Elektronik 2017 EITA35

Transkript

1 Elektronik 2017 EITA35 OP-Amp Komplex Återkoppling. Klippning. Maximal spänning/ström. Gain-bandwidthproduct. Offset. Slewrate Avkopplingskondensator Transistorer - MOSFETs

2 Lab 4 Anmälan på hemsidan Projektnummer du får vid anmälan För att bli godkänd Du ska demonstrera en fungerande krets - se till att ha kopplat upp den innan! Du ska presentera vad du gjort 7-10 minuters presentation. (Powerpoint) Lab 2 godkänd på rapporten innan julupphållet.

3 Icke-ideal operationsförstärkare v n /v p måste vara lite större (0.7-3V) än V CC Klipping / Distortion: Maximal utspänning: Lite mindre än +/- V CC Maximal utström: Slew rate: Offset Voltage: Små V CC Stora spänningar Stora strömmar Höga frekvenser (MHz) Små signaler (mv) Frekvensberoende förstärkning: A d Bias i n /i p >0 A d0 1+j ω ω0 Höga frekvenser (khz-mhz) Stora förstärkningar

4 Avkoppling - Biasering Elektriska ledare & sladdar Induktans Resistans Då i L ökar drar OP-ampen mer ström genom biaseringen! i L Spänningsförluster i L 1 och R 5 gör att V CC ändras! Op-ampens förstärkning ändras då V CC ändras. Kan ge upphov till konstiga fel, speciellt vid höga frekvenser (10+ khz på breadboarden..)

5 Avkoppling - Biasering 2mA ändring i i B Utan avkoppling: V CC ändras +/- 2V!! Op-ampens förstärkning varierar lite med V CC

6 Avkoppling - Biasering Lösning placera kondensatorer nära +/-V CC och jord på OPampen. Kan förse OP-ampen med extra elektrisk energi i L Stabiliserar spänningen då ström flyter in/ut ur kondensatorn inget extra spänningsfall över L 1 och R 5!

7 Avkoppling - Biasering Med avkoppling: V CC ändras 1mV!! Minimal variation i förstärkning

8 Avkoppling - Biasering Moderkort gott om avkopplingskondensatorer.. Bygger du analoga kretsar vid höga frekvenser avkopplingskondensatorer! Digitala kretsar i princip alltid avkoppling!

9 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Drain i DS v DS liten Gate Drain Gate v GS i GS =0A Source i DS v DS Strömbrytare av om v GS <V T0 V T0 : tröskelspänning v GS v DS Source i DS = f v GS, v DS A i GS 0A v DS stor & v GS >V T0 i DS i DS = K v GS V T0 2 Spänningsstyrd strömkälla! v GS i DS v DS

10 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Source Drain n n p V DS i DS 0A Mindre användbar component

11 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Source n Oxid - Isolator p Drain n

12 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Source n Gate Oxid - Isolator p Drain n Metall-Isolator-Halvledare: Plattkondensator! C

13 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor v GS <V T0 Gate Source Drain Oxid - Isolator - - n n p Vanlig kondensator Q = CV Metall-Isolator-Halvledare struktur: Kräver att v GS ska vara över tröskelspänningen V T0 Annars: Q 0 v GS < V T0

14 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor v GS >V T0 Gate Source Drain Oxid - Isolator - - n n p Vanlig kondensator Q = CV Metall-Isolator-Halvledare struktur: Kräver att v GS ska vara över tröskelspänningen V T0 Annars: Q 0 v GS < V T Laddningen ökar sedan enligt: Q = C(v GS V T0 ) om v GS > V T0

15 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Gate Source Drain Oxid - Isolator n n p Hög koncentration av elektroner under gaten Skapar ledanade kanal Kortsluter - pn-övergången Q = C(V GS V T ) v GS >V T0 R 1 Q = 1 C V GS V T

16 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor v GS <V T0 v GS >V T0 i DS 0A Q = 0, V GS < V T v DS v GS <V T0 -> Inga elektroner mellan source/drain Ingen ström strypt mod. Öppen strömbrytare v DS v GS >V T0 -> Ledanade kanal med elektroner mellan source/drain Q = C(v GS V T0 ) R 1 Q = 1 C V GS V T

17 Linjära området: v DS << v GS -V t0 i DS v GS >V T0? i DS v GS v DS v GS v DS i DS = 2K v GS V T0 v DS K mått på hur bra transistorn leder ström i DS i DS = 0 v DS R 1 Q 1 v GS V T0 i DS = v DS R Låga v DS : Transistorn fungerar som en variabel resistor!

18 Stora v DS : Triod/Mättnad Source Gate Drain n p n R x 1 Q x = R 5 1 Q 5 = 1 C v GS V T0 v x 1 C v GS V T0 v DS R 1 <R 2 <R 3 <R 4 <R 5 R x ökar då v DS ökar! v DS = v GS V T0??? v DS

19 Triod/Mättnad i DS v DS =v GS -V T0 i DS =Kv DS 2 v DS,sat = v GS V T0 R = Q 5 C v GS V T0 v DS R 5 Ω?? v DS Vår enkla modell (gradual channel approximation) ger felaktigt svar! i DS = K v GS V T0 2 2 i DS = K 2 v GS V T0 v DS v DS Istället: Pinch-off Mättnadsområdet v DS oberoende av i DS

20 Triod / Mättnadområdet: v DS > v gs -V T0 i DS i DS v v GS v DS DS v GS v DS <v DS,sat 2 i DS = K 2 v GS V T0 v DS v DS v DS >v DS,sat i DS = K v GS V T0 2 Spänningsstyrd strömkälla! Analog Elektronik

21 Source Gate Drain Channel / Substrate

22 Gate-längd L G

23 OXID

24 p-typ Si FinFETs nm node, Ivy Bridge+

25

26 Nanoelektronik Hur liten kan transistor bli? Dvs hur få atomer behöver vi använda? Hur får vi ett så stort K som möjligt? Kan vi bygga transistorer som arbetar över 1 THz? Kvantmekaniska tunneltransistorer? Hur effektiv kan en solcell bli? Hur omvandlar vi värme till elektrisk energy? Kvantdatorer? Artificiella Neuroner