EK2_P1_2015_10_22_Loesung
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Elektronik 2 Name: Kurztest 1: 22.10.2015 Klasse: Dozent: Hanspeter Hochreutener Punkte: Musterlösung Note: Dauer: 30 Minuten Hilfsmittel: Eigene Notizen (auf Papier) und Taschenrechner sind erlaubt. Formeln zur Emitter- und Sourceschlatung sind angehängt. Punkte: Jede vollständig richtig gelöste Teilaufgabe gibt 3 Punkte. Bedingungen: Resultate ohne Lösungsweg und/oder Begründung geben keine Punkte. Tipp: Zuerst alle Aufgaben durchlesen und mit der einfachsten beginnen. Hinweis: Die Teilaufgaben sind unabhängig lösbar (Ausnahmen sind angegeben). 1. Gitarren-Vorverstärker Diese Schaltung wird als Gitarren-Vorverstärker eingesetzt. Aus dem Transistor-Datenblatt ist bekannt: β = 75 … 300 Die Speisespannung Vb ist +5V a. Berechnen Sie den Arbeitspunkt, also die Spannungen an den Transistor-Anschlüssen B, E und C für die Bauteilwerte im obigen Schema. Ist dieser Arbeitspunkt sinnvoll? Begründen Sie Ihre Aussagen. Hinweis: Für die Berechnung des Arbeitspunktes kann der Basisstrom vernachlässigt werden (also Annahme β -> ∞), wenn anschliessend die Plausibilität überprüft wird Der Basisstrom wird vernachlässigt (also Annahme β -> ∞). UB ≈ RB2/(RB1 + RB2) = 1.16V UBE ≈ 0.7V (da keine spezielle Angabe vorliegt) UE ≈ UB - UBE = 0.46V IC ≈ IE = UE/(REac + REdc) = 2.3mA UC = Vb - RC∙IC = 2.7V Überprüfen, ob Annahme IB = 0 zulässig? IBmax = IC/βmin = 2.3mA/75 = 31µA IRB2 = UB/RB2 = 116µA => IRB2 > 3∙IB 841117883 Seite 1 / 6 => Annahme knapp zulässig H. Hochreutener, SoE@ZHAW Dieser Arbeitspunkt ist nicht sinnvoll. Faustregel 1: UE ≈ 1 .. 2V ist verletzt, da UE = 0.46V => Der Arbeitspunkt kann leicht wegdriften, wenn sich die Temperatur ändert oder wenn ein anderes Transistorexemplar eingesetzt wird. Faustregel 2: IRB2 > 3∙IBmax ist auch nur knapp erfüllt: 116µA > 93µA Zum Vergleich (das war in der Prüfung aber nicht verlangt): Berechnung ohne Vernachlässigung des Basisstroms. Abschätzung: URC ≈ Vb/2 = 2.5V => IC ≈ URC/RC = 2.5mA Annahme: βtyp ≈ √(75∙300) = 150 => IB ≈ IC/βtyp = 17µA Belasteten Spannungteiler berechnen: Masche: Vb = URB1 + URB2 URB2 = UB und URB1 = Vb - UB Knoten: IRB1 = IRB2 + IB => (Vb - UB)/RB1 = UB/RB2 + IB Auflösen: UB∙(-1/RB1 - 1/RB2) = -Vb/RB1 + IB UB = (Vb/RB1 - IB) / (1/RB1 + 1/RB2) = 1.03V Annahme: UBE ≈ 0.7V (da keine spezielle Angabe vorliegt) Emitter: UE ≈ UB - UBE = 0.33V Collector: IC ≈ IE = UE/(REac + REdc) = 1.65mA Kontrolle: Obige Abschätzung für IC war im richtigen Bereich. UC = Vb - RC∙IC = 3.35V Verglichen mit der vereinfachten Berechnung ergeben sich doch einige Abweichungen. Der Grund ist, dass durch die tiefe Spannung am Emitter (da RE zu klein ist) die Gegenkopplung schwach ist. Kleine Änderungen der Bauteilparameter und Umgebungsbedingungen können deshalb grössere Änderungen des Arbeitspunktes bewirken. b. Berechnen Sie die korrekten Werte der 4 Widerstände, wenn RC = 2.2kΩ gegeben ist und die Signalverstärkung vU = -20 betragen soll. Die Last am Ausgang sei hochohmig und kann vernachlässigt werden. Berechnen Sie die Werte der 2 Kondensatoren für den Frequenzbereich 20Hz … 20kHz. Berechnen gemäss Rezept: Vb = 5V ist gegeben RC = 2.2kΩ ist gegeben UCE = 5V/2 = 2.5V URE = 1.5V gemäss Faustregel IC = (UCE - URE)/RC = 0.45mA RE = URE/IC = 3.3kΩ IBmax = IC/βmin = 0.45mA/75 = 6.1µA RB2 = (URE + UBE)/(3∙IBmax) = (1.5V+0.7V)/(3∙6.1µA) = 121kΩ Faustregel RB1 = (Vb - (URE + UBE))/(4∙IBmax) = (5V - (1.5V+0.7V))/(4∙6.1µA) = 116kΩ REac = -RC/vU - rBE/βtyp = -2.2kΩ/-20 - (40mV/IB)/βtyp mit IB = IC/βtyp = 0.45mA/150 REac = 2.2kΩ/20 - (40mV/3.03µA)/150 = 110Ω - 88Ω = 22Ω REdc = RE - REac = 3.3kΩ - 22Ω = 3.3kΩ Cein = 1/(π∙20Hz∙( RB1 || RB2 || (rBE+βtyp∙REac) )) = 1.2µF CE = 1/(π∙20Hz∙REac) = 723µF c. Weil der Gitarren-Ausgang hochohmig ist, soll eine Schaltung mit J-FET evaluiert werden. Skizzieren Sie die Schaltung. Der hochohmige Eingang ist ein klarer Vorteil. Es gibt aber auch Nachteile. Nennen Sie mindestens zwei Nachteile der Schaltung mit FET gegenüber jener mit BJT? 841117883 Seite 2 / 6 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Nachteil 1: Arbeitspunkt lässt sich nicht so genau einstellen (wegen der Exemplarstreuung), dadurch beschränkt auf kleine Signalamplitude am Ausgang. Nachteil 2: Die Versorgungsspannung muss einiges höher sein, als die maximal mögliche Pich-off-Spannung (Exemplarstreuung). Nachteil 3: Die maximale erreichbare Verstärkung ist mit einem FET geringer. 841117883 Seite 3 / 6 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 841117883 Seite 4 / 6 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Anhang: Formeln zur Emitter- und Sourceschaltung 3.1. Emitterschaltung (common emitter) Standardschaltung Simulations-Datei: BJT_Emitter.?sc 3.2. Sourceschaltung (common source) Simulations-Datei: JFET_Source.?sc Schema R RLast u vu aus rBE C uein REac Spannungsverstärkung vu uaus RD RLast 1 uein S RSac vu = maximal, wenn REac = 0 = Stromverstärkung (typ = 100) vu = maximal, wenn RSac = 0 (geht auf Kosten der Linearität) 40mV rBE IB S = JFET-Steilheit (=> siehe Datenblatt) (oder Datenblatt-Angabe) rBE = differenzielle Eingangs-Impedanz vi Rein RB1 RB 2 rBE REac Raus RC Miller-Kapazität CM ist vernachlässigbar, wenn Frequenz << Transitfrequenz. f gOben 2 C R1 R M qein ein Stromverstärkung vi , weil Iein sehr klein Eingangsimpedanz Rein RG Ausgangsimpedanz Raus RD KleinsignalErsatzschaltung = WechselstromErsatzschaltbild Cein, Caus und CS bestimmen die untere Grenzfrequenz. 841117883 f gOben 2 C R1 R M qein ein Cein, Caus und CS bestimmen die untere Grenzfrequenz. f gUnten 2 C1x Rx hohe Signalverstärkung Exemplarstreuung wirkt sich wenig aus Miller-Kapazität CM ist vernachlässigbar, wenn Frequenz << Transitfrequenz. f gUnten 2 C1x Rx Eigenschaften hohe Eingangsimpedanz, rauscharm nur für kleine Signalamplituden Seite 5 / 6 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 3.3. Emitterschaltung dimensionieren 1. Versorgungsspannung Ub = ? 2. 3. 4. 5. 6. Arbeitspunkt einstellen RC RLast wählen RLast Rein nächste Stufe Ub 2 U CE 3.4. Ziel U RC U CE U RE RC RC Faustregel: U RE 1..2V 2. 4. U U RE RE RE IE IC RB 2 1. Versorgungsspannung Ub = ? RD RLast wählen RLast Rein nächste Stufe 3. Annahmen: Signalamplitude << Ub URS < |Upmax| URD < Ub- |Upmax| Upmax = max. pichoff-voltage (= am besten leitender JFET) => siehe Datenblatt = in der Mitte des AP IC I B max Sourceschaltung dimensionieren RD RS Ub U p max 1 5. RG >> Raus Signalquelle IC min U RE U BE 3 I B max U b U RE U BE 4 I B max Faustregel: I RB 2 3 I B max für Silizium: U BE 0.7V RB1 1. REac RC RLast rBE typ vU Signalverstärkung 1. vU wählen vU ist eine negative Zahl (invertierend) 2. 1. f g RB1 RB 2 1 r BE typ REac 1 f g REac 2. CE 3. Caus 1 f g RLast RLast RC Koppel-C für Grenzfrequenz fg berechnen Faktor 2, weil jedes RC-Glied -3dB hat bei fg 2. RSdc RS RSac 1. Cein 2. CS 3. Caus 1 f g RG 1 f g RSac 1 f g RLast RLast RD Caus = Cein nächste Stufe Caus = Cein nächste Stufe 841117883 RD RLast 1 vU S vU ist eine negative Zahl (invert.) REdc RE REac Cein RSac Seite 6 / 6 H. Hochreutener, SoE@ZHAW
