Transistor - Ostseenashorn

Mathias Arbeiter
28. April 2006
Betreuer: Herr Bojarski
Transistor
Eigenschaften einstufiger Transistor-Grundschaltungen
Inhaltsverzeichnis
1 Transistorverstärker - Bipolar
1.1 Dimensionierung / Einstellung des Arbeitspunktes . . . . .
1.1.1 Überprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Betriebsparameter des Bipolar-Transistors als Verstärker . .
1.2.1 Eingangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Ausgangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Verstärkungen in Abhängigkeit vom Lastwiderstand
1.3 Grenzfrequenzen des Verstärkers . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Messwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
3
4
5
5
5
6
7
7
7
2 FET als Verstärker
2.1 Betriebsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Eingangswiderstand . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Ausgangswiderstand . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Verstärkungen . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Vergleich mit bipolarem Transistor als Verstärker
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8
8
8
8
9
9
3 FET als Analogschalter
3.1 Analogschalter in Parallelbetrieb
3.1.1 Schaltverhalten . . . . . .
3.1.2 Dämpfung . . . . . . . . .
3.1.3 Übertragungsverhältnis .
3.1.4 Schaltzeit . . . . . . . . .
3.2 Analogschalter in Serienbetrieb .
3.2.1 Dämpfung . . . . . . . . .
3.2.2 Übertragungsverhältnis .
3.2.3 Schaltzeit . . . . . . . . .
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9
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12
13
13
14
14
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1
1.1
Transistorverstärker - Bipolar
Dimensionierung / Einstellung des Arbeitspunktes
Abbildung 1: RC-Transistorverstärker in Emitterschaltung
Um den optimalen Arbeitspunkt des Transistors einzustellen, müssen die Widerstände im Vorfeld berechnet werden.
Die Spannung UCE die am Transmitter vom Kollektor zum Emitter abfällt, kann dabei vorgegeben
werden:
UCE = 5V
Anhand des Kennlinienbildes (siehe Anhang) können folgende Parameter abgelesen werden:
IB
UBE
IC
h21
h11
h22
= 53.4µA
= 650mV (Spannung die zwischen Basis und Emitter abfällt)
= 5.9mA (Kollektor-Strom)
= 96 (Stromverstärkung)
= 520Ω (Eingangswiderstand des Transistors)
= 0.28mS (Ausgangsleitwert des Transistors)
Mit Hilfe der Maschen- und Knotenregeln lassen sich nun die Widerstände berechnen.
Sie ergeben sich zu:
R1
R2
RE
RC
=
=
=
=
33.1kΩ
5.38kΩ
84Ω
0.76kΩ
Die Kondensatoren sind nicht variabel und besitzen folgende Kapazitäten:
CK1 = CK2
CE
1.1.1
= 22µF
= 47µF
Überprüfung
• Schaltung gemäß Abb. 1 aufbauen
• es ist jedoch nicht nötig eine Wechselspannung als Eingangssignal einzuspeisen
• ebenso ist der Kondensator CK2 nicht für die Bestimmung des Arbeitspunktes erforderlich
• zu Beginn muss mit Hilfe eines Multimeters ermittelt werden, welcher Widerstand zu welcher Bezeichnung gehört
• UCE und IC werden anschließend gemessen
• sollten die experimentell ermittelten Werte von den theoretisch berechneten Werten abweichen, so
kann durch leichte Variation der Widerstände und der Betriebsspannung Übereinstimmung gefunden werden
• die Betriebsspannung wird dabei so gewählt dass UB = 2 · UCE gilt
experimentell bestimmt:
IC = 5.50mA
UCE = 5.33V
theoretisch berechnet:
IC = 5.9mA
UCE = 5.0V
Nach geringfügiger Manipulation am Widerstand R1 und der Betriebsspannung konnten folgende Messwerte aufgenommen werden:
IC = 5.93
UCE = 4.98V
Der optimale Arbeitspunkt des Transistors wurde somit begonnen.
1.2
Betriebsparameter des Bipolar-Transistors als Verstärker
• Schaltung gemäß 1 aufbauen
• eine Wechselspannung wird nun eingespeist
• das Ausgangssignal wird am Oszilloskopen angezeigt
• der Kondensator CK2 muss natürlich mit einbezogen werden
• das verstärkte Signal darf 10 V natürlich nicht überschreiten
• dazu muss die Dämpfung am Frequenzgenerator eingeschaltet werden, da das Ausgangssignal sonst
zu groß wird
• Ein- und Ausgangssignal können mithilfe des Oszilloskopen gemessen werden und daraus die Verstärkung
bestimmt werden
• der Eingangs- und Ausgangswiderstand des Transistors wird mithilfe der U/2-Methode bestimmt
(siehe dazu Abschn. 1.2.1 und Abschn. 1.2.2
1.2.1
Eingangswiderstand
Der Eingangswiderstand des Transistors lässt sich sehr einfach messen, indem ein Widerstand vor dem
Transistor in Reihe geschaltet wird (vor der Basis des Transistors).
Ohne Vorwiderstand würde die Ausgangsspannung über den Transistor abfallen.
Wird ein Vorwiderstand in Reihe dazugeschaltet, so verringert sich die Ausgangsspannung. Wird der Vorwiderstand derart eingestellt, dass nur noch die Hälfte der ursprünglichen Ausgangsspannung gemessen
wird, so ist der Vorwiderstand gleich dem Eingangswiderstand des Transistors.
Es ergibt sich ein Eingangswiderstand:
Re = 600Ω
Man beachte, dass im Aufbau der Schaltung kein Verbraucher (Lastwiderstand) vorkommt. Da der Lastwiderstand parallel zum Transistor geschaltet wird, entspricht solch eine Schaltung einem Lastwiderstand
von ∞.
1.2.2
Ausgangswiderstand
Die Messung des Ausgangswiderstandes erfolgt analog wie in Abschn. 1.2.1, nur dass nun kein Widerstand vor dem Transistor, sondern logischerweise hinter dem Transistor. Dieser Widerstand wird auch als
Lastwiderstand bezeichnet.
Halbiert sich die Ausgangsspannung bei entsprechendem Lastwiderstand so gilt abermals: Lastwiderstand
= Ausgangswiderstand des Transistors.
Es ergibt sich ein Ausgangswiderstand des Transistors:
Ra = 740Ω
1.2.3
Verstärkungen in Abhängigkeit vom Lastwiderstand
• der Lastwiderstand wird nun variiert
• die Eingangsspannung wird für alle Lastwiderstände konstant gehalten
• anhand der Eingangsspannung und Ausgangsspannung kann die Verstärkung bestimmt werden
• es zeigte sich, dass der Eingangswiderstand des Transistors nicht konstant war, sondern leicht vom
gewählten Lastwiderstand abhing
• mithilfe der Halbierungsmethode konnte der Eingangswiderstand Re jedoch für jeden Lastwiderstand bestimmt werden
Die konstante Eingangsspannung betrug:
Ua = 59.37mV
Die Spannungsverstärkung kann direkt aus den Messwerten berechnet werden.
Die Stromverstärkung ergibt sich zu
VI =
Ia
=
Ie
Ua
Ra
Ue
Re
Die Leistungsverstärkung ergibt sich zu
VP =
Ua · Ia
Pa
=
Pe
Ue · Ie
RL
Re
Ua
Ia in mA
Ie in µA
∞
1480
740
370
74
600
660
630
640
620
6.875
4.52
3.375
2.28
0.625
–
3.05
4.56
6.16
8.44
–
90.0
94.2
92.8
95.8
Ua
Ue
116
76
57
38
11
VU =
VI
VP
–
34
48
66
88
–
2.58 ·103
2.75 ·103
2.55 ·103
0.93 ·103
Abbildung 2: Verstärkung des Transistors in Abhängigkeit vom Lastwiderstand
In Abb. 2 ist deutlich zu sehen, dass die Spannungsverstärkung mit zunehmendem Lastwiderstand abfällt,
während die Stromverstärkung anwächst.
Die Leistungsverstärkung bleibt dagegen weitgehend konstant und unbeeinflusst vom Lastwiderstand.
1
Lediglich bei einem Lastwiderstand der 10
des Ausgangswiderstands des Transistors betrug, wich die
Leistungsverstärkung von den anderen Werte ab.
Möglicherweise arbeitet der Transistor nicht optimal, wenn der Lastwiderstand wesentlich kleiner ist, als
der Ausgangswiderstand des Transistors.
1.3
1.3.1
Grenzfrequenzen des Verstärkers
Durchführung
• die Phase zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal muss mithilfe des Oszilloskopen
bestimmt werden
• evtl. muss eines der beiden Signale invertiert werden
• die untere Grenzfrequenz ist erreicht, wenn die Phasenverschiebung −45◦ beträgt
• die obere Grenzfrequenz ist erreicht, wenn die Phasenverschiebung +45◦ beträgt
1.3.2
Messwerte
obere Grenzfrequenz (bei Phase von+45)
fgo = 755kHz
untere Grenzfrequenz (bei Phase von -45)
fgu = 140Hz
2
FET als Verstärker
Um das Kleinsignalverhalten eines FET-Verstärkers zu untersuchen wurde ein Schaltung gemäß Abb. 3
aufgebaut.
2.1
2.1.1
Betriebsparameter
Eingangswiderstand
FET-Transistoren haben die Eigenschafte einen Eingangswiderstand von ∞ zu besitzen!
Der PARALLEL vorgeschaltete Widerstand RV = 1M Ω kann somit als Gesamt-Eingangswiderstand
aufgefasst werden.
RV = R e =
1
1
+
1M Ω ∞
−1
= 1M Ω
Re = 1M Ω
Abbildung 3: FET-Transistor in Source-Schaltung
2.1.2
Ausgangswiderstand
Ra , der Ausgangswiderstand des Transistors wird abermals über die U/2-Methode bestimmt, indem ein
Lastwiderstand in den Schaltkreis gebracht wird.
Ra = 8900Ω
2.1.3
Verstärkungen
Ausgangsspannung:
Ua = 0.518
Eingangsspannung:
Ue = 65.6mV
⇒ Ia =
Ua
= 58.2µA
Ra
⇒ Ie =
Ue
= 0.065µA
Re
VU
VI
VP
2.2
= 7.9
= 895
= 7070
Vergleich mit bipolarem Transistor als Verstärker
Die Leistungsverstärkung ist ≈ 3 mal so groß wie beim bipolaren Transistor. Dies liegt vor allem an der
im Vergleich zum bipolaren Transistor sehr starken Stromverstärkung, die ungefähr 20-mal größer ist
beim FET und vom großen Eingangswiderstand herrührt.
3
3.1
3.1.1
FET als Analogschalter
Analogschalter in Parallelbetrieb
Schaltverhalten
Abbildung 4: FET als Analogschalter in Parallelbetrieb
Um das Schaltverhalten eines FET in Parallelbetrieb zu untersuchen, wurde eine Schaltung gemäß Abb.
4 aufgebaut.
Als Eingangsspannung wurde eine Sinusspannung eingespeist, während die Steuerspannung eine Rechteckspannung darstellt, die mit dem Frequenzgenerator generiert wurde. (die Dämpfung des Frequenzgenerator muss nun deaktiviert werden!)
Ist die Sinusfrequenz erheblich kleiner als die Rechteckfrequenz so ergibt sich z.B. folgende Modulation
in Abb. 5.
Abbildung 5: FET - Parallelbetrieb - oben: Steuerspannung unten: Ausgangsspannung
Die Frequenzen wurden ermittelt zu:
frechteck = 1800Hz
fsinus = 44Hz
Wird die Frequenz der Rechteckspannung der Sinusspannung angeglichen so ergibt sich ein Bild, wie in
Abb. 6 dargestellt.
Abbildung 6: Schaltverhalten in Parallelbetrieb
Deutlich zu sehen ist, wie im Takt der Rechteckspannung die Sinusspannung an- und abgeschaltet wird.
Nur während einer Halbperiode der Rechteckspannung wird eine Ausgangsspannung gemessen.
3.1.2
Dämpfung
Wird die Frequenz der Sinusspannung auf ein Vielfaches der Frequenz der Rechteckspannung eingestellt
ergibt sich ein Bild, wie in Abb. 7 dargestellt.
Abbildung 7: Schaltverhalten in Parallelbetrieb - Dämpfungscharakter
In Abb. 7 ist ebenfalls zu sehen, dass die Ausgangsspannung nicht auf konstant Null abfällt, während des
Ausschaltvorganges, sondern noch kleine Restbeträge übrig bleiben.
Die Dämpfung kann angegeben werden als Quotient aus der Peak-to-Peak-Spannungsmessung des Ausgangssignal während geöffnetem Schalter und dem geschlossenem Schalter.
Spannung Uof f en während des geöffneten Schalters:
Uof f en = 3.03V
Spannung Uzu während des geschlossenen Schalters:
Uzu = 187mV
Es ergibt sich eine Dämpfung:
187mV
Uzu
=
= 0.062
Uof f en
3.03V
Die Ausgangsspannung wird während des geschlossenen Schalters auf max. 6% der Ausgangsspannung
im offenen Schaltbetrieb gedämpft!
3.1.3
Übertragungsverhältnis
Das Übertragungsverhältnis VU eber ergibt sich aus der sinusförmigen Eingangsspannung und dem (natürlich
ebenfalls sinusförmigen) Ausgangssignal.
VU eber =
3.1.4
Ua
≈1
Ue
Schaltzeit
In Abb. 7 ist bereits schwach zu sehen, dass die Ausgangsspannung nicht sofort auf Null abfällt, wenn die
Rechteckspannung den Punkt erreicht, an dem der Schalter schließt, sondern, dass der FET-Analogschalter
eine gewisse Zeit benötigt.
Diese Zeit wird als Schaltzeit bezeichnet.
Abbildung 8: Schaltverhalten in Parallelbetrieb - Schaltzeit
In Abb. 8 wurde der Schaltvorgang zeitlich detaillierter abgebildet.
Mit Hilfe der Cursorfunktionen konnte nun die zeitliche Differenz zwischen dem Abschalten des Schalters
und dem Punkt, an dem die Ausgangsspannung auf ≈ Null abfällt, gemessen werden.
Es ergibt sich eine Schaltzeit von:
tparallel = 11.10µs
3.2
Analogschalter in Serienbetrieb
Abbildung 9: FET als Analogschalter in Serienbetrieb
Um das Schaltverhalten eines FET in Serienbetrieb zu untersuchen, wurde eine Schaltung gemäß Abb. 9
aufgebaut.
Die Durchführung ist analog wie beim FET-Analogschalter in Parallelebetrieb.
3.2.1
Dämpfung
Spannung Uof f en während des geöffneten Schalters:
Uof f en = 1.437V
Spannung Uzu während des geschlossenen Schalters:
Uzu = 120mV
Es ergibt sich eine Dämpfung:
Uzu
120mV
=
= 8.4%
Uof f en
1.437V
Die Ausgangsspannung wird während des geschlossenen Schalters auf ≈ 8.4% der Ausgangsspannung im
offenen Schaltbetrieb gedämpft!
3.2.2
Übertragungsverhältnis
Ausgangsspannung:
Ua = 1.437V
Eingangsspannung:
Ue = 3.06V
⇒
3.2.3
Ua
≈ 0.47
Ue
Schaltzeit
Abbildung 10: Schaltverhalten in Serienbetrieb - Schaltzeit
tserie = 5.6µs