Transistorverstärker - Universität Hamburg

INSTITUT FÜR ANGEWANDTE PHYSIK
Physikalisches Praktikum für Studierende der Ingenieurswissenschaften
Universität Hamburg, Jungiusstraße 11
Transistorverstärker
1 Ziel
Der Transistor ist ein viel verwendetes Bauelement in der Elektronik und hat sich zum wichtigsten Verstärkerglied in der Elektronik entwickelt. In diesem Versuch kommt ein Transistor als Verstärker zur
Anwendung. Zunächst wird der Transistor mit Gleichspannung betrieben und charakteristische
Kennlinien aufgenommen. Anschließend wird die Schaltung so verändert, daß der Arbeitspunkt des
Transistors gegen Temperaturänderungen stabilisiert wird. Schließlich wird der Transistor als
Wechselspannungsverstärker betrieben.
2 Grundlagen
Die Ausgangsmaterialien für Halbleiterbauelemente, Silizium und Germanium, sind Kristalle
aus vierwertigen Atomen, die zur Erhöhung der
Leitfähigkeit mit drei- oder fünfwertigen Fremdatomen dotiert werden. Die elektrische Leitung
im Halbleiterkristall geschieht zum einen durch
Elektronen, zum anderen durch Elektronenfehlstellen, so genannte Löcher. Den
Löchern wird eine positive Elementarladung
zugeschrieben. Sie bewegen sich entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Elektronen.
Durch die Dotierung wird festgelegt, welche Art
der Leitung überwiegt. Dotiert man mit
fünfwertigen Fremdatomen (z.B. Arsen), so
wird die Elektronenleitung überwiegen und man
spricht von einem n-dotierten Halbleiter. Dotiert
man mit dreiwertigen Fremdatomen (z.B.
Indium), überwiegt die Löcherleitung, und es
handelt sich um ein p-dotiertes Halbleitermaterial.
IC
Kollektor (C)
n
IB
p Basis (B)
e-
UBE
n
Emitter (E)
IC
C
IB
UCE
B
2.1 Aufbau
UCE
UBE
E
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich
dotierten Zonen in der Reihenfolge n-p-n (npnTransistor) oder p-n-p (pnp-Transistor). Die beiAbb. 1: Aufbau und Schaltbild eines npnden äußeren Zonen werden Emitter und KolTransistors in Emitterschaltung
lektor genannt, die innere Zone Basis. In
diesem Praktikumsversuch wird ein npnTransistor verwendet. Im Normalfall wird ein solcher Transistor so beschaltet, dass sich der BasisEmitter-Übergang (n → p) in Durchlaßrichtung und der Kollektor-Basis-Übergang (p → n) in
Sperrrichtung befinden. Die Elektronen fließen vom Emitter zur Basis.
Dort teilt sich der Strom in einen geringen Basisstrom IB und einen hohen Kollektorstrom IC auf. Die
Basis-Zone ist sehr dünn, so dass die Elektronen zum Basis-Kollektor-Übergang diffundieren, wo sie
von der positiven Kollektor-Emitter-Spannung UCE abgesaugt werden. Der Verstärkungseffekt beruht
darauf, aufgrund eines sehr geringen Basis-Stromes IB einen wesentlich stärkeren Kollektor-Strom IC
fließen zu lassen. Die daraus resultierende Stromverstärkung wird durch den Gleichstrom-Verstärkungsfaktor B beschrieben:
B=
IC
IB
(1)
10.10.2011
TRANSISTORVERSTÄRKER
Je nach Transistortyp werden Werte zwischen 10 und 900 erreicht. Wird der Transistor mit
Wechselgrößen betrieben, definiert man entsprechend den Wechselstrom-Verstärkungsfaktor β. Meist
sind β und B bis auf sehr kleine Abweichungen gleich, so daß Hersteller in den Datenblättern nur die
Gleichstrom-Verstärkung angeben.
2.2 Transistorkennlinien
Die Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Strömen und Spannungen am Transistor geschieht
durch Kennlinien. Von den vier Größen IB, IC, UCE und der Basis-Emitter-Spannung UBE können zwei
als unabhängige Variable ausgewählt und die anderen beiden als Funktion dieser Variablen
dargestellt werden. Wählt man IB und UCE als unabhängig, kann der Transistor durch IC (IB, UCE) und
UBE (IC, UCE) beschrieben werden (siehe Abb. 2).
IC [mA]
II
I
IB = 40 µA
10
UCE = 5 V
25 µA
10 µA
IB [µA]
UCE [V]
15
50
IB = 10 µA
1
III
UCE = 5 V
40 µA
IV
UBE [V]
Abb. 2: Vierquadranten-Kennlinienfeld eines npn-Transistors
in Emitterschaltung.
I: Ausgangskennlinien IC(UCE)
II: Stromsteuerkennlinie IC(IB) bei UCE = const.
III: Eingangskennlinie IB(UBE) bei UCE = const. Dies ist
die Kennlinie der Basis-Emitter-Diode.
IV: Rückwirkungskennlinien UBE(UCE)
Abb. 3: Ausgangskennlinienfeld eines
npn-Transistors mit Arbeitsgerade. Fließt der Basisstrom IB2,
so ist A der Arbeitspunkt.
Das Ausgangskennlinienfeld IC(UCE) wird im 1. Quadranten von Abbildung 2 und in Abbildung 3 dargestellt. Daraus lässt sich eine wichtige Eigenschaft des Transistors ablesen: Für die Höhe des Kollektorstromes ist nicht so sehr die Spannung zwischen Kollektor und Emitter maßgeblich, sondern vielmehr die Höhe des Basisstromes.
Beim Einbau eines Widerstandes RC in den Kollektorstromkreis liegt nicht mehr die volle Versorgungsspannung Ub zwischen Emitter und Kollektor, es ist
U CE = U b − RC ⋅ I C .
(2)
Im Ausgangskennlinienfeld des Transistors (Abb. 3) ist dieses eine Gerade, die als Arbeitsgerade bezeichnet wird. Ihren Schnittpunkt mit der IC(UCE)-Kennlinie des gewählten Basisstroms nennt man Arbeitspunkt A. Die Wahl des Basisstroms bestimmt somit IC und UCE.
Bei Verstärkerschaltungen wird ein linearer Zusammenhang zwischen den Eingangs– und Ausgangsgrössen (Ströme bzw. Spannungen) angestrebt. Wählt man den Basisstrom zu hoch, rutscht der Arbeitspunkt in den nichtlinearen Bereich der IC(UCE)-Kennlinie. Für die Verstärkung von Wechselspannungen wird der Arbeitspunkt, d.h. UCE(A), auf etwa die halbe Versorgungsspannung gelegt, das ergibt annähernd die größtmögliche Variation von UCE bzw. IC.
2
TRANSISTORVERSTÄRKER
3
Der Transistor im Verstärkerbetrieb
3.1 Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes
Die einfache Verstärkerschaltung in Abb. 4 funktioniert zufriedenstellend, solange die Temperatur des
Transistors konstant gehalten wird. Die Zahl beweglicher Ladungsträger in Halbleitermaterialien hängt
stark von der Temperatur ab. Daher reagieren alle Halbleiterbauelemente wie Transistoren
empfindlich auf Temperaturveränderungen. Eine Temperaturerhöhung bewirkt eine Verringerung des
Emitter–Basis–Widerstandes, der Basisstrom steigt an und verschiebt den Arbeitspunkt zu kleineren
UCE.
Mit der Schaltung in Abb. 5 lässt sich eine Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes erreichen. Die
Basisspannung UB wird durch den Spannungsteiler (1,8 kΩ + RPoti)/470 Ω konstant gehalten. Der
sogenannte Querstrom durch den 470 Ω-Widerstand muss zu diesem Zweck wesentlich größer als
der Basisstrom sein (hier etwa ein Faktor 5). Einem durch Temperaturerhöhung bewirkten Anstieg des
Basisstroms und damit auch des Kollektorstroms wirkt RE entgegen: Da sich mit zunehmenden Basisund Kollektorströmen auch der Emitterstrom erhöht, nimmt die Spannung UE, die über dem Widerstand RE abfällt, zu. Die Spannung UB wird jedoch durch den Spannungsteiler konstant gehalten,
so dass sich UBE verringern muss. Der Basisstrom IB geht somit wieder zurück. Bei dieser Schaltungsvariante spricht man demzufolge auch von einer Stromgegenkopplung.
3.2 Verstärkerschaltung für Wechselspannungen
In Abb. 6 ist eine Verstärkerschaltung für Wechselspannungen dargestellt. Der Basisstrom IB und
damit der Arbeitspunkt A lassen sich mit Hilfe eines Potentiometers einstellen. An den Eingang wird
die zu verstärkende Wechselspannung Ue angelegt. Da die Basis-Emitter-Strecke nur für positive
Werte einer Wechselspannung in Durchlaßrichtung geschaltet ist, würden nur die positiven Halbwellen
des Signals verstärkt werden, wenn ein reines Wechselspannungssignal an der Basis anliegen würde.
Um das gesamte Eingangssignal verstärken zu können, lässt man daher zusätzlich einen Gleichstrom
in die Basis fließen, der mit dem eingekoppelten Wechselstrom überlagert wird. Sofern der
Gleichstromanteil groß genug gewählt wird, erhält man für die Ausgangsspannung Ua ein positives
Signal.
Die Stromgegenkopplung ist allerdings auch für die zu verstärkende Wechselspannung wirksam, die
Verstärkung wird daher herabgesetzt. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, wird ein Kondensator
CE parallel zum Widerstand RE geschaltet. Dieser stellt für Wechselspannungen nur einen geringen
Widerstand dar, so dass die Gegenkopplung für den Wechselspannungsanteil des verstärkten Signals
insbesondere bei hohen Frequenzen aufgehoben wird.
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TRANSISTORVERSTÄRKER
4 Aufgaben
4.1 Gleichstromverstärker
+
1 kΩ
RC
10 kΩ
A
1 ΜΩ
Ub
IC
µA
UCE
IB
-
Abb. 4: Der Transistor als Gleichstromverstärker in einer einfachen Grundschaltung
(Emitterschaltung)
Zunächst wird die Schaltung aus Abb. 4 wird aufgebaut. Folgende Aufgaben sind zu bearbeiten:
(a) IB wird mit Hilfe des Potentiometers variiert, um die Stromsteuerkennlinie IC(IB) aufzunehmen. Der
Stromverstärkungsfaktor B wird gegen IC aufgetragen. Ist B unabhängig von IC?
(b) IB wird vom kleinstmöglichen zum größtmöglichen Wert variiert, um die Eingangskennlinie UBE(IB)
des Transistors aufzunehmen.
(c) IC wird von 2 bis 7 mA verändert und UCE notiert, um die Arbeitsgerade des Transistors
aufzunehmen. Wie müßte man die Messung von IC und UCE durchführen, um stattdessen eine
Ausgangskennlinie zu erhalten?
Aus den aufgenommenen Meßdaten wird mit Hilfe von Gl. (2) die Betriebsspannung Ub ermittelt.
Vergleichen Sie den so erhaltenen Wert mit einer direkten Messung mit dem Multimeter!
(d) Der Arbeitspunkt wird auf UCE=3,5 V eingestellt und IC notiert. Mit Kältespray ist der Transistor so
weit wie möglich abzukühlen. Notieren Sie dann wieder die Werte von UCE und IC und berechnen
Sie die prozentualen Änderungen!
4.2 Gleichstromverstärker mit Arbeitspunkt-Stabilisierung
Es wird die Verstärkerschaltung aus Abb. 5 aufgebaut. Bei dieser geänderten Schaltung müssen alle
Widerstände aufeinander abgestimmt, d.h. richtig dimensioniert sein. Deshalb werden hier auch
andere Basis-Vorwiderstände verwendet und die Schaltung aus Teil 1 nicht einfach nur erweitert. Folgende Messungen sind durchzuführen:
(a) Wie in Aufgabe 4.1(a) wird die Stromsteuerkennlinie IC(IB) aufgenommen, sowie B bestimmt und
gegen IC aufgetragen. Vergleichen Sie den Verlauf B(IC) mit dem Ergebnis aus Aufgabe 4.1(a)!
(b) Mit dem Potentiometer wird IB variiert. IC und UCE werden gemessen und gegeneinander als
Arbeitsgerade aufgetragen.
(c) Der Arbeitspunkt wird auf 3,5 V festgelegt und IC notiert. Kühlen Sie den Transistor mit Kältespray
auf eine möglichst tiefe Temperatur ab und halten Sie UCE und IC fest. Berechnen Sie die
prozentualen Änderungen und vergleichen Sie sie mit dem Ergebnis von Aufgabe 4.1(d)!
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TRANSISTORVERSTÄRKER
+
1,8 kΩ
1 kΩ
RC
1 kΩ
UCE
Ub
UBE
470 Ω
UB
RE
180 Ω
-
Abb. 5: Verstärkerschaltung mit ArbeitspunktStabilisierung durch Basisspannungsteiler
4.3 Wechselspannungsverstärker
Die Schaltung aus Abb. 6 wird aufgebaut, der Arbeitspunkt wird mit Hilfe des Potentiometers auf UCE =
3,5 V eingestellt. Es sind folgende Messungen durchzuführen:
(a) Abhängigkeit von Ausgangs- und Eingangsspannung bei einer Frequenz von 1 kHz mit und ohne
den Emitterkondensator CE = 10 µF. Diese Meßreihen sind in dem Bereich aufzunehmen, in dem
das Ausgangssignal unverzerrt ist (Oszilloskop benutzen!). Vergleichen Sie die
Eingangsspannungen Ue, ab denen eine Verzerrung auftritt!
(b) Frequenzgang des Wechselstrom-Verstärkungsfaktors β mit verschiedenen Koppelkondensatoren
Ce=4,7 µF; 0,47 µF; 0,1 µF bei fester Eingangswechselspannung (CE weglassen). Stellen Sie die
drei Kurven in einem Diagramm zusammen!
(c) wie b), aber mit CE = 10 µF. Auch hier sind die drei Kurven in einem Diagramm darzustellen.
+
1,8 kΩ
RC
100 µF
+
1 kΩ
Ce
UCE
+
4,7 µF
Ue
470 Ω
1 kΩ
Ua
Ub
UBE
UB
RE
180 Ω
+
CE
-
Abb. 6: Verstärkerschaltung für Wechselspannungen
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