6. Übung (25.KW, 21.-23.6.06) Elektronikpraktikum für Physiker

6. Übung (25.KW, 21.-23.6.06) Elektronikpraktikum für Physiker - Prof. Brunner SS06
1. Bipolarer Transistor: Emitterfolger als Stromverstärker, Impedanzwandler
Die Emitterfolger-Schaltung A hat (bis auf einen Spannungs-Offset) eine SpannungsVerstärkung von etwa 1. Die Schaltung ist ein so genannter Impedanzwandler. Sie nutzt
die große Stromverstärkung des Bipolartransistors aus, um einen großen
Eingangswiderstand re (d.h. schwache Belastung der Eingangsspannung) bei gleichzeitig
kleinem Ausgangswiderstand ra zu realisieren, mit dem man niederohmige Verbraucher
(z.B. Lautsprecher, Motoren...) mit großer Leistung ansteuern kann.
a) Hausaufgabe: Geben Sie Schaltung A in PSpice ein und simulieren Sie die DCÜbertragungskennlinie Ua(Ue) bei großem Lastwiderstand RV für Eingangsgleichspannungen -10V….10V (U1_offset oder DC). Stellen Sie nun Ue so ein, dass die
Ausgangsspannung Ua≈+5V (Gleichspannung) ist und simulieren Sie die Verringerung
von Ua, die bei Einbringung eines großen Vorwiderstands R2 (0Ω → 22kΩ) auftritt.
Bestimmen Sie daraus den Eingangswiderstand re dieser Emitterfolgerschaltung, unter Berücksichtigung von dUe≈dUa (VU=1) und dem Spannungsteiler am Eingang aus re und R2.
b) Bauen Sie die Schaltung A auf und messen Sie mit dem Oszilloskop das Ausgangssignal
bei einer Wechselspannung U1 für unterschiedliche Lastwiderstände RV=∞, 2.2kΩ, und
470Ω. Ab welcher Amplitude von U1 wird das Ausgangssignal abhängig vom
Lastwiderstand RV verzerrt? Hausaufgabe: Simulieren sie mit PSpice das oben gemessene
Ausgangssignal Ua(U1). Warum tritt die Verzerrung auf?
Schaltung A
c) Die beobachtete Begrenzung des linearen Arbeitsbereiches von Ua(Ue) für negative
Eingangsspannungen kann behoben werden, indem in obiger Schaltung der Widerstand R1
durch eine zweite Emitterfolger-Schaltung mit komplementärem Arbeitsbereich ersetzt
wird (mit einem zu BD239 komplementären pnp-Transistor BD240). Erweitern Sie
Schaltung A zu der unten dargestellten Schaltung B, einem sog. Gegentaktverstärker, und
wiederholen Sie die Messungen von Teilaufgabe b). Vergleichen Sie Ue und Ua genau bei
kleinen Spannungswerten (<0.1V) und erklären Sie die beobachtbare Nichtlinearität.
Schaltung B
2.) Bipolare Transistoren: Mehrstufiger Verstärker
Nun sollen Sie die Emitterschaltung (siehe Schaltung B von Übungsblatt 5) mit hoher
Spannungsverstärkung (als Eingangsstufe) mit obiger Gegentakt-Endstufe (als Impedanzwandler) kombinieren zu einer mehrstufigen Verstärkerschaltung, dargestellt in Schaltung C
(Jetzt wird’s grass!).
Identifizieren Sie folgende Teile der Schaltung im Schaltplan C und bauen Sie diese schrittweise (und mit etwas räumlicher Voraussicht!) als Erweiterung der Gegentaktendstufe auf:
a) Wo ist die Eingangstufe? Wo ist die oben aufgebaute Gegentaktendstufe?
b) Wo wurde ein zusätzliches Potentiometer mit 5 kΩ ergänzt? Welche Funktionen haben die
beiden Potentiometer?
c) Um den Spannungsoffset der einfachen komplementären Emitterfolgerschaltung von
Aufgabe 1 und somit die Nichtlinearität bei Ua≈0V zu beseitigen, werden zwei zusätzliche
komplementäre Emitterfolger (BD557B, BD547B) und zwei 1kΩ Widerstände hinzugefügt. Diese verschieben den Arbeitspunkt von T1 und T2 auf ⎜UBE⎜>0.6V (Diode!) Der
nun vorhandene Ruhestrom durch T1 und T2 muss limitiert werden. Fügen Sie hierzu jeweils einen 1Ω Widerstand in die Emitterleitungen von T1 und T2 als Gegenkopplung ein.
d) Schließen Sie nach Aufbau und genauer Überprüfung der Schaltung einen Lautsprecher als
Verbraucher RV an und testen Sie die Funktion Ihrer ersten richtigen Verstärkerschaltung
akustisch und mit dem Oszilloskop.
Wichtig: Vor Anschließen des Lautsprechers muss der Arbeitspunkt der Schaltung so
eingestellt werden, dass am Ausgang kein wesentlicher Gleichspannungsanteil auftritt
(<1V), weil dieser den Lautsprecher zerstört (hoher Gleichstrom durch die Spule).
e) Hausaufgabe und intensive Nacharbeit, falls Sie irgendeinen Fehler in die aufgebaute
Schaltung gebracht und nicht gefunden haben: Die Schaltung C ist als Datei
„Vorlesung/Praktikum/Übungen/Schaltungen/Uebung_03_3b.sch“ auf der Praktikums-CD
für PSpice zu finden. Simulieren Sie das Ausgangssignal Ua (Transient) für U1=300mV
Amplitude und unterschiedliche Potentiometerstellungen (Lautstärkeregler). Variieren Sie
selbständig einige Parameter. Wie groß ist die Spannungs- und Leistungsverstärkung der
Schaltung? Ab welcher Amplitude von U1 treten (hörbare) Verzerrungen auf?
Schaltung C