praktikum halbleiterschaltungstechnik

PRAKTIKUM HALBLEITERSCHALTUNGSTECHNIK
Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik
3. überarbeitete Auage, 2015
Alle Rechte vorbehalten
Johannes Kepler Universität Linz, Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik
A-4040 Linz
•
Altenberger Straÿe 69
•
Internet: http://www.ime.jku.at
i
Einleitung
Ziel der Lehrveranstaltung ist es ausgewählte Inhalte aus Vorlesung und Übung praktisch
umzusetzen. Dazu werden Schaltungen berechnet, simuliert, aufgebaut und durchgemessen. Die Berechnungen erfolgen mit einfachen Handrechenmodellen analog zur Übung.
Die darauf folgenden Simulationen in PSpice stellen bessere Annäherungen an das reale
Verhalten der Schaltungen als die einfachen Rechenmodelle dar. Einer der Lerneekte
besteht darin, zu erkennen in welchen Fällen die einfachen Handrechenmodelle ausreichen
und in welchen nicht.
Der Aufbau der Schaltungen, erfolgt auf Lochrasterplatinen durch Auöten von Bauteilen und Drahtverbindungen. Sekundäres Ziel des Praktikums ist es Ungeübten das LLook
and Feelür den Aufbau elektronischer Schaltungen zu vermitteln und sicherzustellen,
dass Studierende der Informationselektronik bzw. der Mechatronik mit Vertiefung Elektrotechnik, zumindest einmal in ihrem Studium eine Schaltung gelötet haben.
Abhaltungsmodus
fünf Einheiten
es wird in Zweiergruppen gearbeitet
kein Einstiegstest
Vorbereitung wird überprüft und zählt zur Mitarbeit
keine Kopien von Messprotokollen
ein Gesamtprotokoll pro Gruppe, bis zu vereinbarter Frist nach der letzten Einheit
abzugeben
Richtlinien für die Vorbereitung
Die Praktikumseinheiten dienen dazu die Schaltungen aufzubauen und zu vermessen.
Die dazu nötigen Vorarbeiten in Form von Berechnungen und Simulationen sind
vor
Praktikusdurchführung zu erledigen und zum Praktikumstermin mitzubringen.
Fragestellungen, die nicht direkt für Aufbau oder Messung relevant sind, müssen erst
im Endprotokoll bearbeitet werden.
Bei den Dimensionierungen soll darauf geachtet werden, sinnvolle Vereinfachungen an-
zuwenden. Es ist unnötig hochgenaue Berechnungen durchzuführen, wenn die Bauteilschwankungen die Rechengenauigkeit übersteigen.
Die von Ihnen analog zur Übung Halbleiterschaltungstechnik dimensionierten Schal-
tungen sollen in PSpice simuliert werden.
Als Simulationswerkzeug bietet sich entweder OrCAD PSpice Vollversion oder LTspice
(Freeware) an. Das kurze Tutorium in Kapitel 1 des Skripts bezieht auf die Verwendung
von OrCAD. Es liegt in Ihrer Verantwortung sich mit einer geeigneten Simulationssoftware
vertraut zu machen.
ii
Richtlinien für die Praktikumsdurchführung
Die Schaltungen werden auf Lochrasterplatine aufgelötet und durchgemessen. Zur Do-
kumentation der Messungen ist eine Digitalkamera zweckmäÿig.
Gravierenden Abweichungen von Simulation bzw. Handrechnung muss nachgegangen
werden!
Achten Sie auf sinnvolle Einstellungen des Oszilloskops! Aktivieren Sie nicht die Mit-
telungsfunktion!
Richtlinien zur Protokollerstellung
Grundsätzlich sollen die Ergebnisse von Handrechnung, Simulation und Messung, wenn
möglich, verglichen werden. Erklärungsversuche für Abweichung!
Die mit
•
gekennzeichneten Fragestellungen müssen im Protokoll behandelt werden!
Sie brauchen keine bekannten Herleitungen abschreiben. Es reicht eine Referenz auf Gleichungen im Vorlesungsskript bzw. können Sie die relevanten Teile der verwendete Quelle
als Kopie in den Anhang geben.
Die einzelnen Aufgabenstellungen sollen Sie dazu anregen sich Gedanken über die
schaltungstechnischen Zusammenhänge zu machen. Geben Sie ihre Erkenntnisse preis!
Unplausiblen Ergebnissen muss ungedingt nachgegangen werden!
Die Protokolle werden lang! Konzentrieren Sie sich nicht zu sehr auf die Formatierung,
sondern auf den fachlichen Inhalt. Nichts desto trotz führen fehlende Achsenbeschriftungen, haarsträubende Einheitenfehler, unzweckmäÿige grasche Darstellungen, usw. zu
Abzügen in der Bewertung.
Sicherheitshinweise
◦
Lötkolben sind heiÿ! Die Löttemperatur beträgt ca. 350 C.
Bleihaltiges Lötzinn ist giftig (Schwermetall)!
Das beim Löten verdampfende Flussmittel (meist Kolophonium) gilt als gesundheits-
schädlich!
Es wird daher empfohlen Lötdämpfe nicht einzuatmen und sich nach Beendigung des
Praktikums die Hände zu waschen.
Inhaltsverzeichnis
1 EINFÜHRUNG PSPICE
1
1.1
Erstellen eines neuen Projekts in Orcad PSpice
. . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Platzieren der Bauelemente
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Simulation von zeitlichen Signalverläufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.4
Simulation des Frequenzganges
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.5
Farbanpassung der Simulatorausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.6
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2 MIKROFONVERSTÄRKER
2.1
8
Dimensionierung und Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.1
Simulation in PSpice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.2
Hinweise zum Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.2
Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.3
Anhang zur Mikrofonverstärkerübung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.3.1
Funktionsweise des verwendeten Mikrofons . . . . . . . . . . . . . .
11
2.3.2
Zum Klirrfaktor / THD
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.3.3
Verlustleistung an Potentiometern . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.3.4
Messen der Rauschspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3 KONSTANTSTROMQUELLEN
16
3.1
Berechnung und Simulation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.2
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
4 LC-OSZILLATOR
4.1
20
Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.1.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.2
Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.3
Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.3.1
22
Schwingbedingung
UKW-Prüfsender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 KIPPSCHALTUNGEN
5.1
5.2
Berechnung und Simulation
24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
5.1.1
Astabile Kippstufe
5.1.2
Dreistuge Kippschaltung und Lauicht
. . . . . . . . . . . . . . .
25
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
iii
INHALTSVERZEICHNIS
iv
6 DIFFERENZVERSTÄRKER
6.1
6.2
28
Berechnungen und Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1
DC - Analyse in PSpice und Verstärkungsberechnung . . . . . . . .
29
6.1.2
Temperaturstabilität
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
7 UBE-VERVIELFACHER
7.1
31
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 LEISTUNGSENDSTUFEN
8.1
8.2.1
8.3
8.4
8.5
. . . . . . . . . . .
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der rückgekoppelte Emitterfolger
32
33
Der komplementäre Emitterfolger (Kollektorschaltung)
8.1.1
8.2
28
33
35
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Gegentaktverstärker mit Ruhestromeinstellung . . . . . . . . . . . . . . . .
37
8.3.1
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
Der rückgekoppelte Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
8.4.1
Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
Der in Brücke geschaltete Verstärker (Aufbau optional) . . . . . . . . . . .
41
Kapitel 1
EINFÜHRUNG PSPICE
Die ersten Computerprogramme zur Schaltungssimulation gehen bis in die fünfziger Jahre
zurück. Das erste Programm mit dem Namen SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) erschien 1975. Im Zuge des Praktikums wird es nötig werden,
Schaltungssimulationen mit einer geeigneten Software durchzuführen. Zum einen gibt es
kommerzielle Softwarepakete, wie OrCAD PSpice, auf die sich auch die nachfolgende Einführung bezieht, und zum anderen ist freie Software wie LTspice von der Firma Linear
Technology eine echte Alternative. Sie haben bei der Auswahl der Software freie Hand!
Demoversionen von Orcad PSpice sind in den neueren Versionen (aktuell OrCAD 16.6
Demo (Capture and PSpice only), Stand 2015) für das Praktikum ungeeignet, da leider
zu stark eingeschränkt.
1.1
Erstellen eines neuen Projekts in Orcad PSpice
Starten Sie des Programms unter
Programme, OrCAD...
durch Auswahl von
Cap-
ture CIS. Es erscheint das Capture Fenster. Ein neues Projekt wird im Menüpunkt
File, New, Project erzeugt, es erscheint dabei das in Abb. 1.1 abgebildete Fenster. Für
die Simulation einer Transistorschaltung wird der Menüpunkt Analog or mixed A/D
angeklickt. Der gewünschte Name und das Verzeichnis sind einzugeben.
Abbildung 1.1: New Project
1
KAPITEL 1.
EINFÜHRUNG PSPICE
Nach der Quittierung mit
OK
2
erscheint das in Abb. 1.2 abgebildete Dialogfenster. Zum
Generieren eines neuen Projektes
Create a blank project
auswählen.
Abbildung 1.2: Create PSpice Project
Durch eine Quittierung mit
1.2
OK erhält man ein leeres Zeichenblatt.
Platzieren der Bauelemente
Die gewünschten Bauelemente können durch Auswahl der selbigen aus der entsprechenden
Bibliothek des Menüpunktes
Part
im Menü
Place
(oder
Shift+P) in das Zeichenblatt
eingefügt werden.
Abbildung 1.3: Place Part
In der
Analog
Bibliothek benden sich z.B. Widerstände Kondensatoren usw. in ver-
schiedenen Ausführungsformen, wie in Abb. 1.3 ersichtlich ist. Besonderes Augenmerk ist
beim Einfügen eines Bezugspotentials mit
Place, Ground und Auswahl des GND Sym-
bols aus der CAPSYM Bibliothek darauf zu legen, dass dieses auf 0 umbenannt wird, da
sonst bei der Simulation eine Fehlermeldung ausgegeben wird (Abb. 1.4) !!!
Nach erfolgter Platzierung der Bauteile erfolgt die Verdrahtung mit
Shift+W oder unter
dem Menüpunkt Place durch Auswahl von Wire. Verbindungen zwischen Bauteilen stellen
für
PSpice
Knoten (Nodes) dar, welche vom Schaltplaneditor selbstständig nummeriert
werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sollten interessante Knoten aussagekräftig
benannt werden. Vergeben Sie dazu sogenannte
bindung und drücken von
Net Aliases
Shift+N (oder dem Symbol N1).
durch anklicken einer Ver-
Um eine Ausgabe der in der Schaltung interessanten Spannungen und Ströme in Abhängigkeit der Zeit zu erreichen, muss man nun noch Messpunkte mit
Voltage/Level Marker
KAPITEL 1.
EINFÜHRUNG PSPICE
3
Abbildung 1.4: Place Ground
bzw.
Current Marker
(in der Menüleiste die lupenähnlichen Symbole mit
setzen, wie beispielsweise in Abb. 1.5 gezeigt wird. Durch Anklicken der
V, I
V
und
I
)
Knöpfe in
der Menüleiste werden Gleichspannungs- und Gleichstromwerte (Arbeitspunkt) direkt in
der Zeichnung angezeigt.
Abbildung 1.5: Schematic
1.3
Simulation von zeitlichen Signalverläufen
Vor Start der Simulation ist es nun noch notwendig ein Simulationsprol zu erstellen.
Dieses erhält man durch Auswahl von
New Simulation Prole
im PSpice Menü. Im
KAPITEL 1.
EINFÜHRUNG PSPICE
4
sich önenden Fenster, wie in Abb. 1.6 dargestellt, ist nun der Name des Simulationsprols
einzugeben.
Abbildung 1.6: New Simulation
Nach Betätigen des
Create Buttons erscheint das in Abb 1.7 dargestellte Fenster, in dem
die Simulationseinstellungen, wie beispielsweise die Simulationsdauer, eingestellt werden
können.
Abbildung 1.7: Simulation Settings
Nach der Erstellung des Simulationsprols kann die Simulation durch Drücken des
Run
PSpice Buttons (blaues Dreieck) gestartet werden. Es erscheint das Ausgabefenster mit
den gewünschten Simulationswerten, wie beispielsweise für die Schaltung aus Abb. 1.5, in
Abb. 1.8 gezeigt wird.
1.4
Simulation des Frequenzganges
VAC oder VSRC
Simulation Prole AC Anlysis und der
Damit PSpice den Frequenzgang simulieren kann, muÿ als Signalquelle
verwendet werden. Als Analyseart muÿ im
entsprechende Frequenzbereich eingestellt werden.
KAPITEL 1.
EINFÜHRUNG PSPICE
Abbildung 1.8: Simulationsergebnis der zeitlichen Analyse
Abbildung 1.9: Bode Diagramm
5
KAPITEL 1.
1.5
EINFÜHRUNG PSPICE
6
Farbanpassung der Simulatorausgabe
Als Simulationsergebnis wird vorerst nur der Amplitudengang von V(OUT) angezeigt.
Plot kann mit Add Plot to Window ein neuer Plot hinzugefügt werden.
Add Trace kann nun mit Hilfe der Funktion P( ) der Phasengang von V(OUT)
Im Menü
Mit
angezeigt werden. Für Ausdrucke ist die Ausgabe der Simulationsergebnisse auf schwarzem
Hintergrund, wie in Abb. 1.9 zu sehen, meist unzweckmäÿig. Die Farben können z.B. in
der Datei
C:\Programme\Orcad\PSpice\PSpice.ini eingestellt werden. Ändern Sie
hierzu in der [PROBE DISPLAY COLORS]
und für FOREGROUND.
- Umgebung die Angaben für
[PROBE DISPLAY COLORS]
NUMTRACECOLORS=12
BACKGROUND=BRIGHTWHITE
FOREGROUND=LIGHTBLUE
1.6
Zusammenfassung
Präxe für Zehnerpotenzen in PSpice
Wichtige Shortcuts
Shift + P
Bauteil auswählen
Shift + W
Draht zeichnen
Shift + G
Ground platzieren
Shift + N
Net Alias vergeben
Ctrl + R
Bauteil rotieren
I/O
hinein/heraus zoomen
H/V
Bauteil horizontal/vertikal spiegeln
Nützliche Bauteile aus ANALOG Library
F
Stromquelle stromgesteuert
G
Stromquelle spannungsgesteuert
H
Spannungsquelle stromgesteuert
E
Spannungsquelle spannungsgesteuert
S
Schalter spannungsgesteuert
W
Schalter stromgesteuert
BACKGROUND
KAPITEL 1.
EINFÜHRUNG PSPICE
7
Übersetzungsverhältnis durch Doppelklick auf Bauteil und Veränderung des Wertes in
Spalte Gain anpassen.
Parametric Sweep
Simulation mit variablem Widerstand: Bauteilwert auf
{Rvar} setzen.
PARAM aus SPECIAL Library hinzufügen.
Doppelklick auf PARAM Objekt und Klick auf New Column... .
Als Name Rvar (ohne Klammern) und einen Defaultbauteilwert in Value eingeben und
OK drücken.
Im Simulation Prole Checkbock Parametric Sweep und Radiobutton Global
Parameter anwählen.
Als Parametername Rvar und die Grenzen für den Parametersweep eingeben.
Bauteil
Analyse Arten
Transient
Simulierte zeitliche Entwicklung der Signale
DC Sweep
Simulation mit variierender Gleichspannung
AC Sweep
Frequenzgang, Bodediagramm (VAC/VSRC verwenden)
Bias Point
Bestimmung des Arbeitspunktes
Kapitel 2
MIKROFONVERSTÄRKER
Die mit
•
gekennzeichneten Fragestellungen sind im Endprotokoll zu behandeln!
Ziel ist es einen Verstärker für Elektretmikrofone zu dimensionieren. Für den ersten Transistor wird dabei der rauscharme Typ BC550C (von On-Semiconductor) verwendet. Für
den zweiten, weniger kritischen Transistor wird der Standardtyp BC548B (ebenfalls von
On-Semi) verwendet. Die Bauteilparameter beider Transistoren nden Sie in den Datenblättern im Anhang.
2.1
Dimensionierung und Berechnungen
Dimensionieren Sie die Widerstände und die Kondensatoren für die in Abb. 2.1 dargestellte
1
Verstärkerschaltung. Wählen Sie Werte aus der Normreihe E24 . Da die Stromverstärkung
der Transistoren sehr hoch ist, kann der Basisstrom vernachlässigt werden. Die Spannung
an
RE
soll für gute Temperaturkompensation mit
Sie können den Kollektorruhestrom
IC0
2V
(relativ hoch) gewählt werden.
a) wie in der Übung frei wählen, oder
b) einen optimalen Kollektorruhestrom
entweder
besonders Interessierte (Zusatzpunkte) können
bestimmen. Dazu sei Gl. 2.1 gegeben:
s
R0 =
Hierbei ist
rBB
β
2βrBB
β
UT + 2 UT2 .
IC0
IC0
die Kleinsignalstromverstärkung (auch
hF E ), UT
(2.1)
die Temperaturspannung,
der Basisbahnwiderstand (engl.: Base Spreading Resistance ). Die Werte nden Sie
R0 ist der äquivalente Generatorwiderstand der von der Basis
aus gesehen wird: hier R1 ||R2 ||RG . Der Generatorwiderstand der Signalquelle RG kann mit
4.7kΩ angenommen werden. Der Hintergrund für diese etwas umständliche Berechnung
im Datenblatt des BC550C.
liegt darin, die von der Schaltung erzeugte Rauschspannung zu minimieren. Schätzen Sie
aus obiger Gleichung den optimalen Kollektorstrom ab. Bedenken Sie, dass die Bauteilwerte stark schwanken können, und Sie deshalb mit vielen Vereinfachungen rechnen können.
Wählen Sie für den Basisquerstrom einen sinnvollen Wert im Bereich
0.1mA . . . 1mA.
1 1.0; 1.1; 1.2; 1.3; 1.5; 1.6; 1.8; 2.0; 2.2; 2.4; 2.7; 3.0; 3.3; 3.6; 3.9; 4.3; 4.7; 5.1; 5.6; 6.2; 6.8; 7.5; 8.2; 9.1
8
KAPITEL 2.
MIKROFONVERSTÄRKER
9
U0= 9V
R1
RC
BC548B
RG
BC550C
C1
P1
2.2kΩ
uE
uG
R2
RE
CE
C2
uA
RL
Abbildung 2.1: Verstärker Emittergrundschaltung mit Stromgegenkopplung
Weiters soll im Arbeitspunkt die Spannung am Emitter des zweiten Transistors
tragen. Die Amplitude am Eingang kann zu Simulationsbeginn mit
10mV
5V
be-
angenommen
werden.
Geforderte Berechnungen:
•
•
•
Dimensionierung der Widerstände!
Schätzen Sie den Eingangswiderstand und den maximalen Ausgangswiderstand ab.
Dimensionieren Sie die verwendeten Kapazitäten, wenn Wechselspannungssignale mit
Frequenzen von
100Hz
bis
25kHz
verstärkt werden sollen.
• Bestimmen Sie die maximale Spannungsverstärkung mit und ohne Kondensator parallel
zum Emitterwiderstand RE . Welche Unterschiede können Sie feststellen?
2.1.1 Simulation in PSpice
•
•
Überprüfen Sie die Arbeitspunkte!
Überprüfen Sie durch Simulation, ob die theoretisch mögliche Spannungsverstärkung
tatsächlich erreicht wird. Simulieren Sie die Schaltung jetzt auch ohne
•
CE .
Warum verringert sich jetzt die Ausgangsspannung? Rechnen Sie diesen Wert über-
schlagsmäÿig nach. Erhöhen Sie die Amplitude der Eingangsspannung bis auf
•
0.5V.
Was können Sie an der Ausgangsspannung bzw. Kollektor-Emitter-Spannung beobach-
ten?
• Verwenden Sie die FFT-Funktion von PSpice und analysieren Sie die nichtlinearen Verzerrungen.
KAPITEL 2.
•
MIKROFONVERSTÄRKER
T HD
Basis von T1 (setzen Sie RG
Bestimmen Sie die
10
für Wechselspannungen von
dazu auf
1mV, 10mV
und
100mV
an der
0Ω). Vergleichen Sie die Werte mit den Vorhersagen
aus Anhang 2.3.2.
•
Welche Maÿnahmen würde Sie treen um Verzerrungen zu verringern? (Anspruchsvoll:
Ist die gezeigte Art der Lautstärkeeinstellung in Hinblick auf die Verzerrungen sinnvoll?)
2.1.2 Hinweise zum Aufbau
Für die Schaltungen im Praktikum ist es ausreichend die Bauteile ähnlich wie im Schaltplan anzuordnen. Es sei darauf hingewiesen, dass dies in der Praxis oft nicht optimal ist,
da Leitungen in der Praxis endliche Leitfähigkeit und eine gewisse Induktivität aufweisen. Speziell wenn sensible Analog- und schnelle Digitalelektronik gemeinsam zum Einsatz
2
kommen, muss die Störausbreitung genauer analysiert werden .
Sie sollten für Ein- und Ausgänge sowie für die Versorgung Anschlüsse vorsehen die
schnelles An- bzw. Ablöten von Bauteilen und Drähten ermöglichen. Siehe z.B. folgende
Abbildungen.
Lochrasterplatine
Draht
Lötaugen
Lötzinn
Löten Sie den Lastwiderstand nicht auf !
Bauen Sie die Schaltung zuerst ohne
CE
und
C2
auf ! Lassen Sie Platz um diese später
einzulöten! Als Ausgang soll zu Messzwecken der Poti-Schleifer dienen.
Achten Sie genau darauf keine Bauteile falsch gepolt einzubauen!
Löten Sie das Poti so ein, damit Sie es wieder auslöten und wiederverwenden können.
Bauen Sie die Schaltung ohne Lastwiderstand auf !
Mitunter können Abblockkondensatoren in der Versorgungsspannung sinnvoll sein.
Beachten Sie die etwaige Polung des Elektretmikrofons (viele Elektretmikrofone besit-
zen Schutzdioden in Sperrrichtung.)!
Löten Sie das Mikrofon vorerst noch nicht an!
2.2
Messungen
• Schätzen Sie den minimalen Lastwiderstand RL
ab, damit des Poti in der Schaltung aus
Abb. 2.1 im Arbeitspunkt nicht überlastet werden kann! Verwenden Sie die Dimensionie-
2 Siehe z.B.: H.Johnson, M.Graham, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Prentice
Hall, 1993.
KAPITEL 2.
MIKROFONVERSTÄRKER
11
rungsregeln im Anhang 2.3.3 des Kapitels.
• Überprüfen Sie wie die Arbeitspunkte der Transistoren mit der Simulation übereinstimmen.
•
Überprüfen Sie, welche Verstärkung Sie ohne
CE
erreichen können. Löten Sie
CE
ein
bestimmen Sie die Verstärkung sowie die Aussteuergrenzen. Stellen Sie Ein- und Ausgangsspannung auf dem Oszilloskopschirm grasch dar. Da das Elektronikboard Wechselspannungen von nur minimal
200mV
mit einem vertretbaren Rauschen liefern kann,
ist die benötigte Eingangsspannung durch einen Spannungsteiler bereitzustellen (iegend
auöten; wird später nicht mehr benötigt). Überlegen Sie sich auch genau, welches Impedanzniveau der Teiler haben sollte. (Wie groÿ ist der Eingangswiderstand er Schaltung?)
•
•
Ab welcher Eingangsamplitude gerät der Transistor in Sättigung?
Schlieÿen Sie den Eingang kurz und bestimmen Sie die Rauschamplitude am Ausgang
überschlagsmäÿig. Entfernen Sie den Vorspannungsteiler wieder und schlieÿen Sie ein
Elektretmikrofon entsprechend nachstehender Schaltung an den Verstärker an. Der Strom
durch das Mikrofon darf maximal
•
3mA
betragen!
Dimensionieren Sie den Vorwiderstand
RV
entsprechend.
RV
Mic
•
Welchen Ausgangspegel können Sie bei Sprache auf Zimmerlautstärke und voller Ver-
stärkung messen?
2.3
Anhang zur Mikrofonverstärkerübung
2.3.1 Funktionsweise des verwendeten Mikrofons
Zur Umwandlung von Schallwellen (Luftdruckschwankungen) in elektrische Signale soll ein
Elektret-Kondensator Mikrofon verwendet werden. Wegen des kostengünstigen Aufbaus
(ca. 30ct) nden sie häug Verwendung in Elektronik des Consumer-Bereichs. Aufbau
und Funktion sind in Abb. 2.2 gezeigt.
In der Elektretfolie ist eine elektrische Polarisation gespeichert. Das heiÿt, dass an den
Grenzächen auch ohne externem Feld eine elektrische Ladungen
Q auftritt. (Dies ist viel-
leicht unintuitiv, jedoch analog zum Magneten in welchem eine magnetische Polarisation
gespeichert ist). Das elektrische Feld zwischen den Elektroden ist in guter Näherung kon-
UGS =
R
Eds stellt sich eine der Membranauslenkung proportionad(t)
le Gate-Source-Spannung ein. Wie in Abb. 2.2 rechts zu erkennen, wird der Arbeitspunkt
stant. Entsprechend
nicht Gate-seitig über Widerstände eingestellt. Damit die Funktion trotzdem gegeben ist,
KAPITEL 2.
MIKROFONVERSTÄRKER
12
D
Elektrode
+ + + + ++ + + + + + + + + + + +
Elektretfolie
Schall
- - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - -
Abstandshalter /Isolation
D
JFET
Schall
d
S
S
Abbildung 2.2: links) Innenleben; mitte) Elektret-Kondensator; rechts) äquivalentes
Schaltbild
muss der verwendete FET entweder ein MOSFET vom Verarmungstyp oder ein JFET
(mit inhärentem Verarmungsverhalten) sein.
2.3.2 Zum Klirrfaktor / THD
Durch die stark nichtlineare Kennlinie des Transistors werden (sinusförmige) Eingangssignale verzerrt. Dies äuÿert sich durch das Auftreten von Oberwellen im Ausgangssignal.
Ein Maÿ für die Stärke der nichtlinearen Verzerrungen ist der Klirrfaktor
s
k=
k , welcher durch
û22 + û23 + û24 + · · · + û2∞
û21 + û22 + û23 + û24 + · · · + û2∞
(2.2)
gegeben ist und ein Verhältnis zwischen Eektivwert der Oberwellen (û2
. . . û∞ )
und des
gesamtem Eektivwerts des Signals beschreibt. Grundsätzlich sind geringe Klirrfaktoren
(0.5% gilt unter Umständen als noch hörbar) anzustreben. Da das subjektive Empnden
der Verzerrungen stark frequenzabhängig ist, wird dieser oft bei
1kHz
angegeben.
Ein einfacher auszuwertendes Maÿ ist durch die sogenannte gesamtharmonische Verzerrung (engl. Total Harmonic Distortion, THD) gegeben. Diese ist bei üblichen Verzerrungen
dem Klirrfaktor vom Wert her sehr ähnlich.
p
û22 + û23 + û24 + · · · + û2∞
T HD =
û1
(2.3)
Berechnung der THD am Beispiel der Emitterschaltung
Gegeben ist der Kleinsignalverstärker aus Abb. 2.3. Das ansonsten übliche Netzwerk zur
Arbeitspunkteinstellung wird für die Berechnung durch die ideale Gleichspannungsquelle
Ue
ersetzt. Das Eingangskleinsignal
Ausgangsspannung
Ua
ue
sei eine harmonische Schwingung. Es gelten für die
somit folgende Zusammenhänge:
KAPITEL 2.
MIKROFONVERSTÄRKER
13
ue + Ue
Ua = UB − IC RC = UB − RC IS exp
UT
ûe sin ωt
Ue
exp
= UB − RC IS exp
UT
UT
(2.4)
(2.5)
RC
ue
Ua
Ue
Abbildung 2.3: THD-Berechnung anhand einer Kollektorschaltung. Die Arbeitspunkteinstellung geschieht mittels
Ue .
Einsetzen einer Reihenentwicklung für die Exponentialfunktion
exp (x) = 1 + x +
xn
x2 x3
+
+ ··· +
2
3!
n!
(2.6)
ergibt:
Ua
Ue
= UB − RC IS exp
UT
ûe
1 û2e
1 û3e
·
1+
sin ωt +
(1 − cos 2ωt) +
(3 sin ωt − sin 3ωt) + . . . (2.7)
UT
4 UT2
24 UT3
Eine grobe Abschätzung der
T HD
erhält man wenn man nur das Verhältnis zwischen
quadratischem und linearem Anteil betrachtet. Dies führt zu folgender Faustformel:
T HD ≈
ûe
4UT
Damit wird unmittelbar ersichtlich, daÿ für eine THD von ca.
werden darf. Versuchen Sie dies zu simulieren!
(2.8)
1%
nur
1mV
ausgesteuert
KAPITEL 2.
MIKROFONVERSTÄRKER
14
2.3.3 Verlustleistung an Potentiometern
150mW nicht übermaximal 150mW abge-
An dem verwendeten Potentiometer darf die maximale Verlustleistung
steigen. Dies bedeutet, dass über die gesamte Widerstandsbahn
geben werden können. Ist der Schleifer, wie in untenstehender Abbildung gezeigt, jedoch
nicht auf den vollen Winkel eingestellt, so reduziert sich die Fläche über die die Wärme
abgegeben werden kann und die maximal abgebbare Verlustleistung ist geringer.
Widerstandsbahn
Schleifkontakt
a
me
är e
W gab
ab
U
Die max. abgebbare Leistung bei Schleiferstellung
P (α) = P0 · α
Der Widerstand
R
bei Schleiferstellung
R(α) = R0 · α
α (α = 0..1)
; P0 . . . max.
α
berechnet sich mit
Verlustleistung
beträgt:
; R0 . . . nomineller
Potiwert
Es gelten die Zusammenhänge:
P (α) = I 2 · R(α)
P0 · α = I 2 · R0 · α
P0 = I 2 · R0
(2.9)
(2.10)
(2.11)
Dies bedeutet letztendlich, dass in der Widerstandsbahn des Potis ein gewisser Strom
nicht überschritten werden sollte! Für das verwendete
Strom ca.
8.25mA.
2k2-Poti
I
beträgt dieser maximale
Berücksichtigen Sie diesen Sachverhalt um Schaltungen zu erhalten
die sich nicht durch eine ungünstige Potistellung zerstören lassen!
2.3.4 Messen der Rauschspannung
Als Rauschspannung versteht man jene Spannungsamplitude die bei kurzgeschlossenem
Eingang am Ausgang anliegt. Die verwendeten Digitaloszilloskope bieten spezielle Funktionen die das Messen der Rauschspannung vereinfachen. Zunächst stellt man in Menü
Erfassung auf Spitzenwerte (Peak detect), diese Einstellung führt dazu, dass das Oszilloskop sensitiver auf das Rauschen wird. Als nächstes wird im Menü Anzeige die
Funktion Nachleuchten auf den Wert Unendlich gestellt. Diese Einstellung führt dazu,
dass der Displayinhalt nicht nach jedem Durchgang gelehrt wird sondern, dass sämtliche
Kurven übereinandergezeichnet werden. Misst man nun die Rauschspannung erhält man
KAPITEL 2.
MIKROFONVERSTÄRKER
15
am Oszilloskopbild einen durchgehenden Balken in dem Bereich in dem die Rauschspannung liegt. Die Spannung kann nun bequem mit der Cursor Funktion gemessen werden.
Einzelne Peaks die aus dem durchgehenden Balken herausragen werden hierbei nicht berücksichtigt.
Kapitel 3
KONSTANTSTROMQUELLEN
In Abb. 3.1 sind 3 Arten von Stromquellen mit absteigender Qualität gezeigt. Der linke
Transistor in Abb. 3.1 (links) mit kurzgeschlossener BC-Strecke verhält sich wie eine Diode (Transistordiode). Eine billigere Version der Stromquelle kann somit, wie in Abb. 3.1
(mitte) gezeigt, realisiert werden. Da die Kennlinien und Temperaturgänge von Diode und
Transistor unterschiedlich sind, müssen die Emitterwiderstände entsprechend höher gewählt werden. Eine nochmals vereinfachte Version (Abb. 3.1 rechts) kann durch weglassen
der Diode realisiert werden, wobei für gute Temperaturstabilität der Emitterwiderstand
nochmals vergröÿert werden muss.
3.1
•
Berechnung und Simulation
Dimensionieren Sie die Widerstände einer Konstantstromquelle Ihrer Wahl aus Abb. 3.1
für einen Strom von
nung von
•
UB = 15
10mA
durch den Lastwiderstand
V. Nehmen Sie
RE
dabei mit
Mit welchem maximalen Lastwiderstand
RL
100Ω
und für eine Versorgungsspan-
an.
RL,max darf die von Ihnen dimensionierte Strom-
quelle betrieben werden, sodass der Stromuss nicht zusammenbricht? Die Transistorparameter sind aus dem zugehörigen Datenblatt zu entnehmen.
UB
R1
RL
BC548B
BC548B
R1
UB
RL
BC548B
1N4148
RE
RE
R1
UB
RL
BC548B
1N4148
RE
RE
Abbildung 3.1: Stromquellen mit Transistoren
16
R2
RE
KAPITEL 3.
•
KONSTANTSTROMQUELLEN
17
Stellen Sie den von der Stromquelle gelieferten Strom in Abhängigkeit des Lastwider-
standes grasch dar. Denieren Sie sich dazu einen Parameter in geschweiften Klammern
für den Kollektorwiderstand z. B.
{RL}.
Plazieren Sie anschlieÿend in den Schaltplan ei-
PARAMETERS: aus der Library SPECIAL und doppelklicken Sie
darauf. Fügen Sie gemäÿ Abb. 3.3 mit der Schaltäche New Column... Ihren Parameter
ne Parameterliste
ein und machen Sie ihn in der Parameterliste sichtbar, indem Sie die Spalte
und in den
Display Properties Name only auswählen.
R3
{R L}
RL markieren
PARAMET ERS:
RL
Abbildung 3.2: Für den Parameter-Sweep muss ein PARAMETERS Objekt plaziert werden. Der Bauteilwert muss durch geschwungene Klammern variabel gesetzt werden.
Abbildung 3.3: Widerstand mit Parameter
vorher berechneten maximalen
•
und der zugehörigen Parameterliste
10kΩ (Abb. 3.3) und überprüfen Sie Ihren
Lastwiderstand RL,max .
Variieren Sie den Parameter zwischen
10Ω
RL
und
Stellen Sie den Kollektorstrom über den Lastwiderstand dar.
Sie werden sehen, dass der von der Quelle gelieferte Strom mit zunehmendem Lastwiderstand abnimmt, obwohl
RL < RL,max
ist. Grund dafür ist der Innenwiderstand der Quelle,
der im Folgenden berechnet werden soll. Gehen Sie dazu wie folgt vor: Bestimmen Sie an-
IN enn der Quelle, der sich bei Kurzschluÿ
RL = 0Ω , einstellt Abb. 3.5 links). Dann bestimmen Sie den Strom
Lastwiderstand RL < RL,max , z.B. 1kΩ , der jetzt geringfügig kleiner sein
hand der Simulation zunächst den Nennstrom
am Ausgang, also bei
IA
für einen
wird als
•
IN enn
(Abb. 3.5 rechts)).
Berechnen Sie jetzt aus
IN enn , IA
und
RL
den Innenwiderstand
Ri
der Stromquelle.
KAPITEL 3.
KONSTANTSTROMQUELLEN
18
Abbildung 3.4: Festlegung des Wertbereiches des Lastwiderstandes für die Simulation
A IA
INenn
reale Stromquelle
Ri
A INenn
INenn
Ri
RL<RL,max
reale Stromquelle
Abbildung 3.5: links) Strommessung bei Kurzschluÿ, rechts) Strommessung mit
RL
KAPITEL 3.
3.2
•
KONSTANTSTROMQUELLEN
19
Aufbau und Messung
Überprüfen Sie die in der Simulation erzielten Ergebnisse durch Aufbau der Schaltung
und der Messung von Strom und Spannung am variablen Lastwiderstand bei
1kΩ
,
1.1kΩ
,
1.2kΩ
,
1.3kΩ
,
1.4kΩ
,
1.6kΩ
,
2kΩ
,
4kΩ
,
6kΩ
,
10kΩ
100Ω , 500Ω
,
. Verwenden Sie
dazu das Potentiometer.
•
Ermitteln Sie erneut
RL,max
und vergleichen Sie ihn mit den Werten aus Rechnung und
Simulation.
•
Bestimmen Sie aus den gemessenen Strömen, wie im vorherigen Kapitel beschrieben,
den Innenwiderstand und vergleichen Sie ihn mit dem Wert aus der Simulation.
•
Finden Sie fundierte Erklärungen für etwaige grobe Unterschiede zwischen Berechnung,
Simulation und Messung?
Kapitel 4
LC-OSZILLATOR
Die in Abb. 4.1 dargestellte Schaltung zeigt einen Oszillator zur Erzeugung harmonischer
Schwingungen. Grundsätzlich sind Oszillatoren rückgekoppelte Verstärker, was allerdings
in Abb. 4.2 nicht unmittelbar ersichtlich ist. Damit die Schwingbedingung erfüllt ist,
muss die Schleifenverstärkung mindestens
Vielfache von
4.1
2π
1
und die Phasenverschiebung des Verstärkers
sein.
Berechnungen
9Vdc
Abbildung 4.1: Oszillator;
Uin
sorgt für sicheres Anschwingen des Oszillators.
4.1.1 Schwingbedingung
Versuchen Sie aufgrund des Kleinsignalersatzschaltbildes die Resonanzfrequenz des Oszillators zu berechnen. Hinweis: Die Kapazitäten
C1
und
C2
können als unendlich ange-
nommen werden. Sie werden feststellen, dass die Berechnung nicht möglich ist ohne die
parasitären Kapazitäten des Transistors zu berücksichtigen.
20
KAPITEL 4.
•
LC-OSZILLATOR
21
Berechnen Sie die Resonanzfrequenz unter Berücksichtigung der parasitären Transis-
torkapazitäten
CBC
CBE
und
und variablem
dass die Kleinsignalstromverstärkung
β
RE .
Berücksichtigen Sie in der Rechnung,
frequenzabhängig ist! Hinweis: Sie dürfen für alle
Berechnungen Mathematik Algebra Programme verwenden.
Die Kapazitäten
CBC
und
CBE
(siehe Abb. 4.2) sind in der Gröÿenordnung von eini-
gen pF und unterscheiden sich je nach Hersteller des Transistors mitunter deutlich (typ.
CBC ≈ 5
pF und
CBE ≈ 10
pF). Ein interessanter - in Folge ausgenützter Eekt - ist,
dass diese Kapazitäten arbeitspunktabhängig sind (CBC und
CBE
bestehen zum Teil aus
Sperrschicht- bzw. Diusionskapazitäten).
CBC
K
B
CBE
E
Abbildung 4.2: Transistor mit den parasitären Kapazitäten
4.2
CBC
und
CBE
Simulation
Die Spannungsquelle
Uin
dient dazu den Oszillator anschwingen zu lassen und wird in der
Realität nicht benötigt, da hier Rauschen für das Anschwingen sorgt.
•
Simulieren Sie den Oszillator in PSpice. Er sollte, wie Abb. 4.2 zeigt, nach ca.
eingeschwungen sein. Stellen Sie diesen Bereich grasch dar.
Abbildung 4.3: Ausgangsspannung des Oszillators
1µs
KAPITEL 4.
LC-OSZILLATOR
22
Schauen Sie sich mit Hilfe der FFT-Funktion von PSpice das Spektrum Ihrer Ausgangsspannung an. Bei welchen Frequenzen treten Spektrallinien auf ? Bestimmen Sie mit Hilfe
der Cursor (Cursor 1 linke Maustaste, Cursor 2 rechte Maustaste) die Bandbreite und
damit die Güte Ihres Oszillators. Erhöhen Sie nun die Simulationszeit auf das fünache,
schneiden Sie den Einschwingvorgang weg und bestimmen Sie die Güte erneut.
•
Warum
ergibt sich jetzt ein höherer Wert als vorher?
Variieren Sie als nächstes den DC-Arbeitspunkt durch verändern von
•
Fertigen Sie das Diagramm Resonanzfrequenz
R1
oder
R2 .
fres über Basis-Emitterspannung an (mind.
fünf Punkte)!
4.3
Aufbau
Bauen Sie die Oszillatorschaltung auf eine Lochrasterplatine auf. Sorgen Sie für groÿzügige
Abstände zwischen den Bauteilen und Lötstellen, um den Eekt zusätzlicher parasitäre
Kapazitäten zu minimieren. Die Wellenlänge der erzeugten Grundfrequenzen liegt in der
3m, wodurch Leitungsphänomene nicht relevant sind. Bauen Sie Cin nicht ein!
Kondensator C wird durch einen Trimmkondensator, einstellbar von 4pF bis 40pF,
Gegend von
Der
ersetzt.
Die Spule (eine Luftspule) wird aus einem
15cm
langem Stück Silberdraht mit
Durchmesser von der Praktikumsgruppe selbst hergestellt. Dazu werden
liegende Windungen auf einen Zylinder mit
3mm
0.35mm
12 nebeneinander
3mm
Durchmesser aufgewickelt (ein
Bohrer wird zur Verfügung gestellt). Am Spulenanfang und am Spulenende bleiben jeweils
einige Millimeter Silberschaltdraht als Anschlüsse übrig. Ziehen Sie die Spule auf ca.
12
mm auseinander und bauen Sie sie so ein, dass Sie sie unter Umständen austauschen
können! Hinweis: Je nach Aufbau können es kleinste parasitäre Kapazitäten nötig machen
die Windungsanzahl nachträglich noch zu verändern.
•
Suchen Sie einen geeigneten Messpunkt (Keine Leitung anlöten! Der Messpunkt in
Abb. 4.1 ist nicht geeignet!) und stellen Sie die Schwingung am Oszilloskop dar. Bestimmen Sie die Resonanzfrequenz des Oszillators mit Hilfe der FFT-Funktion eines geeigneten
Oszilloskops.
4.3.1 UKW-Prüfsender
Wenn Sie sicher sind, dass die Oszillatorschaltung stabil anschwingt, verbinden Sie den
Eingang des Oszillators (=Basis des Transistors) mit dem Ausgang des Mikrofonverstärkers. Sie erhalten einen Mono-FM-Sender. Versuchen Sie diesen mit einem Radio zu empfangen! Halten Sie das Mikrofon in die Nähe des Lautsprechers, so erkennen Sie anhand
von Rückkoppelgeräuschen die richtige Abstimmung von Oszillator bzw. Radio. Durch die
geringe abgegebene Leistung sollte der Sender nicht mehr als
50m
Reichweite aufweisen.
Sollte der Sender nur schlecht oder stark verrauscht empfangbar sein, so kann dies möglicherweise durch Abblockung der Versorgungsspannung, oder durch Verwendung einer
Batterie (9V Block) als Stromversorgung behoben werden. Sollte der Mikrofonverstärker
die Quelle des Rauschens sein, so können Sie auch versuchen eine externe Signalquelle
über einen Kondensator in den Oszillator einzukoppeln.
KAPITEL 4.
LC-OSZILLATOR
23
Die Schaltungsvorschläge für UKW-Prüfsender stammen mitunter aus den 70er Jahren.
Damals wiesen die Transistoren höhere parasitäre Kapazitäten auf, wodurch auch die
Kapazitätsänderung über die
UBE -Änderungen
gröÿer war. Dies wirkt sich auf den er-
zielbaren Frequenzhub (FM) - der der Lautstärke des im Radio wiedergegebenen Signals
proportional ist - aus. Der Trimmkondensator liegt parallel zu den parasitären Kapazitäten. Ist der Trimmkondensator auf einen hohen Wert eingestellt, so wirkt sich die
Veränderung der parasitären Kapazitäten vielleicht nicht stark genug auf die Frequenzänderung aus. Konkrete Abhilfe schat man indem man die Windungszahl der Induktivität
erhöht. Damit kommt man mit kleineren Trimmereinstellungen aus und der Frequenzhub
wird gröÿer.
In Österreich darf nach Allgemeinzuteilung der Frequenzen, die Sendeleistung im UKWBand 50nW nicht übersteigen. Der Dauerbetrieb eines UKW-Senders, wie hier vorgestellt,
ist grundsätzlich nicht zu empfehlen und ist besonders in urbanen Gebieten gefährlich!
Schlieÿen Sie auf keinen Fall eine Antenne an, da dies die Reichweite noch zusätzlich
erhöhen würde!
Ein sachgemäÿ aufgebauter Prüfsender sollte in ein HF-dichtes Gehäuse mit Koaxialausgang eingebaut werden und dient zur Fehlersuche in Radios!
Kapitel 5
KIPPSCHALTUNGEN
Kippschaltungen sind mitgekoppelte Digitalschaltungen, bei denen sich die Ausgangsspannung nicht kontinuierlich ändert, sondern immer zwischen zwei Zuständen hin und
her kippt; daher der Name. Ein Beispiel wäre das Hin- und Herkippen zwischen zwei
Gleichspannungen, was einem Rechteckgenerator entspräche. Dabei werden verschiedene
Typen unterschieden, je nachdem, wie der Kippvorgang ausgelöst wird:
monostabil (Univibrator)
Die Schaltung besitzt nur einen stabilen Zustand. Der andere Zustand ist nur für eine
durch die Schaltung vorgegebene Zeit stabil. Als Beispiel seien Zeitschalter zu nennen.
bistabil
Die Schaltung besitzt zwei stabile Zustände, zwischen denen nur durch äuÿere Erregung
gewechselt werden kann. Beispiele dafür sind Flip-Flops und Speicherbausteine.
astabil (Multivibrator)
Die Schaltung besitzt keinen stabilen Zustand, sondern kippt ohne äuÿere Erregung ständig hin und her. Sie dienen beispielsweise zur Generierung von Rechtecksignalen.
5.1
Berechnung und Simulation
5.1.1 Astabile Kippstufe
Abb. 5.1 zeigt eine einfache Realisierung einer astabilen Kippschaltung. Die 6 eingezeichneten Dioden sollen 2 LEDs simulieren, da diese in der verwendeten PSpice-Version nicht
vorhanden waren (Verwenden sie rote LEDs wenn dies mit Ihrer PSpice Version möglich
ist!). Die Schaltung liefert am Transistorausgang näherungsweise eine periodische Rechteckspannung. Hinweis: Sollte die Simulationsdauer bei gegebener Diskretisierung zu lang
sein, so können Sie die Bauteilwerte abändern um eine höhere Schwingfrequenz zu erhalten. Der Aufbau erfolgt allerdings mit den Werten lt. Schaltung in Abb. 5.1.
Die Funktionsweise der relativ einfach aussehenden Schaltung ist nicht ganz trivial und
bedarf einiger Überlegungen. Sie sollten die Schaltung soweit analysieren, dass Sie die
24
KAPITEL 5.
KIPPSCHALTUNGEN
D1
D1N4002
D4
I
D1N4002
D2
D1N4002
D5
D1N4002
D3
D1N4002
D6
D1N4002
RC1
360
8V
V1
25
RB1
36k
RB2
36k
C1
22u
C2
Output
RC2
360
Output
22u
Q1
T1
V
BC548B
BC548B
Q2N2222
Q2
V
Stufe 1
T2
Q2N2222
Stufe 2
Abbildung 5.1: Astabile Kippschaltung
nachfolgenden Punkte beantworten können.
•
Bestimmen Sie überschlagsmäÿig die Peri-
odendauer des Rechtecksignals mit Hilfe der gegebenen Widerstands- und Kapazitätswerte
und überprüfen Sie sie anhand der Simulation.
•
Stellen Sie die Verläufe der Kollektor-Emitter-Spannung, der Basis-Emitter-Spannung
und des Stromes durch die LEDs dar und interpretieren Sie diese jeweils. Warum wird
UBE < 0?
In Datenblättern von Transistoren ist oft die maximale negative Basis-Emitter-Spannung
UEB
von ca.
6V
angegeben. Ein Überschreiten der maximal erlaubten negativen Basis-
Emitterspannung führt meist nicht unmittelbar zu einer Zerstörung des Bauteils, jedoch
1
wird berichtet , dass sich die Rauscheigenschaften (besonders 1/f ) wesentlich verschlechtern. Dieser Eekt hat bei der gezeigten Schaltung nur untergeordnete Auswirkungen.
•
Überlegen Sie sich trotzdem, wie Sie zwei Dioden anbringen müssen, damit die Basis-
Emitter-Spannungen keine zu hohen negativen Werte annehmen können, die Schaltung
aber nach wie vor funktioniert.
5.1.2 Dreistuge Kippschaltung und Lauicht
Der astabile Multivibrator soll im Folgenden auf eine dreistuge Blinkschaltung erweitert
werden. Realisieren Sie eine dritte identische Stufe und verschalten Sie die Kondensatoren
entsprechend Abb. 5.2. Simulieren Sie! Hinweis: sollte die Kippstufe nicht anschwingen so
koppeln Sie eine
1mV
Wechselspannung an eine der Basen über einen
1nF
Kondensator
ein.
1 C.D. Motchenbacher Protect Your Transistors Against Turn-On or Testing Transient Damage
Electronic World, 44(25) (December 6 1971) 92-94
KAPITEL 5.
KIPPSCHALTUNGEN
26
R üc k k opplung
D3
D6
D 1N 4002
D2
D1N 4002
D5
D1
R1
R2
36k
360
Q2
8Vdc
22u
BC 548B
D 1N4002
D8
D4
R3
R4
36k
360
C1
V2
D9
D7
R5
R6
36k
360
C2
Q3
C3
22u
Q4
BC548B
22u
BC 548B
0
Abbildung 5.2: Blinkschaltung mit 3 LEDs
•
Vergleichen Sie die Kurvenformen der Basisspannungen von zweistuger und dreistu-
ger Kippstufe.
Es leuchten jetzt immer zwei LEDs gleichzeitig! Optional: Überlegen Sie wie Sie die Verschaltung der LEDs ändern müssen, damit immer nur eine LED leuchtet.
•
Erweitern Sie die Blinkschaltung in der Simulation auf 4 Stufen! Warum funktioniert
die Schaltung nicht als 4-stuges Lauicht? (Besonders Interessierten sei nahegelegt sich
auch die Erweiterung auf 5 Stufen anzusehen! )
5.2
•
Aufbau und Messung
Überlegen Sie sich zunächst die richtige Polarität der
22µF-Elkos gut! Bauen Sie die
C2 (astabile Kippstufe)
drei Stufen einzeln so auf, dass Sie die Rückkopplung einfach von
auf
C3
(dreistuge Blinkschaltung) umlöten können. Um ein besseres Anschwingen zu
ermöglichen, sollten Sie Transistoren mit möglichst unterschiedlichem
UBE
2
auswählen !
Kürzen Sie die Anschluÿdrähte der LEDs nicht! Und löten Sie die LEDs nur
an den Anschlussdrahtenden an!
2 Bei neueren Fabrikaten ist dies mitunter nur schwer möglich, da sie sehr geringe Exemplarstreuungen
aufweisen
KAPITEL 5.
•
KIPPSCHALTUNGEN
27
Bauen Sie zuerst die astabile Kippstufe auf und messen Sie die beiden vorher simulierten
Spannungen. Verwenden Sie die DC-Kopplung! Messen Sie die Periodendauer. Verringern
Sie die Versorgung, so dass die LEDs gerade noch leuchten.
•
Wie ändert sich die Blinkfrequenz und warum?
Als nächstes löten Sie die Kondensatoren so um, dass alle 3 Stufen in Betrieb sind. Betrachten Sie das Ergebnis. Optional: Zum Abschluss löten Sie die LEDs so um, dass sich
die Lauichtschaltung mit immer nur einer leuchtenden LED ergibt und erfreuen Sie sich
am wundervollen Wechsel der Lichter!
Kapitel 6
DIFFERENZVERSTÄRKER
Wie in Vorlesung und Übung besprochen, dient der Dierenzverstärker dazu Eingangsspannungsdierenzen zu verstärken und Eingangsgleichtaktspannungen zu unterdrücken.
Die Realisierung einer analogen Subtrahierfunktion ist von universeller Bedeutung in der
Regelungs- und Verstärkertechnik. Im Folgenden sollen einige Eigenschaften des Dierenzverstärkers untersucht werden.
6.1
•
Berechnungen und Simulationen
Dimensionieren Sie die Widerstände
damit die Kollektorpotenziale
7.5V
R1 , R2
für die in Abb. 6.1 dargestellte Schaltung,
betragen (für
Ue = 0V ).
Für die weiteren Untersuchungen wird der rechte Eingang des Dierenzverstärkers auf
V3
15Vdc
R4
0
V4
R2
2k
2k
V+
Q1
{Rv ar}
VAMPL = 0
VOFF = 0
FREQ = 1k
R1
V-
Q2
BC548B
BC548B
V5
P A RA ME T ERS :
Rv ar = 1m
10m
I1
0
0
15Vdc
Abbildung 6.1: Dierenzverstärker
28
KAPITEL 6.
DIFFERENZVERSTÄRKER
Masse gelegt. Der Widerstand
R4
29
stellt den Generatorwiderstand dar.
6.1.1 DC - Analyse in PSpice und Verstärkungsberechnung
Überprüfen Sie als erstes, ob der Arbeitspunkt richtig eingestellt wurde. Setzen Sie
dazu auf
0Ω
R4
oder einen sehr kleinen Wert. Untersuchen Sie mit Voltage Dierential
Markers die Dierenzspannung an den beiden Ausgängen bei einer Eingangsspannung
von
0V. Variieren Sie dabei den Generatorwiderstand R4
im Bereich von
1Ω
bis
10kΩ
und
plotten Sie die Dierenzausgangsspannung über den Generatorwiderstand (mit einem
PARAMETERS-Objekt; Analyseart: DC-Sweep
in Kapitel 1).
•
→
Global Parameter. . . siehe Tutorium
Erklären Sie wie es zum beobachteten Verhalten kommen kann und was
Sie dagegen unternehmen können.
(Für Fortgeschrittenene: Warum ist das beobachtete Problem bei kommerziell erhältlichen
Operationsverstärkern viel weniger stark ausgeprägt?)
Setzen Sie den Generatorwiderstand für die folgenden Simulationen und Berechnungen
auf 0Ω .
•
•
Berechnen Sie die Kleinsignal-Spannungsverstärkung
A = uC2 /(ue2 − ue1 ).
Ag = uC2 /ue1 für ue1 = ue2
Berechnen und simulieren Sie die Gleichtaktverstärkung
des
Dierenzverstärkers. Verbinden Sie dazu die Eingänge und schalten Sie der Stromquelle
einen Widerstand parallel, der dem Innenwiderstand der Stromquelle aus Kapitel 3 entspricht.
•
Ersetzen Sie die Stromquelle durch einen Widerstand, welcher (für
Ue = 0V) 10mA
liefert. Berechnen und simulieren Sie die Gleichtaktverstärkung und vergleichen Sie mit
den oben erhaltenen Resultaten.
6.1.2 Temperaturstabilität
Messungen an der real aufgebauten Schaltung in Abb. 6.1 zeigen, dass diese Schaltung
nennenswert auf Temperaturunterschiede der beiden Transistoren reagiert.
•
Berechnen
Sie (oder schätzen Sie ab) wie stark sich die die Dierenzausgangsspannung bei einem
Temperaturunterschied der beiden Transistoren von
1°C verschieben würde (RG = 0Ω
und
ideale Stromquelle).
Setzen Sie nun zur Temperaturstabilisierung jeweils einen Emitterwiderstand von
und berechnen Sie die wieder die
bei
1°C
6.2
•
Verstärkungen, sowie die
•
33Ω
ein
Dierenzausgangsspannung
Temperaturunterschied beider Transistoren.
Aufbau und Messung
Bauen Sie die Schaltung mit den Emitterwiderständen auf und schlieÿen Sie diese mit
einem leicht entfernbaren Drahtbügel kurz.
•
Schlieÿen Sie die Eingänge gegen Masse kurz und messen Sie die Kollektorpotenziale.
Geben Sie an, in welchem Bereich die Ausgangsdierenzspannung durch den Temperatureinuss in etwa schwankt. Schätzen Sie daraus grob die auftretenden Temperaturunterschiede ab.
KAPITEL 6.
•
DIFFERENZVERSTÄRKER
30
Messen Sie die Gleichtaktverstärkung und vergleichen Sie mit Simulation und Berech-
nung. Um den Eekt der Gleichtaktverstärkung zu sehen, müssen Sie groÿe Eingangsam-
plituden anlegen (mehrere Volt!).
Zur Messung der Dierenzverstärkung sei angemerkt, dass das Elektronikbord nur Wechselspannungen gröÿer
tigten
10mV
200mV
mit einem vertretbaren Rauschen liefern kann. Die benö-
Eingangsamplitude sind durch einen angelöteten (relativ niederohmigen)
Spannungsteiler bereitzustellen.
•
Vergleichen Sie die erzielte Dierenzspannungsverstärkung mit der Simulation. Beden-
ken Sie die Erkenntnisse aus der DC-Analyse und versuchen Sie, im Falle starker Kollektorpotenzialasymmetrie, Abhilfe zu schaen.
•
Messen Sie die obigen Punkte auch mit aktiven Emitterwiderständen und dokumentie-
ren Sie die Unterschiede!
•
Ersetzen Sie die Stromquelle durch einen äquivalenten Widerstand und messen Sie die
Gleichtaktverstärkung. Vergleichen Sie mit Simulation und Berechnung.
Kapitel 7
UBE-VERVIELFACHER
Abbildung 7.1 zeigt einen sogenannten
•
Berechnen Sie
UCE
UBE -Vervielfacher.
unter Vernachlässigung des Basisstroms und erläutern Sie wie diese
Schaltung zu ihrem Namen kommt. Hinweis: Nehmen Sie
0.7V
UBE
als einem festen Wert von
an.
IA
R1
UCE
R2
UBE
Abbildung 7.1:
•
Berechnen Sie
UCE
in Abhängigkeit von
sisstroms. Hinweis: Nehmen Sie
UBE
UBE -Vervielfacher
UBE
und
IA
unter Berücksichtigung des Ba-
als festen Wert an.
•
Bestimmen Sie
•
Berechnen Sie aus dem Kleinsignalersatzschaltbild den Ausgangswiderstand (∂Ua /∂IA )
∆UCE /∆IA (UBE =const)
und deuten Sie das Resultat.
der Schaltung und vergleichen Sie das Resultat mit
∆UCE /∆IA
für konstantes
UBE
aus
obiger Rechnung.
•
Erklären Sie warum es zu (deutlichen) Unterschieden kommt.
Dimensionieren Sie die Schaltung so, dass Sie die Spannung
einstellen können. Verwenden Sie ein
2k2
UCE
von ca.
UBE
bis
3V
Poti. Dieses wird für den Aufbau aus dem
Mikrofonverstärker ausgelötet).
•
Bestimmen Sie anhand der Berechnung von
UCE
(mit vernachlässigtem
IB ),
welcher
der Widerstände durch das Poti ersetzt werden muss und dimensionieren Sie den anderen
Widerstand entsprechend. Anschlieÿend soll die Schaltung getestet werden.
31
KAPITEL 7.
UBE-VERVIELFACHER
32
IA
RV
UB
R1
UCE
R2
UBE
Abbildung 7.2: Messschaltung
7.1
•
Aufbau und Messung
Bestimmen Sie die minimal (Potistellung
0%)
und maximal (Potistellung
100%)
mög-
liche Ausgangsspannung entsprechend der Testschaltung aus Abb. 7.2 für die Ströme
IA = 1mA, 5mA, 10mA, 30mA durch Variation der Betriebsspannung UB .
• Achten Sie darauf RV und den Transistor nicht zu gefährden (max. 50mA).
• Berechnen Sie aufgrund der Messungen den dierenziellen Ausgangswiderstand
der
Schaltung und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Berechnungen.
•
Bei starken Unterschieden zwischen Simulation und Messung, versuchen Sie die Tempe-
raturabhängigkeit zu berücksichtigen! (Der thermische Widerstand des Transistor beträgt
ca.
RθJA = 120K/W
und der Temperaturkoezient der Basisspannung ca.
−2mV/K.)
Kapitel 8
LEISTUNGSENDSTUFEN
Hinweis: Wenn Sie eine der Schaltungen mit den Lautsprecher betreiben wollen, so lassen
Sie diese immer vorher vom Tutor/Betreuer überprüfen!
8.1
Der komplementäre Emitterfolger (Kollektorschaltung)
In Abb. 8.1 ist die Grundschaltung eines komplementären Emitterfolgers dargestellt. Bei
einer positiven Eingangsspannung (>
0.7V)
leitet der Transistor
T1 ,
der Transistor
sperrt. Liegt eine negative Eingangsspannung an, so leitet der Transistor
T2
T2 und T1 sperrt.
Vorteil von Gegentaktschaltungen ist also die Tatsache, dass jeder Transistor nur eine
Halbwelle passieren lässt, wodurch sich, im Gegensatz zu Schaltungen, bei denen ein
Transistor beide Halbwellen verstärken muss, höhere Ausgangsspannungen ergeben. Ein
weiterer Vorteil der Gegentaktendstufe ist ihr geringer Ausgangswiderstand, so dass sie
oft als Endstufe in Operations- und Leistungsverstärkern zu nden ist. Im Vergleich zu
einem normalen Emitterfolger - mit kapazitiver Auskopplung - (Verstärker im A-Betrieb)
ieÿt in dieser Schaltung kein Ruhestrom
IC,0 .
+U0
T1
Ue
T2
Ua
–U0
Abbildung 8.1: Komplementärer Emitterfolger
Zur Simulation verwenden Sie die Leistungstransistoren TIP122 (NPN) und TIP127 (PNP)
33
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
aus der Library
34
Darlington . Bei den verwendeten Transistoren (Hersteller: ST-Microelectronics)
handelt es sich um Darlingtontransistoren welche die in Abb. 8.1 gezeigte interne Schaltung aufweisen.
TIP122
TIP127
Gehäuse
Für Handrechnungen ist es ausreichend den DarlingtonTransistor als einen normalen
Einzeltransistor mit
UBE ≈ 1.4V
und
B ≈ 1000
zu betrachten.
Abbildung 8.2: Komplementärer Emitterfolger mit Darlington Transistoren
Die in Abb 8.2 gezeigte Schaltung hat eine gravierende Schwachstelle in Form von Übernahmeverzerrungen. Diese machen sich besonders bei niedrigen Eingangsspannungen bemerkbar und rühren daher, dass die Emitterpotenziale den Basispotenzialen um ca.
1.4V
−1.4V bis
1.4V nicht ausreichend verstärkt werden. Sehen Sie sich die Auswirkungen am besten mit
hinterherlaufen. Das bedeutet, dass Eingangsspannungen im Bereich von ca.
Hilfe der FFT des Ausgangssignals an!
Hinweis: Sie können Simulationsergebnisse einfach exportieren indem Sie im Simulationsfenster V(OUT) anklicken und auf kopieren drücken (STRG+C). Diese Daten können Sie
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
35
z.B. in Matlab durch drücken von einfügen (STRG+V) weiterverarbeiten. Sie können sich
(wenn Sie wollen) die Übernahmeverzerrungen anhören indem Sie eine lange Sequenz simulieren und diese in Matlab (Befehl: WAVPLAY) abspielen.
8.1.1 Aufbau und Messung
Die beiden Leistungstransistoren sind bereits auf einem Kühlkörper (ca.
2K/W)
vormon-
tiert. Testen Sie Ihre Schaltungen immer zuerst ohne Last, danach verwenden Sie einen
47Ω Leistungswiderstand, der vom Betreuer extra bereitgestellt
• Machen Sie die Übernahmeverzerrungen sichtbar.
•
wird.
Warum gibt es keine Übernahmeverzerrungen bei hohem Lastwiderstand bzw. Leerlauf ?
Hinweis: siehe interne Beschaltung der Darlingtontransistoren
Anmerkungen von möglichen Instabilitäten
Gerade bei iegendem Aufbau der Endstufe kommen es oft vor, dass diese Schwingneigung zeigt. Diese äuÿert sich dadurch, dass die Ausgangsspannung auf dem Oszilloskop
abschnittsweise hochfrequente Schwingungsbursts zeigt (bei ausreichender Zeitauösung
auch in Simulation sichtbar). Das Auftreten solcher Instabilitäten kann etwas verwundern,
wird aber einsichtig, wenn man parasitäre Elemente berücksichtigt. So kann man z.B. zeigen, dass die Induktivität der Basisleitung, die parasitäre
CBE
Kapazität und irgend eine
Kapazität parallel zur Last einen Colpitts-Oszillator in Kollektorschaltung (ohne Arbeitspunkteinstellung) vervollständigen. Wird als Eingangsspannung eine Wechselspannung
betrachtet, so kann diese Spannungswerte annehmen bei welchen der Arbeitspunkt gerade
richtig eingestellt ist um die Schwingbedingung zu erfüllen. Dadurch kommt es zu diesen
abschnittsweisen Bursts. Abhilfe kann hier ein sogenannter Base-Stopper-Widerstand
seriell zur Basis schaen, welcher die Güte der Basisleitungsinduktivität ausreichend reduziert (220Ω ). Oft ist diese Maÿnahme allerdings nicht ausreichend, und man muss
versuchen mit kleinen zusätzlichen Blindelementen für eine stabilisierende Wirkung zu
sorgen.
ACHTUNG: Sollten die Schwingungsbursts Amplituden >
5V
annahmen, so drehen Sie
die Eingangsspannung zurück, um die Bursts zu verkleinern, da sonst die Transistoren
durch zu hohen negative Spannungen zerstört werden können!
8.2
Der rückgekoppelte Emitterfolger
Durch die Rückkopplung besitzt die Schaltung in Abb. 8.3 eine Spannungsverstärkung
von
21.
Der OPV (für Simulation TL082 aus OPAMP Library, für den Aufbau wird ein
TL081 mit
anderer Pinbelegung verwendet!) weist eine sehr hohe Leerlaufverstärkung
auf. Dies hat zur Folge dass die Ausgangsspannung des OPVs so nachgeführt wird, dass die
Ausgangsspannung an der Last (in etwa) gleich der Eingangsspannung ist. Die Ausgangspannung des OPs springt dadurch in der Nähe der Nulldurchgänge des Eingangssignals
um ca.
2.8V.
Oft lässt die begrenzte Slew-Rate des OPVs unverzerrte Ausgangssignale
nur mit kleinen Frequenzen bzw. Amplituden zu.
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
36
Abbildung 8.3: Der rückgekoppelte Emitterfolger
8.2.1 Aufbau und Messung
Bauen Sie den Operationsverstärker (Anschluÿbelegung siehe Abb. 8.4 auf ein kleines
Stück Lochrasterplatine auf. Das Rückkoppelnetzwerk soll nicht aufgelötet werden, sondern wird extern an die Klemmen des Transistorblocks angeschlossen.
TL081
1
8
2
7
3
6
4
5
1 - Offset null 1
2 - Inverting input
3 - Non-inverting input
4 - VCC5 - Offset null 2
6 - Output
7 - VCC+
8 - Not connected
DIL 8
Abbildung 8.4: TL081 im DIL8-Gehäuse mit Anschluÿbelegung
•
Zeigen Sie die Ausgangsspannung an der Last und am OP bei verschiedenen Frequenzen.
Hinweis: Sollte der Verstärker Schwingneigung zeigen, so versuchen Sie diese zu unterdrücken, indem Sie einen Kondensator (10pF. . . 100pF) parallel zur Basis-Kollektor Strecke eines oder beider Transistoren schalten.
Als nächstes soll ein Lautsprecher (Impedanz ca.
8Ω
) angesteuert werden. Es wurde
bereits erwähnt, dass bei Audioverstärkern Osetfreiheit überaus wichtig ist. Der Funktionsgenerator am Übungsbord ist aber nicht ganz Osetfrei. Dieser Oset würde in Folge
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
37
mit dem Faktor 21 verstärkt und könnte den Lautsprecher gefährden. Abhilfe schat hier
die Erweiterung des Rückkoppelnetzwerkes bestehend auf
C1 ,
und
R2
mit einer Kapazität
wie in Abb. 8.5 gezeigt. Durch diese Maÿnahme verringert sich die Verstärkung für
kleine Frequenzen in Richtung
•
R3
1.
Eingangsosets werden dadurch nicht voll verstärkt.
Simulieren Sie den Frequenzgang der Schaltung und nden Sie einen geeigneten Kon-
densator
C1 .
Abbildung
8.5:
Rückkoppelnetzwerk,
C1
dient
der
Reduktion
der
DC-
Spannungsverstärkung
Drehen Sie die Eingangsamplitude auf
0V.
Wählen Sie eine Frequenz von
1kHz.
Überwa-
chen Sie die Ströme in den Versorgungsleitungen und drehen Sie die Eingangsamplitude
hinauf. Stellen Sie das Ausgangssignal am Oszilloskop dar. Sorgen Sie dafür, dass der
Lautsprecher schnell an- und abgeschlossen werden kann.
•
Wie verändert sich das Ausgangssignal? ACHTUNG: Sollten Sie einen Gleichspan-
nungsoset von mehr als
500mV am Ausgang feststellen, so trennen Sie den Lautsprecher!
Sollte die Spannung am Ausgang beim Anschluss des ohmsch-induktiven Lautsprechers
stark verzerrt werden, so ist es oft ausreichend ein sogenanntes Boucherot-Glied einzusetzen. Dieses besteht aus einer Serienschaltung eines kleinen Widerstandes (1Ω
. . . 10Ω
)
und eines kleinen Kondensators (10nF..100nF) und wird an den Ausgang des Verstärkers gegen Masse angeschlossen (oft schon auf dem Lautsprecher angelötet). Die Stabilisierungswirkung wird verursacht durch eine steigende Ausgangsbelastung bei höheren
1
Frequenzen .
8.3
Gegentaktverstärker mit Ruhestromeinstellung
Die Übernahmeverzerrungen können minimiert werden indem die Transistoren vorgespannt werden. Durch diese Maÿnahme verschiebt sich die Ausgangsosetspannung zu
recht hohen Werten. Da Lautsprecher bereites durch geringe überlagerte Gleichspannungen zerstört werden können, muss dieser Oset abgeglichen werden (Nullabgleich). Bewerkstelligen Sie dies in der Simulation, indem Sie
VOF F
der Signalquelle auf die halbe
negative Vorspannung setzen.
Simulieren Sie die Ausgangsspannungen für verschiedene (mind. 3) sinnvoll gewählte Spannungen
V4 . Setzen Sie die zeitliche Auösung, zur Vermeidung numerischer Artefakte, auf
1µs.
nicht mehr als
1 Randy Slone High-Power Audio Amplier Construction Manual, 1999
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
38
Abbildung 8.6: Endstufe mit Vorspannung der Transistoren
•
Geben Sie den Klirrfaktor für die verschiedenen Vorspannungen an (FFT, logarith-
misch). Entweder als Abschätzung (Verhältnis von Grundwelle zur ersten Oberwelle) oder
mit einem Spezialmarker.
•
Geben Sie auch zu jeder gewählten Vorspannung den Querstrom - der Strom der aus
dem Emitter des NPN herausläuft und in den Emitter der PNP hineinläuft - an. Trennen
Sie dazu die Last ab und setzen Sie die Eingangsspannung auf
0V.)
Sie sollten sehen, dass zwischen niedrigem Klirrfaktor und geringem Leistungsverbrauch
ein Widerspruch zu bestehen scheint. Je höher der Querstrom gewählt wird, umso weiter verschiebt sich das Verhalten Richtung A-Betrieb und damit Richtung geringer Verzerrungen. Kommerziell sind sehr hochwertige Audioverstärker in A-Betrieb erhältlich,
die enorme Verlustleistungen aufweisen. (Die Existenzberechtigung für Leistungsaudioverstärker in A-Betrieb bleibt jedoch fragwürdig, da ordentlich dimensionierte Verstärker
mit moderaten Querströmen, Klirrfaktoren von unhörbaren
0.0005% aufweisen können2 .)
8.3.1 Aufbau und Messung
Verwenden Sie zur Einstellung des Querstromes den bereits aufgebauten
den Sie unbedingt auf minimale Spannung stellen!
löten. Stellen Sie den Querstrom auf ca.
20mA
UBE -Vervielfacher,
Sie brauchen keine Platine zu
ein. Überwachen Sie die Ströme in den
Zuleitungen für die Versorgungsspannung. ACHTUNG: der Querstrom steigt exponentiell
mit der Potistellung, also drehen Sie vorsichtig! Stellen Sie die Ausgangsspannung am
2 Douglas Self Audio Power Amplier Design Handbook, 2009
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
39
Oszilloskop dar.
•
Bestimmen Sie den Oset der Schaltung.
15Vdc
R3
V2
3k
Q1
R4
Q4
TIP122
R5
BC548B
R7
47
C1
V1
0
V4
V
100u
Q2
TIP127
FR EQ = 1k
VAMPL = 10
VOFF = 0
15Vdc
R6
0
0
3k
Abbildung 8.7: Vorspannung der Transistoren mit
UBE -Vervielfacher
Hinweis: In der Praxis werden die Endtransistoren und der Transistor des
UBE -Vervielfachers
auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert. Auch werden gerne kleine Emitterwiderstände für die Leistungstransistoren (ca.
0.2Ω
) eingesetzt. Das alles dient zur Erhöhung
der thermischen Stabilität der Ruhestromeinstellung.
8.4
Der rückgekoppelte Verstärker
8.4.1 Aufbau und Messung
Simulieren Sie das Verhalten des Verstärkers. Bedenken Sie dass der Ausgangsstrom des
OPVs in der Simulation beliebige Werte annehmen kann, in der Realität aber auf einige
mA begrenzt ist (bei der Dimensionierung von
R3
wichtig). Verwenden Sie das Rückkop-
pelnetzwerk mit Kondensator.
•
Simulieren Sie den Frequenzgang. Überprüfen Sie die Funktionalität des Verstärkers
zuerst ohne Last, dann mit dem
47Ω
Widerstand.
Schlieÿen Sie den Lautsprecher genau wie beim rückgekoppelten Emitterfolger an.
•
Überlegen Sie sich warum dies möglich ist, obwohl die Ausgangstufe einen Ausgangso-
set verursacht. Hinweis: Berechnen Sie entsprechend Abb. 8.9 wie stark sich der Oset auf
die Ausgangsspannung
ua
auswirkt. Nehmen Sie an:
vo = 1e5, k = 1/20
und
uo = 1.4V.
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
40
UB+
R3
3k
Q1
V1
R4
15Vdc
TIP122
8
Q3
U4A
+
V3
OUT
2
TL082
BC548B
1
OUT
RL
8
I
Q2
4
15Vdc
R5
V-
VOFF = 0
VAMPL = 0.5
FREQ = 1000
3
V+
IN
TIP127
V2
0
0
0
R6
3k
UBR2
R1
20k
1k
C1
10u
0
Abbildung 8.8: Endstufe mit Vorspannung der Transistoren
OPV
Ue
+-
UO
v0
k
++
Ua
Rückkoppelnetzwerk
Abbildung 8.9: Blockschaltbild zur Berechnung der Auswirkung des
auf den Ausgangsoset
UBE -Vervielfachers
KAPITEL 8.
LEISTUNGSENDSTUFEN
41
Hinweis: Die hohe Verstärkung des Operationsverstärkers ermöglicht es, dass störende
Eekte wie Nichtlinearitäten der Ausgangstransistoren und Osetspannung sehr gut ausgeregelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten von Operationsverstärkern in Leistungsverstärkern sind aber leider begrenzt, da OPVs meist nur mit geringen Versorgungsspannungen
3
arbeiten können (TL081 max ±18V) und diese dadurch - ohne spezielle Schaltungstricks
- nur für Verstärker mit Ausgangsleistungen kleiner
8.5
30W
geeignet sind.
Der in Brücke geschaltete Verstärker (Aufbau optional)
Für die letzte Aufgabe müssen Sie mit ihrer Nachbargruppe zusammen arbeiten. Eine der
zwei Gruppen soll die Rückkopplung so ändern, dass sich ein invertierender Verstärker
mit einer Verstärkung von ca. -21 ergibt. Verschalten Sie die einzelnen Verstärker wie in
Abb. 8.10. Verwenden Sie als gemeinsame Versorgung nicht die Laborbords, sondern ein
starkes Labornetzteil.
ue
v0
8Ω
-v0
Abbildung 8.10: Brückenschaltung zweier Verstärker
Die Aussteuergrenze eines einzelnen Verstärkers beträgt ca.
•
•
UB − 3V.
Welche Leistung (RMS) dürfen Sie an einem 8Ω Lautsprecher erwarten?
Welche Leistung erwarten Sie am Lautsprecher, wenn zwei Verstärker in Brücke geschal-
tet werden?
•
Diskutieren Sie Vor- und Nachteile der Brückenschaltung!
Hinweis: Beim Betrieb kommerzieller Verstärker in Brückenschaltung ist Vorsicht geboten. Diese können meist (auÿer anders angegeben) nicht betriebssicher in Brückenschaltung bei minimaler Lastimpedanz betrieben werden. In diesem Betriebsmodus verdoppelt
sich schlieÿlich der Strom durch die Transistoren und somit auch die Verlustleistung. Die
Verwendung von Lautsprechern mit höheren Impedanzen kann Abhilfe schaen, was aber
den Leistungsgewinn wieder verringert.
3 Ausnahmen bilden sehr teure monolithische Leistungs OPSVs, wie z.B. LM12 bzw. OPA541.