Document
Werbung
Überblick • • • • • • • • • • • • • • • Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Sensorik PID-Regler Lock-In-Verstärker Phase-Locked Loop Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der Elektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite 1 Transistor Bis jetzt: 2-polige, passive Bauelemente (Widerstand, Kondensator, Drossel) Wichtigstes aktives Bauelement: Transistor • Grundlage für alle integrierten Schaltkreise • Anwendung in Verstärkern • Anwendung als (elektronisch gesteuerter) Schalter • Zwei grundsätzliche Typen: Feldeffekttransistor und Bipolartransistor Was heißt aktives Bauelement? • Bauelement kann "verstärken" • Ausgangssignal mit mehr Leistung als Eingangssignal • zusätzliche Leistung kommt von externer Quelle (Spannungsversorgung) z.B. BC548C C BE BS170 Seite 2 Diode Kurzer Einschub: Diode Anode Kathode Schwellenspannung bei Si pn-Dioden: (0.6 ... 0.7) V Merke: "In Durchlassrichtung fallen an einer Si pn-Diode immer ca. 0.7 V ab." Seite 3 MOSFET Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor: z. B. BS170 ------------- Gehäuse TO-92 MOSFET = unipolarer Transistor (nur Elektronen oder Löcher tragen den Strom) Seite 4 Transistor Wieder zurück zum (Bipolar-)Transistor ... B E + + + C d << LD C BE B E C C B E Seite 5 Transistor Kennlinienfelder eines Bipolartransistors (z.B. BC107): www.elektroniktutor.de Seite 6 Transistor Kennlinienfelder eines Bipolartransistors (z.B. BC107): Sättigungsbereich: IC ~ UCE “schaltbarer ohmscher Widerstand” Verstärkungsbereich: IC ~ IB und ~ hfe(UCE) ca. 100 … 1000 dU CE dI C “Kollektor sieht aus wie eine Konstantstromquelle (mit Parameter IB) UBE 0.7 V (falls IB > 0) www.elektroniktutor.de Seite 7 Transistor-Grundschaltungen falls Uin > 0.7 V UBE 0.7 V const. Emitter-Folger: Uout = Uin - UBE = Uin - 0.7 V Spannungsverstärkung: G U_cc Uout 1 Uin Wo ist jetzt hier der Verstärker? C IE B Uout Uin R R IB IE IC IE IBh fe IB E U_in R U_out Uin R(h fe 1) Eingangsimpedanz: Zin = (hfe + 1)R Impedanzwandler zusätzlicher Strom IC = hfeIB kommt aus der Versorgungsspannung UCC Seite 8 Transistor-Grundschaltungen Common-Emitter-Verstärker: für Uin > UBE 0.7 V: U_cc IC hFEIB hFE R_C B R_B U_in Uin UBE RB C Uout UCC R CIC UCC hFE E Spannungsverstärkung RC (Uin UBE ) RB U_out G R Uout hFE C Uin RB “Spannungsverstärker” Probleme: Abschneiden von Uin < 0.7 V, hFE unterliegt starken Schwankungen (mit UCE, T und Produktion) Seite 9 Transistor-Grundschaltungen Common-Emitter-Verstärker (verbessert): 1. C1 bildet Hochpass, d.h. U_cc R2 UB UCC wichtig: UB > UBE 0.7 V R_C C2 B C1 R1 2. Ruhestrom: IC IE C E U_in R1 Uin,AC R1 R 2 R_E UB UBE RE 3. RC so gewählt, dass UC = UCC - ICRC = UCC / 2 U_out UC R C IC RC UB RE 4. C2 bildet Hochpass, d.h. Uout = UC (ohne DC) R U out , AC C U in , AC RE G Seite 10 Transistor-Grundschaltungen Common-Emitter-Verstärker: Cut-off-Frequenz des Eingangshochpass? U_cc R2 R_C C2 B C1 C E U_in R1 R_E Ri dU dI U_out dU dI Emitter-Folger: (h fe 1) Impedanzwandler! U_cc C B E U_in R U_out Zin = (hfe + 1)R Seite 11 Transistor-Grundschaltungen Common-Emitter-Verstärker: Cut-off-Frequenz des Eingangshochpass? U_cc R2 R_C 1 1 1 RHochpass R R R (h 1) 2 E fe 1 1 f 3dB 2C1 RHochpass C2 B C1 C E U_in R1 R_E 1 U_out (h fe 1) Seite 12 Erdschleife (Ground loop) Erdpotential kann Störungen enthalten (ortsabhängig) Resultat: gemessenes Signal enthält 50 Hz + höhere Harmonische + RF (radio frequency) + Spikes + "Frequenzmüll" Seite 13 Erdschleife (Ground loop) Vermeidung von Erdschleifen: - Erdung nur an einem Punkt + Verwendung eines Differenzverstärkers Seite 14 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker: U_CC R_C U1 R_C U_out G=… U2 Uout U_1 U_2 A R_E R_E I_0 U_EE Seite 15 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker: Ersetze U1 und U2 durch U_CC I1 I2 R_C R_C U_1 U_out U_2 •Gleichtaktspannung (common mode): •Gegentaktspannung (differential mode): U1 U CM U diff A R_E R_E Ströme: Voraussetzung: Transistor im Verstärkungsbereich Basisstrom vernachlässigbar (IB << IC) I_0 U_EE I1, 2 2 U1 U 2 2 U1 U 2 U CM U diff U 2 U CM U1, 2 0.7V A RE U diff 2 U CM U diff 2 0.7V A RE Strombalance im Punkt A: I1 I 2 I 0 Seite 16 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker: Eliminieren von A und einsetzen: U_CC I1 I2 R_C R_C U diff 1 I 2 I 0 2 RE U_out Ausgangsspannung: U out U CC RC I 2 U CC U_1 U_2 A R_E R_E I_0 U_EE RC I 0 RC U diff 2 2 RE Gegentaktverstärkung: Gdiff R U out C U diff 2 RE Gleichtaktverstärkung: GCM U out 0 U CM Gleichtaktunterdrückung: CMRR (common mode rejection ratio) Gdiff GCM Seite 17 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker (vereinfacht): Was ist Gdiff und GCM und CMRR? U_CC I1 I2 R_C R_C U_out U_2 U_1 A R_E R_E R_1 Konstantstromquelle durch (großen) Widerstand ersetzt U_EE Ströme: Basisstrom wird vernachlässigt (IB << IC) I1, 2 U1, 2 0.7V A RE U CM U diff 2 0.7V A RE I0 A U EE R1 Strombalance im Punkt A: I1 I 2 I 0 Seite 18 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker (vereinfacht): U_CC I1 I2 R_C R_C U_out Ausgangsspannung: R U out U CC 0.7V C RE U EE 1.4V RE R1 RC R U CM C U diff 2 R1 RE 2 RE R1 RC 2 R1 RE U_2 U_1 A G diff Gegentaktverstärkung: R_E R_E R_1 U_EE Gleichtaktverstärkung: GCM RC U out U CM 2 R1 RE Gleichtaktunterdrückung: CMRR (common mode rejection ratio) U out R C 2 RE U diff Gdiff GCM 2 R1 RE 2 RE Seite 19 Operationsverstärker U_CC U+ U- + U_out U_EE Seite 20 Überblick • • • • • • • • • • • • • • • Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Sensorik PID-Regler Lock-In-Verstärker Phase-Locked Loop Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der Elektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite 21 Operationsverstärker 1 Standardtypen: LF411 (JFET), LM741 (bipolar) Seite 22 Operationsverstärker Idealer Operationsverstärker: 1. Eingangsimpedanz unendlich: Ri, = Ri, = 2. Ausgangsimpedanz null: Ri,out = 0 U 3. Verstärkung unendlich: V = Ri, Uout R i,out 0V U 0V out Ri, Uout V (U U ) NB: UEE < Uout < UCC Seite 23 Operationsverstärker: Komparator +15 V U_CC 0V U1 + U2 - U_out U_EE -15 V Uout UCC falls U1 U2 UEE falls U1 U2 Seite 24 Operationsverstärker: Gegenkopplung f(Uout) Uin Uout + Gegenkopplung (negative Rückkopplung): Teil des Ausgangs (= f(Uout)) zurück an den invertierenden Eingang wirkt der Verstärkung entgegen Verstärkercharakteristik nur von Rückkopplung abhängig (bei ausreichend starker Rückkopplung) Seite 25 Operationsverstärker: Gegenkopplung f(Uout) Uin Uout + Uout V [U U ] V [Uin f (Uout )] ideal OpAmp: 0 Uout f 1(Uin ) Seite 26 Operationsverstärker: Gegenkopplung R1 I- = 0 R2 Uin Uout + Beispiel: Spannungsteiler Uout V [U U ] V [Uin f (Uout )] ideal OpAmp: 1 Uout f (Uin ) U f (Uout ) 0 Uout R1 Uout R 2 R1 R2 Uin f (Uin ) 1 R1 1 Seite 27 Operationsverstärker: Gegenkopplung Goldene Regeln für ideale Operationsverstärker mit Gegenkopplung 1. Der Ausgang wird stets versuchen eine Spannung auszugeben, so dass die Differenz der Eingangsspannung null ist, d. h. U = U - U = 0 2. In die Eingänge + und - fließt kein Strom, d. h. I = I = 0 Seite 28 Invertierender Verstärker R2 U_in - R1 U_out + Spannung am invertierenden Eingang: mit Goldener Regel 2 Goldene Regel 1 U 0 Ausgangsspannung: Uout U Uin R1 (Uout Uin ) R1 R 2 d. h. U U 0 R2 Uin R1 Seite 29 Spannungsfolger (Impedanzwandler) R1 R2 I- = 0 Uin Uout R2 Uin 1 R1 Uout + R1 Uout Uin Idealer Operationsverstärker: Eingangsimpedanz unendlich: Ri,+ = Ri,- = Ausgangsimpedanz null: Ri,out = 0 Seite 30 Impedanzwandler: Anwendung IMess IDUT IL RDUT Koaxialkabel RL Isolationswiderstand eines Koaxialkabels: RL >> 1 G wenn RDUT RL IMess = IDUT + IL Seite 31 Spannungsfolger (Impedanzwandler) Guard IMess IDUT Triaxialkabel UL1 = 0 Uout = Uin Uin RL1 RDUT IL2 RL2 Triaxialkabel: Signalleitung + innerer Schirm (Guard) + äußerer Schirm (Masse) UL1 Uout Uin 0 IL1 0 IMess IDUT IL2 kommt aus OpAmp-Ausgang (niedrige Ausgangsimpedanz) Seite 32 Operationsverstärker: Frequenzgang OpAmp sind mehrstufige Verstärker Beispiel: LF411 1. Differenzverstärker 2. Verstärkerstufe 3. Endstufe jede Stufe zeigt Tiefpass-Verhalten mit verschiedenen Grenzfrequenzen 1. 2. 3. Seite 33 Operationsverstärker: Frequenzgang f180 bei f = f180: Gegenkopplung Mitkopplung falls gleichzeitig gesamte Verstärkung g > 1 Schwingung mit f = f180 Lösung: z.B. (universelle) Frequenzgangkorrektur (Tiefpassfilter), so dass g < 1 für f = f180 (Nachteil: slew rate erniedrigt) Seite 34 Operationsverstärker: Datenblatt Seite 35 Überblick • • • • • • • • • • • • • • • Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Aktive Filter Sensorik PID-Regler Lock-In-Verstärker Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der Elektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite 36 Aktive Filter zunächst: passiver Tiefpassfilter 2. Ordnung (Wiederholung) U_in U_out L A() R C Uout 1 2 Uin 1 iRC LC A0 1 ia1 2b1 A 0 1, a1 RC, b1 LC a1 Dämpfung |Z| 100 0 -10 10-1 -20 -30 10-2 Dämpfung |Z| (dB) 10 Dämpfung: 40 dB/Dekade 3 Parameter: A0 Verstärkung a1, b1 Grenzfrequenz, Welligkeit -40 102 103 104 105 Frequenz f (Hz) Seite 37 Aktive Filter Allgemein gilt für ein Filter n. Ordnung: A0 A0 A() 1 ic 1 (i)2 c 2 ... (i)n c n (1 ia1 2b1 )(1 ia 2 2b 2 )... Filtertypen mit optimiertem Frequenzgang • Tiefpass mit kritischer Dämpfung kein Überschwingen • Bessel-Tiefpass optimierte Rechteckübertragung • Butterworth-Tiefpass (fast) keine Dämpfung vor fg • Tschebyscheff-Tiefpass mit 3 dB Welligkeit steiles Abschneiden hinter fg 4. Ordnung 10. Ordnung Koeffizienten: siehe Tabellenwerke Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. Auflage, S. 817 Seite 38 Aktive Filter Allgemein gilt für ein Filter n. Ordnung: A0 A0 A() 1 ic 1 (i)2 c 2 ... (i)n c n (1 ia1 2b1 )(1 ia 2 2b 2 )... Filtertypen mit optimiertem Frequenzgang 4. Ordnung • Tiefpass mit kritischer Dämpfung kein Überschwingen • Bessel-Tiefpass optimierte Rechteckübertragung • Butterworth-Tiefpass (fast) keine Dämpfung vor fg • • Tschebyscheff-Tiefpass mit 0.5 dB Welligk. Tschebyscheff-Tiefpass mit 3 dB Welligkeit steiles Abschneiden hinter fg Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. Auflage, S. 817 Seite 39 Aktive Filter Aktiver Tiefpassfilter 2. Ordnung als wichtiger Grundbaustein: R2 C1 Realisierung von Filtern höherer Ordnung: U_in R1 R3 C2 - U_out + Hintereinanderschaltung von aktiven Filtern 2. Ordnung (kein Impedanzproblem durch niederohmigen OPV-Ausgang) A( ) U out U in R2 A0 R1 1 ia1 2b1 R2 R3 2 C1C2 R2 R3 1 iC1 R2 R3 R1 Seite 40
