1. Beispiel: Kleinsignalschalter/Diodenarbeitspunkt Die gegebene

1. Beispiel:
Kleinsignalschalter/Diodenarbeitspunkt
(33Punkte)
Die gegebene Schaltung kann dazu verwendet werden um kleine Wechselspannungen ein
oder auszuschalten. Wird der Schalter S geschlossen so wird die Kleinsignalspannung uE auf
den Ausgang (uA ≈ uE) durchgeschaltet. Ähnliche Schaltungen werden zur
Frequenzbereichsumschaltung in Rundfunkgeräten eingesetzt.
Gegeben:
Boltzmann-Konstante:
k=1.38*10-23 J/K
Elementarladung:
e=1.6*10-19 C
Diodenkennlinie:
T=300K
I0 =50·10-14 A…für T= 300K
m=1.2
UT = k .T / e
Gesucht:
a) Zeichnen Sie das Gleichstromersatzschaltbild (uE=0V, U0=15V) und zeigen Sie die
Funktion des Diodenschalters grafisch. Zeichnen Sie beide Schalterstellungen (von S) ein,
und geben Sie an ob bei geschlossenem oder geöffnetem Schalter die Eingangsspannung uE
durchgeschaltet wird.
b) Zeichnen Sie das (linearisierte) Kleinsignalersatzschaltbild des Schalters. Wie groß darf
der dynamische Widerstand der Diode rD sein, damit im eingeschalteten Zustand uA ≥ 0.95 uE
ist? Berechnen Sie weiters den Diodenarbeitspunkt sowie R1,max. Anmerkung: Der
Wechselspannungsabfall an den Kondensatoren C kann vernachlässigt werden.
Berücksichtigen Sie RL! Nehmen Sie den exakten Wert für UD!
c) Die Temperatur hat sich von 300K auf 350K erhöht. Der Sättigungssperrstrom I0 der Diode
beträgt für diese Temperatur nun 250 pA. Berechnen Sie den Diodenarbeitspunkt durch
Iteration der Diodenkennlinie für geschlossenen Schalter S. Das Ergebnis soll auf drei
signifikante Stellen genau sein. Führen Sie entsprechend viele Iterationen durch!
d) Die Diode weist eine Kapazität von CD=1pF (gilt für UBE ≈ 0V) auf. Dadurch gelangt auch
im ausgeschalteten Zustand (S = offen) ein geringer Anteil der Eingangsspannung an den
Ausgang. Dieser Effekt ist unerwünscht! Berechnen Sie zuerst die Grenzfrequenz des
Schalters. Schätzen Sie weiters ab bis zu welcher Signalfrequenz der Schalter betrieben
werden kann, damit |uA | < 0.01|uE| gilt. Anmerkungen: Nehmen Sie für die Berechnung an,
dass rD = ∞ ist. Frequenzgänge von Filtern 1.Ordung weisen ab der Grenzfrequenz eine
Steigung von ca. 20dB/Frequenzdekade bzw. -20dB/Frequenzdekade auf.
2. Beispiel:
Zenerdiode
(33 Punkte)
Gegeben ist folgende Schaltung zur Spannungstabilisierung.
UB=20V +/- 10%
R2=100Ω +/- 10%
IL=0…10mA
Von der Zenerdiode sind folgende Daten bekannt:
•
•
•
•
Maximale Verlustleistung Pv,max=250mW
Minimaler Strom durch die Zenerdiode IZ,min=0.1·IZ,max
Zenerspannung UZ,nenn=5V
Weiters ist die im folgenden Bild dargestellte Kennlinie der Zenerdiode gegeben.
a)
Berechnen Sie aus den gegebenen Daten der Zenerdiode den maximal erlaubten (IZ,max) und minimalen
nötigen (IZ,min) Diodenstrom (nehmen Sie für die Berechnung UZ ≈ UZ,nenn an).
(3P)
b)
Bestimmen Sie aus den gegebenen Daten den Ersatzwiderstand rZ für das Großsignalersatzschaltbild der
Zenerdiode. Berechnen Sie mittels des Großsignalersatzschaltbildes UZ wenn IZ gleich IZ,min ist.
(5P)
c)
Geben Sie den zulässigen Bereich von R1 an damit IZ für alle möglichen Kombinationen von UB, R2 und IL
innerhalb der Grenzen IZ,min…IZ,max liegt (nehmen Sie für die Berechnung UZ ≈ UZ,nenn an).
(10P)
d)
Zeichnen Sie das Großsignalersatzschaltbild der Schaltung.
e)
Geben Sie für R1=96Ω, R2=∞ und IL=0mA den zeitlichen Verlauf des Stromes IZ an, wenn die Spannung UB
folgenden Verlauf hat. Berücksichtigen Sie bei der Berechnung die Zenerdiode mit ihrem
Großsignalersatzschaltbild.
(9P)
f)
Welche Ausgangsspannung UA ergibt sich wenn die Zenerdiode verpolt eingebaut wird?
(3P)
(3P)
3. Beispiel: Transistorgrundschaltungen/Arbeitspunkteinstellung
(34 Punkte)
Gegengekoppelte Emitterschaltungen
a) Zeichnen Sie die in der Übung vorgestellten Schaltungen, die sowohl robust gegen
Temperaturschwankungen als auch gegen B-Streuungen sind
(2 P)
b) Erklären Sie für die spannungsgegengekoppelte Emitterschaltung die Robustheit gegen BStreuungen grafisch.
(6 P)
c) Zeigen Sie für die stromgegengekoppelte Emitterschaltung grafisch, dass der zusätzliche
Emitterwiderstand die Schaltung gegen Temperaturschwankungen stabilisiert.
(6 P)
UB = 15 V
RC = 300 Ω
R = 50 kΩ
B ≈ 300
d) Ermitteln Sie den Arbeitspunkt (UBE,0, IC,0, UCE,0) indem Sie die Arbeitsgeraden in die
jeweiligen Kennlinien einzeichnen. Kennzeichnen Sie jeweils den Arbeitspunkt sowie
UBE,0, IC,0, UCE,0 und geben Sie deren Zahlenwerte an.
(8 P)
e) Welche Amplitude ûe darf das Eingangssignal ue=ûe sin(ωt) für symmetrische
Aussteuerung maximal aufweisen?
(4 P)
(Hinweis: Überlegen Sie sich wie sich die Basis-Emitter-Spannung UBE zufolge ue ändert.)
f) Wie groß sind die maximal möglichen, symmetrischen Aussteueramplituden?
(4 P)
g) Welche Verstärkung hat diese Schaltung?
(4 P)
60
60
50
50
40
40
IC/mA
C
I /mA
Sättigungsgrenze
30
30
20
20
10
10
0
0.7
0.72 0.74 0.76 0.78
UBE/V
0
0.8
0
1
2
3
4
5
6
7
UCE/V
8
9
10
11
12
5
6
7
UCE/V
8
9
10
11
12
5
6
7
UCE/V
8
9
10
11
12
60
60
50
50
40
40
IC/mA
C
I /mA
Sättigungsgrenze
30
30
20
20
10
10
0
0.7
0.72 0.74 0.76 0.78
UBE/V
0
0.8
0
1
2
3
4
60
60
50
50
40
40
IC/mA
C
I /mA
Sättigungsgrenze
30
30
20
20
10
10
0
0.7
0.72 0.74 0.76 0.78
UBE/V
0.8
0
0
1
2
3
4