Document

Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald
Fachbereich Physik
Elektronikpraktikum
Protokoll-Nr.: 5
RC - Breitbandverstärker
Protokollant:
Jens Bernheiden
Gruppe:
2
Aufgabe durchgeführt: 30.04.1997
Protokoll abgegeben:
Note: ______________
07.05.1997
Theoretische Grundlagen
Arbeitspunkteinstellung und Arbeitspunktstabilisierung
Abbildung 1 zeigt eine Emitterschaltung mit Stormgegenkopplung.
+Ub
RC
R1
Ua
UC
Ue
T1
UB
C1
UE
R2’’
R2’
CE
RE
Abildung 1: Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung
Der Basisspannungsteiler besteht aus R1 und R2 = R2’ + R2’’. Mit diesem Basisspannungsteiler kann
die Basisvorspannung UB eingestellt werden. Damit die Belastung des Basisspannungsteilers durch die
Entnahme des Basisstroms klein bleibt, muß der Querstrom über R1 und R2 größer gewählt werden als
der erforderliche Basisstrom IB. Ist die Basisspannung UB ausreichend positiv, so fließt ein Basisstrom.
Dieser bewirkt das Fließen eines Kollektorstroms IC.
IC = B ⋅ IB
(1)
B...Großsignalstromverstärkung
Durch das Fließen des Kollektorstroms kommt es zu einem Spannungsabfall über RC und über RE.
Der Spannungsabfall über RC bestimmt im Wesentlichen die Ausgangsgleichspannung UC, der
Spannungsabfall über RE ist gleich der Emitterspannung UE.
Die Basis - Emitter - Spannung errechnet sich dann zu:
U BE = U B − U E
(2)
In Abbildung 2 ist die prinzipielle Abhängigkeit des Basisstroms von der Basis - Emitterspannung
dargestellt.
0,5
IB in mA
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
UBE in V
Abbildung 2: IB als Funktion von UBE als Eingangskennlinie eines Silicium - Transistors
Schaltet man die Betriebsspannung Ub ein, so steigen der Basisstrom, der Kollektorstrom, die
Emitterspannung und die Basis - Emitterspannung an. Der Ansstieg wird durch die anwachsende
Emitterspannung begrenzt.
Mit dem Potentiometer R2’ kann man die Basisvorspannung und somit alle den Arbeitspunkt
bestimmenden Größen variieren.
2
Mit den folgenden Gleichungen kann man die für den Arbeitspunkt erforderlichen ohmschen
Widerstände berechnen:

1  U b − U CE
RC + RE  1 +
=
IC
 BN 
U b − U BE − I E RE
I B R2 + U BE + I E RE
R1 = R2
mit
IE = IC + IB
(3)
Bei der Berechnung der absoluten Widerstandswerte ist darauf zu achten, daß der Querstrom über R1
und R2 deutlich größer zu wählen ist, als der Basisstrom.
RE bestimmt die Größe der Stromgegenkopplung, die zur Arbeitspunktstabilisierung genutzt wird.
Das Prinzip der Stromgegenkopplung soll mit Hilfe folgender Formeln verdeutlicht werden.
IB =
IC
B
U B = U b − Ri ⋅ I B
U E = U B − U BE
IC =
UE
RE
(4)
Der Innenwiderstand Ri ergiebt sich hier aus der Parallelschaltung von R1 und R2.
An den Formeln 4 erkennt man, daß wenn der Kollektorstrom kleiner wird, der Basisstrom sinkt, die
Basisspannung steigt, die Emitterspannung steigt und und der Kollektorstrom wieder auf einen
höheren Wert gezwungen wird.
Vereinfacht:
IC⇓ ⇒ IB⇓ ⇒ UB⇑ ⇒ UE⇑ ⇒ IC⇑
Dynamische Daten
Abbildung 3 zeigt die Ersatzschaltung für das Wechselstromverhalten des RC - Breitbandverstärkers.
iC
iB
RC
T1
CP
C1
∼
R1
R2
UBE
UE
Ue
Abbildung 3: Ersatzschaltung für das Wechselstromverhalten des RC - Breitbandverstärkers
Mit den folgenden Formeln kann man näherungsweise die wichtigsten dynamischen Größen der
Emitterschaltung berechnen.
vu =
uCE
β
β
=−
( RC ||rEC ) ≈ − ⋅ RC
u BE
rBE
rBE
vi =
β ⋅ rCE
iC
=
i B rCE + RC
(5)
re =
u BE
= rBE || R1 || R2
iB
ra =
uCE
= rCE || RC ≈ RC
iC
(6)
fu =
1
2 ⋅ π ⋅ re ⋅ C1
fo =
1
2 ⋅ π ⋅ ra ⋅ C p
(7)
B = fo − fu
(8)
vu - Spannungsverstärkung, vi - Stromverstärkung, re - Eingangswiderstand,ra - Ausgangswiderstand,
fo - obere Grenzfrequenz, fu - untere Grenzfrequenz
Durch den Kondensator CE wird die Stromgegenkopplung innerhalb der Bandbreite des Verstärkers
für Wechselsignale vermieden. Die Kapazität CE beeinflußt den Frequenzgang nicht, solange die durch
3
RE und CE erzeugte Grenzfrequenz kleiner als die untere Grenzfrequenz bleibt. So beeinflussen also
nur C1 und Cp (parasitäre Kapazitäten) den Frequenzgang.
4
Versuchsdurchführung
Aufgabe 1
1. Meßaufgabe:
Realisieren Sie einen RC - Breitbandverstärker nach Abbildung 4 mit einem npn - NF - Transistor!
Stellen Sie den Arbeitspunkt mit Hilfe des Potentiometers R2’ ein!
Messen Sie die Verstärkung bei der Frequenz f = 1 kHz und bestimmen Sie die qualitative
Abhängigkeit der Verstärkung vom Kollektorstrom IC!
Messen Sie den Frequenzgang der Verstärkung!
2. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Abbildung 4 zeigt den Versuchsaufbau.
+Ub
12V
5,1 kΩ
R1
RC
Ua
47kΩ
UC
4,7µF
Ue
T1
UB
RSpt2
C1
R2’’
5,1 kΩ
1kΩ
∼
Funktionsgenrator
HP 33120A
UE
SF 126
U
CE
1kΩ
’
R2
RSpt1
10 kΩ
U
Dig.
Voltm.
Oszilloskop
Tektronics 22
RE
1 kΩ
4700µF
Abbildung 4: RC - Breitbandverstärker
Dimensionierung :
R1 = 47 kΩ
R2’ = 10 kΩ
R2’’ = 5,1 kΩ
RE = 1 kΩ
RC = 5,1 kΩ
C1 = 4,7 µF
CE = 4700 µF
Transistor SF 126: IC = 1 mA
Ub = + 12 V (Spitze - Spitze / Gleichspannung)
RSpt1 = 1 kΩ
RSpt2 = 1 kΩ
Ue = 24,7 mV (Spitze - Spitze / Sinuswechselspannung)
Der Arbeitspunkt wird eingestellt, indem das Potentiometer R2’ so eingestellt wird, daß ein
Kollektorstrom von IC ≈ 1 mA fließt. Da RE = 1 kΩ und IE = IC + IB und IE in der Größenordnung von
IC liegt, da der Basisstrom IB sehr klein ist, kann man den Arbeitspunkt so wählen, das dur RE ein
Strom von 1 mA fließt. Es wurde also die Spannung über RE mit dem Digitalvoltmeter gemessen und
das Potentiometer R2’ so eingestellt, daß der Spannungsabfall über RE UE = 1 V betrug.
(U E
= R ⋅ I E = 1kΩ ⋅ 1mA = 1V )
5
Da die vom Funktionsgenerator gelieferte Spannung eine zu große Basisspannung nach sich zog,
wurde vor den Koppelkondensator C1 noch ein Spannungsteiler bestehend aus R3 und R4 geschaltet.
Zur Messung der Verstärkung bei der Frequenz f = 1 kHz wurde diese Frequenz am
Funktionsgenerator eingestellt und die Basisspannung und die Kollektorspannung wurden mit
Oszilloskop gemessen. Die Verstärkung errechnet sich dann zu
V=
Ua UC
=
Ue UB
(9)
Um die qualitative Abhängigkeit der Verstärkung vom Kollektorstrom zu bestimmen, wurde das
Potentiometer R2’ verstellt und die Änderung der Ausgangsspannung auf dem Oszilloskop beobachtet.
Der Frequenzgang der Verstärkung wurde aufgenommen, indem in Abhängigkeit von der Frequenz der
Eingangsspannung die Amplitude der Ausgangsspannung gemessen und die Phasendifferenz ∆ϕ
zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung mittels Lissajousfiguren bestimmt wurde.
3. Meßergebnisse und Auswertung
Der Arbeitspunkt wurde wie in der Versuchsdurchführung beschrieben eingestellt.
Die Messung von UB und Ua bei einer Frequenz von f = 1 kHz ergab folgende Werte:
UB = 24,7 mV Ua = 4,12 V
Die Verstärkung bei f = 1 kHz wurde nach Formel 9 zu V = 166,8 errechnet.
Erniedrigte man nun den Kollektorstrom, indem man das Potentiometer R2’ verstellte, so wurde die
Verstärkung kleiner. Erhöhte man dagegen den Kollektorstrom, so wurde die Verstärkung auch größer.
In Tabelle 1 sind die Meßdaten zum Frequenzgang der Verstärkung aufgelistet. Es wurde die jeweilige
Verstärkung, die auf den Maximalwert der Verstärkung normierte Verstärkung und die
Phasendifferenz berechnet.
Tabelle 1: Frequenzgang der Verstärkung des npn - NF - Transistors mit Emitterkondensator
Ue = 24,7 mV
fUe in kHz
Ua in V
Verstärkung
V
V/V0
a
0,01
0,03
0,05
0,1
0,5
1
50
150
200
250
300
400
500
600
1000
3000
1,99
3,46
3,82
4,12
4,12
4,12
4,12
3,79
3,55
3,24
3,00
2,64
2,25
2,01
1,41
0,56
80,6
140,1
154,7
166,8
166,8
166,8
166,8
153,4
143,7
131,2
121,5
106,9
91,1
81,4
57,1
22,7
0,48
0,84
0,93
1,00
1,00
1,00
1,00
0,92
0,86
0,79
0,73
0,64
0,55
0,49
0,34
0,14
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
5,3
6,3
11,6
13,4
15,2
15,3
15,4
15,9
14,4
-
Phasenverschiebung
b
∆φ in Grad
24,7
180
24,7
180
24,7
180
24,7
180
24,7
180
24,7
180
24,7
192
24,7
195
23,6
209
23,2
215
22,8
222
20,4
229
19,4
233
19,0
237
18,1
233
-
Die Diagramme 1 und 2 zeigen den Frequenzgang der Verstärkung, wobei in Diagramm 1 die
Verstärkung halblogarithmisch und in Diagramm 2 die normierte Verstärkung doppeltlogarithmisch
über der Frequenz dargestellt ist.
6
Diagramm 3 zeigt die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz.
7
0,01
180
0,1
1
f in kHz
10
100
1000
10000
160
140
120
V
100
80
60
40
20
0
Verstärkung
Diagramm 1: Frequenzgang der Verstärkung
0,1
1
f in kHz
10
100
1000
V/V0
0,01
1,0
0,1
normierte Verstärkung
Diagramm 2: Frequenzgang der normierten Verstärkung
8
10000
f in kHz
0,01
240
0,1
1
10
100
1000
230
220
∆φ in Grad
210
200
190
180
170
160
150
Phasenverschiebung
Diagramm 3: Phasendifferenz in Abhängigkeit von der Frequenz
Aus den Diagrammen 1 und 2 (Abfall der Verstärkung um das
1
2
- fache gegenüber dem
Maximalwert) kann man erkennen, daß die untere Grenzfrequenz bei fu = 0,02 kHz = 20 Hz und die
obere Grenzfrequenz bei fo = 330 kHz liegt.
Aus dem Diagramm 3 (Phasendifferenz von 180° + 45° = 225°) kann man nur die obere
Grenzfrequenz bei fo = 330 kHz erkennen.
Die Bandbreite errechnet sich also nach B = fo - fu zu B = 329,98 kHz.
4. Diskussion und Fehlerbetrachtung
Die Verstärkung des Transistors war mit V = 204 bei einer Frequenz von 1 kHz angegeben. Die
gemessene Verstärkung liegt mit V = 166,8 unter diesem Wert. Ein Grund dafür kann sein, daß der
Arbeitspunkt nicht richtig eingestellt wurde.
In den Diagrammen 1, 2 und 3 ist die große Bandbreite deutlich zu erkennen. Die Verstärkung bleibt
über einen großen Frequenzbereich konstant und sinkt zu beiden Seiten hin ab.
Aus Diagramm 3 erkennt man die Phasendifferenz von 180°. Diese Phasendifferenz kommt zustande,
da ein Anstieg des Basisstroms eine Vergrößerung des Kollektorstroms und somit eine Veringerung
der Kollektorspannung bewirkt. Die Polarität des Eingangssignals wird also invertiert und der
Verstärkungsfaktor müßte also immer ein negatives Vorzeichen tragen, worauf hier der Einfachheit
halber aber verzichtet werden soll.
Zwei Faktoren beeinflussen im wesentlichen die obere Frequenzgrenze eines Verstärkers. Bei hohen
Frequenzen wirken sich zum einen die Laufzeiten der Ladungsträger innerhalb des Transistors aus.
Zum anderen begrenzen die Zeitkonstanten in der Schaltung (Kapazitäten + Widerstände) die
Übertragung hoher Frequenzen. Diese Faktoren beeinflussen auch die Flankensteilheit.
9
Aufgabe 2
1. Meßaufgabe:
Realisieren Sie einen RC - Breitbandverstärker nach Abbildung 5 mit einem npn - NF - Transistor
ohne den Emitterkondensator CE !
Messen Sie die Verstärkung bei der Frequenz f = 1 kHz und bestimmen Sie die qualitative
Abhängigkeit der Verstärkung vom Kollektorstrom IC!
Messen Sie den Frequenzgang der Verstärkung!
2. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Abbildung 5 zeigt den Versuchsaufbau.
+Ub
12V
5,1 kΩ
R1
RC
Ua
47kΩ
UC
4,7µF
T1
UB
C1
1kΩ
∼
Funktionsgenrator
HP 33120A
1kΩ
UE
SF 126
R2’’
5,1 kΩ
U
Oszilloskop
Tektronics 22
’
R2
10 kΩ
U
Dig.
Voltm.
RE
1 kΩ
Abbildung 5: RC - Breitbandverstärker ohne CE
Dimensionierung :
wie in Aufgabe 1
Ue = 800 mV (Spitze - Spitze / Sinuswechselspannung)
Der Versuchsaufbau erfolgte hier ohne zusätzlichen Spannungsteiler.
Die Messung der Verstärkung bei der Frequenz f = 1 kHz, die Messung des Frequenzganges der
Verstärkung und die Bestimmung der qualitativen Abhängigkeit der Verstärkung vom Arbeitspunkt
erfolgte analog zur Aufgabe 1.
3. Meßergebnisse und Auswertung
Die Messung von UB und Ua bei einer Frequenz ergab folgende Werte:
UB = 0,782 V
Ua = 4,09 V
Die Verstärkung bei f = 1 kHz wurde nach Formel 9 zu V = 5,23 errechnet.
Qualitativ ergab sich die gleiche Abhängigkeit der Verstärkung vom Kollektorstrom, also vom
Arbeitspunkt, wie in Aufgabe 1.
In Tabelle 2 sind die Meßdaten zum Frequenzgang der Verstärkung aufgelistet. Es wurde die jeweilige
Verstärkung, die auf den Maximalwert der Verstärkung normierte Verstärkung und die
Phasendifferenz berechnet.
10
Tabelle 2: Frequenzgang der Verstärkung des npn - NF - Transistors ohne Emitterkondensator
Ue = 0,782 V
fUe in kHz
Ua in V
Verstärkung
V
V/V0
a
0,01
0,02
0,05
0,1
1
100
300
400
600
900
1000
2000
3000
3,61
3,92
3,99
3,99
4,09
4,09
3,95
3,88
3,56
3,13
2,93
2,05
1,52
4,62
5,01
5,10
5,10
5,23
5,23
5,05
4,96
4,55
4,00
3,75
2,62
1,94
0,88
0,96
0,98
0,98
1,00
1,00
0,97
0,95
0,87
0,77
0,72
0,50
0,37
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,135
0,308
0,353
0,476
0,618
0,640
0,806
0,806
Phasenverschiebung
b
∆φ in Grad
0,819
180
0,819
180
0,819
180
0,819
180
0,819
180
0,808
190
0,813
202
0,806
206
0,812
216
0,809
230
0,819
231
0,809
265
0,809
265
Die Diagramme 4 und 5 zeigen den Frequenzgang der Verstärkung, wobei in Diagramm 4 die
Verstärkung halblogarithmisch und in Diagramm 5 die normierte Verstärkung doppeltlogarithmisch
über der Frequenz dargestellt ist.
Diagramm 6 zeigt die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz.
0,01
6
0,1
1
f in kHz
10
100
1000
10000
5
V
4
3
2
1
0
Verstärkung
Diagramm 4: Frequenzgang der Verstärkung
11
0,1
1
f in kHz
10
100
1000
10000
V/V0
0,01
1,0
0,1
normierte Verstärkung
Diagramm 5: Frequenzgang der normierten Verstärkung
0,01
270
0,1
1
f in kHz
10
100
1000
10000
250
∆φ in Grad
230
210
190
170
150
Phasenverschiebung
Diagramm 6: Phasendifferenz in Abhängigkeit von der Frequenz
Aus den Diagrammen 4 und 5 kann man erkennen, daß die obere Grenzfrequenz bei fo = 1000 kHz
liegt. Aus dem Diagramm 3 kann man die obere Grenzfrequenz bei fo = 850 kHz erkennen.
Die untere Grenzfrequenz wurde in der Messung nicht erreicht. Da die Messung der Verstärkung
genauer möglich war, als die Messung der Phasenverschiebung über Lissajousfiguren, entscheide ich
mich für eine obere Grenzfrequenz von fo = 1 MHz.
Die Bandbreite kann man, da fu < 0,01 kHz, abschätzen zu B > 999 kHz.
12
4. Diskussion und Fehlerbetrachtung
Die gemessene Verstärkung liegt mit V = 5,23 deutlich unter dem Wert der Verstärkung, der mit dem
Emitterkondensator erreicht wurde. Dieser Verstärkungsverlust hängt mit dem Emitterwiderstand
zusammen. Der Emitterwiderstand stabilisiert zwar die Spannungsverstärkung, verringert die
nichtlinearen Verzerrungen und dient zur Arbeitspunktstabilisierung, aber er verringert die
Spannungsverstärkung und erhöht den Eingangs- und den Ausgangswiderstand. Der Emitterwiderstand
wird zur Stromgegenkopplung genutzt. Der Emitterkondensator überbrückt den Emitterwiderstand für
den Signalfrequenzbereich. Wenn CE groß genug ist, tritt bei den Signalfrequenzen keine wesentliche
Gegenkopplung auf. Bei sehr niedrigen Frequenzen wird der kapazitive Nebenschluß jedoch
unwirksam.
Die Stromgegenkopplung macht sich in Aufgabe 1 also im wesentlichen nur für die Gleichspannung
bemerkbar, in Aufgabe 2 jedoch auch für die angelegte Wechselspannung. Dadurch wird in Aufgabe 2
die Verstärkung kleiner.
In den Diagrammen 4, 5 und 6 ist die große Bandbreite von B = 1 MHz deutlich zu erkennen. Die
Verstärkung bleibt wie in Aufgabe 1 über einen großen Frequenzbereich konstant und sinkt zu beiden
Seiten hin ab.
Die Bandbreite ist größer geworden, da nichtlineare Verzerrungen mehr unterdrückt wurden, die
Verstärkung mehr stabilisiert wurde. Die obere Grenzfrequenz ist größer und die untere Grenzfrequenz
ist kleiner als die jeweilige Grenzfrequenz aus Aufgabe 1.
Aus Diagramm 6 erkennt man wieder die Phasendifferenz von 180°. Die Ursache der Phasendifferenz
ist der Diskussion aus Aufgabe 1 zu entnehmen.
13
Aufgabe 3
1. Meßaufgabe:
Realisieren Sie einen RC - Breitbandverstärker nach Abbildung 6 mit einem pnp - HF - Transistor!
Messen Sie die Verstärkung bei der Frequenz f = 1 kHz und bestimmen Sie die qualitative
Abhängigkeit der Verstärkung vom Kollektorstrom IC!
Messen Sie den Frequenzgang der Verstärkung!
2. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
-Ub
5,1 kΩ
R1
RC
Ua
47kΩ
UC
4,7µF
Ue
T1
UB
RSpt2
C1
UE
1kΩ
∼
Funktionsgenrator
HP 33120A
BC 177
R2’’
5,1 kΩ
U
Oszilloskop
Tektronics 22
1kΩ
R2
RSpt1
’
10 kΩ
U
Dig.
Voltm.
RE
1 kΩ
CE
4700µF
•
+Ub
12V
Abbildung 6 zeigt den Versuchsaufbau.
Abbildung 6: RC - Breitbandverstärker
Dimensionierung :
wie in Aufgabe 1
pnp - HF - Transistor: BC 177 : IC = 1mA
Ue = 30,8 mV (Spitze - Spitze / Sinuswechselspannung)
Der Versuchsaufbau erfolgte hier wieder mit dem zusätzlichen Spannungsteiler.
Die Arbeitspunkteinstellung, die Messung der Verstärkung bei der Frequenz f = 1 kHz, die Messung
des Frequenzganges der Verstärkung und die Bestimmung der qualitativen Abhängigkeit der
Verstärkung vom Arbeitspunkt erfolgte analog zur Aufgabe 1.
3. Meßergebnisse und Auswertung
Der Arbeitspunkt wurde wie in der Versuchsdurchführung beschrieben eingestellt.
Die Messung von UB und Ua bei einer Frequenz ergab folgende Werte:
UB = 30,8 mV Ua = 5,39 V
Die Verstärkung bei f = 1 kHz wurde nach Formel 9 zu V = 179,7 errechnet.
Qualitativ ergab sich die gleiche Abhängigkeit der Verstärkung vom Kollektorstrom, also vom
Arbeitspunkt, wie in Aufgabe 1.
In Tabelle 3 sind die Meßdaten zum Frequenzgang der Verstärkung aufgelistet. Es wurde die jeweilige
Verstärkung, die auf den Maximalwert der Verstärkung normierte Verstärkung und die
Phasendifferenz berechnet.
14
Tabelle 3: Frequenzgang der Verstärkung des pnp - HF - Transistors mit Emitterkondensator
Ue = 30,8 mV
fUe in kHz
Ua in V
Verstärkung
V
V/V0
fUe in kHz
0,03
0,05
0,1
0,7
1
2
50
110
120
200
250
300
500
1000
2000
3000
5000
10000
15000
4,86
5,24
5,34
5,37
5,39
5,39
5,40
5,39
5,34
5,28
5,23
5,12
4,78
3,78
2,39
1,68
1,00
0,56
0,4
162,0
174,7
178,0
179,0
179,7
179,7
180,0
179,7
178,0
176,0
174,3
170,7
159,3
126,0
79,7
56,0
33,3
18,7
13,3
0,90
0,97
0,99
0,99
1,00
1,00
1,00
1,00
0,99
0,98
0,97
0,95
0,89
0,70
0,44
0,31
0,19
0,10
0,07
0,0
0,1
0,2
0,5
1
5
10
50
100
150
200
300
500
700
900
1000
3000
5000
8000
Phasenverschiebung
b
∆φ in Grad
0,0
30,0
180
0,0
30,0
180
0,0
30,0
180
0,0
30,0
180
0,0
30,0
180
0,0
30,0
180
0,0
30,0
180
3,4
30,0
187
4,3
30,0
188
5,2
30,0
190
6,5
30,0
193
7,9
30,0
195
13,4
30,6
206
17,4
28,9
217
18,8
27,0
224
19,9
27,0
227
20,6
22,8
245
16,1
19,6
235
5,8
14,7
203
a
Die Diagramme 7 und 8 zeigen den Frequenzgang der Verstärkung, wobei in Diagramm 7 die
Verstärkung halblogarithmisch und in Diagramm 8 die normierte Verstärkung doppeltlogarithmisch
über der Frequenz dargestellt ist.
Diagramm 9 zeigt die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz.
0,01
0,1
1
10
f in kHz
100
1000
10000
100000
180
160
140
V
120
100
80
60
40
20
0
Verstärkung
Diagramm 7: Frequenzgang der Verstärkung
15
V/V0
0,01
1,00
0,1
1
10
f in kHz
100
1000
10000
100000
0,10
0,01
normierte Verstärkung
Diagramm 8: Frequenzgang der normierten Verstärkung
0,0
0,1
1,0
f in kHz
10,0
100,0
1000,0
10000,0
250
240
230
∆φ in Grad
220
210
200
190
180
170
160
150
Phasenverschiebung
Diagramm 9: Phasendifferenz in Abhängigkeit von der Frequenz
Aus den Diagrammen 7 und 8 kann man erkennen, daß die obere Grenzfrequenz bei fo = 1000 kHz
liegt. Aus dem Diagramm 9 kann man die obere Grenzfrequenz bei fo = 900 kHz erkennen.
Die untere Grenzfrequenz wurde in der Messung nicht erreicht. Da die Messung der Verstärkung
genauer möglich war, als die Messung der Phasenverschiebung über Lissajousfiguren, entscheide ich
mich für eine obere Grenzfrequenz von fo = 1 MHz.
Die Bandbreite kann man, da fu < 0,01 kHz, abschätzen zu B ≈ 999 kHz.
4. Diskussion und Fehlerbetrachtung
Die Verstärkung des Transistors war mit V = 202 bei einer Frequenz von 1 kHz angegeben. Die
gemessene Verstärkung liegt mit V = 179,7 unter diesem Wert. Ein Grund dafür kann sein, daß der
Arbeitspunkt nicht richtig eingestellt wurde.
In den Diagrammen 7, 8 und 9 ist die im Vergleich zur Aufgabe 1 sehr große Bandbreite deutlich zu
erkennen. Die Verstärkung bleibt über einen sehr großen Frequenzbereich konstant und sinkt zu
beiden Seiten hin ab. Dieser pnp - HF - Transistor wird also schneller sein, als der npn - NF Transistor.
16
Aus Diagramm 3 erkennt man auch hier die Phasendifferenz von 180° (Gründe für die Phasendifferenz
siehe Diskussion zu Aufgabe 1).
17
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Versuches wurden 3 RC - Breitbandverstärkerschaltungen untersucht.
Bei allen Emitterschaltungen wurden die Arbeitspunkte eingestellt, die Verstärkung und der
Frequenzgang der Verstärkung gemessen.
In Aufgabe 1 wurde ein npn - NF - Transistor verwendet (Schaltung mit Emitterkondensator), in
Aufgabe 2 wurde die Schaltung aus Aufgabe 1 ohne den Emitterkondensator untersucht, in Aufgabe 3
wurde ein pnp - HF - Transistor genutzt.
Ein Vergleich der Ergebnisse aus Aufgabe 1 und 2 zeigte, daß der Emitterkondensator in
Zusammenhang mit dem Emitterwiderstand die Bandbreite, die Stabilität der Verstärkung und die
Größe der Verstärkung wesentlich beeinflußt.
Außerdem wurde in einer Gegenüberstellung der Resultate aus Aufgabe 1 und 3 festgestellt, daß der
pnp - HF - Transistor BC 177 schneller ist (d.h. daß die Laufzeiten der Ladungsträger innerhalb des
Transistors kleiner sind) als der npn - NF - Transistor SF 126 und so die Verstärkung beim npn - HF Transistor auch im höheren Frequenzbereich konstant bleibt.
18