5 Der MOSFET als Diode
5.1 Zielsetzung
Ziel dieses Versuches ist die Untersuchung der Strom- und Spannungscharakteristik von n-Kanal und p-Kanal MOS Feldeffekttransistoren (kurz nMOS und pMOS), die jeweils als Diode geschaltet sind.
Die STEMlab-Ausgänge können Spannungssignale mit einem maximalen Ausgangsbereich von \(\pm\) 1 V (2 Vpp) erzeugen. Für diesen Versuch werden höhere Signalamplituden benötigt. Aus diesem Grund wird wieder ein OP27 als invertierenden Verstärker benötigt, um die Signalverstärkung von OUT1 und OUT2 für einen Spannungshub von +4,7V bis -3,2V zu erreichen. Ein OP27 wird vom STEMlab über die +5 V und -3.3 V Spannungsschienen versorgt. Der Verstärkungfaktor des invertierenden Verstärkers wird auf \(\approx\) 5 gesetzt, wobei \(R_1\) = 2,2 k \(\Omega\) und \(R_2\) = 10 k \(\Omega\) eingesetzt werden.
5.2 Materialien
- Red Pitaya STEMlab
- OP27 Operationsverstärker
- 1 \(k\Omega\) Widerstand
- BS170 Kleinsignal-nMOS-Transistor
- BS250 Kleinsignal-pMOS-Transistor
- Platine
5.3 nMOS als Diode
Die Schaltung des nMOS in Diodenkonfiguration ist in Abbildung 5.1 gezeigt. In Diodenkonfiguration arbeitet ein nMOS vergleichbar zu einem npn-Transistor.
Die Schwellspannung (Threshold Voltage, \(V_{Tn,p}\), \(V_{th}\), \(V_{TH}\)) liegt nicht zwingend bei \(\approx\) 0,7 V wie bei einem Bipolartransistor. Bei einem unipolaren Transistor hängt sie von der Technologie und der Kanalgröße des Transistors ab. Für den ausgewählten nMOS-Transistor liegt die Schwellenspannung \(V_{Tn}\) bei etwa 2,0 V nominal. Das bedeutet, wenn die vom Gate-Kontakt zum Source-Kontakt anliegende Spannung (\(V_{GS}\)) die Schwellspannung \(V_{Tn}\) überschreiten, schaltet der nMOS Transistor ein und beginnt zu leiten. Da bei der Diodenkonfiguration des nMOS sein Drain-Kontakt schalttechnisch mit seinem Gate-Kontakt verbunden ist, ist die Drain-Source-Spannung gleich der Gate-Source-Spannung.
Diese Konfiguration des nMOS erzeugt effektiv eine Diode mit einer Durchlaßspannung, die der Schwellenspannung \(V_{Tn}\) entspricht.
5.4 Verfahren
Für Sie ist die Schaltung aus (fig23-01?) auf einer Platine aufgebaut; \(R_1\) = 2,2 k \(\Omega\), \(R_2\) = 10 k \(\Omega\) und \(R_3\) = 1 k \(\Omega\), Transistor M1 ist der nMOS Transistor vom Typ BS170.
Bevor Sie die Schaltung an die STEMlab-Pins -3,3 V und +3,3 V anschließen, überprüfen Sie Ihre Schaltung nochmal. Die Spannungsversorgungsstifte -3,3 V und +3,3 V haben keine Schutzschaltung und können im Falle eines Kurzschlusses beschädigt werden.
Starten Sie die Oszilloskop und Signalgenerator-App
Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf 0,45 V, den DC-Offset auf -0,45 V und die Frequenz auf 1 kHz ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenform-Menü TRIANGLE, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie ENABLE.
Stellen Sie sicher, dass IN1, IN2 und MATH V/div auf der linken unteren Seite des Bildschirms auf 1 V/div eingestellt sind (Sie können V/div einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und mit dem vertikalen +/- Regler einstellen).
Setzen Sie t/div Wert auf 200 us/div (Sie können t/div mit dem horizontalen +/- Reglern einstellen).
Stellen Sie unter MATH-Kanaleinstellungen IN1-IN2 ein und wählen Sie ENABLE.
Stellen Sie unter den Menueinstellungen IN1 und IN2 den Messtaster auf x10 und den vertikalen Offset auf 0.
Stellen Sie unter Einstellungen des MATH-Menüs den vertikalen Offset auf 0 ein.
Stellen Sie unter TRIGGER-Einstellungen den Triggerpegel auf 1 V ein
5.5 IV-Kurvenmessungen
Da sich ein nMOS wie eine Diode mit einer Durchlaßspannung entsprechend der \(V_{Tn}\) verhalten kann (Konfiguration in Abbildung 5.1, können sie die IV-Charakteristik wie bei der Diodenschaltung messen. Sie können die Oszilloskop-App, ein Jupyter Notebook oder ein SCPI-Skript verwenden.
5.6 pMOS als Diode
Die selben Messungen können auch mit einem pMOS-Transistor durchgeführt werden. Beim pMOS-Transistor wird allerdings die Polarität der Spannung umgekehrt, so dass die Konfiguration der pMOS-Diode anders sein muss als bei einem nMOS. Die Konfiguration der pMOS-Diode ist in Abbildung 5.3 dargestellt.
5.7 Verfahren
Für Sie ist die Schaltung aus Abbildung 5.3 auf einer Platine aufgebaut; \(R_1\) = 2,2 k \(\Omega\), \(R_2\) = 10 k \(\Omega\) und für \(R_3\) = 1 k \(\Omega\), der Transistor M1 ist ein pMOS Transistor vom Typ BS250.
Bevor Sie die Schaltung an die STEMlab-Pins -3,3V und +3,3V anschließen, überprüfen Sie Ihre Schaltung nochmal. Die Spannungsversorgungsstifte -3,3V und +3,3V haben keine Schutzschaltung und können im Falle eines Kurzschlusses beschädigt werden.
Starten Sie die Anwendung Oszilloskop und Signalgenerator-App
Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf 0,45 V, den DC-Offset auf -0,45 V und die Frequenz auf 1 kHz ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenform-Menü TRIANGLE, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie ENABLE.
Stellen Sie sicher, dass IN1 und IN2 auf der linken unteren Seite des Bildschirms auf 1 V/div eingestellt sind (V/div kann im gewünschten Kanal mit den vertikalen +/- Butten einstellt werden) und MATH auf 0.5 V/div.
Setzen Sie t/div Wert auf 200 us/div (t/div wird mit den horizontalen +/- Button eingestellt).
Stellen Sie unter MATH-Kanaleinstellungen die Differenz IN1-IN2 ein und wählen Sie ENABLE.
Stellen Sie unter den Menueinstellungen IN1 und IN2 den Messtaster auf x10 und den vertikalen Offset auf 0.
Stellen Sie unter Einstellungen des MATH-Menüs den vertikalen Offset auf 0 ein.
Stellen Sie unter TRIGGER-Einstellungen den Triggerlevel auf 4 V ein.
Wie in Abbildung 5.4 zu sehen, verhält sich der pMOS in der Diodenkonfiguration wie eine Diode mit einer Durchlaßspannung gleich der pMOS Schwellenspannung \(V_{Tp}\).
Vergleichen Sie Abbildung 5.4 mit Abbildung 5.2 und versuchen Sie, den Unterschied zwischen nMOS- und pMOS-Diodenkonfigurationen zu erklären.