3. Simulation von Transistorverstärkerschaltungen
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3. Simulation von Transistorverstärkerschaltungen 3.0. Dies immer zuerst! Richten Sie nach dem Start zuerst den Workspace C:\Daten\ESI03 ein. Dies wird dann der Bereich sein, in dem alle Dateien zu diesem Versuch stehen werden. Diesen Workspace sollten Sie am Ende der Veranstaltung auf einer Diskette archivieren. Für die Mechatronik werden lediglich der Emitterverstärker ohne Gegenkopplung und der Emitterfolger simuliert, der Versuch Emitterverstärker mit Gegenkopplung wird weggelassen. 3.1. Aufgabenstellung und Lernziel Mit diesem Versuch sollen Emitter-Basisschaltung (Emitterverstärker) ohne und mit Gegenkopplung durch einen Widerstand in der Emitterleitung und eine KollektorBasisschaltung (Emitterfolger) durch Simulation in ihrem elektrischen Verhalten untersucht werden. Es sollen durch Simulation die Arbeitspunkteinstellung, die Kleinsignalverstärkung (Frequenzgang, Phasengang) sowie Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand und die Großsignalverstärkung (Linearität, Übersteuerung) ermittelt werden. Die Studierenden sollen in der Lage sein, die genannten Größen für unterschiedliche Schaltungen mit Hilfe der Simulation zu ermitteln und die Ergebnisse zu interpretieren. Die Schaltungen ohne die korrekten Widerstände zeigt das folgende Bild: Emitterverstaerker mit Gegenkopplung UB RV1 RV3 ? Ohm RV2 RC1 ? Ohm RC2 ? Ohm ? ? V V C2 Uin V Ua2 Ua1 Q2 100u Q3 + Q4 CEF Q2N3904 Q2N3904 100u + C3 VB 10V - 100u V1 V Ua3 Q2N3904 - RE Emitterverstaerker ohne Gegenkopplung ? REM Emitterfolger ? 0 Grundsätzlich sollen die folgenden Größen ermittelt werden: (Dies ist eine allgemeine Auflistung! Eine sinnvolle Reihenfolge für Ermittlung der gefragten Größen, Einzelheiten zu den Simulationen und Hinweise zu den Ausdrucken, die gemacht werden sollen, finden Sie in den Unterpunkten 3.3.1-3.3.5 Simulation der Schaltungen.) 3.1.1 Darstellung der Arbeitspunktes in den verschiedenen Schaltung mit der Simulation „Biaspoint“ mit Spannungs- und Stromangaben in der Schaltung (ein Ausdruck). Fassung vom 11. Oktober 2007 Seite 2__________________________________________________ESI/ MME Versuch 3 3.1.2 Bodediagramm der Verstärkung H ( f ) = 20 ⋅ log10 Ua ( f ) , Ue( f ) ΔI c ( f ) , dieser Wert ist nur für die ΔU BE ( f ) Simulation der Emitterschaltung(3.3) sinnvoll. 3.1.3 Darstellung der Steilheit, S ( f ) = 3.1.4 Darstellung des Transistoreingangswiderstandes. R BE ( f ) = ΔU B ( f ) ; aufpassen ΔI B ( f ) bei Gegenkopplung! 3.1.5 Darstellung des Ausgangswiderstandes R AE = U BE ( f ) − U E ( f ) für den IE ( f ) Emitterfolger. 3.1.6 Überprüfung, ob die HP-Grenzfrequenz zur Kapazität und den belastenden Widerständen passt. 3.1.7 Darstellung der Linearität an der Verzerrung eines Sinus von 1000 Hz. Wählen Sie die Amplitude geeignet. (Ausdruck) Dimensionieren Sie alle Schaltungen zuerst und zeichnen Sie dann alle Schaltungen wie oben gezeichnet in ein Blatt und drucken Sie die Lösung von 3.1.1(Arbeitspunkt) Alle anderen Simulationen können dann auch in diesem Schaltungsblatt erfolgen. Auch für den AC-Sweep können Sie die Quelle Vsin verwenden und dabei die Größe AC mit einer festen Spannung vorgeben. 3.2. Entwurf und Dimensionierung der Schaltungen 3.2.1 Emitterschaltung RV1 V ?k Die Betriebsdaten nehmen Sie aus der Simulation des Versuch 2. RC 500 Uout V Q1 C1 Uin V1 + V 10V 100u Q2N3904 - + - 0.1V Daten aus Versuch 2: 0 UBatt=10V UCE=5V IB=59uA UBE~729mV RC=500Ohm © Prof. Dr-Ing. F. Schneeberger ESI/ MME Versuch 3 _________________________________________________ Seite 3 Die Arbeitspunkteinstellung an der Basis soll durch einen Vorwiderstand zur Betriebsspannung eingestellt werden. Dabei wird der Widerstand RV1 so dimensioniert, dass in die Basis der geforderte Basisstrom fließt. Berechnen Sie den Widerstand und vervollständigen Sie die Schaltung. Überprüfen Sie die Schaltung mit der Simulation „Biaspoint" und der Darstellung der Arbeitpunktwerte in der Schaltung 3.2.2 Emitterschaltung mit Gegenkopplung (nur ESI) Kopieren Sie die Schaltung nach 3.2.1 in eine neue Schaltung auf dem gleichen Zeichnungsblatt. Nun fügen Sie in diese Schaltung einen Emitterwiderstand ein, der die Verstärkung auf den Wert 10 beschränkt (RE = (1/10)*RC). Da nun am Emitterwiderstand auch eine Spannung abfällt, steht für den Transistor und den Kollektorwiderstand nicht mehr die volle Betriebsspannung von 10 V zur Verfügung. Wenn aber der Kollektorstrom beibehalten wird, dann teilt sich die verfügbare Spannung nicht mehr zu gleichen Teilen auf den Transistor und den Widerstand auf. Dadurch wird die Aussteuerung etwas unsymmetrisch. Wir wollen das hinnehmen und keine weitere Veränderung des Arbeitspunktes vornehmen. Der Vorwiderstand muss nun so dimensioniert werden, dass der gleiche Strom in die Basis fließt wie beim nicht gegengekoppelten Emitterverstärker aber der Spannungsabfall am Emitterwiderstand berücksichtigt wird. Berechnen Sie den Vorwiderstand und vervollständigen Sie die Schaltung. Überprüfen Sie die Schaltung mit der Simulation „Biaspoint" und der Darstellung der Arbeitpunktwerte in der Schaltung. 3.2.3 Dimensionierung des Emitterfolgers (Kollektorschaltung) Der Ausgang dieser Schaltung ist der Emitter des Transistors. Dort muss also für eine optimale Aussteuerung im Arbeitspunkt die RV halbe Betriebsspannung abfallen. Daraus ergibt Q1 Q2N3904 100u sich wieder der Vorwiderstand. Der C1 V1 10V Emitterwiderstand ergibt sich aus dem Uin vorgesehenen Betriebsstrom (Arbeitspunkt) V3 Uot und dem gewünschten Spannungsabfall. 1V Wegen der Gegenkopplung ist hier der REM dynamische Eingangswiderstand wesentlich größer als für die Emitterschaltung. Die maximale Aussteuerung wird für diese Schaltung auch anders aussehen als in den anderen Schaltungen. Berechnen Sie den Vorwiderstand und vervollständigen Sie die Schaltung. Überprüfen Sie die Schaltung mit der Simulation „Biaspoint" und der Darstellung der Arbeitpunktwerte in der Schaltung. V + V - + - 3.3. Simulation der Schaltungen Sie haben nun die Schaltung mit den oben ermittelten Werten ergänzt und können mit der Simulation beginnen. Benutzen Sie bitte wie in dem Schaltungsbild oben gezeigt bei der Simulation im Frequenzbereich für alle Schaltungen eine gemeinsame Quelle Vsin für die Eingangsspannungen und eine gemeinsame Batterie als Betriebsspannung. Mit der Quelle Vsin können Sie AC Spannungen, DC Spannungen und Sinusspannungen ausgeben. Aus der Simulation sollen die o.g. Aufgaben 3.1.1.- 3.1.7 gelöst werden und als Druck dargestellt werden. Fassung vom 11. Oktober 2007 Seite 4__________________________________________________ESI/ MME Versuch 3 3.3.1. Darstellung der Arbeitspunkte (Alle Ausdrucke enthalten die Namen der beteiligten Studenten) Die Schaltungen auf einem gemeinsamen Arbeitsblatt werden nun nur mit der Option Biaspoint simuliert. Dieses Simulationsergebnis mit allen Strömen und Spannungen in allen Schaltungen drucken Sie in einem Bild aus (1. Blatt). 3.3.2. Simulation des Frequenzganges (AC-Sweep). Siehe auch Seite 5 Versuch 1 “Die Simulation zur Ermittlung des Frequenzganges (AC-Sweep)“. Hinweis: Der Simulationstyp AC-Sweep liearisiert die Gleichungen für die Schaltung im Arbeitspunkt. D. h. es treten keine Verzerrungen auf. Dadurch wird die Berechnung aller o. g. Gleichungen, die mit kleinen Abweichungen Δ arbeiten, zurückgeführt auf die einfache Rechnung mit den Wechselgrößen U ( f ) und I(f). Nun simulieren Sie nach U (f) Aufgabenstellung 3.1.2 das Bodediagramm der Verstärkung H ( f ) = 20 ⋅ log10 a für Ue( f ) alle Schaltungen. Aus dieser AC-Sweep-Simulation können Sie nun auch die Steilheit I (f) U (f) S( f ) = c für die Emitterschaltung, den Eingangswiderstand RBE ( f ) = B für U BE ( f ) IB ( f ) U ( f ) −UE ( f ) alle Schaltungen sowie den Ausgangswiderstand R AE = BE für den IE ( f ) Emitterfolger berechnen und darstellen. 3.3.3 Ausdrucke der Simulationen aus der Simulation im Frequenzbereich 1. Die Frequenzgänge der drei Schaltungen auf einem Blatt (3 Plots) mit Beschriftung der 3 dB Punkte bei oberer und unterer Grenzfrequenz sowie bei 1kHz (Dämpfung bzw. Verstärkung und Frequenz). Kennzeichnen Sie Zuordnung zur Schaltung und drucken Sie diese Ergebnis aus (2. Blatt). 2. Eingangswiderstand jeder der drei Schaltungen auf einem Blatt (3 Plots) mit der Beschriftung der Werte bei 1 Hz und 1 MHz (Werte, Frequenz). Kennzeichnen Sie Zuordnung zur Schaltung und drucken Sie diese Ergebnis aus (3. Blatt). 3. Steilheit der Emitterschaltung und Ausgangswiderstand des Emitterfolgers auf einem Blatt (2 Plots) mit der Beschriftung der Werte bei 1Hz und 100 MHz. Kennzeichnen Sie Zuordnung zur Schaltung und drucken Sie diese Ergebnis aus (4. Blatt). 3.3.4 Überprüfung, ob die HP-Grenzfrequenz zur Kapazität und den belastenden Widerständen passt. (nur ESI) Überprüfen Sie ob die unter 3.3.3 (1) ermittelten unteren Grenzfrequenzen mit den Daten der Schaltung (C/R Gliedern) begründet werden können! Tragen Sie in die RC-HP Schaltungen auf der Seite 5 die jeweiligen Werte für die Widerstände ein und berechnen Sie die Grenzfrequenzen und vergleichen Sie die Werte mit den Messwerten. Begründen Sie eventuelle Abweichungen. © Prof. Dr-Ing. F. Schneeberger ESI/ MME Versuch 3 _________________________________________________ Seite 5 C1 C1 C1 100uF 100uF 100uF R2 R1 R2 R1 R2 R1 0 0 Fg1 Emitterverstärker Fg2 gegengekoppelter Emitterverstärker Fg2 Emitterfolger Messwerte Rechenwerte 3.3.5. Ermittlung der Aussteuergrenzen der verschiedenen Schaltungen Die Darstellung der Aussteuergrenzen erfolgt durch die Simulation der Schaltungen im Zeitbereich mit einem Sinussignal von 1 kHz. Diese Frequenz wird gewählt, weil bei dieser Frequenz alle Schaltungen noch keinen Abfall der Verstärkung zeigen. Welche Frequenz könnte man maximal bzw. minimal wählen? Die Aussteuergrenze erkennt man an der Verzerrung des Sinus am Ausgang der Schaltung. Die Schaltungen erlauben verschieden große Eingangssignale, so dass man die Schaltungen nicht mit dem gleichen Eingangssignal versorgen kann, wenn man mit einer Simulation alle Schaltungen zugleich darstellen möchte. Aus diesem Grunde muss man jeder Schaltung eine eigene Quelle geben. Die jeweilige Aussteuergrenze lässt sich aus der AC-Simulation der Verstärkung im Frequenzgang sowie der Berücksichtigung des Arbeitspunktes abschätzen. Dazu geht man wie folgt vor: • • • Bei der nicht gegengekoppelten Emitterschaltung, darf man auf der Eingangskennlinie der Basis-Emitterstrecke nur im geradlinigen Bereich aussteuern. Wir versuchen es daher als erstes mit der Temperaturspannung des PNÜberganges 26mV. Wir verwenden ± 13mV . Wenn keine Verzerrung auftritt wählen wir das Signal größer. Beim Emitterverstärker mit der Gegenkopplung wird die Verstärkung von etwa 160 auf den Faktor 10 begrenzt. Damit ist die Auswirkung der Diodenkrümmung des Einganges auch deutlich verringert. Wir sollten also das Ausgangssignal so groß wie möglich machen. Es reicht von +0,8 bis 10 Volt mit der Mitte um den Arbeitspunkt von 5 V. D.h. das Ausgangssignal kann von 5 ± 4,2V reichen. Dazu wird ein Eingangssignal von ± 420mV benötigt. Beim Emitterfolger ist die Verstärkung bei 1. D.h. man kann mit dem maximalen Ausgangssignal von ± 5V aussteuern. Wenn man nun mit diesen errechneten Werten die Schaltungen aussteuert, und bei der Ausgabe gleichzeitig das aussteuernde Signal im Pegel und Gleichspannungsoffset entsprechend angepasst im gleichen Diagramm darstellt, wird man feststellen, dass Fassung vom 11. Oktober 2007 Seite 6__________________________________________________ESI/ MME Versuch 3 lediglich bei der Schaltung 1 (Emitterschaltung) eine schwach sichtbare Verzerrung auftritt. Diese Verzerrung nennt man auch Klirrfaktor. Dieser Klirrfaktor lässt sich am besten durch die Darstellung der Kurven im Frequenzbereich (FFT-Button) erkennen, denn Klirrfaktor bedeutet immer, dass zusätzlich zum eingespeisten Signal Oberwellen auftreten, die im Spektrum leicht zu erkennen sind. Hier ist die 1. Oberwelle bei 2 kHz zu erkennen. Eine gute FFT Darstellung erhält man von einem möglichst langen Zeitsignal (ggf. 4 Perioden). Ausdrucke der Ausgangsspannung mit den o.g Aussteuerungen Für ESI ist ein Ausdruck mit 4 Ausgangdiagrammen (4 Plots) bzw. für MME mit 3 Ausgangsdiagrammen (3 Plots) zu erstellen (5. Blatt). 1. Bei einer Frequenz von 1 kHz und möglichst großen Kurvendarstellungen 2. Für jede Schaltung den Ausgangssinus mit den o.g. Aussteuerungen. Kennzeichnen Sie die Zugehörigkeit der Ausdrucke! Schreiben Sie die Scheitelwerte der Eingangsspannungen mit auf den Ausdruck. 3. Stellen Sie in den Plots für die Sinusspannungen bei den beiden Emitterschaltungen die Eingangsspannung in einem Diagramm mit der Ausgangsspannung so dar, dass Sie die Verzerrung durch den Vergleich der Kurven leicht erkennen können. Sie müssen dazu die Eingangsspannung mit der Verstärkung der Stufe multiplizieren und invertieren, da die Emitterverstärker das Eingangssignal am Ausgang invertieren. Sie müssen das Signal auch noch verschieben, da am Ausgang das Signal um den Arbeitspunkt von 5 Volt symmetrisch ist. © Prof. Dr-Ing. F. Schneeberger
