Lehrstuhl für Elektronische Schaltungstechnik Prof. Dr.-Ing. Thomas Musch Bachelor Grundlagenpraktikum Elektronische Schaltungen Entwicklung und Aufbau eines Mittelwellenradios mit separatem Audioverstärker Sommersemester 2011 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 4 5 6 7 13 14 15 1 Termin 1: Koppelstufe 1.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 16 18 2 Termin 2: Eingangsstufe 2.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 21 23 24 3 Termin 3: Ausgangsstufe 3.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 27 30 31 4 Termin 4: Gesamtschaltung Audioverstärker 4.1 Erläuterung zu gegengekoppelten Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 34 36 5 Termin 5: MW-Empfänger Teil I 5.1 Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 42 46 6 Termin 6: MW-Empfänger Teil II 6.1 Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 47 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 Termin 7: Aufbau des MW-Empfängers Inhaltsverzeichnis 51 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. 14 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 KW21 • Einführung in Orcad Capture und PSpice • Koppelstufe 2. Termin KW22 • Differenzeingangsstufe 3. Termin KW23 • Ausgangsstufe 4. Termin KW25 • Gesamtschaltung Audioverstärker • Bestückung des Audioverstärkers 5. Termin KW26 • MW-Empfänger Teil I: Eingangschaltung und LC-Schwingkreis mit Mitkopplung 6. Termin KW27 • MW-Empfänger Teil II: Demodulator und Ausgangsfilter 7. Termin KW28 • 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 BE der vorhergehenden Stufe ergibt. Der Dämpfungsfaktor gibt das Verhältnis UUEin an. Hinweis: • Quellwiderstand RQ = 50 Ω Vorbereitungsaufgabe 1.5 Auf Grund des Stromflusses erhöht sich die Temperatur des Transistors um ∆T = 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 Emitterschaltung. 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 UA Bestimmen Sie die Kleinsignalverstärkung v = 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 mit dem gleichen Eingangssignal wie in Aufgabe 3.2. v = UE,Dif 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 UA RPot 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 v0 S 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. 38 +UB R32 470kΩ I1 I2 I3 R34 470Ω R43 1kΩ R44 1kΩ I4 R42 220Ω C27 100nF T16 T18 BC857 BC857 T13 BC857 T17 BC857 T31 BC857 C32 320p T20 BC847 T23 BC847 T30 BC857 R54 470kΩ C26 47pF T25 BC847 R47 47kΩ R39 2Ω R49 10kΩ R48 2Ω C31 470uF T15 BF721 T24 BC857 C25 100nF T21 BC857 R36 10kΩ R38 1kΩ T28 BC847 R40 1MΩ R37 10kΩ T27 BC847 U1 UE T22 BC857 T14 BF720 C24 10uF T29 BC847 T12 BC847 T19 BC847 R45 1kΩ C28 100nF GND R27 100kΩ R46 220Ω UA 4.2. VORBEREITUNGSAUFGABEN Abbildung 4.3: Gesamtschaltung R35 47kΩ R27 KAPITEL 4. TERMIN 4: GESAMTSCHALTUNG AUDIOVERSTÄRKER Abbildung 4.4: Bestückungsplan Audioverstärker 39 40 4.2. VORBEREITUNGSAUFGABEN Bauteilliste Audioverstärker # 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 40 41 43 45 46 55 56 Bauteil Wert Form C9 C10 C24 C25 C26 C27 C28 C29 C30 C31 C32 C34 J2 J6 J8 J9 R2 R27 R28 R30 R32 R33 R34 R35 R36 R37 R38 R39 R40 R41 R42 R43 R44 R45 R46 R47 R48 R49 R54 T5 T12 T13 T14 T15 T16 T17 100n 100µF/16V 10u 100n 47p 100n 100n 100n 470µF/16V 470µF/16V 330p 100n JUMP-1x3 JUMP-1x2 Klinke Stecker 1x2 10 100k 220R 220R 470k 1 470 47k 10k 10k 1k 2R 1meg 4k7 220R 1k 1k 1k 220R 47k 2R 10k 470k BSP250 BC847 BC857 BF720 BF721 BC857 BC857 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 JUMP-1x3 1.0mm JUMP-1x2 1.0mm Lumberg_1502 01 JUMP-1x2 1.0mm MMELF PT15 Nh(5) 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-23 SOT-23 SOT-223/A SOT-223/A SOT-23 SOT-23 Abbildung 4.5: Bauteilliste Audioverstärker KAPITEL 4. TERMIN 4: GESAMTSCHALTUNG AUDIOVERSTÄRKER 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T27 T28 T29 T30 T31 BC857 BC847 BC847 BC857 BC857 BC847 BC857 BC847 BC847 BC847 BC847 BC857 BC857 SOT SOT SOT SOT SOT SOT SOT SOT SOT SOT SOT SOT SOT 23 23 23 23 23 23 23 23 23 23 23 23 23 Abbildung 4.6: Bauteilliste Audioverstärker 41 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? KAPITEL 5. TERMIN 5: MW-EMPFÄNGER TEIL I 43 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 44 5.1. VORBEREITUNG • 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. KAPITEL 5. TERMIN 5: MW-EMPFÄNGER TEIL I 45 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. 46 5.2. SIMULATIONSAUFGABEN 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 Amplidutenmodulation 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) 48 6.1. VORBEREITUNG 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 1/fT 1/fN t -UOff+ûN -UOff -UOff-ûN 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 KAPITEL 6. TERMIN 6: MW-EMPFÄNGER TEIL II 49 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. 50 6.2. SIMULATIONSAUFGABEN 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 52 Abbildung 7.1: Schaltplan des MW-Empfänger 9V C14 R6 R5 R16 C2 R12 4.7p 10 10 3k3 6p8 22k C23 100n R10 220k R9 3k3 R8 820 C13 6p8 C35 6p8 R4 22k C20 100n R31 240k R11 4k7 C19 100n R17 330k C17 220p T9 T10 BFT92 BFT92 C15 100p T3 R18 C22 R19 C8 470p 100 100p 1Meg 0,5p T2 C7 C12 68p BFR505 R23 R25 47 47 UA BFR505 470k UE T6 BFR505 BFR505 C36 R3 T8 R7 2k7 C1 22n L1 470µ C5 7/105p C18 47p 47p R24 T1 T4 BFR505 BFR505 56k R15 2k7 C3 10n D1 3,3V C6 100n R21 R22 75k 2k7 C4 100n D2 3,3V C11 100n R14 R13 47k 2k7 C21 100n R27 KAPITEL 7. TERMIN 7: AUFBAU DES MW-EMPFÄNGERS Abbildung 7.2: Bestückungsplan MW-Empfänger 53 54 Bauteilliste!MW Empfänger # 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 40 41 42 43 44 45 46 47 Bauteil C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20 C21 C22 C23 C35 C36 D1 D2 J1 J3 L1 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R21 R22 Wert 22n 6p8 10n 10n 7/105pF 100n 47p 470p 100n 68p 6p8 4.7p 100p 330p 220p 47p 100n 100n 100n 100p 100n 6p8 0p5 3ZD3 3ZD3 JUMP 1x2 JUMP 1x2 470u 470k 22k 10 10 2k7 820R 3k3 220k 4k7 22k 2k7 47k 2k7 3k3 330k 100 1meg 75k 2k7 Form IEC 1206 IEC 1206 IEC 1206 IEC 1206 TRIM!10mm!BFC2 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 JUMP 1x2!1.0mm JUMP 1x2!1.0mm Spule!Bedrahtet MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF Abbildung 7.3: Bauteilliste MW-Empfänger KAPITEL 7. TERMIN 7: AUFBAU DES MW-EMPFÄNGERS 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 R23 R24 R25 R26 R31 T1 T2 T3 T4 T6 T7 T8 T9 T10 47R 56k 47R 470R 240k BFR505 BFR505 BFR505 BFR505 BFR505 BFR505 BFR505 BFT92 BFT92 MMELF MMELF MMELF MMELF MMELF SOT 23 SOT 23 SOT 23 SOT 23 SOT 23 SOT 23 SOT 23 SOT 23 SOT 23 Abbildung 7.4: Bauteilliste MW-Empfänger 55