Elektronische Schaltungen

Lehrstuhl für Elektronische Schaltungstechnik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Musch
Bachelor Grundlagenpraktikum
Elektronische Schaltungen
Entwicklung und Aufbau eines Mittelwellenradios
mit separatem Audioverstärker
Version 1.3
LEHRSTUHL FÜR
Elektronische Schaltungstechnik
Inhaltsverzeichnis
0 Einleitung
0.1 Ablauf des Praktikums und Rahmenbedingungen
0.2 Projektbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . .
0.2.1 Mittelwellenempfänger . . . . . . . . . . .
0.2.2 Audioverstärker . . . . . . . . . . . . . . .
0.3 OrCAD Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0.4 Vorausgesetzte Kenntnisse . . . . . . . . . . . . .
0.5 Hinweise zu den Ausarbeitungen . . . . . . . . . .
0.6 Terminübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
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1 Termin 1: Koppelstufe
1.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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16
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2 Termin 2: Eingangsstufe
2.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3 Termin 3: Ausgangsstufe
3.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Termin 4: Gesamtschaltung Audioverstärker
4.1 Erläuterung zu gegengekoppelten Systemen . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5 Termin 5: MW-Empfänger Teil I
5.1 Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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41
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6 Termin 6: MW-Empfänger Teil II
6.1 Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2
7 Termin 7: Aufbau des MW-Empfängers
Inhaltsverzeichnis
50
0 Einleitung
0.1 Ablauf des Praktikums und Rahmenbedingungen
Dieses Praktikum ist ein Projektpraktikum, d.h. es werden nicht jede Woche unabhängige Versuche durchgeführt, sondern es wird über den gesamten Zeitraum an einem Projekt gearbeitet. Schrittweise wird ein vollständiges und lauffähiges System entwickelt,
welches jeder Studierende nach erfolgreicher Beendigung des Praktikums behalten darf.
Die nötigen Informationen und Aufgaben um das Praktikum erfolgreich zu absolvieren
sind in diesem Umdruck beinhaltet. Es existieren generell drei unterschiedliche Typen
von Aufgaben:
Vorbereitungsaufgaben: Diese Aufgaben müssen vollständig gelöst zu dem jeweiligen Termin mitgebracht werden. Zu Beginn eines Termins werden diese Aufgaben
von den Studierenden an der Tafel besprochen und vorgetragen.
Simulationsaufgaben: Diese Aufgaben müssen während eines Termins von den Studierenden mit Hilfe der Simulationssoftware OrCAD gelöst bzw. bearbeitet werden. Kenntnisse in der Benutzung dieses Programms werden nicht vorausgesetzt,
sondern es findet eine Einführung während des ersten Praktikumtermins statt.
Messaufgaben: Diese Aufgaben müssen ebenfalls während des Praktikums gelöst werden. Es handelt sich hierbei um Aufgaben, die mit den am Arbeitsplatz zur Verfügung stehenden Messgeräten und Testschaltungen bearbeitet werden können.
Für jeden der Termine gibt es ein Versuchstestat. Am Ende des Praktikums können
somit bis zu acht Versuchstestate an die Studierenden ausgehändigt worden sein. Um ein
Gesamttestat und damit einen Teilnahmeschein zu erhalten müssen mindestens sieben
dieser acht Versuchstestate vorgewiesen werden können. Ein solches Versuchstestat wird
ausgehändigt, wenn
4
0.2. PROJEKTBESCHREIBUNG
• Die Vorbereitungsaufgaben vollständig gelöst wurden.
• Eine Ausarbeitung pro Gruppe zu dem Thema des jeweiligen Termins nach einer
Woche bzw. nach einmaliger Korrektur nach zwei Wochen abgegeben wurde.
Sollten bei der Bearbeitung der Vorbereitungsaufgaben Probleme auftreten, versuchen
Sie diese bitte zunächst mit Hilfe der empfohlenen Literatur (siehe Kapitel 0.4) zu lösen. Wenn Ihnen dies nicht weiterhilft, stehen Ihnen die Mitarbeiter des Lehrstuhls zur
Verfügung.
Bitte beachten Sie:
Wer unvorbereitet zum Versuchstermin erscheint, kann von der Versuchsdurchführung ausgeschlossen werden. Ein Nachholen dieses Versuchs an einem anderen Tag ist aufgrund der Auslegung als Projektpraktikum dann
nicht mehr möglich.
0.2 Projektbeschreibung
Ziel dieses Praktikums ist die Entwicklung eines Mittelwellenempfängers und eines Audioverstärkers. Beide Teilsysteme können in Reihe geschaltet werden, so dass der Empfang und die Wiedergabe eines amplitudenmodulierten Radiosignals möglich ist.
Die kompletten Schaltungen werden ausschließlich mit diskreten Bauelementen aufgebaut, d.h. es werden keinerlei ICs wie Operationsverstärker o.ä. verwendet.
Der Aufbau des Audioverstärkers soll den Einsatz der in der Vorlesung „Elektronische
Schaltungen“ erlernten Grundschaltungen im niederfrequenten Bereich verdeutlichen,
während es beim Aufbau des Mittelwellenempfängers auch höherfrequente Aspekte zu
beachten gilt.
Beide Teilsysteme werden ausgehend von den Grundlagen stückweise erarbeitet. Dabei
wird mit dem Audioverstärker begonnen, da dort die einzelnen Grundelemente leicht
zu verstehen und zu erkennen sind. Nach Beendigung eines Teilsystems muss dieses von
den Studierenden auf vorgefertigten Leiterkarten mit den entsprechenden Bauelementen bestückt werden.
Im Folgenden soll ein kurzer Überblick über ein paar Merkmale der Teilsysteme gegeben
werden.
KAPITEL 0. EINLEITUNG
5
0.2.1 Mittelwellenempfänger
zum Audioverstärker
Vorverstärker
Aktives Bandpassfilter
Demodulator
Abbildung 0.1: Blockschaltbild des Mittelwellenempfängers
Der Mittelwellenempfänger (Abbildung 0.1 zeigt das zugehörige Blockschaltbild) hat die
Aufgabe ein von einer Radiostation ausgesendetes Signal zu empfangen und zu demodulieren. Die Demodulation ist wichtig, da das gewünschte Nutzsignal (z.B. Audiosignal),
in einem Frequenzband zwischen 20 Hz und 20 kHz liegt, das ausgestrahlte Radiosignal
befindet sich jedoch in einem Frequenzbereich, der deutlich höher als 100 kHz liegt. Diese Frequenzverschiebung des Signals hat verschiedene Gründe. Zum einen ist es für eine
hohe Abstrahlleistung, die für eine Übertragung über weitere Entfernungen nötig ist,
erforderlich, dass die Sendeantenne in ihren Abmessungen im Bereich der Wellenlänge
des Signals liegt. Ein weiterer Grund für die Frequenzverschiebung ist, dass dadurch
mehrere Signale parallel auf verschiedenen Frequenzen störungsfrei übertragen werden
können.
Das eigentliche niederfrequente Nutzsignal wird auf das hochfrequente Signal, den Träger, aufmoduliert. Dazu existieren mehrere Verfahren. Die beiden bekanntesten und
für den Rundfunk genutzten sind die Amplituden- und die Frequenzmodulation. Da
die Amplitudenmodulation wesentlich einfacher zu verstehen und ein zugehöriger Demodulator schaltungstechnisch einfacher zu realisieren ist, wird in diesem Praktikum
ausschließlich diese Modulationsart besprochen.
Bei der Amplitudenmodulation wird die Amplitude des Trägersignals mit dem Verlauf
des Nutzsignals variiert. Somit ist in der Hüllkurve des Trägersignals die Information
des Nutzsignals enthalten. Abbildung 0.2 verdeutlich diesen Zusammenhang.
6
0.2. PROJEKTBESCHREIBUNG
UOff
Nutzsignal
ûN·cos(ωNt)
+
AM-Signal
(UOff+ûN·cos(ωNt))·cos(ωTt)
Trägersignal
cos(ωTt)
Abbildung 0.2: Blockschaltbild zur Amplitudenmodulation
0.2.2 Audioverstärker
Ein Verstärker hat die Aufgabe, ein Eingangssignal mit einem definierten Verstärkungsfaktor an den Ausgang zu übertragen. Hierbei gibt es je nach Anwendungsfall verschiedene Eigenschaften hinsichtlich derer ein Verstärker optimiert werden kann:
• Linearität
• Rauschverhalten
• Wirkungsgrad
• Frequenzgang
• ...
Bei der Auslegung eines Verstärkers für den Audiobereich wird hierbei besonders auf
die Linearitätseigenschaft geachtet. Die benötigte Bandbreite ist durch das Eingangssignal bestimmt. Das Audiofrequenzband liegt zwischen 20 Hz und 20 kHz. Um jedoch
die Oberwellen, welche für ein angenehmes Klanggefühl wichtig sind, erfassen zu können wird die Grenzfrequenz eines Audioverstärkers meist auf ca. 100 kHz bis 300 kHz
festgelegt.
Zusätzlich zu den oben genannten gelten für Audioverstärker noch die folgenden Anforderungen:
• Hohe Ausgangsleistung
KAPITEL 0. EINLEITUNG
7
• Kleiner Ausgangswiderstand
Üblicherweise wird ein Audioverstärker aus mindestens drei Stufen zusammengesetzt
• Eingangsstufe
• Koppelstufe
• Ausgangsstufe
Abbildung 0.3 zeigt ein Blockschaltbild dieser Struktur.
vom MWEmpfänger
Differenzeingang
Koppelstufe
AB-Endstufe
Abbildung 0.3: Blockschaltbild des Audioverstärkers
Diese drei Stufen werden innerhalb des Praktikum einzeln betrachtet und berechnet.
0.3 OrCAD Capture
Der Ablauf einer Schaltungsentwicklung geschieht meist in folgender Weise:
1. Idee einer Schaltung und Abschätzung der Dimensionierung per Hand
2. Verifikation der Dimensionierung mit Hilfe von Simulationen
3. Aufbau und Vermessung der Schaltung
In diese drei Schritte gliedert sich auch das Praktikum. Die Entwicklung der Schaltung
und die Abschätzung der Dimensionierung wird in den Vorbereitungsaufgaben behandelt, Punkt 2 und Punkt 3 werden hauptsächlich während des Praktikums stattfinden.
Für die Durchführung der Simulationen wird das Programm Capture des Herstellers
Cadence verwendet. Alternativ können auch andere Spice Derivate genutzt werden,
die in ihrem Funktionsumfang sehr ähnlich, in ihrer Bedienung jedoch unterschiedlich
sind. Im Folgenden wird daher nur auf das hier im Praktikum verwendete Programm
Capture eingegangen. Hierbei werden die Grundlagen eines Simulationsprogramms nur
8
0.3. ORCAD CAPTURE
rudimentär behandelt, da die genauere Darstellung solcher Programme Gegenstand
anderer Vorlesungen ist. Der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Bedienung des Programms.
Die Abkürzung SPICE steht für Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis und bezeichnet ein Programm, mit dem es möglich ist, komplexe elektronische Schaltungen zu simulieren. Die Eingabe der Schaltungen kann entweder textbasiert, als Netzliste oder mit Hilfe einer grafischen Oberfläche vorgenommen werden.
Nach Eingabe der Schaltung und Dimensionierung der Bauelemente und Quellen können dann verschiedene Simulationen bzw. Berechnungen durchgeführt werden:
• Arbeitspunktberechnung (Bias-Point)
• Transienten-Analyse (Zeitbereich)
• DC-Analyse
• AC-Analyse (Frequenzbereich)
• Parametervariation (z.B. Temperatur)
• Monte Carlo Analyse
Damit das Programm die notwendigen Berechnungen ausführen kann, sind für sämtliche Bauelemente Modelle hinterlegt. Diese bestehen im Wesentlichen aus den jeweiligen charakteristischen Strom-Spannungsgleichungen. Somit wird die Berechnung des
Verhaltens einer Schaltung auf das numerische Lösen der entsprechenden Differentialgleichungen zurückgeführt und kann dann automatisiert, d.h. vom PC übernommen
werden.
Abbildung 0.4a zeigt die grafische Oberfläche von Capture. Hier können Schaltungen
durch Hinzufügen und anschließendes Verbinden von Bauelementen erstellt werden.
Durch Drücken des in Abbildung 0.4a angegebenen Symbols öffnet sich der Dialog zur
Auswahl der Bauelemente (siehe Abbildung 0.4b).
In Bild 0.5a ist der Unterpunkt des Menüs „PSpice“ dargestellt, der für die Simulationseinstellungen zuständig ist. Dieser öffnet das in Bild 0.5b dargestellte Menü zur
Auswahl der gewünschten Simulationsart.
KAPITEL 0. EINLEITUNG
9
Nach Berechnung der gewünschten Simulation öffnet sich das Ergebnis in einem neuen Programmfenster und kann dort vom Nutzer interpretiert werden (siehe Abbildung
0.6).
10
0.3. ORCAD CAPTURE
(a) Grafische Oberfläche
(b) Dialog - Bauelementeauswahl
Abbildung 0.4: OrCAD Oberfläche
KAPITEL 0. EINLEITUNG
11
(a) Simulationsmenü
(b) Dialog - Simulationseinstellungen
Abbildung 0.5: OrCAD Menü
12
0.3. ORCAD CAPTURE
Abbildung 0.6: Simulationsergebnis
KAPITEL 0. EINLEITUNG
13
0.4 Vorausgesetzte Kenntnisse
• Begleitende Vorlesung „Elektronische Schaltungen“, Prof. Dr.-Ing. T. Musch.
Als Sekundärliteratur wird das Buch „Analysis and Design of Analog Integrated
Circuits“ von Gray und Meyer, sowie „Halbleiter-Schaltungstechnik“ von Tietze
und Schenk empfohlen.
• Schriftlich gelöste und zum Versuchstermin mitgebrachte Vorbereitungsaufgaben.
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0.5. HINWEISE ZU DEN AUSARBEITUNGEN
0.5 Hinweise zu den Ausarbeitungen
• Äußere Form
– Berichte sind geheftet abzugeben
– Bitte sauber und leserlich schreiben und für Zeichnungen ein Lineal verwenden
• Vorbereitungsaufgaben
– Wenn Näherungen durchgeführt werden, sind diese kenntlich zu machen und
zu begründen
– Korrekte Einheiten verwenden
• Simulationsaufgaben
– Verwendete Quellen nennen (VAC, VSin etc.)
– Einstellungen der Quellen nennen (z.B. VAMPL oder FREQ)
– Simulationsart nennen (Bias Point, Transient, AC, DC, etc.)
– Vergleich mit erwarteten/errechneten Werten: Abweichungen berechnen und
begründen
• Messaufgaben
– Messmethode und verwendete Geräte nennen (es genügt der Gerätetyp, z.B.
Oszilloskop oder Multimeter)
– Einstellungen der Messgeräte (z.B. xy-Modus) und des Funktionsgenerators
(Amplitude, Frequenz) nennen
– Vergleich mit erwarteten/errechneten Werten: Abweichungen berechnen und
begründen
KAPITEL 0. EINLEITUNG
0.6 Terminübersicht
1. Termin
• Einführung in Orcad Capture und PSpice
• Koppelstufe
2. Termin
• Differenzeingangsstufe
3. Termin
• Ausgangsstufe
4. Termin
• Gesamtschaltung Audioverstärker
• Bestückung des Audioverstärkers
5. Termin
• MW-Empfänger Teil I:
Eingangschaltung und LC-Schwingkreis mit Mitkopplung
6. Termin
• MW-Empfänger Teil II:
Demodulator und Ausgangsfilter
7. Termin
• Bestückung des MW-Empfängers
• Test der Gesamtschaltung
15
1 Termin 1: Koppelstufe
1.1 Vorbereitungsaufgaben
Die Koppelstufe stellt die Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsstufe eines
Verstärkers dar und ist die Einfachste der drei Stufen. Sie dient im Wesentlichen dazu,
eine ausreichend hohe Verstärkung innerhalb der Gesamtschaltung bereitzustellen.
Im Folgenden soll eine Koppelstufe schrittweise entwickelt und untersucht werden.
Vorbereitungsaufgabe 1.1
Zeichnen Sie die einfachste Verstärkerschaltung, mit einer Spannungsverstärkung betragmäßig größer als eins, die Sie in der Vorlesung kennengelernt haben. Verwenden Sie
hierzu einen npn-Transistor, einen Widerstand und eine ideale Spannungsquelle.
Folgende Randbedingungen sind gegeben:
• Umgebungstemperatur T = 300 K
• Versorgungsspannung UB = 9 V
• Lastwiderstand RL = 13,5 kΩ
• Kollektor-Emitter-Spannung UCE =
UB
2
• Early-Spannung UEarly = 74 V
• Stromverstärkung B = β = 255,9
• Sperrsättigungsstrom IS = 14,6 fA
• Basis-Emitter-Kapazität CBE = 25 pF
• Basis-Kollektor-Kapazität CCB = 10 pF
KAPITEL 1. TERMIN 1: KOPPELSTUFE
17
Vorbereitungsaufgabe 1.2
Wie groß ist der Kollektorstrom IC des Transistors und wie groß muss demnach der
DC-Anteil der Eingangsspannung der Schaltung sein?
Vorbereitungsaufgabe 1.3
Wie groß ist die Steilheit gm des Transistors und die Spannungsverstärkung vu der
Gesamtschaltung?
Vorbereitungsaufgabe 1.4
Berechnen Sie den Kleinsignaleingangswiderstand rEin der Schaltung und den damit
verbundenen Dämpfungsfaktor, der sich im Zusammenhang mit dem Quellwiderstand
der vorhergehenden Stufe ergibt. Der Dämpfungsfaktor gibt das Verhältnis
Hinweis:
UBE
UEin
an.
• Quellwiderstand RQ = 50 Ω
Vorbereitungsaufgabe 1.5
Auf Grund des Stromflusses erhöht sich die Temperatur des Transistors um ΔT = 10 K.
Schätzen Sie die Änderung des Kollektorstroms IC durch die Temperaturänderung ab.
Wie groß ist die Steilheit gm des Transistors jetzt? Wie verhält es sich mit der Spannungsverstärkung vu ?
Vorbereitungsaufgabe 1.6
Treffen Sie eine geeignete schaltungstechnische Maßnahme um die Auswirkungen der
Temperaturänderung möglichst gut zu unterdrücken. Verwenden Sie hierzu nur ein Bauelement. Berechnen Sie das Verhältnis der sich ergebenden Steilheiten für T1 = 300 K
und T2 = 310 K. Nehmen Sie hierzu einen Wert für das von ihnen hinzugefügte Element
an. IC1 (T1 = 300 K) habe weiterhin den in Aufgabe 1.2 berechneten Wert.
18
1.2. SIMULATIONSAUFGABEN
Vorbereitungsaufgabe 1.7
Welcher Nachteil entsteht durch diese Maßnahme und wie kann man diesen durch Hinzufügen eines weiteren Bauteils reduzieren?
Als Letztes soll nun noch eine Untersuchung im Frequenzbereich durchgeführt werden.
Vorbereitungsaufgabe 1.8
Berechnen Sie die Eingangskapazität CEin der Schaltung unter Berücksichtigung des zu
Beginn angegebenen Lastwiderstandes. Die Berechnung soll für die ursprüngliche Temperatur T = 300 K durchgeführt werden. Berücksichtigen Sie hierbei den Miller-Effekt.
Vorbereitungsaufgabe 1.9
Berechnen Sie die Eckfrequenz ωg der Schaltung und zeichnen Sie den Verlauf der Übertragungsfunktion H(jω) = UUAE in die Abbildung 1.1 ein.
1.2 Simulationsaufgaben
Simulationsaufgabe 1.1
Erstellen Sie die Schaltung aus Aufgabe 1.1 im Simulationsprogramm OrCAD Capture.
Nutzen Sie als Spannungsquelle eine Quelle des Typs VSin und tragen Sie bei dieser
den berechneten Wert der Basis-Emitterspannung aus Aufgabe 1.1 ein. Verifizieren Sie
den berechneten Kollektorstrom des Transistors mit Hilfe einer Bias Point Analyse.
Hinweise:
• Nutzen Sie das Transistormodell Q2N2222 für npn-Transistoren
KAPITEL 1. TERMIN 1: KOPPELSTUFE
19
Simulationsaufgabe 1.2
Wählen Sie für die Spannungsquelle eine geeignete Amplitude und sehen Sie sich den
Zeitverlauf des Ausgangssignals mit Hilfe einer Transienten Analyse an. Bestimmen Sie
die Spannungsverstärkung vu .
Simulationsaufgabe 1.3
Ersetzen Sie nun die Spannungsquelle durch eine Quelle des Typs VAC mit demselben
Offset und einer Amplitude von 1 V. Schauen Sie sich nun den Verlauf der Verstärkung der Schaltung über der Frequenz mit Hilfe einer AC Analyse an und erläutern Sie
das Verhalten. Bestimmen Sie die DC-Verstärkung v0 in dB sowie die Grenzfrequenz ωg .
20
1.2. SIMULATIONSAUFGABEN
Abbildung 1.1: Bodediagramm
2 Termin 2: Eingangsstufe
2.1 Vorbereitungsaufgaben
Als Eingangsstufe eines Audioverstärkers wird in der Regel ein Differenzverstärker
eingesetzt.
Vorbereitungsaufgabe 2.1
Es soll ein Differenzverstärker mit ohmscher Last entwickelt werden. Ihnen stehen hierzu
folgende Bauelement zur Verfügung:
• 2 pnp-Bipolartransistoren T1 , T2 (UEarly → ∞)
• 2 ohmsche Widerstände R1 , R2
• 1 ideale Stromquelle I0
• 2 symmetrische Versorgungsspannungsquellen
Das Ausgangssignal UA der Schaltung soll über einem der Widerstände gegen Masse
abgegriffen werden.
Vorbereitungsaufgabe 2.2
Geben Sie den invertierenden und den nicht invertierenden Eingang ihrer Schaltung
an. Kennzeichnen Sie dazu eindeutig sowohl Eingang uE,Dif f als auch Ausgang ihrer
Schaltung.
Vorbereitungsaufgabe 2.3
C1
C2
Geben Sie die Steilheiten gmT1 = dUdI
und gmT2 = dUdI
der beiden EinzeltransisE,Dif f
E,Dif f
toren an und vergleichen Sie diese mit der Steilheit eines Transistors in Emitterschal-
tung. Begründen Sie den Unterschied.
22
2.1. VORBEREITUNGSAUFGABEN
Vorbereitungsaufgabe 2.4
Bestimmen Sie die Kleinsignalverstärkung v =
Nehmen Sie an, dass R1 = R2 = RC gilt.
uA
.
uE,Diff
Da die Differenzverstärkerstufe als erste Stufe des Gesamtsystems eine möglichst hohe
Verstärkung besitzen soll, ist es oft zweckmäßig den ohmschen Lastwiderstand durch
einen hochohmigen Stromspiegel zu ersetzen.
Vorbereitungsaufgabe 2.5
Ersetzen Sie die ohmschen Lastwiderstände ihrer Schaltung durch einen Stromspiegel.
Ihnen stehen hierzu folgende Bauelemente zur Verfügung:
• 2 npn-Bipolartransistoren
Das Ausgangssignal soll weiterhin über einem Lastwiderstand gegen Masse abgegriffen
werden.
Vorbereitungsaufgabe 2.6
Bestimmen Sie den invertierenden und den nicht invertierenden Eingang ihrer Schaltung. Kennzeichnen Sie hierzu wieder eindeutig den Eingang und den Ausgang der
Schaltung.
Vorbereitungsaufgabe 2.7
Berechnen Sie die Gesamtsteilheit gm2 =
dIA
dUE
der Schaltung.
Vorbereitungsaufgabe 2.8
Begründen Sie anschaulich den Unterschied der Steilheiten aus Aufgabe 2.3 und 2.7.
Vorbereitungsaufgabe 2.9
Berechnen Sie mit Hilfe des Ergebnisses aus 2.7 den Wert der Spannungsverstärkung
vu = UUEA des Differenzverstärkers, wenn als Lastwiderstand
1. ein Widerstand RL = 1 kΩ
KAPITEL 2. TERMIN 2: EINGANGSSTUFE
23
2. ein Widerstand RL = 8 Ω (Lautsprecher)
eingesetzt wird. Erläutern Sie kurz die sich aus diesem Vergleich ergebenden schaltungstechnischen Konsequenzen für den Verstärker.
Es gelten folgende Randbedingungen:
• Temperatur: T = 300 K
• Versorgungsspannung: UB = ±4,5 V
• I0 = 2 mA
• Stromverstärkung der Transistoren: B = β = 200
• UEarly → ∞
Vorbereitungsaufgabe 2.10
Der Schaltung werden nun zwei ohmsche Widerstände als Gegenkopplungswiderstände
in den Emitterzweigen hinzugefügt. Welche Vor- und welche Nachteile bringt diese
Modifikation für die Verstärkerschaltung mit sich?
2.2 Simulationsaufgaben
Hinweise:
• Nutzen Sie für npn-Transistoren das Transistormodell BC848
• Nutzen Sie für pnp-Transistoren das Transistormodell BC858
Simulationsaufgabe 2.1
Geben Sie die Schaltung aus Aufgabe 2.1 in das Simulationsprogramm OrCAD Capture ein. Überprüfen Sie den Arbeitspunkt und beschreiben Sie die Veränderung der
Kleinsignalverstärkung über der Temperatur qualitativ. Wählen Sie den Lastwiderstand RL = 1 kΩ.
Um ein Gegentaktsignal zu erzeugen, nutzen Sie für die Verstärkungssimulation eine
AC-Quelle mit einer Verschaltung wie in Abbildung 2.1 gezeigt.
24
2.3. MESSAUFGABEN
uE,Diff
-1
VAC
Abbildung 2.1: Gegentaktansteuerung mit PSPICE
Hinweis: Die Temperaturvariation können Sie über „Analysis→AC-Sweep→Temperature
(Sweep)“ einstellen.
Simulationsaufgabe 2.2
Erweitern Sie die Schaltung um die Gegenkopplungswiderstände aus Aufgabe 3.10 und
beschreiben Sie auch hier die Änderung der Verstärkung über der Temperatur. Wählen
Sie hierzu RGK = 100 Ω.
2.3 Messaufgaben
Auf der vorliegenden Platine sind zwei Schaltungen realisiert. Schaltung 1 stellt einen
Differenzverstärker mit ohmscher Last dar. In Schaltung 2 sind die ohmschen Lastwiderstände durch einen Stromspiegel ersetzt. Abbildung 2.2 zeigt die beiden Schaltungen.
Über den Jumper J1 kann gewählt werden, an welche der beiden Schaltungen das Eingangssignal angelegt wird.
Die ersten Messaufgaben beziehen sich auf den Differenzverstärker mit ohmscher Last
(Schaltung 1).
Messaufgabe 2.1
Machen Sie sich zunächst mit der Platine und dem Aufbau dieser Schaltung vertraut.
Mit dem Jumper J2 kann in der Eingangsbeschaltung zwischen Gleich- und Gegentaktansteuerung gewechselt werden. Stellen Sie den Jumper auf Gegentaktansteuerung
ein.
In den Emitterzweigen der Differenzverstärker-Transistoren sind überbrückbare Gegenkopplungswiderstände vorgesehen. Lokalisieren Sie diese Widerstände auf der Platine
und stecken Sie den Jumper so, dass die Widerstände überbrückt sind.
KAPITEL 2. TERMIN 2: EINGANGSSTUFE
25
1
R0 = 2kΩ
RGK = RGK,SP = 100Ω
RL1 = RL2 = RL = 1kΩ
RSP = 1,8kΩ
uE,Diff
2
R0 = 2kΩ
RGK = RGK,SP = 100Ω
RL1 = RL2 = RL = 1kΩ
RSP = 1,8kΩ
uE,Diff
Abbildung 2.2: Testschaltung der Eingangsstufe
Mit einem weiteren Jumper kann zwischen zwei verschiedenen Stromquellen gewählt
werden. Zunächst soll ein ohmscher Widerstand die Stromquelle bilden. Stecken Sie
dafür den Jumper entsprechend.
Messaufgabe 2.2
Bestimmen Sie uE,P P so, dass sich eine Differenz-Eingangsspannung von uEDif f,P P =
20 mV einstellt. Begründen Sie Ihre Antwort.
Messaufgabe 2.3
Bestimmen Sie die Kleinsignalverstärkung v =
UA
UE,Diff
der Schaltung. Legen Sie dazu mit
dem Funktionsgenerator ein sinusförmiges Eingangssignal mit der zuvor bestimmten
Amplitude und einer Frequenz von 1 kHz an.
Messaufgabe 2.4
26
2.3. MESSAUFGABEN
Bestimmen Sie den linearen Aussteuerbereich der Schaltung. Legen Sie dazu ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Frequenz von 1 kHz und einer Amplitude von 2,5 V
an den Eingang an.
Tragen Sie dazu die Ausgangsspannung UA über UE auf. Verwenden Sie hierfür den xyModus (Menu/Zoom-Zeitbasis-x/y Modus). Messen Sie die Spannung UE hinter dem
Spannungsteiler am Pin „SigBuf“ gegen Masse. Berücksichtigen Sie in der Auswertung,
dass UE,Dif f durch die Gegentaktverschaltung doppelt so groß ist.
Messaufgabe 2.5
Modifizieren Sie die Schaltung nun so, dass die Gegenkopplungswiderstände in den
Emitterzweigen wirksam sind. Bestimmen Sie auch für diese Beschaltung den linearen
Aussteuerbereich der Schaltung und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem aus Aufgabe
2.4.
Messaufgabe 2.6
Bestimmen Sie auch für diese Beschaltung die Kleinsignalverstärkung
UA
v = UE,Dif
mit dem gleichen Eingangssignal wie in Aufgabe 3.2.
f
Die letzte Messaufgabe bezieht sich auf den Differenzverstärker mit Stromspiegel-Last.
Auf Gegenkopplungswiderstände wurde in dieser Schaltung verzichtet. Die Stromquelle
ist durch einen Stromspiegel realisiert.
Messaufgabe 2.7
UA
Bestimmen Sie auch für diese Schaltung die Kleinsignalverstärkung v = UE,Dif
. Verf
gleichen Sie das Ergebnis mit der Kleinsignalverstärkung aus der Vorbereitungsaufgabe
2.9. Stellen Sie den Funktionsgenerator auf die Amplitude ein, die Sie in Messaufgabe
2.2 bestimmt haben.
3 Termin 3: Ausgangsstufe
3.1 Vorbereitungsaufgaben
Die Ausgangsstufe einer Verstärkerschaltung hat die Aufgabe, hohe Ströme an die Last
abzugeben. Im Folgenden wird schrittweise eine solche Ausgangsstufe entwickelt.
Vorbereitungsaufgabe 3.1
Gegeben ist die in Abbildung 3.1 abgebildete Kollektor-Schaltung im A-Betrieb.
Berechnen Sie die AC-Spitzenleistung, die die Schaltung bei Ansteuerung mit einer
positiven Halbwelle maximal unverzerrt abgeben kann.
Hinweise:
• Der Transistor arbeitet unverzerrt, wenn UCB ≥ 0 V gilt.
• Es gelte UBE = 0,7 V.
• Der Transistor kann ansonsten als ideal betrachtet werden.
(UEarly >>, B = β >>)
4,5 V
50 Ω
T1
8Ω
UE
I0
-4,5 V
Abbildung 3.1: Kollektorschaltung im A-Betrieb
28
3.1. VORBEREITUNGSAUFGABEN
Vorbereitungsaufgabe 3.2
Berechnen Sie den Ruhestrom I0 , der nötig ist, damit die Schaltung die in Aufgabe 4.1
berechnete maximale Leistung auch bei negativer Aussteuerung abgeben kann.
Vorbereitungsaufgabe 3.3
Ermitteln Sie die Kapazität aktuell erhältlicher 9V-Blockbatterien und schätzen Sie die
Standby Lebensdauer in Stunden ab.
Vorbereitungsaufgabe 3.4
Berechnen Sie die statische Verlustleistung des Transistors T1 .
Vorbereitungsaufgabe 3.5
Entwickeln Sie eine Komplementärendstufe bestehend aus zwei komplementär-identischen
Transistoren. Ihnen stehen eine postive und eine negative Versorgungsspannung mit
UB = ±4,5 V zur Verfügung. Als Last soll ein ohmscher Widerstand mit RL = 8 Ω
verwendet werden.
Vorbereitungsaufgabe 3.6
Zeichnen Sie den Verlauf der Ausgangsspannung uA (t) in Abbildung 3.2 und die Übertragungskennlinie uA = f (uE) in Abbildung 3.3 ein.
Worin liegt der Nachteil dieser Schaltung?
Vorbereitungsaufgabe 3.7
Fügen Sie zwei ideale Spannungsquellen ein, so dass der Nachteil der vorhergehenden
Schaltung behoben wird. Geben Sie den ungefähren Wert der Spannungsquellen an.
Vorbereitungsaufgabe 3.8
Ersetzen Sie die eingefügten Spannungsquellen nun durch reale Bauelemente. Ihnen
stehen dazu zwei Widerstände und zwei Dioden zur Verfügung.
Welcher Nachteil entsteht durch den Einsatz der Widerstände hinsichtlich des Stromes
durch die Dioden?
KAPITEL 3. TERMIN 3: AUSGANGSSTUFE
29
uA
ûE=5V
uE
t
Abbildung 3.2: Ein- und Ausgangsspannung der Komplementärendstufe
uA
uE
Abbildung 3.3: Übertragungskennlinie der Komplementärendstufe
Vorbereitungsaufgabe 3.9
Ersetzen Sie die Widerstände durch reale Stromquellen, so dass der Ruhestrom durch
die Ausgangstransistoren IQ = 5 mA beträgt.
30
3.2. SIMULATIONSAUFGABEN
Vorbereitungsaufgabe 3.10
Berechnen Sie auch für diese Schaltung die Lebensdauer der Batterie ohne Signalansteuerung und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem aus Aufgabe 4.3.
Vorbereitungsaufgabe 3.11
Stellen Sie die Vor- und Nachteile der einfachen Kollektorschaltung im A-Betrieb und
einer Komplementärendstufe im B und AB-Betrieb gegenüber.
3.2 Simulationsaufgaben
An diesem Praktikumstermin müssen keine Simulationsaufgaben bearbeitet werden.
Zum vertieften Verständnis der behandelten Schaltungen wird aber deren Simulation
in Heimarbeit empfohlen.
KAPITEL 3. TERMIN 3: AUSGANGSSTUFE
31
3.3 Messaufgaben
Auf der vorliegenden Platine sind die Kollektorschaltung im A-Betrieb (mit realer
Stromquelle) und die Komplementärendstufe im AB-Betrieb realisiert. Abbildungen
3.4 und 3.5 zeigen deren Schaltbilder.
4,5V
T1
uE
Rr
6,8Ω
RL=100Ω
T2
RGK
T3
1Ω
RGK
1Ω
-4,5V
Abbildung 3.4: Realisierung der Kollektorschaltung im A-Betrieb
Machen Sie sich zunächst mit der Platine und dem Aufbau der beiden Schaltungen
vertraut.
Die ersten beiden Messaufgaben beziehen sich auf die Kollektorschaltung im A-Betrieb.
Messaufgabe 3.1
Messen Sie die Stromaufnahme der Kollektorschaltung ohne Signalaussteuerung. Schließen Sie hierzu einen Abschlusswiderstand von 50 Ω an den Schaltungseingang. Dieser
wird benötigt, damit ein Basisstrom für den Transistor T1 fließen kann.
Messaufgabe 3.2
32
3.3. MESSAUFGABEN
4,5V
RGK,1
100Ω
RGK,1
T7
100Ω
T8
T3
Rr
uE
T1
RGK,2
0,5Ω
RGK,2
0,5Ω
J1
RGK,2
0,5Ω
RGK,2
0,5Ω
RL=1kΩ
J2
T4
T5
RGK,1
T2
T6
100Ω
RGK,1
100Ω
-4,5V
Abbildung 3.5: Realisierung Komplementärendstufe im AB-Betrieb
Legen Sie ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Amplitude von 2 V und einer Frequenz von 1 kHz an den Eingang und dokumentieren Sie das Ausgangssignal.
Erläutern Sie die Form des Ausgangssignals.
KAPITEL 3. TERMIN 3: AUSGANGSSTUFE
33
Die folgenden Messaufgaben beziehen sich auf die Komplementärendstufe im AB-Betrieb.
Messaufgabe 3.3
Modifizieren Sie die Schaltung so, dass kein Ruhestrom durch die Ausgangstransistoren
fließt.
Messaufgabe 3.4
Legen Sie ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Amplitude von 2 V und einer
Frequenz von 1 kHz an den Eingang und dokumentieren Sie das Ausgangssignal.
Erläutern Sie die Form des Ausgangssignals.
Messaufgabe 3.5
Modifizieren Sie die Schaltung nun so, dass ein Ruhestrom von 5 mA durch die Ausgangstransistoren fließt.
Messaufgabe 3.6
Legen Sie ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Amplitude von 2 V und einer
Frequenz von 1 kHz an den Eingang und dokumentieren Sie wieder das Ausgangssignal
und erläutern dessen Form.
Messaufgabe 3.7
Messen Sie die Ruhestromaufnahme dieser Schaltung und vergleichen Sie sie mit der
der Kollektorschaltung im A-Betrieb (Messaufgabe 4.1).
Messaufgabe 3.8
Vergleichen Sie die Temperaturentwicklung der beiden Schaltungen und den Aufwand
für die Kühlung.("Handabschätzung")
4 Termin 4: Gesamtschaltung
Audioverstärker
4.1 Erläuterung zu gegengekoppelten Systemen
+
UD
OP
–
UE
RPot
UA
R
Abbildung 4.1: Gesamtsystem des Verstärkers
Abbildung 4.1 zeigt den schematischen Aufbau sowie die Verschaltung des Gesamtverstärkers. Die in den ersten drei Terminen entwickelten Teilschaltungen sind zu einem
Gesamtsystem, einem sogenannten Operationsverstärker (OP), zusammengefügt. Die
Verstärkung des OPs ergibt sich aus dem Produkt der Verstärkungen der einzelnen
Teilschaltungen zu vOP = vDiff · vKoppel · vAusg .
Anstatt jedoch diese hohe Gesamtverstärkung zu nutzen um damit das Eingangssignal
KAPITEL 4. TERMIN 4: GESAMTSCHALTUNG AUDIOVERSTÄRKER
35
zu verstärken, wird der Verstärker gegengekoppelt. Dazu wird das Ausgangssignal über
ein Rückkoppelnetzwerk - hier bestehend aus dem Potentiometer RPot und dem Widerstand R - auf den negativen Eingang zurückgeführt. Durch diese Gegenkopplung wird
erreicht, dass die Differenzspannung UD am Eingang des OPs auf eine Spannung von nahezu 0 V geregelt wird. Ist dies der Fall, so ist es einsichtig, dass das Verhältnis vB = UUAE
- die Betriebsverstärkung - allein durch das Rückkoppelnetzwerk bestimmt wird. Im
konkreten Fall in Abbildung 4.1 beträgt die Betriebsverstärkung vB = 1 + RRPot . Diese
Betriebsverstärkung ist zwar deutlich geringer als die eigentliche Verstärkung des OPs,
der übrige Teil ist jedoch nicht verloren, sondern bildet die sogenannte Ringverstärkung
vR .
Das Konzept der Gegenkopplung mit einer ausreichend hohen Ringverstärkung hat folgende Vorteile:
• Erhöhung der Linearität, da die Betriebsverstärkung nur vom linearen Rückkoppelnetzwerk abhängt
• Unterdrückung einkoppelnder Störungen (siehe unten)
• Erhöhung der Bandbreite
• ...
Zur Untersuchung der Eigenschaft der Störunterdrückung ist in Abbildung 4.2 ein
Blockschaltbild des Verstärkersystems angegeben. Am Ausgang des Verstärkers kopple
ein Störsignal S ein.
Das Ausgangssignal y ergibt sich nun zu:
y = (x + f ) · v0 + S = (x + y · k) · v0 + S
y · (1 − k · v0 ) = v0 · x + S
S
v0
+
y = x·
1 − k · v0 1 − k · v0
x + vS0 · v0 S
y=
= x+
·
1 − k · v0
v0
1
v0
1
−k
Die Störung S wird also durch die Verstärkung des OPs geteilt und ihr Einfluss auf das
Ausgangssignal damit stark reduziert.
36
4.2. VORBEREITUNGSAUFGABEN
Verstärker
x
+
e
S
+
y
v0
f
k
Abbildung 4.2: Verstärker mit Störung am Ausgang
4.2 Vorbereitungsaufgaben
In der Abbildung 4.3 ist nun der detaillierte Schaltplan des gesamten Audioverstärkers
angegeben. Ferner gelten folgende Randbedingungen:
• Versorgungsspannung UB = 9 V
• Basis-Emitter-Spannung UBE = 0,7 V
• Stromverstärkung B = β → ∞
Vorbereitungsaufgabe 4.1
Identifizieren Sie die in den ersten drei Terminen besprochenen Teilschaltungen (Eingangsstufe, Koppelstufe und Ausgangsstufe) und kennzeichnen Sie diese in Abbildung
4.3.
Vorbereitungsaufgabe 4.2
Kennzeichnen Sie in Abbildung 4.3 die zum Rückkoppelnetzwerk gehörenden Bauelemente.
Vorbereitungsaufgabe 4.3
Berechnen Sie die Ströme I1 bis I4 sowie die Spannung U1 .
KAPITEL 4. TERMIN 4: GESAMTSCHALTUNG AUDIOVERSTÄRKER
37
Vorbereitungsaufgabe 4.4
Was passiert wenn die Spannung U1 zu 0 V gewählt wird? Begründen Sie ihre Antwort.
UE
Abbildung 4.3: Gesamtschaltung
R40
1MΩ
C25
100nF
R35
47kΩ
C24
10uF
R38
1kΩ
C32
320p
U1
R32
470kΩ
T28
BC847
R54
470kΩ
T31
BC857
T29
BC847
T30
BC857
C26
47pF
T27
BC847
R45
1kΩ
T12
BC847
R47
47kΩ
T16
T18
BC857 BC857
R43
1kΩ
R34
470Ω
T13
BC857
I3
R44
1kΩ
I2
I1
C27
100nF
R27
100kΩ
GND
C28
100nF
+UB
R46
220Ω
I4
T19
BC847
T24
BC857
T25
BC847
R42
220Ω
T22
BC857
T23
BC847
T17
BC857
R39
2Ω
R48
2Ω
R37
10kΩ
R49
10kΩ
T21
BC857
T20
BC847
T15
BF721
T14
BF720
R36
10kΩ
C31
470uF
UA
38
4.2. VORBEREITUNGSAUFGABEN
KAPITEL 4. TERMIN 4: GESAMTSCHALTUNG AUDIOVERSTÄRKER
Abbildung 4.4: Bestückungsplan Audioverstärker
39
40
4.2. VORBEREITUNGSAUFGABEN
#
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
Bauteil
C9
C10
C24
C25
C26
C27
C28
C29
C30
C31
C32
C34
R2
R28
R29
R30
R32
R33
R34
R35
R36
R37
R38
R39
R40
R41
R42
R43
R44
R45
R46
R47
R48
R49
R54
T5
T14
T15
R27
Wert
100nF
100æF / 16V
10u
100n
47p
100n
100n
100n
470æF / 16V
470æF / 16V
320p
100n
10
220
0 Ohm
220
470k
1
470
47k
10k
10k
1k
2
1meg
4k7
220
1k
1k
1k
220
47k
2
10k
470k
BSP250
BF720
BF721
100k
Form
IEC-1206/A
EC 2,5MM 7D S
IEC-1206/A
IEC-1206/A
IEC-1206/A
IEC-1206/A
IEC-1206/A
IEC-1206/A
EC 5MM 10D S
EC 5MM 10D S
IEC-1206/A
IEC-1206/A
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
SOT-223/A
SOT-223/A
SOT-223/A
PT15 Nh(5)
Tabelle 4.1: Bauteilliste Audioverstärker
5 Termin 5: MW-Empfänger Teil I
5.1 Vorbereitung
Mit Hilfe des Mittelwellenempfängers soll es möglich sein, ein sogenanntes Trägersignal
einer gewünschten Frequenz zu empfangen und weiterzuverarbeiten. Dieses Trägersignal wird von einer Radiostation ausgesandt und beinhaltet, wie in der Einleitung des
Praktikums beschrieben, die gewünschte Audioinformation. Da das gewünschte Trägersignal monofrequent ist, kann es mit einem einfachen Filter aus dem restlichen Signal
extrahiert werden. Im Folgenden soll daher ein solches Filter berechnet werden.
Gegeben ist der reale Parallelschwingkreis in Abbildung 5.1, bestehend aus einem Kondensator C, einer Spule L und deren Serienwiderstand R.
L
C
R
Abbildung 5.1: Parallelschwingkreis
Vorbereitungsaufgabe 5.1
Skizzieren Sie den Verlauf der Ortskurve dieses Filters und kennzeichnen Sie die Resonanzfrequenz. Welche Eigenschaften hat die Impedanz in diesem Punkt?
42
5.1. VORBEREITUNG
Vorbereitungsaufgabe 5.2
Berechnen Sie allgemein die Resonanzfrequenz f res des Filters.
Vorbereitungsaufgabe 5.3
Für die Spule sind folgende Werte bekannt:
• Induktivität L=470 µH
• Serienwiderstand R=40 Ω
Wie groß muss die Kapazität C des Kondensators gewählt werden um eine Resonanzfrequenz von fres = 725 kHz zu erhalten?
UB
RL
CK
IQ
IC,2
R1
T2
CK
uA
T1
uE
R2
RGK
CGK
UZ
Abbildung 5.2: Kaskodeschaltung
Vorbereitungsaufgabe 5.4
Die in Abbildung 5.2 dargestellte Kaskodeschaltung dient zur Verstärkung des gefilterten Antennensignals. Bestimmen Sie alle Widerstände RGK, R1 und R2 so, dass ein
Strom I C,2 = 1 mA fließt. Für den Querstrom I Q soll gelten I Q = 10I B,1. Folgende
Randbedingungen sind gegeben:
• Versorgungsspannung: U B = 9 V
• Basisspannung von T 2: U Z = 3,2 V
• Lastwiderstand RL = 3 kΩ
• Die Stromverstärkung der Transistoren beträgt B = β = 200
• Der Sperrsättigungsstrom beträgt I S = 14,6 fA
• Der Transistor T 1 soll sich im Arbeitspunkt U BC,1 = 0 V befinden
KAPITEL 5. TERMIN 5: MW-EMPFÄNGER TEIL I
43
• Die Basis-Emitter-Kapazität beider Transistoren beträgt C BE = 51 pF
• Die Basis-Kollektor-Kapazität beträgt C CB = 3,8 pF
• Die Kapazität C GK bildet einen Kleinsignalkurzschluss.
Vorbereitungsaufgabe 5.5
In welcher Grundschaltung befinden sich die Transistoren T1 und T2 ?
u
Bestimmen Sie allgemein die Verstärkung v = uA der Schaltung. Für diese Teilaufgabe
E
vernachlässigen Sie alle Kapazitäten und nehmen an UEarly.
Vorbereitungsaufgabe 5.6
Vergleichen Sie die Eingangskapazität und die Verstärkung mit den Ergebnissen aus
Aufgabe 2.3 und 2.8 . Welche Vorteile ergeben sich, wenn Sie berücksichtigen, dass
diese Schaltung an den Ausgang des Filters angeschlossen wird ?
Rk
A
IRK
v
IE
IZ
uE
Z(jω)
uA
L
C
R
Abbildung 5.3
Vorbereitungsaufgabe 5.7
Die Güte des Schwingkreises wird durch den Serienwiderstand der Induktivität begrenzt. Um die Trennschärfe des Empfängers zu verbessern soll ein geringer Teil des
verstärkten Antennensignals über eine Mitkopplung zurückgeführt werden. Um ein Aufschwingen zu vermeiden, muss in der Rückführung darauf geachtet werden, dass die
Ringverstärkung klein bleibt (v r 1). Das Schaltungsprinzip zeigt Abbildung 5.3.
Realisieren Sie den Verstärker v durch eine Operationsverstärkerschaltung mit der Verstärkung v = 10. Dazu stehen Ihnen zwei Widerstände und ein idealer Operationsverstärker (v 0 → ∞, REin → ∞) zur Verfügung.
44
5.1. VORBEREITUNG
Vorbereitungsaufgabe 5.8
Bestimmen Sie die Ringverstärkung v r der Schaltung für den Fall f = f res. Trennen Sie
dazu die Schaltung am Punkt A auf. Wie groß ist die Phasendrehung bei der Resonanzfrequenz ?
Vorbereitungsaufgabe 5.9
Für welchen Widerstand Rk wird die Ringverstärkung |v r(f res)| = 1 ? Was passiert in
diesem Fall ?
Vorbereitungsaufgabe 5.10
Stellen Sie den Widerstand Rk so ein, dass für die Ringverstärkung bei der Resonanzfrequenz v r(f res) = 0,1 gilt.
KAPITEL 5. TERMIN 5: MW-EMPFÄNGER TEIL I
45
5.2 Simulationsaufgaben
Simulationsaufgabe 5.1
Bestimmen Sie mit Hilfe einer Simulation die Bandbreite und die Resonanzfrequenz
des Schwingkreises und berechnen Sie daraus die Güte. Verwenden Sie hierzu folgende
Befehle in PSpice:
Bandwidth_Bandpass_3dB(U A )
CenterFrequency(U A )
Simulationsaufgabe 5.2
Stellen Sie das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsstrom der in Abbildung 5.3 gezeigten Schaltung in Abhängigkeit der Frequenz dar. Verwenden Sie einen
Operationsverstärker OPAMP mit der in Aufgabe 5.1 bestimmten Beschaltung.
Skizzieren Sie die Ausgangsspannung über der Frequenz für einen Widerstand Rk von
1 MΩ und 11 MΩ. Erklären Sie die Verläufe.
Simulationsaufgabe 5.3
Bestimmen Sie bei der Resonanzfrequenz das Verhältnis von Ausgangsspannung zu
Eingangsstrom U A/I E, die Bandbreite und die Güte für
• den von Ihnen berechneten Widerstand RK für eine Ringverstärkung von v r(f res) =
0,1 und
• einen Widerstand RK = 1,2 MΩ
Simulationsaufgabe 5.4
Überprüfen Sie den von Ihnen bestimmten Arbeitspunkt der Kaskodeschaltung aus
Abbildung 5.2. Simulieren Sie den Verlauf der Verstärkung v = U A/U E über der Frequenz. Welchen Wert hat v bei der Resonanzfrequenz? Vergleichen Sie Ihr Simulationsergebnis mit dem berechneten Wert. Verwenden Sie dabei für die Kondensatoren
CK = CGK = 1 µF.
6 Termin 6: MW-Empfänger Teil II
6.1 Vorbereitung
Die Antenne empfängt ein amplitudenmoduliertes Radiosignal uS(t). Dieses ist gegeben
durch:
uS(t) = (UOf f + ûN · cos(ω Nt)) · cos(ω Tt)
(0.1)
Dabei ist ω N = 2πf N die Frequenz des Nutzsignals. Im Audiobereich entspricht dies
einer Frequenz f N =20 Hz .. 20 kHz. Dieses Signal moduliert die Amplitude eines hochfrequenten Trägersignals mit der Frequenz ω T. Für den zu realisierenden Mittelwellenempfänger liegt diese bei f T=300..3000 kHz. Das Prinzip der Amplitudenmodulation
ist in Abbildung 0.2 dargestellt.
Vorbereitungsaufgabe 6.1
Skizzieren Sie das Signal uS(t) im Zeitbereich in Abbildung 6.1. Skizzieren Sie außerdem
das Spektrum des Signals uS(t) in Abbildung 6.2.
Vorbereitungsaufgabe 6.2
Um das Nutzsignal aus dem empfangenen Signal zu extrahieren, wird ein Demodulator verwendet. Ein einfacher Aufbau besteht aus einem Gleichrichter und einem nachfolgenden Tiefpass, welcher alle Signalanteile oberhalb der Nutzfrequenz unterdrückt
(Abbildung 6.3).
Der Gleichrichter soll die Funktion
uA,1(t) = 0 für uE(t) < 0 und uA,1(t) = −uS(t) für uE(t) ≥ 0
erfüllen.
(2.2)
KAPITEL 6. TERMIN 6: MW-EMPFÄNGER TEIL II
47
Verdeutlichen Sie sich die Demodulation, indem Sie das Signal uA,1 nach Gleichrichtung
und uA,2 nach Tiefpassfilterung skizzieren.
U
UOff+ûN
UOff
UOff-ûN
-UOff+ûN
-UOff
-UOff-ûN
1/fT
1/fN
t
Abbildung 6.1: Amplitudenmoduliertes Signal
U
UOff
ûN
ûN /2
fN
fT
Abbildung 6.2: Spektrum des amplitudenmodulierten Signals
UB
UB
Tiefpass
Gleichrichter
uS
uA,1
Abbildung 6.3: Demodulator
uA,2
f
48
6.1. VORBEREITUNG
Vorbereitungsaufgabe 6.3
Der Gleichrichter wird durch einen Transistor in Emitterschaltung realisiert. Wird der
Arbeitspunkt so eingestellt, dass der Transistor gerade an der Einschaltgrenze betrieben
wird, so wird nur die positive Halbwelle des Signals verstärkt.
Zeichnen Sie eine Emitterschaltung mit Arbeitspunkteinstellung über einen Basisspannungsteiler. Verwenden Sie dazu einen npn-Transistor und drei Widerstände. Das
empfangene amplitudenmodulierte Signal uS(t) soll über eine Einkoppelkapazität C E =
10 µF übertragen werden.
Vorbereitungsaufgabe 6.4
Berechnen Sie die Widerstände zur Arbeitspunkteinstellung so, dass ein Strom I C =
200 µA fließt und die Spannung U CE = 8,2 V beträgt. Für den Strom durch den oberen
Widerstand des Basisspannungsteilers soll gelten: I Q = 10 · I B. Es gilt außerdem:
• UB = 9 V
• B = 150
• T = 300 K
• I S = 16,5 fA
Vorbereitungsaufgabe 6.5
Es soll ein Radiosender empfangen werden, welcher bei einer Trägerfrequenz von 725 kHz
sendet. Für die weiteren Parameter des Signals uS(t) soll gelten:
UOf f = 40 mV, ûN = 20 mV
(5.3)
Berechnen Sie die Ausgangsspannung der Schaltung zu den Zeitpunkten t1 , t2 und t3
für ein Eingangssignal uS(t1 ) = 0, uS(t2 ) = UOf f + ûN und für uS(t3 ) = −(UOf f + ûN )
und skizzieren Sie das Signal uA,1(t).
Vorbereitungsaufgabe 6.6
Um nur das gewünschte Audiosignal zu erhalten wird das gleichgerichtete Signal tiefpassgefiltert. Ergänzen Sie die Emitterschaltung um ein Tiefpassfilter. Ihnen stehen
dazu ein Widerstand RTP = 47 kΩ und ein Kondensator C TP zur Verfügung. Berechnen
Sie C TP so, dass die maximal auftretende Nutzfrequenz von Ihrem Tiefpass um 3dB
gedämpft wird.
KAPITEL 6. TERMIN 6: MW-EMPFÄNGER TEIL II
49
6.2 Simulationsaufgaben
Simulationsaufgabe 6.1
Überprüfen Sie die Arbeitspunkteinstellung für die entworfene Schaltung. Notieren Sie
die Größen I C,A, U BE,A und U CE,A im Arbeitspunkt.
Hinweise:
• Nutzen Sie das Transistormodell Q2N2222 für npn-Transistoren
Simulationsaufgabe 6.2
Erzeugen Sie das amplitudenmodulierte Signal uS(t) mit Hilfe von Spannungsquellen
VSin und VDC. Sehen Sie sich den Verlauf im Zeit- und Frequenzbereich (→ Trace→
Fourier) an. Wählen Sie für das Nutzsignal eine Frequenz von 1 kHz. Skizzieren Sie das
Frequenzspektrum.
Hinweis: Sie können die zur Generierung des Signals notwendigen mathematischen Operationen mit Hilfe der Blöcke MULT und SUM erzeugen.
Simulationsaufgabe 6.3
Bestimmen Sie die maximale und minimale Ausgangsspannung uA,1 der Schaltung vor
dem Tiefpassfilter und vergleichen Sie die Werte mit den zuvor berechneten. Bestimmen
Sie die Frequenz und die Amplitude des verbleibenden Nutzsignals nach der Tiefpassfilterung uA,2.
Simulationsaufgabe 6.4
Bestimmen Sie für die Spannung uA,2 die Amplitude der Grundwelle bei der von Ihnen
gewählten Frequenz f N und der ersten 3 Oberwellen und berechnen Sie den Klirrfaktor.
Hinweis: Nutzen Sie dazu eine Transientenanalyse und lassen Sie eine Fourieranalyse durchführen (→ Simulation Settings → Output File Options → Perform Fourier
Analysis).
7 Termin 7: Aufbau des
MW-Empfängers
UE
68p
C12
470k
R3
R7
2k7
C1
22n
L1
470μ
C5
100p
100
94p
C18
C22
BFT92
C17
220p
R18
T10
BFT92
10
10
4.7p
T9
R5
R6
C14
10k
R1
C5
100n
47p
C7
1Meg
R19
100k
R20
9V
56k
R24
2k7
R15
BFR505
T2
0,5p
C36
C3
10n
BFR505
T1
6p8
3k3
R17
330k
C2
R16
C8
470p
D1
3,3V
22k
R12
9V
C6
100n
C23
100n
R22
2k7
75k
BFR505
T3
R9
3k3
R21
R10
220k
C4
100n
T4
BFR505
R23
47
6p8
C13
R14
R31
240k
R13
4k7
R11
C19
100n
D2
3,3V
47k
2k7
C21
100n
BFR505
C11
100n
C20
100n
T6
C15
100p
R4
22k
BFR505
R25
47
6p8
C35
T8
R8
820
UA
KAPITEL 7. TERMIN 7: AUFBAU DES MW-EMPFÄNGERS
Abbildung 7.1: Schaltplan des MW-Empfänger
51
L1
52
Abbildung 7.2: Bestückungsplan MW-Empfänger
KAPITEL 7. TERMIN 7: AUFBAU DES MW-EMPFÄNGERS
#
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
Bauteil
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C11
C12
C13
C14
C15
C17
C18
C19
C20
C21
C22
C23
C35
C36
D1
D2
L1
R1
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
Wert
22n
6p8
10n
10n
100n
100n
47p
470p
100n
68p
6p8
4.7p
100p
220p
2x47p
100n
100n
100n
100p
100n
6p8
1p
3ZD3
3ZD3
470u
10k
470k
22k
10
10
2k7
820R
3k3
220k
4k7
22k
2k7
47k
2k7
3k3
Form
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
IEC-1206
MMELF-DIODE
MMELF-DIODE
bedrahtet
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
Tabelle 7.1: Bauteilliste MW-Empfänger (1)
53
54
#
41
42
43
44
45
46
47
48
59
50
Bauteil
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
R31
Wert
330k
100
1meg
100k
75k
2k7
47R
56k
47R
240k
Bauform
MMELF
MMELF
MMELF
PT15 Nh(5)
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
MMELF
Tabelle 7.2: Bauteilliste MW-Empfänger (2)
#
1
2
3
Bauteil
J3
R26
C16
Wert
JUMP-1x2
470R
330p
Form
JUMP-1x2 1.0mm
MMELF
IEC-1206
Tabelle 7.3: Bauteilliste Antenne