Frequenz
Tiefpass – Darstellung in dB
102 103 104 105 10610-2
10-1
100Grenzfrequenz
Tiefpass Hochpass
Am
plitu
denv
erhä
ltnis
Frequenz
Hochpass 102 103 104 105 106-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Tiefpass Hochpass
Phas
endr
ehun
g [°
]
Frequenz
http://www.walter-fendt.de/ph11d/schwingkreis.htmhttp://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/lrc_swing.html
Der
Sch
win
gkre
is
http://www.walter-fendt.de/ph11d/schwingkreis.htmhttp://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/lrc_swing.html
Parallelschwingkreis
Spule Kondensator
Reihenschwingkreis
Erzwungene Schwingung
Transistorradios, Schaltpläne
x0x
NA NDD
otie
rung
abrupter, symmetrisch dotierter p-n-Übergang
Der p-n-Übergang
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
p-Gebiet n-Gebiet
B-B-B-
B-B-B-
B-B-B-
B-B-B-
B-B-B-
B-B-B-
Konzentrationen beweglicher Ladungsträger in log. Darstellung
Konzentrationen beweglicher Ladungsträger und der Dotandenionen in lin. Darstellung
Resultierende Raumladung in lin. Darstellung
Elektrische Feldstärke in lin. Darstellung
Potential in lin. Darstellung
p nD
er p
-n-Ü
berg
ang
p-n-Übergang in Durchlassrichtung
p-n-Übergang in Durchlassrichtung
p-n-Übergang in Sperrrichtung
Aufbau einer Si-Planardiode
Prinzipieller Aufbau einer Si-Diode
Diode, Schaltsymbol
Dio
den,
Bau
form
en
Diodenkennlinie und Kennliniengleichung
)1( −⋅= ⋅ TUnU
S eII
Einfluss des Halbleiters auf die Diodenkennlinie
Temperaturverhalten
)1( −⋅= ⋅ TUnU
S eII
TT
t
II = I (e -1)s
Un UT
U0
t
U
U =U + sin t0
verzerrtes Ausgangssignal
Wec
hsel
span
nung
an
eine
r D
iode
Wechselspannung
kleiner Amplitude
Wechselspannunggroßer Amplitude
Signalverzerrungen an einer Diode
Abbau der in den Diffusionsschwänzen gespeicherten Ladung beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung
http://www.krucker.ch/Skripten-Uebungen/AnSys/ELA4-D.pdf
Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der angelegten Sperrspannung
m
DIFF
D
SDS
UU
CUC
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=
1
)( 0
CS0 – Nullspannungskapazitätm - GradationsexponentUDIIFF - Diffusionsspannung
Abhängigkeit der Diffusionskapazität vom Diodenstrom
DDD r
TUC 1)( ⋅=
T – Zeitkonstante, TrägerlebensdauerrD – differentieller Widerstand
http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node91.html
R RBp Bng
Cs
Cd
rD
Dynamisches Ersatzschaltbild der Diode
Schaltverhalten der Halbleiterdiode
ID
Uq2UD
R1 R2
Uq1
Prinzipschaltung
IDUD
IF
UF
t
Idealer Spannungs-und Stromverlauf
IDUD
IR0
IF
UF
tFtS
tRR
t
realer Spannungs-und Stromverlauf
Einweggleichrichtung
ohne Kondensator
mit Kondensator
?
Zweiweggleichrichtung
ohne Kondensator, mit Trafo mit Mittelanzapfung
?
Zweiweggleichrichtung
ohne Kondensator, mit Graetz- oder Brückengleichrichtung
Brückengleichrichter
Schottkydiode
Kennline undSymbol
Aufbau
Bänderschema
Flussspannungen von LED:GaAIAs/GaAs (rot und infrarot): 1,2–1,8 V InGaAIP (rot und Orange): 2,2 V GaAsP/GaP (gelb): 2,1 V GaP, InGaAlP (grün, ca. 570 nm): 2,2–2,5 V GaN/GaN (grün): 3,0–3,4 V InGaN (grün, 525 nm): 3,5–4,5 V InGaN (blau und weiß): 3,3–4 V
Bandlücke und Gitterkonstanten von Halbleitern
npn-Transistor pnp-Transistor
zwei Beispiele für den schematischen Aufbau von npn-Transistoren
Bipolartransistor, Aufbau
vertikaler npn-Transistor
Kleinleistungstransitorund Leistungstransistor
Bipolartransistor, Aufbau
Bipolartransistor, Ladungsträger- undDotierprofil
E B C
UEB
R
UBC
Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung
Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung
)1( −−=′ ⋅−
T
EBUn
U
ESE eII )1( −−=′ ⋅−
T
CB
UnU
CSC eII
′⋅ EN IA′⋅ CI IA
UEB UCB
Transistorgrundgleichungssystem und Gleichstromersatzschaltbild nach Ebers-Moll
(1)
(2)
)1()1( −⋅+−−= ⋅−
⋅−
T
CB
T
EBUn
U
CSIUn
U
ESE eIAeII
)1()1( −−−⋅= ⋅−
⋅−
T
CB
T
EB
UnU
CSUn
U
ESNC eIeIAI
Eingangskennlinieund Ausgangskennlinienfeldin Basisschaltung
Eingangskennlinieund Ausgangs-kennlinienfeldin Emitterschaltung
Übertragungskennlinie eines npn-Bipolartransistors
a) Einganskennlinie, b) Ausgangskennlinienfeld und c) Übertragungskennlinie eines Si-Planartransistors
a) b) c)
Spannungsrückwirkung eines Bipolartransistors
Vierquadranten-Kennlinienfelder von Si-npn-Transistoren
IB
APR
Uq
UCE
IC
IB=100 μAUq=10 VR=500 Ω
ICmax
UCEmax
PVmax
Ausgangskennlinenfeld und Arbeitsgerade; Blau: Belastungsgrenzen
Arbeitspunkt im Vierquadranten-Kennlinienfeld
R1 R2
R1
R2
R1 R2
R3 R4
R1
R2
R3
a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung b) Basistromeinspeisung vom Kollektor
c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)
Bipolartransistor, Stromversorgungs-schaltungen
a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung b) Basistromeinspeisung vom Kollektor
c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)
R1
R2
R1 R2
R1 R2
R3 R4
R1
R2
R3
Bipolartransistor, Stromversorgungs-schaltungen
Temperaturabhängigkeit des ICB0 und des Transistor-Ausgangskennlinienfeldes in Emitterschaltung (schematisch)
Ausgangskennlinienfeld eines npn-Transistors BD 825 bei 21°C und 80°C
u1h11
h12u2
h22
i1
u2
i2
h21i1
1
Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors in h-Parameter-Darstellung
u1=h11i1 + h12u2 (1)I2 =h21i1 + h22u2 (2)
EEE
EB hhh
hh1221
1111 1 −+Δ+
=
EEE
EB hhh
hhh1221
1212 1 −+Δ+
−Δ=
EEE
EEB hhh
hhh1221
2121 1 −+Δ+
−Δ=
EEE
EB hhh
hh1221
2222 1 −+Δ+
=
EEEEE hhhhh 21122211 −=Δ
Umrechnung der h-Parameter derEmitterschaltung in die derBasisschaltung
Für den ArbeitspunktUCE=6 V und IC = 2mAfür f= 1 kHzTransistor: SC 206
Ω= kh 1.2114
12 108.3 −⋅=h2921 =h
Sh 522 108.4 −⋅=
hRhRhz
S
Sa Δ+⋅
+=
22
11
hRhRhvL
Lu Δ⋅+
⋅−=
11
21
22
211211 1 h
R
hhhz
L
e
+
⋅−=
22
21
1 hRhv
Li ⋅+=
RL - Gesamtlastwiderstand am Ausgang des TransistorsRs - Gesamtwiderstand am Eingang des Transistors bei kurzgeschlossener Signalquelle
Kenngrößen von Transistorschaltungen
Eingangswiderstand
Ausgangswiderstand
Stromverstärkung
Spannungsverstärkung
1111
1h
y =
11
1212 h
hy −=
11
2121 h
hy =
1122 h
hy Δ=
21122211 hhhhh −=Δ
Umrechnung der h- in y-Parameter und umgekehrt
1111
1y
h =
11
1212 y
yh −=
11
2121 y
yh =
1122 y
yh Δ=
21122211 yyyyy −=Δ
R1
R2
12
Uq11
Uq12 Uq2
IB
t
1
2
t
U /Rq1 1
U /Rq2 2ts tf
IB
t
U /Rq2 2
ts tf
10%
90%
td tr
Schalterstellung
10%
Schaltverhaltendes Bipolartransistors
Prinzipschaltung
Stromverläufe
Aufbau und Schaltsymbol eines n-Kanal-SFET
Aufbau und Schaltsymbol eines p-Kanal-SFET
Schaltzeichen
n-Kanal-Sperrschicht-FET
p-Kanal-Sperrschicht-FET
Ausgangskennlinienfeld
Übertragungskennline
Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des SFET
Übertragungskennline und Ausgangs-KLF eines n-Kanal-SFET
Kennlinien einen p-Kanal-SFET 2N 2386
Übertragungskennlinie,temperaturabhängig
Ausgangskennlinienfeld
n-Kanal-MOSFET
MOSFET,Aufbau
p-Kanal-MOSFET
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
n-H
albl
eite
r
SiO
2
Met
all
UMS
Spannungsloser Zustand
MO
S-Ka
pazi
tät
UMS
Positive Spannung am Gate
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
SiO
2
Met
all
Anreicherung
MO
S-Ka
pazi
tät
n-H
albl
eite
r
UMS
Negative Spannung am Gate Verarmung
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
SiO
2
Met
all
MO
S-Ka
pazi
tät
n-H
albl
eite
r
UMS
Negative Spannung am Gate Inversion
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
SiO
2
Met
all
MO
S-Ka
pazi
tät
n-H
albl
eite
r
UMS
Negative Spannung am Gate Starke Inversion
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
P+P+ P+
SiO
2
Met
all
MO
S-Ka
pazi
tät
n-H
albl
eite
r
Anreicherung
Verarmung
Inversion
MO
S-Ka
pazi
tät
Verarmung
Starke Inversion
MO
S-Ka
pazi
tät
Aufbau und Dimensionierung eines MOSFET
Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des MOSFET
Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des MOSFET
n-MOS
p-MOS
Schaltsymboleund Übertragungs-Kennlinien von MOSFETs
Ausgangskennlinienfeld einesn-Enhancement-MOSFET
Ausgangskennlinienfeld und Übertragungskennlinieeines n-Depletion-MOSFET
Sourceschaltung
Gateschaltung
Drainschaltung
Anreicherungs-MOSFET Verarmungs-MOSFET Grund-schaltungen
Stromversorgungsschaltung für n-Anreicherungs-MOSFET
CMOS-Inverter Eingang: 0 Eingang: 1
Kombination von n-MOSFET und p-MOSFET in der CMOS-Technologie
Differenzverstärker
Prinzipieller Aufbau
Operationsverstärker (Prinzip)Schaltsymbol
alt
neu
OPV
Kenngröße Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker
Leerlaufverstärkung Unendlich ca. 105 ... 106
Eingangswiderstand Re unendlich Ω 1 ΜΩ bis 1000 MΩ
Untere Grenzfrequenz fmin 0 Hz 0 Hz
Unitity-Gain-Frequenz-Bandbreite unendlich Hz > 100 MHz
Gleichtaktverstärkung VGl 0 ca. 0,2
Gleichtaktunterdrückung G unendlich ca. 5.000.000
Rausch-Ausgangsspannung Urausch 0 V ca. 3 μV
Offsetspannung 0 V 2 mV
Ausgangsleistung unendlich W 500 mW
Ausgangswiderstand 0 Ω 150 Ω
OPV‘s:Bauformen und Kenngrößen
nichtinvertierender Verstärkerinvertierender Verstärker
Grundschaltungen mit OPV‘s
Impedanzwandler Strom-Spannungswandler Astabiler Multivibrator
Bistabiler Multivibrator Summierverstärker
Differenzierer
IntegriererGrundschaltungen mit OPV‘s