Transistoren… - GIBB Files TS
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Verstärker, Transistor Transistoren… schalten digital, verstärken analog. [email protected] Seite 1 Verstärker, Transistor Transistoren: Halbleiter als Alleskönner Halbleiterelemente mit der Bezeichnung "Transistoren" bilden die Basis heutiger Elektronik, sei es Unterhaltung, Haushalt, Industrie oder Datenverarbeitung. Transistoren können schalten und verstärken. Bei den Halbleitergrundlagen lernten wir die Diode kennen. Sie war aus zwei dotierten Halbleiterzonen aufgebaut, die zusammen eine Sperrschicht bildeten. Ein Transistor wird nun aus drei solchen Zonen kombiniert und ergibt ein Element mit zwei Sperrschichten, also zwei pn-Übergängen. Er hat nun auch drei Anschlüsse. Entsprechend den zwei möglichen Abfolgen der dotierten Zonen gibt es zwei Transistorgrundtypen: Transistortyp Sperrschichtanordnung Bezeich-nung der Anschlüsse Schaltzeichen DiodenAnalogie aufgrund der Sperrschichten Kollektor (C) C Basis (B) NPN-Transistor Emitter (E) B E Emitter (E) E Basis (B) PNP-Transistor Kollektor (C) B C Die beiden pn-Übergänge des Transistors können auch als Dioden funktionieren. Aber Achtung: Ein Transistor lässt sich nicht aus zwei Dioden nachbilden! Arbeitsweise des Transistors Das Funktionsprinzip des Transistors ist einfacher am Wassermodell erklärbar Ein kleiner Basisstrom kann einen grossen Kollektorstrom beeinflussen, beide Ströme fliessen gegen den Emitter. Kein Basisstrom, Transistor sperrt Basisstrom vorhanden, Transistor leitet [email protected] Seite 2 Verstärker, Transistor Der Transistor hat zwei Sperrschichten. Für den Betrieb des Transistors musss man gemäss dem Wasserbild auch zwei Stromkreise betrachten. Der Transistor muss so in einen Stromkreis eingebaut werden, dass der pn-Übergang Basis-Emitter in Durchlassrichtung, der pn-Übergang zwischen Basis und Kollektor in Sperrichtung betrieben wird. Dies bedeutet, dass z.B. ein NPN-Transistor folgendermassen an Spannungsquellen (hier nur prinzipiell, also ohne Vorwiderstände, Verbraucher) angeschlossen wird: Über der Basis-Emitter-Strecke liegen die bekannten ca. 0.7 V (Durchlassrichtung). Über der gesperrten Strecke vom Kollektor zum Emitter können ab 2 bis 300 Volt liegen. • Wenn nur die Spannung UCE anliegt, so liegt sie über der oberen Sperrschicht in Sperrichtung; damit kann auch kein Strom von C nach E fliessen; der „Kollektorkanal“ des Transistors sperrt. • Wenn vom Emitter her Elektronen gegen die Basis geleitet werden (Durchlassrichtung), entsteht in der sehr dünnen Basisschicht ein "Gedränge" von Ladungsträgern. 99% der Elektronen dringen dabei so weit in die Sperrschicht Basis-Kollektor ein, dass sie nicht durch die Basis aufgenommen, sondern vom positiven Potential am Kollektor aufgesammelt werden. Man sagt, der Transistor leitet. Es fliessen deshalb zwei Ströme: ein kleiner Basisstrom und ein grosser Kollektorstrom. Beispielschaltung, welche die Stromverstärkung zeigt: Man spricht beim Transistor von einer Gleichstsromverstärkung. Definition: Die "Sensor"-Taste: Gleichstromverstärkung B = IC / IB Die zugehörige Kennlinie (IC / IB) ist somit über weite Teile linear: In den 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts kam die Mode auf, Drucktasten an Haushaltgeräten oder Stereoanlagen durch Sensortasten zu ersetzen. Diese können eine Funktion auslösen, indem man mit dem Finger zwei Kontakte berührt. Bei Berührung wird ein kleiner Strom durch den Finger geleitet und erzeugt einen Basissstrom IB. bei einem Schalttransistor. Die Lampe kann so zum Leuchten gebracht werden. Mit dem relativ kleinen Basisstrom IB lässt sich ein viel grösserer Kollektorstrom IC (= Strom für die Lampe) steuern. Der "Fingerstrom" allein würde für die Lampe nicht ausreichen! [email protected] Seite 3 Verstärker, Transistor Digitale Anwendung: Der Transistor als Schalter Vor allem für jegliche Art digitaler Vorgänge (EIN/AUS) wird der Transistor als Schalter eingesetzt. Betrachtet man die Anzahl beteiligter Transistoren, so ist diese Aufgabe die verbreitetste (Prozessoren, Speicher). Allein jeder Microprozessor enthält meist Millionen von Transistoren. Weitere Anwendungen nebst der Computertechnik: Digitaltechnik allgemein, Steuer- und Regeltechnik. Beim Transistor als Schalter sind nur zwei Zustände wichtig: Mögliche Zustände: Einzelne Grössen: Basisstrom IB Transistor sperrt vollständig Die Kollektor-Emitter-Verbindung lässt keinen Strom durch. 0 Basis-Emitter-Spannung UBE 0 Kollektor-Emitter-Spannung UCE Widerstand Kollektor-Emitter RCE Kollektorstrom IC = Versorgungsspannung, da kein Stromfluss 100MΩ 0 Transistor leitet vollständig Die Kollektor-Emitter-Verbindung ist durchgeschaltet und leitet. 100uA bis 1mA nötig (Grössenordnung) ca. 0.9V (etwas mehr als 0,7V) ca 0.2 V kleiner als bei der Diode! einige wenige Ohm I=(Versorgungsspannung / RCE) z.B. 100mA Bei höherem Basisstrom kommt der Transistor in die Sättigung, der Kollektorstrom kann nicht mehr zunehmen (mehr als „ganz leiten“ kann der Transistor nicht). Bei der Schalterfunktion bewegt sich der Transistor vor allem bei den eingekreisten Stellen der Kennline, also entweder • ganz beim Nullpunkt (Transistor sperrt) oder • am rechten oberen Ende (Transistor leitet) ⇒ Der Weg dazwischen muss hier nicht linear sein, entscheidend ist nur, wie schnell der Transistor in den andern Zustand wechseln kann! Prinzip des Transistorschalters Schalter offen Transistor IB = 0 RCE z.B. 100MΩ Schalter geschlossen Schalter Transistor R unendlich IB > 0 Schalter RCE z.B. 5Ω R z.B. 10mΩ Beispiele für Ansteuerung und Prinzipschaltung einer Transistorschaltstufe: 1) Direktes Schalten einer Last (Ein- und Ausschalten einer Lampe via Parallelport eines PCs) Im Kollektorstromkreis hängt eine Last, ein Verbraucher, z.B. eine Lampe. Mit dem Basisstrom kann die Lampe eingeschaltet werden. Der geschaltete Strom kann dabei eben viel grösser sein als der Steuerstrom auf der Basis. Mit dem Basisvorwiderstand wird verhindert, dass ein zu grosser Basisstrom fliessen kann (Dioden-Verhalten der Basis-Emitter-Strecke!) [email protected] Seite 4 Verstärker, Transistor 2) Realisierung einer wichtigen Logikschaltung: Der Inverter = die digitale NOT-Funktion Hier sind 2 Darstellungsarten der gleichen Schaltung: Diese Transistor-Schaltstufe arbeitet als Inverter (NOTFunktion) zwischen der Eingangsspannung UE und der Ausgangsspannung UA. NOT-Funktion (Inversion, Umkehrung) bedeutet: UE=0 -> UA=1 UE=1 -> UA=0 Wenn kein Basissstrom fliesst (Ue=0), so sperrt der Transistor. Es fliesst auch kein Kollektorstrom, U über R1 ist null, somt muss UA die volle Versorgungsspannung führen (hier 5V), was einer logischen 1 entspricht. Wenn ein genügender Basisstrom fliesst (UE=1), so leitet der Transistor, Ic fliesst, U über R1 steigt, Ua fällt praktisch auf null. Achtung: das Verhalten dieser Spannungen Ue und Ua entspricht nicht der „Denklogik“ mit dem Basis- und Kollektorstrom! Bei den Spannungen, wenn man sie eben wie eingezeichnet appliziert bzw. auswertet, ist das Verhalten invers. Dies weil der Transistor kein lineares Element ist (eben wie ein Schalter auch). Mit der unteren Schaltung kann das invertierende Verhalten mittel LEDs angezeigt werden. 3) Anwendung als Dämmerungsschalter: • abgeleitet aus Grundschaltung: • 4) Realisierung der NAND-Funktion: verbessert: Inversionseffekt durch Positionswechsel des Fotowiderstands: [email protected] Seite 5 Verstärker, Transistor Beispiel einer Anwendung zweier Transistoren als Schalter: Grundschaltung eines statischen Speichers für 1 Bit (SRAM) Diese Schaltung kann man durch gegenseitige Kopplung von zwei Schaltstufen bauen. Sie hat zwei Eingänge, zwei Ausgänge und kennt zwei stabile, bleibende Zustände (bistabil): Zustand 1 T1 leitet T2 gesperrt Ausgang A2 aktiv (HIGH) Zustand 2 T1 sperrt T2 leitet Ausgang A1 aktiv (HIGH) Andere Bezeichnungen: • Bistabile Kippstufe • Flip-Flop Speicherfunktion: Annahme: Beim Einschalten der Versorgungsspannung sei T1 sperrend, T2 leitend. Damit ist A1=12V und A2=0V. Nun kommt ein positiver Impuls auf E2 (12V auf E2, die beiden Anschlüsse mit einer Taste verbinden). Die Basis von T1 wird damit angesteuert, T1 beginnt zu leiten, womit die Spannung an A1 sinkt und damit auch die Spannung an der Basis von T2. T2 geht in den Sperrzustand. Damit steigt die Spannung an A2, und dies unterstützt den Impuls, der auf E2 wirkte. Die Schaltung kippt somit in einen andern Zustand Somit ist nun A1=0V und A2=12V. Die Schaltung bleibt in diesem "eingeschnappten" Zustand, auch wenn der Impuls an E2 schon lange weg ist. Die Schaltung speichert so den entsprechenden Impuls. Durch einen Impuls auf E1 kann der Vorgang umgedreht werden. Durch die Rückführung der Information vom Ausgang über den horizontalen Widerstand auf den Eingang bleibt jeweils der letzte Zustand gespeichert, bis er umprogrammiert wird. Anwendungen des Flipflops: • Ein-/Ausschalten von Apparaten oder Prozessen durch einen Impuls (z.B. Tastendruck) • Digitaltechnik: Entprellen von Signalen von mechanischen Tasten und Schaltern • SRAM (statisches RAM, Speicherzelle für einen digitalen Zustand, ein Bit) [email protected] Seite 6 Verstärker, Transistor Analoge Anwendung: Der Transistor als Verstärker Damit ein Verstärker keine Verzerrungen des Signals produziert, ist es wichtig, dass er linear arbeitet: Eingang und Ausgang müssen stets proportional sein. Für den zur Verstärkung verwendeten Transistor heisst das, dass er in einem eher kleinen und möglichst linearen Bereich der Kennlinie betrieben werden muss. Bezüglich Ic zum Beispiel +/- 15mA um die 40mA-Marke herum. (Zuvor beim Transistor als Schalter befanden wir uns entweder bei null oder am Ende dieser Kennlinie (Sättigung). Die häufigste Anwendung als Verstärker ist die Verstärkung von Wechselspannungs- oder Wechselstromsignalen (z.B. Musik, Audiosignale, Funksignale). Das heisst, man verstärkt nicht den Strom selber (Gleichstromverstärkung), sondern eine Schwankung des Basisstroms in eine viel stärkere Schwankung des Kollektorstroms. Zum folgenden Schema: Da ein Signal positiv und negativ ausgelenkt wird (Sinus), muss die „Klappe“ in der Mitte in Ruhelage sein, und sich je nach Anregung etwas mehr öffnen oder schliessen können. Dadurch entsteht aus einer kleinen Welle am Eingang eine grosse (verstärkte) Welle am Ausgang (Kollektor). Die einfachste Form ist links zu sehen: • Lastkreis aus 12V, 2K-Widerstand und Transistor • über den 4.7K-Widerstand wird etwas Basisstrom zugeführt • die Kondensatoren dienen zum Einund Auskoppeln der Wechselströme, sie lassen nur Signale durch und keinen Gleichstrom. Rechts wurde folgendes geändert oder ergänzt: • die Basis wird mit einem Spannungsteiler aus zwei Widerständen auf einen idealen Basis-Ruhe-Strom eingestellt, das ist etwas stabiler. • Am Eingang wird eine Signalquelle angeschlossen. • Am Ausgang ein Lautsprecher • Durch den Kondensator am Ausgang bekommt der Lautsprecher nicht dauernd, sondern nur dann Strom, wenn sich etwas ändert, also eine Welle, ein Signal kommt Dem Gleichstrom im Kollektorkreis wird nun das zu verstärkende Signal (=Wechselstrom) überlagert. Dadurch pendelt die Grösse des Basisstroms um ihren zuvor eingestellten Mittelwert. Auch der Kollektorstrom sowie die Spannung am Ausgang pendeln ebenfalls um den zuvor festgelegten Mittelwert. Das Signal wird verstärkt. Die meisten Transistorverstärker sind mehrstufig. Denn um Verzerrungen zu vermeiden, wird jeder Transistor nur in einem kleinen Bereich seines linearen Bereichs betrieben. Und um dennoch die gewünschte Verstärkung zu erzielen, muss man halt mehrere Stufen hintereinander schalten. Wenn die Verstärkung nicht linear wäre, würde ein Sinussignal nicht mehr in ein sauberes Sinussignal verstärkt. Für einen Klang bedeutet dies, dass er verzerrt wird. [email protected] Seite 7 Verstärker, Transistor Signalverstärker (Musik, Sprache, Daten) Ein Verstärker hat grundsätzlich die Aufgabe, schwache Signale so weit zu verstärken, dass sie den gewünschten Zweck erfüllen. Ein Signal transportiert primär Information, meist auch etwas Energie. Das Signal geht beim Eingang des Verstärkers hinein, und kommt beim Ausgang verstärkt heraus. Symbol im Blockschaltbild mit den Signalanschlüssen Symbol im elektrischen Zusammenhang, mit je zwei Eingangs- und Ausgangsanschlüssen für Eingangs- und Ausgangsspannung. Die Spitze des Dreiecks zeigt in die Signalflussrichtung, und hat nichts mit klein/gross oder stark/schwach zu tun! Elektrische Verstärker sind elektronische Baugruppen, die man einfach als Blackbox darstellt. Interessant sind primär Eingang und Ausgang. Das Innenleben hat kaum Bedeutung. Beispiele: Allgemein Technik PC / Telekommunikation • Kraftverstärker (z.B. • Antennenverstärker für Radio- und • GeschmacksHebel, Flaschenzug) Fernsehsignale verstärker • Drehmomentverstärker • Audioverstärker auf Soundkarte (Getriebe) • Signalverstärker auf Netzwerkkarte • Waschkraft• Lichtverstärker • Repeater bei Datenübertragung über lange verstärker (Kameras) Strecken • HiFi-Verstärker für • Hardwaretreiber für Schnittstellensignale Audiosignale • Servoverstärker für Harddisk- oder CD-Antriebe Ein Signal besteht aus Energie und Information. Ein Verstärker darf die Information darin nicht verändern, erhöht aber den Energiegehalt des Signals. Dazu muss Hilfsenergie zugeführt werden. (Skizze) Die Energie des verstärkten Signals kommt also aus der Hilfsenergiequelle, die Information vom ursprünglichen Signal. Der Verstärker mischt Information und Energie. Meist zeichnet man nur den Signalfluss, die Hilfsenergie und Verluste nicht. Verluste bedeuten fast ausschiesslich Wärmeabgabe. Das Mikrofon links erzeugt aus Schallwellen schwache elektrische Signale. Wenn man damit den Lautsprecher rechts ansteuern will, muss das Signal verstärkt werden. Ub ist die Batteriespannung, die Hilfsenergie des Verstärkers Unten ist die "neutrale" Darstellung: Elektrisch gesehen ist das Mikrofon der Erzeuger oder Generator des Signals, das Signal geht in den Verstärker, und vom Verstärker auf den Lautsprecher, der als Verbraucher (Lastwiderstand) erscheint. [email protected] Seite 8 Verstärker, Transistor Kenngrössen von Verstärkern (Auswahl) Kurzüberblick: Kenngrösse Ausgangsleistung Verstärkung Empfindlichkeit Klirrfaktor (Scherbeln) Frequenzgang Rauschabstand Bedeutung Power, “Lautstärke” Faktor ohne Einheit, Verhältnis von Ausgangsgrösse zu Eingangsgrösse Nötige Eingangsspannung für bestimmte Ausgangsleistung Anteil von unerwünschten Oberwellen eines Grundtons; sollte möglichst gering sein Gibt an, welche Tonhöhe (Frequenz) wie gut übertragen wird Einheit Watt Keine oder “deziBel” mV Beispiel 2 x 20 W (stereo) Faktor 2000 oder 90dB 5 mV % 0,5% Lautstärke-Unterschied zwischen dem Nutzsignal und dem störenden Rauschen dB Grafik, Kurve 60dB Am meisten interessiert die Verstärkung. Meist betrachtet man die Spannungsverstärkung VU oder die Leistungsverstärkung VP. Als Verstärkungsfaktor V bezeichnet man das Verhältnis einer Ausgangsgrösse zu ihrer Eingangsgrösse. V=A/E Beispiel für Leistungsverstärkung: V = 100W / 50mW = 2000 (ohne Einheit!!!) Verstärkung und Dämpfung: Gegensätze und doch Hand in Hand Verstärker sind auch deshalb notwendig, weil Signale auf ihrem Übertragungsweg gedämpft werden, also an Stärke, an Energie verlieren, was die Reichweite begrenzt. Dämpfung geschieht sowohl in Leitungen (Kabeln, Lichtleitern) wie auch in Funknetzen. Bei der Konzipierung einer Signalübertragung sind alle Dämpfungen (und Verstärkungen) im Pfad zu berücksichtigen. Definitionen: Verstärkung Wird ein Signal durch eine Vorrichtung stärker, so spricht man von Verstärkung (aktiver Vierpol). Aktive Elemente (Verstärker) benötigen eine Hilfsenergie (Stromversorgung, Betriebsspannung), welche die nötige Leistung beisteuert. Dämpfung Wird ein Signal kleiner, so bezeichnet man dies als Dämpfung. Dämpfung wird bei jedem Signaldurchgang durch jedes Medium ohne Hilfenergie (passive Vierpole) hervorgerufen. Man spricht häufig von sogenannten Dämpfungsgliedern. Zum Beispiel Kabel, Leitungen oder Filter. Verstärkungen und Dämpfungen sind Verhältnisse, die als normale Faktoren angegeben werden können. Verstärkungsfaktor V Bei Verstärkern will man Verstärkungsfaktoren grösser als 1, deshalb ist V das Verhältnis von Ausgangsgrösse zu Eingangsgrösse V= Dämpfungsfaktor D Da man Dämpfungsfaktoren auch als Zahlen > 1 angeben will, wird D als Verhältnis von Eingangsgrösse zu Ausgangsgrösse definiert. A E Der Verstärkungsfaktor ist der Kehrwert des Dämpfungsfaktors Ein Verstärkungsfaktor von 4 ist das Gleiche wie ein Dämpfungsfaktor von 0.25 Ein Verstärkungsfaktor < 1 ist eine Dämpfung D= E A Der Dämpfungsfaktor ist der Kehrwert des Verstärkungsfaktors Ein Dämpfungsfaktor von 2 ist das Gleiche wie ein Verstärkungsfaktor von 0.5 Ein Dämpfungsfaktor < 1 ist eine Verstärkung [email protected] Seite 9 Verstärker, Transistor Angaben in Dezibel: Sie heissen Dämpfungsmass a (bzw. Verstärkungsmass g) Verstärkungen und Dämpfungen sind einheitenlose Verhältnisse, also Faktoren. Solche Verhältnisse werden oft in der Pseudo-"Einheit" Dezibel angegeben. Dazu werden die Verhältnisse logarithmiert dargestellt, welche man dann in Dezibel angibt. Bei der Dämpfung spricht man dann vom Dämpfungsmass (nicht mehr von Dämpfungsfaktor). -> Siehe farbiges Spezialblatt dazu! Definitionen von "Dezibel" am Beispiel der Dämpfung: Falls man ein Verhältnis von Leistungen bildet, ist das Dämpfungsmass A definiert als: Pin ist die Eingangsleistung, Pout die Ausgangsleistung. Der Wert von A wird dann in Dezibel (dB) angegeben. Falls man ein Verhältnis von Spannungen bildet, ist das Dämpfungsmass A definiert als: Uin ist die Eingangsspannung, Uout die Ausgangsspannung. Der Wert von A wird in Dezibel (dB) angegeben. Pin a = 10 ⋅ lg Pout Beispiel/Faustregel: Ein Leistungsverhältnis von 2:1 ergibt ein Dämpfungsmass von 3dB Uin a = 20 ⋅ lg Uout Beispiel/Faustregel: Ein Spannungsverhältnis von 2:1 ergibt ein Dämpfungsmass von 6dB Im Zähler ist immer das stärkere Signal, dann gibt es positive dB-Werte! Bei Verstärkungen ist also Uout im Zähler! Umrechnungstabelle, Ueberblick hier anhand der Dämpfungen: Dämpfungsfaktor (Wert in der Klammer der Formel) (Verhältnis Volt zu Volt oder Watt zu Watt): um Faktor 16 um Faktor 8 um Faktor 4 um Faktor 2 (Halbierung, Ausgang = 1/2xEingang) um Faktor √2 Faktor 1, keine Dämpfung, keine Verstärkung um Faktor 10 um Faktor 100 um Faktor 1000 um Faktor 1/1000 (=Verstärkung um Faktor 1000) um Faktor 1/100 (=Verstärkung um Faktor 100) um Faktor 1/10 (=Verstärkung um Faktor 10) um Faktor 1/2 (=Verstärkung um Faktor 2) um Faktor 0.707 (=Verstärkung um Faktor √2) Leistungsdämpfungmass 12 dB 9 dB 6 dB 3 dB 1,5 dB 0 dB 10 dB 20 dB 30 dB -30 dB -20 dB -10 dB -3 dB -1.5 dB Spannungsdämpfungsmass 24 dB 18 dB 12 dB 6 dB 3 dB 0 dB 20 dB 40 dB 60 dB -60 dB -40 dB -20 dB -6 dB -3 dB Gegenüberstellung: Dämpfungsmass A Dämpfungsmasse sind Zahlen > 0, sie entstehen aus Verhältnissen von Eingangsgrösse zu Ausgangsgrösse. Das Dämpfungsmass in dB ist der negative Wert des Verstärkungsmasses Ein Dämpfungsmass von 3dB ist das Gleiche wie ein Verstärkungsmass von -3dB Ein negatives Dämpfungsmass ist eine Verstärkung -A = G Verstärkungsmass G Ein Verstärkungsmass ist eine Zahl > 0, es entsteht aus Verhältnissen von Ausgangsgrösse zu Eingangsgrösse. Das Verstärkungsmass in dB ist der negative Wert des Dämpfungsmasses Ein Verstärkungsmass von 6dB ist das Gleiche wie ein Dämpfungsmass von -6dB Ein negatives Verstärkungsmass isteine Dämpfung -G = A [email protected] Seite 10 Verstärker, Transistor Wenn mehrere dämpfende (oder verstärkende) Elemente aufeinander folgen, so können die einzelnen Dämpfungs- und Verstärkungsmasse in dB einfach zusammengezählt werden! Agesamt = A1 + A2 + A3 + ... Wenn die dämpfenden Elemente positive dB-Werte sind, so müssen die Verstärkungen als negative dBWerte erscheinen. (Würde man die Faktoren nehmen, müste man sie multiplizieren) Beispiel für die Gesamtverstärkung oder Dämpfung einer Übertragungsstrecke (Skizze): Klangregler / Equalizer: Beispiele für dB-Skalen aus dem Audio-Bereich Der simple Klangregler mit zwei Knöpfen für „Treble“ und „Bass“ kann die Hoch- und Tieftonbereiche verstärken oder dämpfen. Die entsprechenden, möglichen Frequenzgänge sind links abgebildet. Rechts die Frequenzgänge eines 9Band-Equalizers Equalizer Mit sogenannten Equalizern (hardware- oder softwaremässig) können einzelne Frequenzbereiche des hörbaren Bereichs verstärkt oder abgeschwächt werden. Man sieht die Frequenzbereiche sowie positive und negative dB-Bereiche. Dabei wird der Wert einheitlich als Verstärkung definiert gemäss: Uout a = 20 ⋅ lg Uin (Uout im Zähler!) Verstärkung, Anhebung eines Bereichs falls: Uout > Uin, ergibt positive dB-Werte. Bei diesem Regler für einen Aufnahmepegel bei einem Tonbandgerät ist rechts der Pegel am lautesten, links am leisesten, nämlich null. Dämpfung (="negative" Verstärkung) falls: Uout < Uin, ergibt negative dB-Werte. Die Skala ist aber "verkehrt" angeschrieben, die Zahlen werden nämlich nach rechts kleiner (statt grösser=lauter). Oben steht aber Level: "-dB". Dies bedeutet, dass hier eine Dämpfung (bzw. eine dB-mässig negative Verstärkung)gemeint ist. Verstärkung ist bekanntlich definiert als: Uout a = 20 ⋅ lg Uin Ganz rechts ist 0 dB, das Signal wird ungedämpft aufgenommen, mit 100% der Ursprungslautstärke, Uout/Uin=1, der Log. von 1 ist 0. In der Mitte ist -18dB, also eine Dämpfung um 3x6dB, dies wäre spannungsmässig noch 1/8 (1/2^3) oder 12.5%. Ganz links ist der Regler zugedreht, Uout=0. Der Log. von 0 ist "minus unendlich". [email protected] Seite 11 Verstärker, Transistor Weitere Kenngrössen von Verstärkern Frequenzgang Bandbreite Ein idealer Verstärker sollte theoretisch alle Frequenzen (im Audiobereich: Tonhöhen) von 0Hz bis ∞Hz mit gleich grossem Verstärkungsfaktor verstärken. Wegen der in den Schaltungen enthaltenen Kondensatoren und weiteren Bauteilen, die als frequenzabhängige Widerstände wirken, ist dies in der Realität nie möglich. Die Bandbreite ist der sinnvoll nutzbare Frequenzbereich eines Verstärkers. Man kann sie aus dem Frequenzgang ablesen, der typischerweise so aussieht: Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung bzw. des Verstärkungsfaktors von der Frequenz bezeichnet man als Frequenzgang (oder Übertragungskurve) des Verstärkers. Rein theoretischer, ideal flacher Frequenzgang (flat): Bild für die Definition der Bandbreite Bei der grafischen Darstellung wird die Frequenz meist im logarithmischen Massstab aufgetragen. Realer Frequenzgang eines Verstärkers: Am Anfang und am Ende sackt die Verstärkung ab, zu weit ausserhalb des „Buckels“ ist der Verstärker nicht brauchbar. Definition der Bandbreite: Dort, wo die Ausgangsspannung noch 70,7% des Höchstwertes erreicht (oder Faktor 1/√2 oder 3dB unter dem Höchstwert), legt man die untere bzw. obere Grenzfrequenz fest. Die Differenz zwischen oberer und unterer Grenzfrequenz bezeichnet man als Bandbreite B des Verstärkers (oder einer Übertragungsstrecke). Die Bandbreite sollte möglichst gross sein. Eine 3-Weg-Lautsprecherbox muss ebenfalls das ganze Frequenzband abdecken, Beispiel: Die untere Grenzfrequenz spielt meist keine Rolle, weil tiefere Frequenzen physikalisch einfacher zu übertragen sind. Vor allem in der Datentechnik wird Bandbreite oft mit der oberen Grenzfrequenz gleichgesetzt und ist ein Mass für die Übertragungskapazität einer Leitung oder Verbindung. Höhere Frequenz bedeutet mehr Datenvolumen pro Zeitabschnitt. [email protected] Seite 12 Verstärker, Transistor Der Spektrum-Analyzer Ein Spektrum-Analyzer kann Teil sein eines Verstärkers oder einer Software zur Sound-Bearbeitung. Er analysiert das Frequenzspektrum, er zeigt in real time an, wie „laut“ jedes Frequenzband ist. Einheiten wie dB, Phon, Sone, Loudness-Taste All dies gehört ins physikalische Spezialgebiet der Akustik, ein sehr weitläufiges und interessantes Gebiet. Die Einheit „sone“ (englisch ausgesprochen) bezeichnet die emfundene Lautheit eines Tons. Sie hängt zusammen mit den Kurven gleich empfundener Lautstärkepegel: Näheres unter anderm bei Wikipedia oder in Hi-Fi-Forums. http://de.wikipedia.org/wiki/Sone Die Loudnesstaste gleicht den Frequenzgang des Verstärkers dem Ohr an. http://de.wikipedia.org/wiki/Loudness Klirrfaktor Wird nur in der Audiotechnik verwendet und gibt an, wie stark ein reiner Ton „scherbelt“, das heisst, wie schlecht ein Ton durch technisch entstehende Oberwellen verfälscht wird. Er wird in Prozent angegeben und sollte möglichst klein sein. Mehr z.B. unter http://de.wikipedia.org/wiki/Klirrfaktor Soft-Clipping Der Klirrfaktor nimmt extrem zu, wenn der Verstärker übersteuert wird. Z.B. wenn ein bereits zu lautes Signal auf den Eingang wirkt. Im Verstärker wird dabei das Signal oben und unten begrenzt, abgeschnitten, der Fachbegriff heisst Clipping. Softclipping ist eine Technik zur Abrundung von eckigen Abschneidungen, so klirrt es etwas weniger. [email protected] Seite 13 Verstärker, Transistor Verzerrungen und ihre Folgen: Lineare Verzerrungen sind ungleiche Übertragungseigenschaften bei verschiedenen Frequenzen (also eigentlich der Frequenzgang eines Systems). Die Form eines Sinus-Tons wird dabei nicht verändert, nur dessen Amplitude (Lautstärke). Die Verfälschung eines Originalsignals entsteht erst dann, wenn mehrere Teilschwingungen gleichzeitig übertragen werden. Meist heissen diese Verzerrungen Dämpfungsverzerrungen. Folge von Dämpfungsverzerrungen: Verformung von Signalen, anderer Klang bei Tonsignalen: Dämpfungsverzerrungen von digitalen Impulsen: zu schnelle Impulse (wie der Impuls links) kommen nicht mehr durch: Nichtlineare Verzerrung entstehen beispielweise, wenn ein nicht-linearer Transistor verwendet wird. Dabei entstehen zusätzliche Töne (Oberwellen); dieses Verhalten wird mit dem Klirrfaktor bemessen. Es kann auch gewollt sein, z.B bei Verzerrern für Gitarren. [email protected] Seite 14 Verstärker, Transistor Simulation eines Verstärkers mit Edison Schaltungsanalysator Ausgehend vom einfachen Verstärker… …ersetzen wir den Ausgang durch einen Lastwiderstand: Erstellen Sie diese Schaltung mit Edison • • • • • • Um die Sache zu vervollständigen, ergänzen Sie • Uin als Signalquelle • 12V-Quelle als Versorgungsspannung Das Oszilloskop OSC1 als Messgerät für die Kurvendarstellung: Editieren Sie die Signalquelle, Sinus 1mV, OSC misst Eingang und Ausgang gleichzeitig (Ausgang ist viel grösser, wenn möglich Skala anpassen) Testen Sie die Schaltung jeweils mit dem Menubefehl Analyse -> Transientenanalyse Verändern Sie die Eingangsspannung (grösser, kleiner) Verändern Sie andere Werte, z.B. die andern Widerstände oder die 12V-Quelle Suchen Sie Wertekombinationen, welche ein möglichst „schönes“ Ausgangssignal ergeben = guter, verzerrungsfreier Verstärker [email protected] Seite 15
