VERSTÄRKERGRUNDSCHALTUNGEN
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Hochschule Bremen FB Elektrotechnik Labor für Bauelemente und Schaltkreistechnik Laborversuch Verstärkergrundschaltungen / 1 VERSTÄRKERGRUNDSCHALTUNGEN Emitter-, Kollektor und Basisschaltung ALLGEMEINES: Bipolare Transistoren lassen sich - bei festgelegtem Arbeitspunkt - in Bezug auf ihr Kleinsignalverhalten zB. durch die h Parameter vollständig beschreiben (Vierpoltheorie). Dabei muß festgelegt sein, welche der Transistor-Elektroden an den für Eingang und Ausgang des Vierpols gemeinsamen Masseanschluß gelegt wird: Emitterschaltung: Eing. Emitter wechselspannungsmäßig an Masse Ausg. C B E Masse Kollektorschaltung: Eing. B B Kollrktor wechselspannungsmäßig an Masse E Ausg. C Basisschaltung: Eing. C E Masse Ausg. B Basis wechselspannungsmäßig an Masse Masse Die für die Emitterschaltung zuständigen h-Parameter hikE für den in diesem Versuch verwendeten Transistor BC 548 B können Datenbüchern bzw. Arbeitsblättern entnommen werden. Die für die Kollektor- bzw. Basisschaltung gültigen Parameter hikC bzw. hikB lassen sich aus den gegebenen Werten hikE einfach er-rechnen (Umrechnungstabellen). Wird der Transistor in den jeweiligen Grundschaltungen zur Verstärkung eingesetzt, muß er durch weitere Bauelemente zur Einstellung des gewählten Arbeitspunktes und zur Einspeisung von Spannung (Strom) bzw. Abnahme von verstärkter Spannung (Strom) ergänzt werden: E Eing. RG re u0 REing r1 A Ausg. Transistor Vierpol mit hik E/K/B r2 RL ra Masse uE u1 = uE u2 uA = u2 Zur Berechnung der Betriebsgrößen (für die Gesamtschaltung, bezogen auf die Klemmen E und A): Eingangs- und Ausgangswiderstand : re, ra Spannungs-, Strom- und Leistungs- Verstärkung : vu, vi, vp lassen sich gemäß der Vierpoltheorie einheitliche Berechnungsformeln für alle 3 möglichen Schaltungsarten angeben, wobei die jeweils zugehörigen h-Parameter einzusetzen sind. Dieses Berechnungsverfahren soll hier nicht angewendet werden (h-Parameter und Umrechnungsformeln fehlen). Hochschule Bremen FB Elektrotechnik Labor für Bauelemente und Schaltkreistechnik Laborversuch Verstärkergrundschaltungen / 2 Weitere Möglichkeit: ausschließlichen Verwendung der h -Parameter für die Emitterschal-tung bzw. der dynamischen Kenndaten des Transistors für diesen Betrieb (ohne Berücksichtigung der Rück-wirkung): dynamischer Eingangswiderstand rBE h11 1 dynamischer Ausgangswiderstand rCE h 22 h 21 Wechselstrom-Verstärkungsfaktor h21 bzw. Steilheit s h11 In diesem Fall ergeben sich für die 3 Grundschaltungen unterschiedliche Berechnungsformeln für die interessierenden Betriebsgrößen. Näherungen bei Vernachlässigung der Spannungsrückwirkung: E - Schaltung: K - Schaltung B - Schaltung Eingangswiderst. r1 rBE rBE + *RL rBE Gesamt-Eing.W. re r1 || R Eing r1 || REing r1 || REing Ausgangswiderstand r2 rCE rBE RG || REing Gesamt-Ausg.W. ra r2 || RL RL r2 || RL r2 * RL rBE = - s*RL Spannungsverstärkung vu 1- Leistungsverstärkung vp vp = vu*vi „nutzbare“ Leistungsverst. vpNutz vpNutz = rCE*(1+ * RG|| REing ) rBE RG|| REing r2 || RL RL * RL rBE = s*RL rBE * RL 1 p( RL ) re = vu2 * p ( re ) RL MEßSCHALTUNG Mit der folgenden Meßschaltung lassen sich der geforderte Arbeitspunkt des Transistors: UCE = 5V, IC = 2mA unabhängig von der gewählten Grundschaltung einstellen, die Grundschaltungen durch ein einfaches Umstecken bzw. an Masse - Legen von Blockkondensatoren realisieren und die genannten Betriebsgrößen re, ra und vu für die Grundschaltungen ermitteln: +UB gegen M RC 1k Meßschaltung + B* + - B E RB 10k M - C 100 µF C* 100 µF BC 548 B b - + RE 2k 100µF -UB gegen M E* Hochschule Bremen FB Elektrotechnik Labor für Bauelemente und Schaltkreistechnik Laborversuch Verstärkergrundschaltungen / 3 AUFGABEN: 1) Die Meßschaltung ist zu diskutieren: Wie wird der Arbeitspunkt eingestellt? Die dafür erforderlichen Spannungen +UB und -UB sind überschlägig zu berechnen mit den Annahmen UBE 0,7V und UB0 0 (Spannung Basis gegen Masse) - und in der Schaltung einzustellen. Der geforderte Arbeitspunkt ist zu kontrollieren und gegebenenfalls nachzustellen. (Strommesser nach der Messung abklemmen!). Welcher Wert wird für UB0 tatsächlich gemessen? (Diskussion dazu im Bericht!) Wie werden die drei Grundschaltungen realisiert, d.h. welche Anschlüsse der obigen Meßschaltung sind jeweils als Eingang, als Ausgang zu beschalten bzw. an Masse zu legen? Zur Kontrolle auf Verzerrungsfreiheit des Ausgangssignals ist der jeweils verwendete Ausgang bei den Messungen mit Hilfe des Oszilloskops (Tastkopf nicht erforderlich) zu überwachen. Meßsignal 1KHz, unterschiedliche Amplituden (die Generatorausgangsspannung kann zusätzlich mit 2 Tasten um je 20dB abgeschwächt werden). 2) Messung der Spannungsverstärkung vu : Hier geht man zweckmäßig von einer festen Ausgangsspannung: ua = 100mV aus. Die dafür erforderliche Eingangsspannung ist unter Umständen so klein, daß sie mit dem vorgesehenen Generator trotz 40dB Abschwächung nicht mehr eingestellt werden kann. In diesem Fall ist über einen zusätzlicher Spannungsteiler gegen Masse (zB 100 - 10, siehe auch Meßanordnung zu Punkt 3.) für eine zusätzliche Abschwächung des Generatorsignals zu sorgen. 3) Messung des Gesamt-Eingangswiderstandes re : Meßanordnung: RG =50 Generator 10k 100 Teiler 10 uG RG’ u0 E Meßschaltung s.o. Poti mV u M u0 Meßverfahren: Leerlaufspannung u = u0 (bei abgetrennter Meßschaltung) einstellen; zB. 2mV bei E-Schaltung. Anschalten der Meßschaltung und Einstellen des Poti’s so, daß u auf Ausmessen des eingestellten Poti-Widerstandes mit Multimeter. Wie ergibt sich daraus re ? Das Verfahren ist zu diskutieren. u0 zurückgeht. 2 A Hochschule Bremen FB Elektrotechnik Labor für Bauelemente und Schaltkreistechnik Laborversuch Verstärkergrundschaltungen / 4 4) Messung des Gesamtausgangswiderstandes ra : bei leerlaufendem und kurzgeschlossenem Eingang Meßanordnung/Meßverfahren: E Meßschaltung s.o. A M Poti RG’ mV u0 Leerlaufspannung u0 bei Emitter- und Basis-Schaltung: 100mV; bei Kollektorschaltung: 10mV Warum darf die Meßspannung nicht wesentlich größer gewählt werden? (Diskussion im Bericht!) Als Poti kann ein 1k - Wendelpotentiometer mit direkt ablesbaren Ohmwerten eingesetzt werden. 5) „nutzbare“ Leistungsverstärkung vp : Aus den Meßwerten ist für die Schaltungen die „nutzbare“ Leistung zu berechnen. Die in der Tabelle angegebene Formel ist zu erläutern ! 6) Vergleich von Meß- und Rechenwerten : Die Meßergebnisse sind mit den Rechenwerten, die sich aus den angegebenen Näherungsformeln ergeben zu vergleichen und tabellarisch gegenüberzustellen. Als dynamische Kenndaten können benutzt werden: rBE 3,6 k rCE 50 k 250 SIMULATION DES VERSUCHES: Die Meßergebnisse lassen sich mit guter Annäherung auch per Simulation mit dem Programm Multisim 2001 ermitteln. Die Bauteile-Bibliothek für Transistoren enthält ein Modell des Transistors BC548.. . Darzustellen sind Arbeitspunkteinstellung (geeignete Wahl der beiden Betriebsspannungen!) und die dynamischen Betriebsgrößen für die 3 Schaltungsvarianten, sowie der Frequenzgang der Verstärkung für die Emitterschaltung. SPANNUNGSQUELLEN / MEßGERÄTE: HAMEG HAMEG LEADER SIEMENS FLUKE HAMEG Dreifachnetzteil +UB, -UB Funktionsgenerator Ri = 50 Meßsignal, 1KHz Millivoltmeter (Ri = 10M) Spannungsmessung Multizet A1001 Strommessung Multimeter 77 (Ri >1M) Spannungen, Widerstände Oszilloskop (Ri = 10M mit Tastkopf, 1M ohne Tastkopf)
