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Bachelor Grundlagenpraktikum

Version 1.3

Lehrstuhl für Elektronische Schaltungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Thomas Musch

LEHRSTUHL FÜR

Elektronische Schaltungstechnik

Elektronische Schaltungen

Entwicklung und Aufbau eines Mittelwellenradiosmit separatem Audioverstärker

Inhaltsverzeichnis

0 Einleitung 30.1 Ablauf des Praktikums und Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . 30.2 Projektbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

0.2.1 Mittelwellenempfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.2.2 Audioverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

0.3 OrCAD Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70.4 Vorausgesetzte Kenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130.5 Hinweise zu den Ausarbeitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140.6 Terminübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1 Termin 1: Koppelstufe 161.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 Termin 2: Eingangsstufe 212.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3 Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3 Termin 3: Ausgangsstufe 273.1 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Termin 4: Gesamtschaltung Audioverstärker 344.1 Erläuterung zu gegengekoppelten Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2 Vorbereitungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5 Termin 5: MW-Empfänger Teil I 415.1 Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6 Termin 6: MW-Empfänger Teil II 466.1 Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.2 Simulationsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2 Inhaltsverzeichnis

7 Termin 7: Aufbau des MW-Empfängers 50

0 Einleitung

0.1 Ablauf des Praktikums und RahmenbedingungenDieses Praktikum ist ein Projektpraktikum, d.h. es werden nicht jede Woche unabhän-gige Versuche durchgeführt, sondern es wird über den gesamten Zeitraum an einem Pro-jekt gearbeitet. Schrittweise wird ein vollständiges und lauffähiges System entwickelt,welches jeder Studierende nach erfolgreicher Beendigung des Praktikums behalten darf.

Die nötigen Informationen und Aufgaben um das Praktikum erfolgreich zu absolvierensind in diesem Umdruck beinhaltet. Es existieren generell drei unterschiedliche Typenvon Aufgaben:

Vorbereitungsaufgaben: Diese Aufgaben müssen vollständig gelöst zu dem jeweili-gen Termin mitgebracht werden. Zu Beginn eines Termins werden diese Aufgabenvon den Studierenden an der Tafel besprochen und vorgetragen.

Simulationsaufgaben: Diese Aufgaben müssen während eines Termins von den Stu-dierenden mit Hilfe der Simulationssoftware OrCAD gelöst bzw. bearbeitet wer-den. Kenntnisse in der Benutzung dieses Programms werden nicht vorausgesetzt,sondern es findet eine Einführung während des ersten Praktikumtermins statt.

Messaufgaben: Diese Aufgaben müssen ebenfalls während des Praktikums gelöst wer-den. Es handelt sich hierbei um Aufgaben, die mit den am Arbeitsplatz zur Ver-fügung stehenden Messgeräten und Testschaltungen bearbeitet werden können.

Für jeden der Termine gibt es ein Versuchstestat. Am Ende des Praktikums könnensomit bis zu acht Versuchstestate an die Studierenden ausgehändigt worden sein. Um einGesamttestat und damit einen Teilnahmeschein zu erhalten müssen mindestens siebendieser acht Versuchstestate vorgewiesen werden können. Ein solches Versuchstestat wirdausgehändigt, wenn

4 0.2. PROJEKTBESCHREIBUNG

• Die Vorbereitungsaufgaben vollständig gelöst wurden.

• Eine Ausarbeitung pro Gruppe zu dem Thema des jeweiligen Termins nach einerWoche bzw. nach einmaliger Korrektur nach zwei Wochen abgegeben wurde.

Sollten bei der Bearbeitung der Vorbereitungsaufgaben Probleme auftreten, versuchenSie diese bitte zunächst mit Hilfe der empfohlenen Literatur (siehe Kapitel 0.4) zu lö-sen. Wenn Ihnen dies nicht weiterhilft, stehen Ihnen die Mitarbeiter des Lehrstuhls zurVerfügung.

Bitte beachten Sie:Wer unvorbereitet zum Versuchstermin erscheint, kann von der Versuchs-durchführung ausgeschlossen werden. Ein Nachholen dieses Versuchs an ei-nem anderen Tag ist aufgrund der Auslegung als Projektpraktikum dannnicht mehr möglich.

0.2 Projektbeschreibung

Ziel dieses Praktikums ist die Entwicklung eines Mittelwellenempfängers und eines Au-dioverstärkers. Beide Teilsysteme können in Reihe geschaltet werden, so dass der Emp-fang und die Wiedergabe eines amplitudenmodulierten Radiosignals möglich ist.Die kompletten Schaltungen werden ausschließlich mit diskreten Bauelementen aufge-baut, d.h. es werden keinerlei ICs wie Operationsverstärker o.ä. verwendet.Der Aufbau des Audioverstärkers soll den Einsatz der in der Vorlesung „ElektronischeSchaltungen“ erlernten Grundschaltungen im niederfrequenten Bereich verdeutlichen,während es beim Aufbau des Mittelwellenempfängers auch höherfrequente Aspekte zubeachten gilt.Beide Teilsysteme werden ausgehend von den Grundlagen stückweise erarbeitet. Dabeiwird mit dem Audioverstärker begonnen, da dort die einzelnen Grundelemente leichtzu verstehen und zu erkennen sind. Nach Beendigung eines Teilsystems muss dieses vonden Studierenden auf vorgefertigten Leiterkarten mit den entsprechenden Bauelemen-ten bestückt werden.

Im Folgenden soll ein kurzer Überblick über ein paar Merkmale der Teilsysteme gegebenwerden.

KAPITEL 0. EINLEITUNG 5

0.2.1 Mittelwellenempfänger

Aktives Band-passfilter

Vorverstärker Demodulator

zum Audio-verstärker

Abbildung 0.1: Blockschaltbild des Mittelwellenempfängers

Der Mittelwellenempfänger (Abbildung 0.1 zeigt das zugehörige Blockschaltbild) hat dieAufgabe ein von einer Radiostation ausgesendetes Signal zu empfangen und zu demodu-lieren. Die Demodulation ist wichtig, da das gewünschte Nutzsignal (z.B. Audiosignal),in einem Frequenzband zwischen 20 Hz und 20 kHz liegt, das ausgestrahlte Radiosignalbefindet sich jedoch in einem Frequenzbereich, der deutlich höher als 100 kHz liegt. Die-se Frequenzverschiebung des Signals hat verschiedene Gründe. Zum einen ist es für einehohe Abstrahlleistung, die für eine Übertragung über weitere Entfernungen nötig ist,erforderlich, dass die Sendeantenne in ihren Abmessungen im Bereich der Wellenlängedes Signals liegt. Ein weiterer Grund für die Frequenzverschiebung ist, dass dadurchmehrere Signale parallel auf verschiedenen Frequenzen störungsfrei übertragen werdenkönnen.Das eigentliche niederfrequente Nutzsignal wird auf das hochfrequente Signal, den Trä-ger, aufmoduliert. Dazu existieren mehrere Verfahren. Die beiden bekanntesten undfür den Rundfunk genutzten sind die Amplituden- und die Frequenzmodulation. Dadie Amplitudenmodulation wesentlich einfacher zu verstehen und ein zugehöriger De-modulator schaltungstechnisch einfacher zu realisieren ist, wird in diesem Praktikumausschließlich diese Modulationsart besprochen.Bei der Amplitudenmodulation wird die Amplitude des Trägersignals mit dem Verlaufdes Nutzsignals variiert. Somit ist in der Hüllkurve des Trägersignals die Informationdes Nutzsignals enthalten. Abbildung 0.2 verdeutlich diesen Zusammenhang.

6 0.2. PROJEKTBESCHREIBUNG

Nutzsignal

Trägersignal

AM-Signal

û ·cos( t)N Nω

cos( t)ωT

(U +û ·cos( t))·cos( t)Off N N Tω ω

UOff

+

Abbildung 0.2: Blockschaltbild zur Amplitudenmodulation

0.2.2 Audioverstärker

Ein Verstärker hat die Aufgabe, ein Eingangssignal mit einem definierten Verstärkungs-faktor an den Ausgang zu übertragen. Hierbei gibt es je nach Anwendungsfall verschie-dene Eigenschaften hinsichtlich derer ein Verstärker optimiert werden kann:

• Linearität

• Rauschverhalten

• Wirkungsgrad

• Frequenzgang

• ...

Bei der Auslegung eines Verstärkers für den Audiobereich wird hierbei besonders aufdie Linearitätseigenschaft geachtet. Die benötigte Bandbreite ist durch das Eingangs-signal bestimmt. Das Audiofrequenzband liegt zwischen 20 Hz und 20 kHz. Um jedochdie Oberwellen, welche für ein angenehmes Klanggefühl wichtig sind, erfassen zu kön-nen wird die Grenzfrequenz eines Audioverstärkers meist auf ca. 100 kHz bis 300 kHzfestgelegt.Zusätzlich zu den oben genannten gelten für Audioverstärker noch die folgenden An-forderungen:

• Hohe Ausgangsleistung


• Kleiner Ausgangswiderstand

Üblicherweise wird ein Audioverstärker aus mindestens drei Stufen zusammengesetzt

• Eingangsstufe

• Koppelstufe

• Ausgangsstufe

Abbildung 0.3 zeigt ein Blockschaltbild dieser Struktur.

KoppelstufeDifferenzeingang AB-Endstufe

vom MW-Empfänger

Abbildung 0.3: Blockschaltbild des Audioverstärkers

Diese drei Stufen werden innerhalb des Praktikum einzeln betrachtet und berechnet.

0.3 OrCAD CaptureDer Ablauf einer Schaltungsentwicklung geschieht meist in folgender Weise:

1. Idee einer Schaltung und Abschätzung der Dimensionierung per Hand

2. Verifikation der Dimensionierung mit Hilfe von Simulationen

3. Aufbau und Vermessung der Schaltung

In diese drei Schritte gliedert sich auch das Praktikum. Die Entwicklung der Schaltungund die Abschätzung der Dimensionierung wird in den Vorbereitungsaufgaben behan-delt, Punkt 2 und Punkt 3 werden hauptsächlich während des Praktikums stattfinden.Für die Durchführung der Simulationen wird das Programm Capture des HerstellersCadence verwendet. Alternativ können auch andere Spice Derivate genutzt werden,die in ihrem Funktionsumfang sehr ähnlich, in ihrer Bedienung jedoch unterschiedlichsind. Im Folgenden wird daher nur auf das hier im Praktikum verwendete ProgrammCapture eingegangen. Hierbei werden die Grundlagen eines Simulationsprogramms nur

8 0.3. ORCAD CAPTURE

rudimentär behandelt, da die genauere Darstellung solcher Programme Gegenstandanderer Vorlesungen ist. Der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Bedienung des Pro-gramms.

Die Abkürzung SPICE steht für Simulation Program with Integrated Circuit Empha-sis und bezeichnet ein Programm, mit dem es möglich ist, komplexe elektronische Schal-tungen zu simulieren. Die Eingabe der Schaltungen kann entweder textbasiert, als Netz-liste oder mit Hilfe einer grafischen Oberfläche vorgenommen werden.Nach Eingabe der Schaltung und Dimensionierung der Bauelemente und Quellen kön-nen dann verschiedene Simulationen bzw. Berechnungen durchgeführt werden:

• Arbeitspunktberechnung (Bias-Point)

• Transienten-Analyse (Zeitbereich)

• DC-Analyse

• AC-Analyse (Frequenzbereich)

• Parametervariation (z.B. Temperatur)

• Monte Carlo Analyse

Damit das Programm die notwendigen Berechnungen ausführen kann, sind für sämt-liche Bauelemente Modelle hinterlegt. Diese bestehen im Wesentlichen aus den jewei-ligen charakteristischen Strom-Spannungsgleichungen. Somit wird die Berechnung desVerhaltens einer Schaltung auf das numerische Lösen der entsprechenden Differential-gleichungen zurückgeführt und kann dann automatisiert, d.h. vom PC übernommenwerden.Abbildung 0.4a zeigt die grafische Oberfläche von Capture. Hier können Schaltungendurch Hinzufügen und anschließendes Verbinden von Bauelementen erstellt werden.Durch Drücken des in Abbildung 0.4a angegebenen Symbols öffnet sich der Dialog zurAuswahl der Bauelemente (siehe Abbildung 0.4b).In Bild 0.5a ist der Unterpunkt des Menüs „PSpice“ dargestellt, der für die Simula-tionseinstellungen zuständig ist. Dieser öffnet das in Bild 0.5b dargestellte Menü zurAuswahl der gewünschten Simulationsart.


Nach Berechnung der gewünschten Simulation öffnet sich das Ergebnis in einem neu-en Programmfenster und kann dort vom Nutzer interpretiert werden (siehe Abbildung0.6).


(a) Grafische Oberfläche

(b) Dialog - Bauelementeauswahl

Abbildung 0.4: OrCAD Oberfläche


(a) Simulationsmenü

(b) Dialog - Simulationseinstellungen

Abbildung 0.5: OrCAD Menü


Abbildung 0.6: Simulationsergebnis


0.4 Vorausgesetzte Kenntnisse• Begleitende Vorlesung „Elektronische Schaltungen“, Prof. Dr.-Ing. T. Musch.

Als Sekundärliteratur wird das Buch „Analysis and Design of Analog IntegratedCircuits“ von Gray und Meyer, sowie „Halbleiter-Schaltungstechnik“ von Tietzeund Schenk empfohlen.

• Schriftlich gelöste und zum Versuchstermin mitgebrachte Vorbereitungsaufgaben.

14 0.5. HINWEISE ZU DEN AUSARBEITUNGEN

0.5 Hinweise zu den Ausarbeitungen• Äußere Form

– Berichte sind geheftet abzugeben

– Bitte sauber und leserlich schreiben und für Zeichnungen ein Lineal verwen-den

• Vorbereitungsaufgaben

– Wenn Näherungen durchgeführt werden, sind diese kenntlich zu machen undzu begründen

– Korrekte Einheiten verwenden

• Simulationsaufgaben

– Verwendete Quellen nennen (VAC, VSin etc.)

– Einstellungen der Quellen nennen (z.B. VAMPL oder FREQ)

– Simulationsart nennen (Bias Point, Transient, AC, DC, etc.)

– Vergleich mit erwarteten/errechneten Werten: Abweichungen berechnen undbegründen

• Messaufgaben

– Messmethode und verwendete Geräte nennen (es genügt der Gerätetyp, z.B.Oszilloskop oder Multimeter)

– Einstellungen der Messgeräte (z.B. xy-Modus) und des Funktionsgenerators(Amplitude, Frequenz) nennen

– Vergleich mit erwarteten/errechneten Werten: Abweichungen berechnen undbegründen


0.6 Terminübersicht1. Termin

• Einführung in Orcad Capture und PSpice

• Koppelstufe

2. Termin

• Differenzeingangsstufe

3. Termin

• Ausgangsstufe

4. Termin

• Gesamtschaltung Audioverstärker

• Bestückung des Audioverstärkers

5. Termin

• MW-Empfänger Teil I:Eingangschaltung und LC-Schwingkreis mit Mitkopplung

6. Termin

• MW-Empfänger Teil II:Demodulator und Ausgangsfilter

7. Termin

• Bestückung des MW-Empfängers

• Test der Gesamtschaltung

1 Termin 1: Koppelstufe

1.1 Vorbereitungsaufgaben

Die Koppelstufe stellt die Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsstufe einesVerstärkers dar und ist die Einfachste der drei Stufen. Sie dient im Wesentlichen dazu,eine ausreichend hohe Verstärkung innerhalb der Gesamtschaltung bereitzustellen.Im Folgenden soll eine Koppelstufe schrittweise entwickelt und untersucht werden.

Vorbereitungsaufgabe 1.1

Zeichnen Sie die einfachste Verstärkerschaltung, mit einer Spannungsverstärkung be-tragmäßig größer als eins, die Sie in der Vorlesung kennengelernt haben. Verwenden Siehierzu einen npn-Transistor, einen Widerstand und eine ideale Spannungsquelle.Folgende Randbedingungen sind gegeben:

• Umgebungstemperatur T = 300 K

• Versorgungsspannung UB = 9 V

• Lastwiderstand RL = 13,5 kΩ

• Kollektor-Emitter-Spannung UCE = UB2

• Early-Spannung UEarly = 74 V

• Stromverstärkung B = β = 255,9

• Sperrsättigungsstrom IS = 14,6 fA

• Basis-Emitter-Kapazität CBE = 25 pF

• Basis-Kollektor-Kapazität CCB = 10 pF

KAPITEL 1. TERMIN 1: KOPPELSTUFE 17


Wie groß ist der Kollektorstrom IC des Transistors und wie groß muss demnach derDC-Anteil der Eingangsspannung der Schaltung sein?


Wie groß ist die Steilheit gm des Transistors und die Spannungsverstärkung vu derGesamtschaltung?


Berechnen Sie den Kleinsignaleingangswiderstand rEin der Schaltung und den damitverbundenen Dämpfungsfaktor, der sich im Zusammenhang mit dem Quellwiderstandder vorhergehenden Stufe ergibt. Der Dämpfungsfaktor gibt das Verhältnis UBE

UEinan.

Hinweis:

• Quellwiderstand RQ = 50 Ω


Auf Grund des Stromflusses erhöht sich die Temperatur des Transistors um ΔT = 10 K.Schätzen Sie die Änderung des Kollektorstroms IC durch die Temperaturänderung ab.Wie groß ist die Steilheit gm des Transistors jetzt? Wie verhält es sich mit der Span-nungsverstärkung vu?


Treffen Sie eine geeignete schaltungstechnische Maßnahme um die Auswirkungen derTemperaturänderung möglichst gut zu unterdrücken. Verwenden Sie hierzu nur ein Bau-element. Berechnen Sie das Verhältnis der sich ergebenden Steilheiten für T1 = 300 Kund T2 = 310 K. Nehmen Sie hierzu einen Wert für das von ihnen hinzugefügte Elementan. IC1(T1 = 300 K) habe weiterhin den in Aufgabe 1.2 berechneten Wert.

18 1.2. SIMULATIONSAUFGABEN


Welcher Nachteil entsteht durch diese Maßnahme und wie kann man diesen durch Hin-zufügen eines weiteren Bauteils reduzieren?

Als Letztes soll nun noch eine Untersuchung im Frequenzbereich durchgeführt werden.


Berechnen Sie die Eingangskapazität CEin der Schaltung unter Berücksichtigung des zuBeginn angegebenen Lastwiderstandes. Die Berechnung soll für die ursprüngliche Tem-peratur T = 300 K durchgeführt werden. Berücksichtigen Sie hierbei den Miller-Effekt.


Berechnen Sie die Eckfrequenz ωg der Schaltung und zeichnen Sie den Verlauf der Über-tragungsfunktion H(jω) = UA

UEin die Abbildung 1.1 ein.

1.2 Simulationsaufgaben

Simulationsaufgabe 1.1

Erstellen Sie die Schaltung aus Aufgabe 1.1 im Simulationsprogramm OrCAD Capture.Nutzen Sie als Spannungsquelle eine Quelle des Typs VSin und tragen Sie bei dieserden berechneten Wert der Basis-Emitterspannung aus Aufgabe 1.1 ein. Verifizieren Sieden berechneten Kollektorstrom des Transistors mit Hilfe einer Bias Point Analyse.Hinweise:

• Nutzen Sie das Transistormodell Q2N2222 für npn-Transistoren

KAPITEL 1. TERMIN 1: KOPPELSTUFE 19


Wählen Sie für die Spannungsquelle eine geeignete Amplitude und sehen Sie sich denZeitverlauf des Ausgangssignals mit Hilfe einer Transienten Analyse an. Bestimmen Siedie Spannungsverstärkung vu.


Ersetzen Sie nun die Spannungsquelle durch eine Quelle des Typs VAC mit demselbenOffset und einer Amplitude von 1 V. Schauen Sie sich nun den Verlauf der Verstär-kung der Schaltung über der Frequenz mit Hilfe einer AC Analyse an und erläutern Siedas Verhalten. Bestimmen Sie die DC-Verstärkung v0 in dB sowie die Grenzfrequenz ωg.


Abbildung 1.1: Bodediagramm

2 Termin 2: Eingangsstufe

2.1 VorbereitungsaufgabenAls Eingangsstufe eines Audioverstärkers wird in der Regel ein Differenzverstärkereingesetzt.


Es soll ein Differenzverstärker mit ohmscher Last entwickelt werden. Ihnen stehen hierzufolgende Bauelement zur Verfügung:

• 2 pnp-Bipolartransistoren T1, T2 (UEarly → ∞)

• 2 ohmsche Widerstände R1, R2

• 1 ideale Stromquelle I0

• 2 symmetrische Versorgungsspannungsquellen

Das Ausgangssignal UA der Schaltung soll über einem der Widerstände gegen Masseabgegriffen werden.


Geben Sie den invertierenden und den nicht invertierenden Eingang ihrer Schaltungan. Kennzeichnen Sie dazu eindeutig sowohl Eingang uE,Diff als auch Ausgang ihrerSchaltung.


Geben Sie die Steilheiten gmT1 = dIC1dUE,Diff

und gmT2 = dIC2dUE,Diff

der beiden Einzeltransis-toren an und vergleichen Sie diese mit der Steilheit eines Transistors in Emitterschal-tung. Begründen Sie den Unterschied.

22 2.1. VORBEREITUNGSAUFGABEN


Bestimmen Sie die Kleinsignalverstärkung v = uAuE,Diff

.Nehmen Sie an, dass R1 = R2 = RC gilt.

Da die Differenzverstärkerstufe als erste Stufe des Gesamtsystems eine möglichst hoheVerstärkung besitzen soll, ist es oft zweckmäßig den ohmschen Lastwiderstand durcheinen hochohmigen Stromspiegel zu ersetzen.


Ersetzen Sie die ohmschen Lastwiderstände ihrer Schaltung durch einen Stromspiegel.Ihnen stehen hierzu folgende Bauelemente zur Verfügung:

• 2 npn-Bipolartransistoren

Das Ausgangssignal soll weiterhin über einem Lastwiderstand gegen Masse abgegriffenwerden.


Bestimmen Sie den invertierenden und den nicht invertierenden Eingang ihrer Schal-tung. Kennzeichnen Sie hierzu wieder eindeutig den Eingang und den Ausgang derSchaltung.


Berechnen Sie die Gesamtsteilheit gm2 = dIA

dUEder Schaltung.


Begründen Sie anschaulich den Unterschied der Steilheiten aus Aufgabe 2.3 und 2.7.


Berechnen Sie mit Hilfe des Ergebnisses aus 2.7 den Wert der Spannungsverstärkungvu = UA

UEdes Differenzverstärkers, wenn als Lastwiderstand

1. ein Widerstand RL = 1 kΩ

KAPITEL 2. TERMIN 2: EINGANGSSTUFE 23

2. ein Widerstand RL = 8 Ω (Lautsprecher)

eingesetzt wird. Erläutern Sie kurz die sich aus diesem Vergleich ergebenden schaltungs-technischen Konsequenzen für den Verstärker.Es gelten folgende Randbedingungen:

• Temperatur: T = 300 K

• Versorgungsspannung: UB = ±4,5 V

• I0 = 2 mA

• Stromverstärkung der Transistoren: B = β = 200

• UEarly → ∞


Der Schaltung werden nun zwei ohmsche Widerstände als Gegenkopplungswiderständein den Emitterzweigen hinzugefügt. Welche Vor- und welche Nachteile bringt dieseModifikation für die Verstärkerschaltung mit sich?

2.2 SimulationsaufgabenHinweise:

• Nutzen Sie für npn-Transistoren das Transistormodell BC848

• Nutzen Sie für pnp-Transistoren das Transistormodell BC858


Geben Sie die Schaltung aus Aufgabe 2.1 in das Simulationsprogramm OrCAD Cap-ture ein. Überprüfen Sie den Arbeitspunkt und beschreiben Sie die Veränderung derKleinsignalverstärkung über der Temperatur qualitativ. Wählen Sie den Lastwider-stand RL = 1 kΩ.Um ein Gegentaktsignal zu erzeugen, nutzen Sie für die Verstärkungssimulation eineAC-Quelle mit einer Verschaltung wie in Abbildung 2.1 gezeigt.

24 2.3. MESSAUFGABEN

uE,Diff

VAC

-1

Abbildung 2.1: Gegentaktansteuerung mit PSPICE

Hinweis: Die Temperaturvariation können Sie über „Analysis→AC-Sweep→Temperature(Sweep)“ einstellen.


Erweitern Sie die Schaltung um die Gegenkopplungswiderstände aus Aufgabe 3.10 undbeschreiben Sie auch hier die Änderung der Verstärkung über der Temperatur. WählenSie hierzu RGK = 100 Ω.

2.3 Messaufgaben

Auf der vorliegenden Platine sind zwei Schaltungen realisiert. Schaltung 1 stellt einenDifferenzverstärker mit ohmscher Last dar. In Schaltung 2 sind die ohmschen Lastwider-stände durch einen Stromspiegel ersetzt. Abbildung 2.2 zeigt die beiden Schaltungen.Über den Jumper J1 kann gewählt werden, an welche der beiden Schaltungen das Ein-gangssignal angelegt wird.Die ersten Messaufgaben beziehen sich auf den Differenzverstärker mit ohmscher Last(Schaltung 1).

Messaufgabe 2.1

Machen Sie sich zunächst mit der Platine und dem Aufbau dieser Schaltung vertraut.Mit dem Jumper J2 kann in der Eingangsbeschaltung zwischen Gleich- und Gegen-taktansteuerung gewechselt werden. Stellen Sie den Jumper auf Gegentaktansteuerungein.In den Emitterzweigen der Differenzverstärker-Transistoren sind überbrückbare Gegen-kopplungswiderstände vorgesehen. Lokalisieren Sie diese Widerstände auf der Platineund stecken Sie den Jumper so, dass die Widerstände überbrückt sind.

KAPITEL 2. TERMIN 2: EINGANGSSTUFE 25

1

2

uE,Diff

uE,Diff

R0 = 2kΩ

= 100Ω

= = = 1kΩ

= 1,8k

R

R R R

R

GK

L1 L2 L

SP

RGK,SP =

Ω

R0 = 2kΩ

= 100Ω

= = = 1kΩ

= 1,8k

R

R R R

R

GK

L1 L2 L

SP

RGK,SP =

Ω

Abbildung 2.2: Testschaltung der Eingangsstufe

Mit einem weiteren Jumper kann zwischen zwei verschiedenen Stromquellen gewähltwerden. Zunächst soll ein ohmscher Widerstand die Stromquelle bilden. Stecken Siedafür den Jumper entsprechend.

Messaufgabe 2.2

Bestimmen Sie uE,P P so, dass sich eine Differenz-Eingangsspannung von uEDiff,P P =20 mV einstellt. Begründen Sie Ihre Antwort.

Messaufgabe 2.3

Bestimmen Sie die Kleinsignalverstärkung v = UAUE,Diff

der Schaltung. Legen Sie dazu mitdem Funktionsgenerator ein sinusförmiges Eingangssignal mit der zuvor bestimmtenAmplitude und einer Frequenz von 1 kHz an.

Messaufgabe 2.4


Bestimmen Sie den linearen Aussteuerbereich der Schaltung. Legen Sie dazu ein sinus-förmiges Eingangssignal mit einer Frequenz von 1 kHz und einer Amplitude von 2,5 Van den Eingang an.Tragen Sie dazu die Ausgangsspannung UA über UE auf. Verwenden Sie hierfür den xy-Modus (Menu/Zoom-Zeitbasis-x/y Modus). Messen Sie die Spannung UE hinter demSpannungsteiler am Pin „SigBuf“ gegen Masse. Berücksichtigen Sie in der Auswertung,dass UE,Diff durch die Gegentaktverschaltung doppelt so groß ist.

Messaufgabe 2.5

Modifizieren Sie die Schaltung nun so, dass die Gegenkopplungswiderstände in denEmitterzweigen wirksam sind. Bestimmen Sie auch für diese Beschaltung den linearenAussteuerbereich der Schaltung und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem aus Aufgabe2.4.

Messaufgabe 2.6

Bestimmen Sie auch für diese Beschaltung die Kleinsignalverstärkungv = UA

UE,Diffmit dem gleichen Eingangssignal wie in Aufgabe 3.2.

Die letzte Messaufgabe bezieht sich auf den Differenzverstärker mit Stromspiegel-Last.Auf Gegenkopplungswiderstände wurde in dieser Schaltung verzichtet. Die Stromquelleist durch einen Stromspiegel realisiert.

Messaufgabe 2.7

Bestimmen Sie auch für diese Schaltung die Kleinsignalverstärkung v = UA

UE,Diff. Ver-

gleichen Sie das Ergebnis mit der Kleinsignalverstärkung aus der Vorbereitungsaufgabe2.9. Stellen Sie den Funktionsgenerator auf die Amplitude ein, die Sie in Messaufgabe2.2 bestimmt haben.

3 Termin 3: Ausgangsstufe

3.1 VorbereitungsaufgabenDie Ausgangsstufe einer Verstärkerschaltung hat die Aufgabe, hohe Ströme an die Lastabzugeben. Im Folgenden wird schrittweise eine solche Ausgangsstufe entwickelt.


Gegeben ist die in Abbildung 3.1 abgebildete Kollektor-Schaltung im A-Betrieb.Berechnen Sie die AC-Spitzenleistung, die die Schaltung bei Ansteuerung mit einerpositiven Halbwelle maximal unverzerrt abgeben kann.

Hinweise:

• Der Transistor arbeitet unverzerrt, wenn UCB ≥ 0 V gilt.

• Es gelte UBE = 0,7 V.

• Der Transistor kann ansonsten als ideal betrachtet werden.(UEarly >>, B = β >>)

I0

4,5 V

8 Ω

50 Ω

-4,5 V

UE

T1

Abbildung 3.1: Kollektorschaltung im A-Betrieb



Berechnen Sie den Ruhestrom I0, der nötig ist, damit die Schaltung die in Aufgabe 4.1berechnete maximale Leistung auch bei negativer Aussteuerung abgeben kann.


Ermitteln Sie die Kapazität aktuell erhältlicher 9V-Blockbatterien und schätzen Sie dieStandby Lebensdauer in Stunden ab.


Berechnen Sie die statische Verlustleistung des Transistors T1.


Entwickeln Sie eine Komplementärendstufe bestehend aus zwei komplementär-identischenTransistoren. Ihnen stehen eine postive und eine negative Versorgungsspannung mitUB = ±4,5 V zur Verfügung. Als Last soll ein ohmscher Widerstand mit RL = 8 Ωverwendet werden.


Zeichnen Sie den Verlauf der Ausgangsspannung uA(t) in Abbildung 3.2 und die Über-tragungskennlinie uA = f(uE) in Abbildung 3.3 ein.Worin liegt der Nachteil dieser Schaltung?


Fügen Sie zwei ideale Spannungsquellen ein, so dass der Nachteil der vorhergehendenSchaltung behoben wird. Geben Sie den ungefähren Wert der Spannungsquellen an.


Ersetzen Sie die eingefügten Spannungsquellen nun durch reale Bauelemente. Ihnenstehen dazu zwei Widerstände und zwei Dioden zur Verfügung.Welcher Nachteil entsteht durch den Einsatz der Widerstände hinsichtlich des Stromesdurch die Dioden?

KAPITEL 3. TERMIN 3: AUSGANGSSTUFE 29

t

uA

uE

ûE=5V

Abbildung 3.2: Ein- und Ausgangsspannung der Komplementärendstufe

uE

uA

Abbildung 3.3: Übertragungskennlinie der Komplementärendstufe


Ersetzen Sie die Widerstände durch reale Stromquellen, so dass der Ruhestrom durchdie Ausgangstransistoren IQ = 5 mA beträgt.



Berechnen Sie auch für diese Schaltung die Lebensdauer der Batterie ohne Signalan-steuerung und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem aus Aufgabe 4.3.


Stellen Sie die Vor- und Nachteile der einfachen Kollektorschaltung im A-Betrieb undeiner Komplementärendstufe im B und AB-Betrieb gegenüber.


An diesem Praktikumstermin müssen keine Simulationsaufgaben bearbeitet werden.Zum vertieften Verständnis der behandelten Schaltungen wird aber deren Simulationin Heimarbeit empfohlen.


3.3 MessaufgabenAuf der vorliegenden Platine sind die Kollektorschaltung im A-Betrieb (mit realerStromquelle) und die Komplementärendstufe im AB-Betrieb realisiert. Abbildungen3.4 und 3.5 zeigen deren Schaltbilder.

uE

T2

T1

RL=100Ω

1Ω

T3

Rr

RGK RGK

6,8Ω

1Ω

4,5V

-4,5V

Abbildung 3.4: Realisierung der Kollektorschaltung im A-Betrieb

Machen Sie sich zunächst mit der Platine und dem Aufbau der beiden Schaltungenvertraut.

Die ersten beiden Messaufgaben beziehen sich auf die Kollektorschaltung im A-Betrieb.

Messaufgabe 3.1

Messen Sie die Stromaufnahme der Kollektorschaltung ohne Signalaussteuerung. Schlie-ßen Sie hierzu einen Abschlusswiderstand von 50 Ω an den Schaltungseingang. Dieserwird benötigt, damit ein Basisstrom für den Transistor T1 fließen kann.

Messaufgabe 3.2


T5

T4

T7

T2

T8

T6

RGK,1 100Ω

T3

100Ω

-4,5V

uE

4,5V

RL=1kΩ

RGK,1

RGK,1 100Ω RGK,1 100Ω

Rr

RGK,2

RGK,20,5Ω

0,5Ω RGK,2

RGK,2 0,5Ω

0,5Ω

T1

J1

J2

Abbildung 3.5: Realisierung Komplementärendstufe im AB-Betrieb

Legen Sie ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Amplitude von 2 V und einer Fre-quenz von 1 kHz an den Eingang und dokumentieren Sie das Ausgangssignal.Erläutern Sie die Form des Ausgangssignals.


Die folgenden Messaufgaben beziehen sich auf die Komplementärendstufe im AB-Betrieb.

Messaufgabe 3.3

Modifizieren Sie die Schaltung so, dass kein Ruhestrom durch die Ausgangstransistorenfließt.

Messaufgabe 3.4

Legen Sie ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Amplitude von 2 V und einerFrequenz von 1 kHz an den Eingang und dokumentieren Sie das Ausgangssignal.Erläutern Sie die Form des Ausgangssignals.

Messaufgabe 3.5

Modifizieren Sie die Schaltung nun so, dass ein Ruhestrom von 5 mA durch die Aus-gangstransistoren fließt.

Messaufgabe 3.6

Legen Sie ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Amplitude von 2 V und einerFrequenz von 1 kHz an den Eingang und dokumentieren Sie wieder das Ausgangssignalund erläutern dessen Form.

Messaufgabe 3.7

Messen Sie die Ruhestromaufnahme dieser Schaltung und vergleichen Sie sie mit derder Kollektorschaltung im A-Betrieb (Messaufgabe 4.1).

Messaufgabe 3.8

Vergleichen Sie die Temperaturentwicklung der beiden Schaltungen und den Aufwandfür die Kühlung.("Handabschätzung")

4 Termin 4: GesamtschaltungAudioverstärker

4.1 Erläuterung zu gegengekoppelten Systemen

+

–

RPot

UEUA

R

UD OP

Abbildung 4.1: Gesamtsystem des Verstärkers

Abbildung 4.1 zeigt den schematischen Aufbau sowie die Verschaltung des Gesamtver-stärkers. Die in den ersten drei Terminen entwickelten Teilschaltungen sind zu einemGesamtsystem, einem sogenannten Operationsverstärker (OP), zusammengefügt. DieVerstärkung des OPs ergibt sich aus dem Produkt der Verstärkungen der einzelnenTeilschaltungen zu vOP = vDiff · vKoppel · vAusg.Anstatt jedoch diese hohe Gesamtverstärkung zu nutzen um damit das Eingangssignal

KAPITEL 4. TERMIN 4: GESAMTSCHALTUNG AUDIOVERSTÄRKER 35

zu verstärken, wird der Verstärker gegengekoppelt. Dazu wird das Ausgangssignal überein Rückkoppelnetzwerk - hier bestehend aus dem Potentiometer RPot und dem Wider-stand R - auf den negativen Eingang zurückgeführt. Durch diese Gegenkopplung wirderreicht, dass die Differenzspannung UD am Eingang des OPs auf eine Spannung von na-hezu 0 V geregelt wird. Ist dies der Fall, so ist es einsichtig, dass das Verhältnis vB = UA

UE

- die Betriebsverstärkung - allein durch das Rückkoppelnetzwerk bestimmt wird. Imkonkreten Fall in Abbildung 4.1 beträgt die Betriebsverstärkung vB = 1 + RPot

R. Diese

Betriebsverstärkung ist zwar deutlich geringer als die eigentliche Verstärkung des OPs,der übrige Teil ist jedoch nicht verloren, sondern bildet die sogenannte RingverstärkungvR.Das Konzept der Gegenkopplung mit einer ausreichend hohen Ringverstärkung hat fol-gende Vorteile:

• Erhöhung der Linearität, da die Betriebsverstärkung nur vom linearen Rückkop-pelnetzwerk abhängt

• Unterdrückung einkoppelnder Störungen (siehe unten)

• Erhöhung der Bandbreite

• ...

Zur Untersuchung der Eigenschaft der Störunterdrückung ist in Abbildung 4.2 einBlockschaltbild des Verstärkersystems angegeben. Am Ausgang des Verstärkers koppleein Störsignal S ein.Das Ausgangssignal y ergibt sich nun zu:

y = (x + f) · v0 + S = (x + y · k) · v0 + S

y · (1 − k · v0) = v0 · x + S

y = x · v0

1 − k · v0+ S

1 − k · v0

y =

(x + S

v0

)· v0

1 − k · v0=

(x +

S

v0

)·

11v0

− k

Die Störung S wird also durch die Verstärkung des OPs geteilt und ihr Einfluss auf dasAusgangssignal damit stark reduziert.


v0

x

kf

e

S

+

Verstärker

+ y

Abbildung 4.2: Verstärker mit Störung am Ausgang

4.2 VorbereitungsaufgabenIn der Abbildung 4.3 ist nun der detaillierte Schaltplan des gesamten Audioverstärkersangegeben. Ferner gelten folgende Randbedingungen:

• Versorgungsspannung UB = 9 V

• Basis-Emitter-Spannung UBE = 0,7 V

• Stromverstärkung B = β → ∞


Identifizieren Sie die in den ersten drei Terminen besprochenen Teilschaltungen (Ein-gangsstufe, Koppelstufe und Ausgangsstufe) und kennzeichnen Sie diese in Abbildung4.3.


Kennzeichnen Sie in Abbildung 4.3 die zum Rückkoppelnetzwerk gehörenden Bauele-mente.


Berechnen Sie die Ströme I1 bis I4 sowie die Spannung U1.



Was passiert wenn die Spannung U1 zu 0 V gewählt wird? Begründen Sie ihre Antwort.


+U

B

GN

D

R4

0

C2

5

R3

5

R3

8

C2

4

C3

2R

54

R3

2R

34

R4

3R

44

C2

7R

42

R3

7R

39

R4

9R

48

C3

1

R3

6

R4

6C

28

R4

5

R4

7C

26

T3

1

T3

0

T2

8T

29

T1

3T

16

T1

8T

17

T2

3

T2

0

T1

4

T1

5

T2

1

T2

2T

25

T2

4

T1

9T

12

T2

7

R2

7

UA

10

0n

F

10

uF

32

0p

47

pF

47

0u

F

10

0n

F

10

0n

F

1M

Ω

47

kΩ

1kΩ

47

0kΩ

1kΩ

22

0Ω

2Ω

47

0kΩ

47

0Ω

1kΩ

22

0Ω

1kΩ

47

kΩ

2Ω

10

kΩ

10

kΩ

10

kΩ

10

0kΩ

BC

85

7

BC

84

7B

C8

47

BC

85

7

BC

85

7B

C8

57

BC

85

7B

C8

57

BC

85

7

BC

85

7

BC

84

7B

C8

47

BC

84

7

BC

84

7

BC

85

7

BC

84

7

BC

84

7

BF

72

0

BF

72

1U

1

I 1I 2

I 3I 4

UE

Abbildung 4.3: Gesamtschaltung


Abbildung 4.4: Bestückungsplan Audioverstärker


# Bauteil Wert Form1 C9 100nF IEC-1206/A2 C10 100æF / 16V EC 2,5MM 7D S3 C24 10u IEC-1206/A4 C25 100n IEC-1206/A5 C26 47p IEC-1206/A6 C27 100n IEC-1206/A7 C28 100n IEC-1206/A8 C29 100n IEC-1206/A9 C30 470æF / 16V EC 5MM 10D S10 C31 470æF / 16V EC 5MM 10D S11 C32 320p IEC-1206/A12 C34 100n IEC-1206/A13 R2 10 MMELF14 R28 220 MMELF15 R29 0 Ohm MMELF16 R30 220 MMELF17 R32 470k MMELF18 R33 1 MMELF19 R34 470 MMELF20 R35 47k MMELF21 R36 10k MMELF22 R37 10k MMELF23 R38 1k MMELF24 R39 2 MMELF25 R40 1meg MMELF26 R41 4k7 MMELF27 R42 220 MMELF28 R43 1k MMELF29 R44 1k MMELF30 R45 1k MMELF31 R46 220 MMELF32 R47 47k MMELF33 R48 2 MMELF34 R49 10k MMELF35 R54 470k MMELF36 T5 BSP250 SOT-223/A37 T14 BF720 SOT-223/A38 T15 BF721 SOT-223/A39 R27 100k PT15 Nh(5)

Tabelle 4.1: Bauteilliste Audioverstärker

5 Termin 5: MW-Empfänger Teil I

5.1 VorbereitungMit Hilfe des Mittelwellenempfängers soll es möglich sein, ein sogenanntes Trägersignaleiner gewünschten Frequenz zu empfangen und weiterzuverarbeiten. Dieses Trägersi-gnal wird von einer Radiostation ausgesandt und beinhaltet, wie in der Einleitung desPraktikums beschrieben, die gewünschte Audioinformation. Da das gewünschte Träger-signal monofrequent ist, kann es mit einem einfachen Filter aus dem restlichen Signalextrahiert werden. Im Folgenden soll daher ein solches Filter berechnet werden.Gegeben ist der reale Parallelschwingkreis in Abbildung 5.1, bestehend aus einem Kon-densator C, einer Spule L und deren Serienwiderstand R.

L

R

C

Abbildung 5.1: Parallelschwingkreis


Skizzieren Sie den Verlauf der Ortskurve dieses Filters und kennzeichnen Sie die Reso-nanzfrequenz. Welche Eigenschaften hat die Impedanz in diesem Punkt?

42 5.1. VORBEREITUNG


Berechnen Sie allgemein die Resonanzfrequenz f res des Filters.


Für die Spule sind folgende Werte bekannt:• Induktivität L=470µH• Serienwiderstand R=40 Ω

Wie groß muss die Kapazität C des Kondensators gewählt werden um eine Resonanz-frequenz von fres = 725 kHz zu erhalten?

IC,2

uE

T1

R1

RGK

T2

RL

CGK

UB

UZ

uA

R2

IQ

CK

CK

Abbildung 5.2: Kaskodeschaltung


Die in Abbildung 5.2 dargestellte Kaskodeschaltung dient zur Verstärkung des gefil-terten Antennensignals. Bestimmen Sie alle Widerstände RGK, R1 und R2 so, dass einStrom IC,2 = 1 mA fließt. Für den Querstrom IQ soll gelten IQ = 10IB,1. FolgendeRandbedingungen sind gegeben:

• Versorgungsspannung: UB = 9 V• Basisspannung von T 2: UZ = 3,2 V• Lastwiderstand RL = 3 kΩ• Die Stromverstärkung der Transistoren beträgt B = β = 200• Der Sperrsättigungsstrom beträgt IS = 14,6 fA• Der Transistor T 1 soll sich im Arbeitspunkt UBC,1 = 0 V befinden

KAPITEL 5. TERMIN 5: MW-EMPFÄNGER TEIL I 43

• Die Basis-Emitter-Kapazität beider Transistoren beträgt CBE = 51 pF• Die Basis-Kollektor-Kapazität beträgt CCB = 3,8 pF• Die Kapazität CGK bildet einen Kleinsignalkurzschluss.


In welcher Grundschaltung befinden sich die Transistoren T1 und T2 ?Bestimmen Sie allgemein die Verstärkung v = uA

uEder Schaltung. Für diese Teilaufgabe

vernachlässigen Sie alle Kapazitäten und nehmen an UEarly�.


Vergleichen Sie die Eingangskapazität und die Verstärkung mit den Ergebnissen ausAufgabe 2.3 und 2.8 . Welche Vorteile ergeben sich, wenn Sie berücksichtigen, dassdiese Schaltung an den Ausgang des Filters angeschlossen wird ?

R

C

L

v

Rk

uE uA

IE

A

Z(j )ω

IRK

IZ

Abbildung 5.3


Die Güte des Schwingkreises wird durch den Serienwiderstand der Induktivität be-grenzt. Um die Trennschärfe des Empfängers zu verbessern soll ein geringer Teil desverstärkten Antennensignals über eine Mitkopplung zurückgeführt werden. Um ein Auf-schwingen zu vermeiden, muss in der Rückführung darauf geachtet werden, dass dieRingverstärkung klein bleibt (vr � 1). Das Schaltungsprinzip zeigt Abbildung 5.3.Realisieren Sie den Verstärker v durch eine Operationsverstärkerschaltung mit der Ver-stärkung v = 10. Dazu stehen Ihnen zwei Widerstände und ein idealer Operationsver-stärker (v0 → ∞, REin → ∞) zur Verfügung.



Bestimmen Sie die Ringverstärkung vr der Schaltung für den Fall f = f res. Trennen Siedazu die Schaltung am Punkt A auf. Wie groß ist die Phasendrehung bei der Resonanz-frequenz ?


Für welchen Widerstand Rk wird die Ringverstärkung |vr(f res)| = 1 ? Was passiert indiesem Fall ?


Stellen Sie den Widerstand Rk so ein, dass für die Ringverstärkung bei der Resonanz-frequenz vr(f res) = 0,1 gilt.

KAPITEL 5. TERMIN 5: MW-EMPFÄNGER TEIL I 45



Bestimmen Sie mit Hilfe einer Simulation die Bandbreite und die Resonanzfrequenzdes Schwingkreises und berechnen Sie daraus die Güte. Verwenden Sie hierzu folgendeBefehle in PSpice:Bandwidth_Bandpass_3dB(UA)CenterFrequency(UA)


Stellen Sie das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsstrom der in Ab-bildung 5.3 gezeigten Schaltung in Abhängigkeit der Frequenz dar. Verwenden Sie einenOperationsverstärker OPAMP mit der in Aufgabe 5.1 bestimmten Beschaltung.Skizzieren Sie die Ausgangsspannung über der Frequenz für einen Widerstand Rk von1 MΩ und 11 MΩ. Erklären Sie die Verläufe.


Bestimmen Sie bei der Resonanzfrequenz das Verhältnis von Ausgangsspannung zuEingangsstrom UA/IE, die Bandbreite und die Güte für

• den von Ihnen berechneten Widerstand RK für eine Ringverstärkung von vr(f res) =0,1 und

• einen Widerstand RK = 1,2 MΩ


Überprüfen Sie den von Ihnen bestimmten Arbeitspunkt der Kaskodeschaltung ausAbbildung 5.2. Simulieren Sie den Verlauf der Verstärkung v = UA/UE über der Fre-quenz. Welchen Wert hat v bei der Resonanzfrequenz? Vergleichen Sie Ihr Simulati-onsergebnis mit dem berechneten Wert. Verwenden Sie dabei für die KondensatorenCK = CGK = 1µF.

6 Termin 6: MW-Empfänger Teil II

6.1 Vorbereitung

Die Antenne empfängt ein amplitudenmoduliertes Radiosignal uS(t). Dieses ist gegebendurch:

uS(t) = (UOff + uN · cos(ωNt)) · cos(ωTt) (0.1)

Dabei ist ωN = 2πfN die Frequenz des Nutzsignals. Im Audiobereich entspricht dieseiner Frequenz fN =20 Hz .. 20 kHz. Dieses Signal moduliert die Amplitude eines hoch-frequenten Trägersignals mit der Frequenz ωT. Für den zu realisierenden Mittelwellen-empfänger liegt diese bei fT=300..3000 kHz. Das Prinzip der Amplitudenmodulationist in Abbildung 0.2 dargestellt.


Skizzieren Sie das Signal uS(t) im Zeitbereich in Abbildung 6.1. Skizzieren Sie außerdemdas Spektrum des Signals uS(t) in Abbildung 6.2.


Um das Nutzsignal aus dem empfangenen Signal zu extrahieren, wird ein Demodula-tor verwendet. Ein einfacher Aufbau besteht aus einem Gleichrichter und einem nach-folgenden Tiefpass, welcher alle Signalanteile oberhalb der Nutzfrequenz unterdrückt(Abbildung 6.3).Der Gleichrichter soll die Funktion

uA,1(t) = 0 für uE(t) < 0 und uA,1(t) = −uS(t) für uE(t) ≥ 0 (2.2)

erfüllen.

KAPITEL 6. TERMIN 6: MW-EMPFÄNGER TEIL II 47

Verdeutlichen Sie sich die Demodulation, indem Sie das Signal uA,1 nach Gleichrichtungund uA,2 nach Tiefpassfilterung skizzieren.

t

U

1/fN1/fT

UOff

U +ûOff N

U -ûOff N

-UOff

-U +ûOff N

-U -ûOff N

Abbildung 6.1: Amplitudenmoduliertes Signal

ffTfN

U

UOff

ûN

ûN /2

Abbildung 6.2: Spektrum des amplitudenmodulierten Signals

uSuA,1

Gleichrichter Tiefpass

uA,2

UB UB

Abbildung 6.3: Demodulator



Der Gleichrichter wird durch einen Transistor in Emitterschaltung realisiert. Wird derArbeitspunkt so eingestellt, dass der Transistor gerade an der Einschaltgrenze betriebenwird, so wird nur die positive Halbwelle des Signals verstärkt.Zeichnen Sie eine Emitterschaltung mit Arbeitspunkteinstellung über einen Basis-spannungsteiler. Verwenden Sie dazu einen npn-Transistor und drei Widerstände. Dasempfangene amplitudenmodulierte Signal uS(t) soll über eine Einkoppelkapazität CE =10µF übertragen werden.


Berechnen Sie die Widerstände zur Arbeitspunkteinstellung so, dass ein Strom IC =200µA fließt und die Spannung UCE = 8,2 V beträgt. Für den Strom durch den oberenWiderstand des Basisspannungsteilers soll gelten: IQ = 10 · IB. Es gilt außerdem:

• UB = 9 V• B = 150• T = 300 K• IS = 16,5 fA


Es soll ein Radiosender empfangen werden, welcher bei einer Trägerfrequenz von 725 kHzsendet. Für die weiteren Parameter des Signals uS(t) soll gelten:

UOff = 40 mV, uN = 20 mV (5.3)

Berechnen Sie die Ausgangsspannung der Schaltung zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3

für ein Eingangssignal uS(t1) = 0, uS(t2) = UOff + uN und für uS(t3) = −(UOff + uN)und skizzieren Sie das Signal uA,1(t).


Um nur das gewünschte Audiosignal zu erhalten wird das gleichgerichtete Signal tief-passgefiltert. Ergänzen Sie die Emitterschaltung um ein Tiefpassfilter. Ihnen stehendazu ein Widerstand RTP = 47 kΩ und ein Kondensator CTP zur Verfügung. BerechnenSie CTP so, dass die maximal auftretende Nutzfrequenz von Ihrem Tiefpass um 3dBgedämpft wird.

KAPITEL 6. TERMIN 6: MW-EMPFÄNGER TEIL II 49



Überprüfen Sie die Arbeitspunkteinstellung für die entworfene Schaltung. Notieren Siedie Größen IC,A, UBE,A und UCE,A im Arbeitspunkt.Hinweise:

• Nutzen Sie das Transistormodell Q2N2222 für npn-Transistoren


Erzeugen Sie das amplitudenmodulierte Signal uS(t) mit Hilfe von SpannungsquellenVSin und VDC. Sehen Sie sich den Verlauf im Zeit- und Frequenzbereich (→ Trace→Fourier) an. Wählen Sie für das Nutzsignal eine Frequenz von 1 kHz. Skizzieren Sie dasFrequenzspektrum.Hinweis: Sie können die zur Generierung des Signals notwendigen mathematischen Ope-rationen mit Hilfe der Blöcke MULT und SUM erzeugen.


Bestimmen Sie die maximale und minimale Ausgangsspannung uA,1 der Schaltung vordem Tiefpassfilter und vergleichen Sie die Werte mit den zuvor berechneten. BestimmenSie die Frequenz und die Amplitude des verbleibenden Nutzsignals nach der Tiefpass-filterung uA,2.


Bestimmen Sie für die Spannung uA,2 die Amplitude der Grundwelle bei der von Ihnengewählten Frequenz fN und der ersten 3 Oberwellen und berechnen Sie den Klirrfaktor.Hinweis: Nutzen Sie dazu eine Transientenanalyse und lassen Sie eine Fourieranaly-se durchführen (→ Simulation Settings → Output File Options → Perform FourierAnalysis).

7 Termin 7: Aufbau desMW-Empfängers

KAPITEL 7. TERMIN 7: AUFBAU DES MW-EMPFÄNGERS 51

L1

47

0μ

R7

2k7

C1

22

nC

5

C1

89

4p

C3

10

n

C6

10

0n

C1

26

8p

C2

21

00

pR

34

70

k

R1

81

00

R6

10

R5

10

C1

44

.7p

C7

47

p

R2

45

6k

C1

72

20

p

R1

91

Me

g

R1

52

k7

R2

22

k7

C4

10

0n

R2

17

5k

R2

34

7

D1

3,3

V

C3

60

,5p

R1

73

30

k

C8

47

0p

R1

63

k3

R1

22

2k

R1

02

20

k

C2

31

00

nC

26

p8

R9

3k3

C1

36

p8

R8

82

0

9V

UE

T9

BF

T9

2

T1

0B

FT

92

T1

BF

R5

05

T2

BF

R5

05

T3

BF

R5

05

T4

BF

R5

05

T8

BF

R505

9V

C5

10

0n

R2

01

00

k

R1

10

kR

13

2k7

C11

10

0n

C2

11

00

n

R25

47

R1

44

7k

C1

5100p

C1

91

00

n

D2

3,3

V

C35

6p

8

R4

22

k

C2

01

00

n

R3

12

40

k

R11

4k7

T6

BF

R5

05

UA

Abbildung 7.1: Schaltplan des MW-Empfänger

52

L1

Abbildung 7.2: Bestückungsplan MW-Empfänger

KAPITEL 7. TERMIN 7: AUFBAU DES MW-EMPFÄNGERS 53

# Bauteil Wert Form1 C1 22n IEC-12062 C2 6p8 IEC-12063 C3 10n IEC-12064 C4 10n IEC-12065 C5 100n IEC-12066 C6 100n IEC-12067 C7 47p IEC-12068 C8 470p IEC-12069 C11 100n IEC-120610 C12 68p IEC-120611 C13 6p8 IEC-120612 C14 4.7p IEC-120613 C15 100p IEC-120614 C17 220p IEC-120615 C18 2x47p IEC-120616 C19 100n IEC-120617 C20 100n IEC-120618 C21 100n IEC-120619 C22 100p IEC-120620 C23 100n IEC-120621 C35 6p8 IEC-120622 C36 1p IEC-120623 D1 3ZD3 MMELF-DIODE24 D2 3ZD3 MMELF-DIODE26 L1 470u bedrahtet27 R1 10k MMELF28 R3 470k MMELF29 R4 22k MMELF30 R5 10 MMELF31 R6 10 MMELF32 R7 2k7 MMELF33 R8 820R MMELF34 R9 3k3 MMELF35 R10 220k MMELF36 R11 4k7 MMELF37 R12 22k MMELF38 R13 2k7 MMELF39 R14 47k MMELF40 R15 2k7 MMELF41 R16 3k3 MMELF

Tabelle 7.1: Bauteilliste MW-Empfänger (1)

54

# Bauteil Wert Bauform41 R17 330k MMELF42 R18 100 MMELF43 R19 1meg MMELF44 R20 100k PT15 Nh(5)45 R21 75k MMELF46 R22 2k7 MMELF47 R23 47R MMELF48 R24 56k MMELF59 R25 47R MMELF50 R31 240k MMELF

Tabelle 7.2: Bauteilliste MW-Empfänger (2)

# Bauteil Wert Form1 J3 JUMP-1x2 JUMP-1x2 1.0mm2 R26 470R MMELF3 C16 330p IEC-1206

Tabelle 7.3: Bauteilliste Antenne

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