Versuch 4
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Labor Elektronische Schaltungen Prof. Dr. P. Stuwe Dipl.-Ing. B. Ahrend Versuch 4: NF-Leistungsverstärker 1 Theorie Aufgabe der Leistungsverstärker (Großsignalverstärker) ist es, vorverstärkte Signale auf einen höheren Leistungspegel umzusetzen. Dabei bestimmt die Signalamplitude den Arbeitspunkt des Transistors, der oft bis an seine Grenzen (PCmax, UCEmax, ICmax) ausgesteuert wird. Eine Kenngröße des Leistungsverstärkers ist der Klirrfaktor k , welcher ein Maß für die Verzerrung des Signals darstellt und als Effektivwert der Harmonischen zum Effektivwert des Gesamtsignals definiert ist, sowie der Wirkungsgrad der Verstärkung , der das Verhältnis von elektrischer Ausgangsleistung zur aufgenommener elektrischer Leistung angibt. Die Leistungsverstärker werden je nach Lage des Arbeitspunktes in Betriebsarten klassifiziert. Man unterscheidet z.B. A-, B- und C- Betrieb. 1.1 Verstärker im A-Betrieb (Class A) Liegt der Arbeitspunkt eines Verstärkers etwa in der Mitte seines linearen Aussteuerbereichs, spricht man von A-Betrieb (s. Abb. 1). Damit ist der Aufbau eines solchen Verstärkers mit nur einem einzigen Transistor möglich. Der Transistor kann also beide Halbwellen eines sinusförmigen Eingangssignals verstärken. Liegt der Arbeitspunkt etwa auf der Verbindungslinie zwischen UCEmax und ICmax ist die größte Aussteuerung erzielbar, da die Signalamplitude nach oben durch UCEmax und nach unten nur von der Versorgungsspannung (bzw. im Idealfall 0 V) begrenzt wird. Für thermisch sicheren Betrieb muss die Arbeitsgerade etwas unterhalb der Verlusthyperbel PVmax liegen. Im Arbeitspunkt (bei: UCEmax/2, ICmax/2) wird im Transistor die (Gleich-) Leistung U I U I PVmax CEmax Cmax Cmax Cmax umgesetzt. 2 2 4 Die PVmax entsprechende Leistung wird auch im Kollektorwiderstand RC umgesetzt. Auch wenn kein zu verstärkendes Wechselsignal am Eingang anliegt und damit kein verstärketes Wechselsignal am Ausgang auftritt, wird diese Leistung umgesetzt. Der Wirkungsgrad der Verstärkung ist unter diesen Umständen fast Null. Aber auch bei einer vorhandenen Wechselaussteuerung, bleibt die Leistungsaufnahme des Verstärkers PVmax unabhängig von der Aussteuerung! Außerdem muss der mögliche Gleichanteil des Eingangssignals ggf. kapazitiv oder induktiv unterdrückt werden. Dies führt zur maximalen (Kleinsignal-) Ausgangsleistung: û î û î U I 1 PAmax uCEiC CE C CE C CEmax Cmax PV max 2 222 2 2 2 1 V3.11 07.10.2016 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- Für den maximalen Wirkungsgrad, der also nur bei Vollaussteuerung erreicht wird, ergibt sich 1 P PAmax 2 Vmax 25 % . somit: 1 U 2 PVmax 2 CEmax I Cmax Abb. 1 : Arbeitspunkt eines Verstärkers im A-Betrieb Es ist zu beachten, dass sich der Arbeitspunkt als Offset im Ausgangssignal auswirkt. Daher wird meist ausschließlich der Wechselanteil des Ausgangssignals über den Kondensator CK2 kapazitiv ausgekoppelt (s. Abb. 2). Die Eingangsspannung wird über Kondensator CK1 gleichstromentkoppelt eingespeist und damit der Arbeitspunkt (hier durch R1 eingestellt) nicht von der einspeisenden Quelle beeinflusst wird. Im A-Betrieb spielt neben der maximalen Ausschöpfung des Aussteuerbereiches die Linearität der Verstärkerkennlinie eine entscheidende Rolle. Oft wird deshalb der Arbeitspunkt so gewählt, dass das zu verstärkende (Klein-) Signal ganz im nahezu linearen Teil der Kennlinie verarbeitet bzw. ausgesteuert wird. Deshalb sind in dieser Betriebsart auch die prinzipiell geringstmöglichen Verzerrungen des Ausgangssignals verbunden. Verstärker im A-Betrieb können also einen sehr Abb. 2 : Eintakt-A-Verstärker (Emitterschaltung) geringen Klirrfaktor haben. Sie werden heutzutage fast ausschließlich in Eingangsstufen eingesetzt, weil dort kaum Leistung umgesetzt wird (kleine Ströme, große RC). 2 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- Noch geringer fällt der Klirrfaktor bei einem Gegentakt-Verstärker im A-Betrieb aus, bei dem eine Linearisierung durch Überlagerung der Stromsteuerkennlinien von zwei Ausgangstransistoren erfolgt (siehe Abb. 3). Ein solcher A-Verstärker ist prinzipiell wie der weiter unten beschriebene AB-Verstärker realisiert. Die Transistoren werden allerdings noch viel weiter vorgespannt, so dass beide während des gesamten Signalverlaufs arbeiten. Daher sollten im A-Betrieb die Arbeitspunkte jeweils etwa in der Mitte des linearen Aussteuerbereiches liegen. 1.2 Verstärker im B-Betrieb Abb. 3 : Überlagerung der Steuerkennlinien in einer Gegentaktschaltung Im B-Betrieb liegt der Arbeitspunkt im Ursprung der Steuerkennlinie. Will man beide Halbwellen des Eingangssignals verstärken, muss daher für jede Halbwelle des Signals ein Transistor vorhanden sein. Daher ist für den BBetrieb zwingend eine Gegentaktanordnung erforderlich (s. Abb. 4). Bei voller Strom- und Spannungsaussteuerung ergibt sich für den Mittelwert des Stromes pro 1 2ˆ iˆC iˆC I Cmax 2 i cos d sin Transistor: iC und für die Gesamtgleichleistung C 0 2 2 beider Quellen: PVmax 2 U B iC 2 U B I C max . U B I Cmax U B I Cmax be2 2 2 trägt der Wirkungsgrad P η Amax 78,5 % (bei sinusförmiPVmax 4 gem Signal und Vollaussteuerung) und ist deutlich günstiger als bei A-Betrieb. Allerdings ist der Wirkungsgrad abhängig von der Aussteuerung. Mit PAmax Abb. 4 : Gegentakt-Verstärker im B-Betrieb 3 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- In Abb. 5 ist zu sehen, wie der Kennlinienknick zu Verzerrungen des Ausgangssignals führt. Diese sog. Übernahmeverzerrungen entstehen, weil die Übertragungskennlinie in der Nähe von 0 V stark nichtlinear ist. Diese drücken sich in einem erhöhten Klirrfaktor bei Signalen kleiner Amplitude aus. 1.3 Verstärker im AB-Betrieb Zur Abhilfe legt man die Arbeitspunkte der Transistoren jeweils in den Knick der Steuerkennlinie (dort, wo der weitestgehend lineare Teil beginnt), erhält so einen verzerrungsarmen AB-Betrieb. Nun fließt jedoch auch im nicht ausgesteuerten Zustand ein Strom (Ruhestrom). Das Netzwerk zur Erzeugung der Vorspannung kann z.B. aus zwei Dioden (in Durchlassrichtung zwischen Punkt B1 und B2 geschaltet) bestehen. Diese sollten zur Stabilisierung des Arbeitspunktes (siehe 1.6) mit den Ausgangstransistoren thermisch gekoppelt (also auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert) sein. Abb. 5 : Steuerkennlinien und Übernahmeverzerrungen im B-Betrieb 1.4 Verstärker im C-Betrieb Im C-Betrieb liegt der Arbeitspunkt der Transistoren im Sperrbereich wodurch einerseits eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht, andererseits ein extrem oberwellenhaltiges Ausgangssignal mit entsprechend hohem Klirrfaktor erzeugt wird. Anwendung finden derartige Verstärker nur bei HF-Sendestufen in Verbindung mit schmalbandigen Filtern. 1.5 Aufbau einer Ausgangsstufe In den meisten Fällen werden die Transistoren einer Ausgangsstufe wie in Abb. 7 als Kollektorschaltung (Emitterfolger) betrieben. Die Spannungsverstärkung beträgt dann etwas weniger als 1, die Stromverstärkung liegt je nach gewählten Transistoren in der Größenordnung von ca. 50 – 100. Abb. 6 : Gegentakt Ausgangsstufe mit variabler Betriebsart 4 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- Über das mit N bezeichnete Netzwerk wird die Vorspannung für die Transistoren erzeugt und damit die Betriebsart der Stufe bestimmt, weil in Abhängigkeit dieser Spannung die Transistoren aufgesteuert werden und so ein Ruhestrom vorgegeben werden kann. Die zugefügten Emitterwiderstände stabilisieren den Arbeitspunkt zusätzlich, In Abb. 10 sind verschiedene Varianten des Netzwerkes dargestellt. Bootstrap-Rückkopplung Bei positiver Halbwelle (T1 leitet) fließt der Strom I1 der Ansteuerschaltung folgendermaßen: I1 ≈ IR1 – IB1 ≈ IR1 – IL/B mit dem Stromverstärkungsfaktor B. Bei großem IL kann es vorkommen, dass die ansteuernde Schaltung den Strom IB1 nicht groß genug liefern kann, weil R1 den Strom IR1 zu sehr begrenzt. Die positive Halbwelle kann dann nicht vollständig verstärkt werden und es entstehen Verzerrungen. Abb. 7 : Ströme in der Gegentakt-Ausgangsstufe Abb. 8 : Rückkopplung über Bootstrap-Kapazität CB 5 Die erforderliche Ansteuerleistung kann dynamisch mit einem Kondensator CB aus der Ausgangsspannung gewonnen werden, indem man einen Teilwiderstand von R1 mit der Ausgangsspannung dynamisch koppelt. Im Ruhezustand und während der negativen Aussteuerung lädt sich der Kondensator auf einen Wert knapp unter der Betriebsspannung auf. Wenn CB nun so groß dimensioniert wurde, dass sich seine Spannung während der positiven Halbwelle kaum ändert, dann wird die Spannung am Knotenpunkt zwischen R1A und R1B bei positiver Ausgangsamplitude angehoben, ggf. sogar über UB. Durch diese dynamische Mitkopplung wird eine wesentliche Verbesserung bei der positiven Aussteuerung erreicht. Diese Verbesserung wirkt nur, solange eine Abfolge von positiven und negativen Halbwellen am Ausgang folgt. In einem Gleichspannungverstärker bleibt sie wirkungslos. Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- 1.6 Stabilisierung des Arbeitspunktes Die "Knickspannung" der Basis-Emitter-Diode eines bipolaren Transistors ist stark temperaturabhängig (ca. -2 mV/K). Wenn der Basisstrom IB und damit der Kollektorstrom IC bei konstanter Basisspannung UBE unzulässig ansteigen (s. Abb. 9), führt dies zur thermischen Zerstörung des Transistors. Dieser Effekt tritt sowohl bei Kleinsignalverstärkern als auch bei Leistungsverstärkern auf. Da Leistungsverstärker bis an die Leistungsgrenze der Bauelemente ausgesteuert werden können, sind diese durch die hohe Verlustleistung im Halbleiter selbst besonders gefährdet. Die Temperaturstabilisierung kann durch verschiedene Maßnahmen (s. Abb. 10) erreicht werden. Ein Gegenkopplungswiderstand RE kann bei Leistungsendstufen aber nur klein gegen den Lastwiderstand gewählt werden, da er den Aussteuerbereich unmitAbb. 9 : Eingangskennlinie eines Bipo- telbar begrenzt. Während diese Maßnahme allein in lartransistors bei drei Temperaturen Vorstufen sehr wirksam sein kann, ist sie bei Leistungsstufen meistens nicht ausreichend. Hier werden daher die temperaturabhängigen Widerstände im Basisteiler (Abb 10b-c) zusätzlich verwendet. Im überwiegend verwendeten AB-Betrieb sind in Abb. 11 verschiedene Stabilisierungsschaltungen beispielhaft dargestellt. PTC-, NTC-Widerstände, Halbleiterdioden bzw. der Transistor müssen sich jeweils in Wärmekontakt mit den Leistungstransistoren befinden (z.B. mit auf dem Kühlkörper montiert). Abb. 10 : Schaltungen zur Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes a) Gegenkopplungswiderstand am Emitter b) NTC-Widerstand (thermisch gekoppelt mit Transistor) im Basisspannungsteiler c) PTC-Widerstand (thermisch gekoppelt mit Transistor) im Basisspannungsteiler d) Diode(n) (thermisch gekoppelt mit Transistor) im Basisspannungsteiler 6 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- Abb. 11 : Temperaturstabilisierung von Leistungsendstufen a) Schaltung mit Emittergegenkopplungswiderstand RE und PTC-Widerstand im Basisspannungsteiler b) Gleiche Schaltung, aber mit NTC-Widerstand im Basisspannungsteiler c) Gleiche Schaltung, aber mit Halbleiterdioden im Basisspannungsteiler d) Gleiche Schaltung, aber mit Transistor im Basisspannungsteiler 1.7 Ansteuerung der Ausgangsstufe In Abb. 12 sind verschiedene Beispiele zur Ansteuerung einer Ausgangsstufe dargestellt: Abb. 12 : Ansteuerung der Ausgangsstufe a) Einfaches Widerstandsnetzwerk. Das Eingangssignal wird über einen Kondensator eingekoppelt. Die Stufe hat keine Spannungsverstärkung. Die Symmetrie des Ausgangssignals lässt sich z.B. dadurch einstellen, dass R1 oder R2 durch ein Poti ersetzt werden b) Mit einem Transistor im Eingang, wodurch zusätzlich eine Spannungsverstärkung erzielt wird. Die Symmetrie kann in diesem Fall über R3 beeinflusst werden. c) Mit einem OP im Eingang. Hier ist ebenfalls eine Spannungverstärkung über das Verhältnis von R4 zu R5 einstellbar. Mit den Widerständen R6 und R7 läßt sich der Ausgangsspannung des OPs mit einem Gleichspannungsoffset versehen, wie er am Punkt X erforderlich ist. 7 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- 1.8 Kühlung von Halbleitern Verstärker arbeiten mit Wirkungsgraden < 100 %, d.h. es wird mehr elektrische Leistung zugeführt als an die Last abgegeben. Die Differenz zwischen zugeführter Leistung und abgegebener Wirkleistung wird in thermische Leistung umgesetzt und erwärmt die Bauelemente. Im stationären Zustand bleibt die Temperatur konstant und die Verlustleistung wird als Wärmeleistung an die Umgebung abgegeben. Für einen Einzeltransistor beträgt die Verlustleistung : PV = UCE IC + UBE IB UCE IC Bei integrierten Leistungsschaltkreisen im Niederfrequenzbereich kann man in guter Näherung die Verlustleistung der Leistungstransistoren zur Dimensionierung benutzen. Die auftretende Verlustleistung PV führt zu einer Erwärmung des Halbleiterbauelementes (Chips), hier gilt das sogenannte ohmsche Gesetz der Wärmeströmung: T = PV Rth. Hierbei ist T die Temperaturdifferenz zwischen Chip und Umgebung, PV der Wärmestrom (die vom Halbleiter erzeugte Verlustleistung) und Rth Wärmewiderstand des durchströmten Mediums ( Rth 1 / Gth ; Kehrwert des Wärmeleitwertes). Nach Abschluss der Aufwärmphase des Halbleiters stellt sich ein Gleichgewicht zwischen erzeugter Verlustleistung und abgeführter Wärmeleistung ein, dazu gehört eine bestimmte Temperatur der Halbleitersperrschicht (Chip). Diese Temperatur des Chips darf aber einen Grenzwert nicht überschreiten, da es sonst zu Sperrschichtdurchbrüchen und somit zur Zerstörung des Halbleiters kommen kann. Bei Siliziumhalbleitern liegt diese Grenztemperatur zwischen 150 °C und 200 °C (siehe Datenblatt), bei Germaniumhalbleitern zwischen 75 °C und 90 °C. Als kühlende Umgebung kann das Transistorgehäuse, die umgebende Luft oder ein Kühlkörper (Strangprofil, Blech) oder eine entsprechend gestaltete Kupferfläche auf der Leiterplatte wirken. Dafür können verschiedene Wärmewiderstände angegeben werden. Der thermische Gesamtwiderstand eines auf einen Kühlkörper montierten Halbleiters zwischen Substrat (Sperrschicht) und umgebender Luft errechnet sich damit zu: Rth = RthJG + RthGK + RthKU RthJG: RthJU: RthGK: RthKU: Wärmewiderstand zwischen Chip (Junction) und Gehäuse (s. Datenblatt) Wärmewiderstand zwischen Chip und Umgebung (s. Halbleiterdatenblatt) Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper (montageabhängig) Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Umgebung (s. Kühlkörperdatenblatt) Ohne Kühlkörper ergibt sich der thermische Gesamtwiderstand des Halbleiterbauelementes zu: Rth = RthJU 8 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- Bei direkter Montage des Halbleiters auf dem Kühlkörper (mit Wärmeleitpaste) kann RthGK 0,1 K/W abgeschätzt werden. Bei Verwendung einer Glimmerscheibe zur Isolation zwischen Halbleiter und Kühlkörper beträgt: RthGK 0,5 K/W. Soll der Halbleiter zur Kühlung auf einen Kühlkörper montiert werden, so lässt sich die erforderliche Kühlkörperoberfläche A bei Betrieb in ruhender Luft folgendermaßen abschätzen: PVmax A mW 2 T cm (1...1,5) K Die Wärmeabfuhr kann durch Schwärzung des Kühlkörpers und durch bewegte Luft (Ventilator) gegebenenfalls verbessert werden. Eine weitere Kühlmethode, besteht im Einsatz von Peltierelementen. 9 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- Labor Elektronische Schaltungen Prof. Dr. P. Stuwe Dipl.-Ing. B. Ahrend Versuch 4: NF-Leistungsverstärker Gruppennummer: Name: …............................................................ Matr.-Nr.: ...................... Name: …............................................................ Matr.-Nr.: ...................... Name: …............................................................ Matr.-Nr.: ...................... …................ Datum: …................ Vortestat Durchführung (Note) Bericht (Note) Gesamtbewertung …................ ….......................... …........................... …............................. 2 Versuchsdurchführung Hinweis: Beim Versuch können Sie mit einem Digitaloszilloskop vom Typ DSOX 4032A arbeiten. Bringen Sie daher bitte unbedingt einen leeren USB-Stick mit. Vorbereitung: 1.) Skizzieren Sie für einen Verstärker im B-Betrieb (Abb. 14) und einen Verstärker im ABBetrieb (Abb. 15) jeweils den Verlauf der Ausgangsspannung uA(t) an Punkt A für ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Amplitude von ûE = 1 V. 2.) Skizzieren Sie für den Verstärker im AB-Betrieb (Abb. 15) jeweils den Verlauf des Stromes durch die Emitterwiderstände RE1 und RE2 bei einem sinusförmigen Ausgangssignal von ûA = 1 V. Tragen Sie im Schaltbild die Strompfeile ein. 3.) Simulieren Sie für den Versuchsteil 2.4 die Bootstrapschaltung einmal mit Bootstrapkondensator und einmal ohne und stellen Sie die Ausgangsspannung über den Lastwiderstand grafisch da. Benutzen Sie dazu die Simulation auf der Laborseite und die Beschreibung zum Einfügen der fehlenden Bauelemente. 4.) Wenn Sie die optionale Zusatzaufgabe durchführen wollen, so machen Sie sich mit der Erstellung eines Frequenzgangs mithilfe des HP 8903B Audio Analyzers vertraut. Eine ausführliche Anleitung hierzu finden sie auf der Internetseite des Labors. 10 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- Verwendete Geräte: Labornetzgerät Voltcraft PS2403 Pro Oszilloskop DSO-X 4032A Audiomessplatz HP 8903B Digital Multimeter HP 34401A Digital Multimeter HP 34401A XY-Schreiber Servogor 790 Abb. 13 : Vorverstärker zum Ansteuern der Endstufe div. Versuchsaufbauten Allg. Hinweise: Die Ansteuerschaltung (Abb. 13) dient in Verbindung mit einem verzerrungsarmen Sinusgenerator, der Teil des integrierten Audiomessplatzes HP 8903B ist, (Ausgangsleitung "OUT") zur Ansteuerung aller verwendeten Schaltungen. Mit dem Potentiometer wird der Gleichspannungsoffset der Ausgangsspannung eingestellt (nur im Versuchsteil 2.4 erforderlich). Die Spannungsverstärkung der Schaltung ist fest eingestellt und beträgt etwa vier. Die Ansteuerungsschaltung ist fertig aufgebaut und wird bei allen Versuchsteilen mit ± 15 V versorgt. Beachten Sie, dass Einstellungen des Ruhestromes immer ohne Ansteuerung mit einer Wechselgröße geschehen müssen (d.h. Eingangssignal des Vorverstärkers abklemmen, Eingang der Ansteuerschaltung auf Masse legen). Zur Messung des Klirrfaktors der verschiedenen Schaltungen wird der Audiomessplatz HP 8903B verwendet (Eingangsleitung "IN"). Die Frequenz des Eingangssignals beträgt bei allen Versuchsteilen f = 1 kHz. Der Klirrfaktor wird über die Messfunktion "DISTORTION" gemessen. Einen Auszug aus dem Benutzerhandbuch finden Sie bei Geräteübersicht zum Labor Elektronische Schaltungen. Ferner ist bei allen Versuchsteilen nach jeder Änderung der Amplitude oder des Ruhestroms die Symmetrie des Wechselsignals am Ausgang zu überprüfen und ggf. nachzustellen. Speicher mit dem Oszilloskop Nachdem der USB-Stick erkannt wurde, können die Bilder mit zwei Tastendrücken gespeichert werden. Nach Drücken der Taste Save/Recall gelangt man in das Speichermenü in dem das Bild sofort mit dem Softkey Durch Drücken Speichern gespeichert werden kann. Durch Betätigen des Softkeys Speichern im gleichen Menü, können die Einstellungen beim Speichern verändert werden (Ausgabeformat, Speichermedium). Insbesondere sollte unter dem Menüpunkt Einstell die Option Gitter invert. ausgewählt sein, damit das Bild mit weißem Hintergrund gespeichert wird (die Voreinstellungen sind schon angepasst, Sie brauchen die Einstellungen nicht mehr verändern). 11 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- 2.1 Messungen an einem Verstärker im B-Betrieb Die Schaltung der Ausgangsstufe im BBetrieb ist teilweise aufgebaut (gestrichelter Bereich in Abb. 14 ), es muss nur noch das Widerstandsnetzwerk und der Kondensator angeschlossen werden. Die Dioden auf dem Kühlkörper sind zu überbrücken. Die Symmetrie des Ausgangssignals kann mit dem Potentiometer eingestellt werden. Durchführung: Der Versuchsaufbau ist mit 15 V zu versorgen. 1.) Stellen Sie das Ausgangssignal der Vorverstärkerstufe und das symmetrierte Ausgangssignal der Verstärkerschaltung auf dem Oszilloskop dar und speichern Sie das Schirmbild für eine Ausgangssignalamplitude von ûA = 3 V auf einem USB-Stick ab. 2.) Messung des Klirrfaktors in Abhängigkeit von der Aussteuerung: Nehmen Sie die Funktion k = f(uA) sowie die Abb. 14 : Prinzipielle Schaltung der BAusgangsstufe Funktion uA = f(uE) auf. Maximale Ausgangsspannung: ûA = 7,5 V. Die Spannungen können mit den Cursor -Funktionen des Oszilloskops gemessen werden. 3.) Freiwillige Zusatzaufgaben (bitte erst am Ende bearbeiten): a) Nehmen sie den Amplitudenfrequenzgang bei zwei verschiedenen Koppelkondensatoren C1a = 10 µF und C1b = 100 µF auf. b) Nehmen sie den Frequenzgang des Klirrfaktors bei zwei verschiedenen Koppelkondensatoren C1a = 10 µF und C1b = 100 µF auf. 12 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- 2.2 Messungen an einem Verstärker im AB-Betrieb Die Schaltung ist nun so abzuändern, dass der Verstärker im AB-Betrieb läuft (s. Abb. 15). Verwenden Sie die auf dem Kühlkörper montierten Si-Dioden. Der Versuchsaufbau ist weiterhin mit 15 V zu versorgen. Durchführung: Nehmen Sie die k = f(uA) sowie die Funktion uA = f(uE) auf. Maximale Ausgangsspannung: ûA = 7,5 V. Abb. 15 : Prinzipielle Schaltung des Verstärkers im AB-Betrieb 2.3 Messungen an einem Eintakt-Verstärker im A-Betrieb Ändern Sie die Schaltung nun so ab, dass ein Eintakt-Verstärker im A-Betrieb gemäß Abb. 16 entsteht. Diese Endstufe wird nicht mehr symmetrisch versorgt. Die Versorgungsspannung beträgt UB = +15 V. Durchführung: Stellen Sie zunächst den Ruhestrom so ein, dass ohne Ansteuerung am Ausgang (über RL) eine Spannung von UA = 7,5 V steht. Abb. 16 : Prinzipielle Schaltung des Eintakt-A-Verstärkers 13 Nehmen Sie dann die Funktion k = f(uA) im Bereich von ̂ = 0 V … 7,5 V auf. Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- 2.4 Messungen an einem Verstärker mit variabler Betriebsart Die Schaltung in Abb. 17 ist komplett aufgebaut und muss nur noch mit dem Vorverstärker verbunden werden. Der Ruhestrom bzw. der Arbeitspunkt lässt sich an dem Potentiometer einstellen. Bei der Einstellung des Ruhestroms darf kein Wechselsignal am Eingang angeschlossen sein (der Eingang des Vorverstärkers ist daher auf Masse zu legen!). Der 1 Ω-Widerstand dient als Messwiderstand für den Kollektorruhestrom IC,A. Mit einem Digitalmultimeter muss während der Einstellung des Stroms die Gleichspannung UA am Ausgang kontrolliert und jeweils auf 0 V (kleiner 20 mV) nachgestellt werden (Potentiometer der Ansteuerschaltung). Die Versorgungsspannung beträgt 15 V. Durchführung: 1.) Nehmen Sie bei einer Eingangsspannung von û E 1 V den Klirrfaktor als Funktion des Ruhestroms auf (ca. 15 Werte). IC,Amin ≈ 0,5 mA, bis zu IC,Amax ≈ 100 mA. Zur besseren Darstellung sollten zwischen 0,5 mA und 10 mA mindestens 5 Werte auf- Abb. 17 : Prinzipielle Schaltung des Verstärkers mit variabler Betriebsart genommen werden. Bei jedem Messpunkt muss der Ruhestrom eingestellt und die Ausgangsspannung nachgeregelt werden. 2.) Stellen Sie nun bei abgeschaltetem Bootstrap-Kondensator (Schalter in unterer Position) und einem Ruhestrom von IC,A ≈ 2 mA eine Ausgangsspannung ein, bei der das Ausgangssignal gerade zu verzerren beginnt und messen Sie den Klirrfaktor. Anschließend soll der Klirrfaktor bei gleicher Aussteuerung Bootstrap-Kondensator (Schalter in oberer Position) gemessen werden. Die Oszillogramme beider Signale sind auf einem USB-Stick abzuspeichern. 14 Ostfalia tungen Fakultät Elektrotechnik Labor Elektronische Schal- 3 Auswertung 3.1 Vergleich der Verstärkerendstufen Stellen Sie die Messergebnisse aus den Aufgaben 2.1 bis 2.3 dar und vergleichen Sie die Verläufe der verschiedenen Verstärkertypen. Erläutern Sie anhand Ihrer Messwerte die Vor- und Nachteile von A-, B- und AB-Betrieb. 3.2 Auswirkung des Ruhestroms Stellen Sie den Verlauf des Klirrfaktors bei steigendem Ruhestrom dar. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Ruhestrom und Betriebsart der Verstärkerstufe. 3.3 Wirkung des Bootstrap-Kondensators Diskutieren Sie die Ergebnisse der Bootstrap-Erweiterung in Aufgabe 2.4 (2).Welche Verbesserung hat der Bootstrap-Kondensator gebracht und warum? 3.4 Auswertung von Frequenzgängen Dieser Punkt ist nur notwendig sofern die freiwillige Zusatzaufgabe 2.1 (3) durchgeführt wurde. Diskutieren sie die Verläufe der Frequenzgänge. Welche Veränderung bewirkt der größere Kondensator und warum? Literatur: [1] U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 15. Aufl., Springer-Verlag 2016 [2] K. Beuth, W. Schmusch: Elektronik 3 Grundschaltungen, VOGEL , Würzburg 2003 15