Transistor - Hirnablage

Halbleiterbauelemente
Martin Adam
Versuchsdatum: 10.11.2005
Betreuer: DI Bojarski
16. November 2005
Inhaltsverzeichnis
1 Versuchsbeschreibung
1.1 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Transistorverstärker (bipolar)
1.2.2 Verstärker mit FET . . . . .
1.2.3 FET als Analogschalter . . .
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2 Vorbetrachtung
2
2
2
2
3
3
4
3 Durchführung
3.1 bipolarer Transistorverstärker . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Realisierung des Transistorverstärkers . . .
3.1.3 Bestimmung Ra und Betriebsparameter . .
3.1.4 Obere und untere Grenzfrequenz . . . . . .
3.2 Verstärker mit FET . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Kleinsignalverhalten einer Sourceschaltung
3.3 FET als Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Analogschalter in Parallelbetrieb . . . . . .
3.3.2 Analogschalter im Serienbetrieb . . . . . . .
1
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9
9
9
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1
Versuchsbeschreibung
1.1
Ziel
Ermittlung der Eigenschaften einstufiger Transistorgrundschaltungen.
1.2
1.2.1
Aufgaben
Transistorverstärker (bipolar)
1. Dimensionieren Sie einen einstufigen RC-Transistorverstärker in Emitterschaltung entsprechend Abb. 1 anhand des Kennlinienfeldes und der hParameter.
2. Realisieren Sie den von Ihnen berechneten Transistorverstärker, indem
Sie die auf der Leiterplatte vorhandenen Einstellregler entsprechend Ihrer
Rechnung einstellen und die notwendigen Verbindungen stecken. Kontrollieren Sie die Einstellung des Arbeitspunktes durch Messung von IC und
UCE .
3. Bestimmen Sie für eine Sinuseingangsspannung von 1kHz den Ausgangswiderstand Ra . Messen Sie anschließend die Betriebsparameter (Re , Vu ,
Vi , Vp ) in Abhängigkeit vom Lastwiderstand RL für RL = ∞; 2Ra ; Ra ;
0, 5Ra , 0, 1Ra . Diskutieren Sie die Ergebnisse (Leistungsanpassung). Vergleichen Sie die gemessenen mit den theoretischen Werten (Berechnung
aus den h-Parametern).
4. Bestimmen Sie obere und untere Grenzfrequenz des Verstärkers.
Abbildung 1:
2
1.2.2
Verstärker mit FET
1. Bestimmten Sie das Kleinsignalverhalten (Ra , Re , Vu , Vi , Vp ) für RL = ∞
einer Sourceschaltung entsprechend Abb. 2. Vergleichen Sie die Ergebnisse
mit denen von Aufgabe 1.2.1.3 und diskutieren Sie sie.
Abbildung 2:
1.2.3
FET als Analogschalter
1. Bauen Sie einen einfachen Analogschalter in Parallelbetrieb auf (AbbilUa
dung 3). Bestimmen Sie das Übertragungsverhalten =
und die DämpUe
fung des geöffneten Schalters.
2. Bestimmen Sie die Schaltzeiten des Schalters entsprechend Abbildung 3
durch Ansteuerung mit Rechteckimpulsen.
3. Bauen Sie einen Analogschalter im Serienbetrieb auf (Abbildung 4) und
führen Sie die Messungen wie unter 1.2.3. Aufgaben 2. und 3. durch.
Abbildung 3:
3
Abbildung 4:
2
Vorbetrachtung
Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, das zum Schalten und
Verstärken von elektrischem Strom verwendet wird. Die Bezeichnung ist eine
Kurzform für die englische Bezeichnung Transfer Varistor, die den Transistor
als einen durch Strom steuerbaren Widerstand beschreiben sollte. Sie werden in
zwei Arten unterschieden:
• Bipolare Transistoren werden durch Stromfluss angesteuert. Deren Anschlüsse werden mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom
auf der Emitter-Kollektor-Strecke steuern.
• Bei Feldeffekttransistoren (kurz: FET) werden die Anschlüsse als Gate
(engl. Tor, Gatter), Drain (engl. Abfluss), Source (engl. Quelle) bezeichnet. Der Strom auf der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Die Steuerung erfolgt (nahezu)
stromlos.
Zur Dimensionierung eins Verstärkers muss im Kennlinienfeld des Transisitors ein Arbeitspunkt gewählt werden. In der Regel sind nicht alle verhaltensbeeinlfussenden Größen frei wählbar. Die Speisespannung beispielsweise kann
oftmals vorgegeben sein. Die Wahl des Arbeispunktes richtet sich nach der benötigten Signalverstärkung, Bandbreite, der zulässigen Verlustleistung und weiteren Anforderungen.
4
3
Durchführung
In allen Abbildungen ist der Kanal 1 des Oszillographen die Ausgangsspannung
Ua und Kanal 2 die Eingangsspannung Ue .
3.1
3.1.1
bipolarer Transistorverstärker
Dimensionierung
Abbildung 5:
Aus dem Kennlinienfeld (Anhang 1) wurden zur Bestimmung des Arbeitspunktes IB = 80µA, UB = 8V , UCE = 5V und URE = 1V gewählt. Laut
Kirchhoffschen Gesetzen gelten folgende Beziehungen:
UR1 + UR2 − UB
UBE + URE − UR2
UB − URE − UCE − URC
= 0
= 0
= 0
(1)
(2)
(3)
Aus den Gleichungen (2) und (3) folgen (UBE = 655mV aus Kennlinienbild):
URC = 8V − 1V − 5V
UR2 = 0, 655V + 1V
=
=
2V
1, 655V
Somit ergibt sich für UR1 aus Gl. (1):
UR1 = 6, 345V
Weiterhin gilt:
IC + IB = IE
(4)
Mit IB = 80µA und IC = 6, 35mA aus dem Kennlinienfeld folgt, da IB IC
folgt
IE = 6, 35mA.
5
Es wird sinnvollerweise
Iq = 10IB = 800µA
gewählt und es folgt nach der Knotenregel
IR2 = 9IB = 720µA.
Es ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz:
R1
=
R2
=
RC
=
RE
=
UR1
Iq
UR2
IR2
URC
IC
URE
IE
= 7, 93kΩ
= 2, 3kΩ
= 315Ω
= 157, 5Ω
CK1 = CK2 = 22µF und CE = 47µF sind bauartbedingt vorgegeben. Für die
h-Parameter, die Anstiege der jeweiligen Geraden im Kennlinienfeld, ergeben
sich folgende Werte:
3.1.2
h11
=
h22
=
h21
=
h12
=
∆UBE
18, 97mV
= 383, 3Ω
=
∆IB
49, 5µA
∆IC
0, 317mA
1
=
= 2, 14 · 10−4 = 2, 14 · 10−4 S
∆UCE
1, 48V
Ω
∆IC
3mA
= 85, 13
=
∆IB
35, 24µA
∆UBE
=0
∆UCE
Realisierung des Transistorverstärkers
Die Schaltung wurde gemäß Abbildung 1 und 5 aufgebaut und der Arbeitspunkt
kontrolliert und UB und R2 eingestellt. Es ergaben sich UB = 6, 2V und R2 =
6, 16kΩ. In Abbildung 6 ist die Verstärkung von Kanal 2 (Ue ) zu Kanal 1 (Ue )
gut zu erkennen.
6
Abbildung 6:
3.1.3
Bestimmung Ra und Betriebsparameter
Ra wurde mit der
U
2 -Methode
ermittelt. Dazu wurde RL von RL = ∞ soweit
Abbildung 7:
verringert bis Ua =
Ua
2
erreicht war, denn dann ist RL = Ra = 210Ω.
Ebenso mit der U2 -Methode wurde Re jeweils ermittelt. Dazu wurde von RV = 0
schrittweise erhöht.
Abbildung 8:
7
RL inΩ
Re in Ω
Ue in mV
Ua in mV
∞
420
210
105
21
450
440
570
700
400
42
42
43
44
43
656
406
200
125
65
Vi =
Ua Re
Ra Ue
0,00
10,1270
12,6246
18,9394
28,7929
VU =
Ua
Ue
15,62
9,67
4,65
2,84
1,51
VP =
Pa
Pe
0,00
97,89
58,72
53,81
43,52
Tabelle 1: Messwerte Aufgabe 1.2.3.
3.1.4
Obere und untere Grenzfrequenz
Bei den Grenzfrequenzen tritt eine Phasenverschiebung von ϕ = 45◦ auf. Der
Betrag der Verstärkung sinkt dabei auf √I2 der Maximalverstärkung. Mit dem
Oszillographen wurden die Phasenverschiebungen sowie die dazugehörige verstärkte Spannung (im Bild: Vp−p (1)) gemessen. Es ergaben sich folgende Grenzfrequenzen:
fU G = 112Hz
FOG = 742kHz
Abbildung 9:
Abbildung 10:
8
=
Ua2 Re
Ra Ue2
3.2
3.2.1
Verstärker mit FET
Kleinsignalverhalten einer Sourceschaltung
Die Schaltung wurde gemäß Abbildung 2 aufgebaut. Ra = 9kΩ wurde wieder
mittels Umax
2 -Methode ermittelt. Es ergeben sich folgende Betriebsparameter:
RL inΩ
Re in M Ω
Ue in mV
Ua in mV
∞
1
215,6
437
Vi =
Ua Re
Ra Ue
225,2113
VU =
Ua
Ue
VP =
2,03
Tabelle 2: Messwerte 1.2.2.
Es ist zu erkennen, dass der FET-Verstärker eine um eine Größenordnung
kleinere Spannungsverstärkung aufweist. Jedoch ist seine Stromverstärkung um
3 Größenordnungen größer und somit auch die Leistung. Der FET ist folglich gut
als Leistungsverstärker einsetzbar, gerade dort, wo ein niedriger Eingangsstrom
gefordert ist.
3.3
3.3.1
FET als Analogschalter
Analogschalter in Parallelbetrieb
Der Analogschalter im Parallelbetrieb wurde wie in Abbildung 3 aufgebaut.
Ua,1 ist die Ausgangsspannung im offenen Betrieb und Ua,2 im geschlossenen
Zustand. Um die Schaltzeiten zu bestimmten wurde eine Gleichspannung als
Eingangsspannung genutzt. Es wurde mit dem Oszillographen die Zeit bestimmt
bis die Spannung beim Einschaltvorgang bis auf √U2 angestiegen war.
• Ua,1 = 1, 72V , Ua,2 = 15, 94mV
• Übertragungsverhältnis:
• Dämpfung: D = 20 log
Ua
1, 72V
=
= 0, 98
Ue
1, 75V
Ua,2
15, 9mV
= 20 · log
= −40, 66dB
Ua,1
1, 72V
• Schaltzeit: tS = 2µs
9
Pa
Pe
=
456,48
Ua2 Re
Ra Ue2
Abbildung 11:
Abbildung 12:
10
3.3.2
Analogschalter im Serienbetrieb
• Ua,1 = 5, 437V , Ua,2 = 20, 31mV
• Übertragungsverhältnis:
• Dämpfung: D = 20 log
Ua
5, 375V
=
= 0, 989
Ue
5, 437V
Ua,2
20, 31mV
= 20 · log
= −48, 5dB
Ua,1
5, 437V
• Schaltzeit: tS = 1, 24µs
Abbildung 13:
Abbildung 14:
11
Abbildung 15:
12