PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 2 -...

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I C U CE R a R e V u V i V p R L R L = ;2R a ; R a ;0, 5R a ;0, 1R a R a ,R e ,V u ,V i ,V p R L = b = Ua U e

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PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR

CHRISTIAN PELTZ

Inhaltsverzeichnis1. Versuchsbeschreibung 11.1. Ziel 11.2. Aufgaben 12. Versuchsdurchführung 32.1. Transistorverstärker (bipolar) 32.2. Verstärker mit Feldeekttransistor 72.3. FET als Analogschalter 7

1. Versuchsbeschreibung1.1. Ziel. Ermittlung der Eigenschaften einstuger Transistorgrundschaltungen.

1.2. Aufgaben.(1) Dimensionieren Sie einen einstugen RC-Transistorverstärker in Emitter-

schaltung entsprechend Abbildung 1.1 anhand des Kennlinienfeldes und derh-Parameter.

(2) Realisieren Sie den von Ihnen berechneten Transistorverstärker, indem Siedie auf der Leiterplatte vorhandenen Einstellregler entsprechend Ihrer Rech-nung einstellen und die notwendigen Verbindungen stecken. KontrollierenSie die Einstellung des Arbeitspunktes durch Messung von IC und UCE .

(3) Bestimmen Sie für eine Sinuseingangsspannung von 1 kHz den Augangswi-derstand Ra. Messen Sie anschlieÿend 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 ge-messenen mit den theoretischenWerten (Berechnung aus den h-Parametern).

(4) Bestimmen Sie obere und untere Grenzfrequenz des Verstärkers.(5) Bestimmen Sie das Kleinsignalverhalten (Ra, Re, Vu, Vi, Vpfür RL = ∞)

einer Sourceschaltung entsprechend Abbildung 1.2. Vergleichen Sie die Er-gebnisse mit denen von Aufgabe 3 und diskutieren Sie sie.

(6) Bauen Sie einen einfachen Analogschalter in Parallelbetrieb auf (Abbildung31.3). Bestimmen Sie das Übertragungsverhalten b = Ua

Ueund die Dämpfung

des geöneten Schalters.(7) Bestimmen Sie die Schaltzeiten des Schalters entsprechend Abbildung 1.3

durch Ansteuerung mit Rechteckimpulsen.

Date: 10.11.2005.1

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(8) Bauen Sie einen Analogschalter im Serienbetrieb auf (Abbildung 1.4) undführen Sie die Messungen wie unter 6. und 7. durch.

Abbildung 1.1. Transistorverstärker (bipolar)

Abbildung 1.2. Transistorverstärker (FET)

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Abbildung 1.3. Analogschalter im Parallelbetrieb

Abbildung 1.4. Analogschalter im Serienbetrieb

2. Versuchsdurchführung2.1. Transistorverstärker (bipolar).2.1.1. verwendete Geräte.

• Oszillograf Nr.3• Transistorschaltbrett Nr.2

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• Multimeter• Funktionsgenerator• Widerstandsdekade

2.1.2. Dimensionierung. Bei der Dimensionierung des RC-Transistorverstärkers nachAbbildung 1.1 sind die Widerstandswerte von R1, R2, RC und RE zu bestimmen.Als erstes wird das gegebene Kennlinienfeld auf Abbildung 2.1 ausgewertet. Da imStromsteuerkennlinienfeld nur Werte für UCE = 5V bzw. UCE = 9V gegeben sindhab ich mich für UCE = 5V entschieden. Als zweites muss im Ausgangskennlinien-feld ein Basisstrom IB gewählt werden bei dem der Anstieg der Kennlinie nahezulinear ist. Dies ist bei IB = 65µA der Fall. Auf diese Weise werden Verzerrun-gen des Signals vermieden. Mit den beiden gewählten Werten sind IC = 8, 1mAund UBE = 650mV festgelegt. Ausserdem lassen sich aus den Anstiegen an denjeweiligen Stellen in den jeweiligen Kurven die h-Parameter des Transistors zu

h11 =∆UBE

∆IB= 508Ω

h21 =IC

IB= 105

h22 =∆IC

∆UCE= 0, 316mS

h12 =∆UBE

∆UCE' 0

bestimmen. Zur Bestimmung der Widerstandswerte sind folgende Relationennützlich:

UR1 + UR2 = UB

UBE + URE = UR2

UB = URE + UCE + URC

IR1 = IB + IR2

IC + IB = IE

UB ist noch frei wählbar und wird in der Regel zu UB ' 2 ∗ UCE gewählt umdie Schaltung thermisch stabil zu halten, denn bei dieser Betriebsspannung ist dieVerlustleistung maximal und ein Verlassen des Arbeitspunktes durch z.B. äuÿereErwärmung, führt automatisch zur Selbstkühlung. IR1 kann ebenfalls gewählt wer-den und wird zur weiteren Stabilisierung des Arbeitspunktes auf 3−10∗IB gesetzt.Diese Maÿnahme macht UBE unabhängiger von UB . Auch URE

ist unbestimmt undwird hier auf URE

= 1V gesetzt. In der Regel ist IBvernachlässigbar klein gegenIC und IRE

, somit kann IC = IREgesetzt werden ohne einen groÿen Fehler zu

machen. Mit diesen Festlegungen lassen sich

R1 =UR1

IR1=

UB − UBE − URE

10 ∗ IB=

8V − 650mV − 1V

10 ∗ 65µA= 9769Ω

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R2 =UR2

IR2=

UBE + URE

9 ∗ IB=

650mV + 1V

9 ∗ 65µA= 2821Ω

RC =URC

IRC=

UB − URE − UCE

IC=

8V − 1V − 5V

8, 1mA= 247Ω

RE =URE

IC=

1V

8, 1mA= 123Ω

Die Kapazitäten der 3 Kondensatoren dieser Schaltung waren vorgegeben:

CK1 = CK2 = 22µF

CE = 47µF

2.1.3. Kontrolle des Arbeitspunktes. Die Schaltung wurde gemäÿ Abbildung 1.1aufgebaut und die entsprechenden Spannungs- und Widerstandswerte eingestellt.Um bei Einspeisung einer Betriebsspannung UB = 8V einen Kollektorstrom vonIC = 8, 1mA und eine Kollektor-Emitter-Spannung von UCE = 5V zu gewährleistenmussten die Widerstandswerte geringfügig zu

R1 = 10, 13kΩ

R2 = 3, 068kΩ

RC = 220Ω

RE = 116Ω

geändert werden. Zusätzlich wurde eine Sinusspannung an den Eingang geschal-tet und überprüft ob auch am Ausgang eine Sinusspannung erzeugt wurde (sieheAbbildung 2.2)

Abbildung 2.2. Funktionskontrolle

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2.1.4. Bestimmung der Betriebsparameter. Als Eingangssignal wurde wie in derAufgabenstellung gefordert eine Sinusspannung der Frequenz f = 1kHz verwendet.Als erstes wurde der Ausgangswiderstand nach der U

2 Methode bestimmt. Dabeiergab sich Ra = 220Ω. Im Anschluss wurden die Betriebsparameter Re, VU = Ua

Ue,

VI = Ia

Ie= Ua∗Re

Ue∗Raund Vp = Ua∗Ua

Ra∗ Ue∗Ue

Re= VI ∗ VU bestimmt. Die Ergebnisse sind

in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1. BetriebsparameterRL\Ω Ue\mV Ua\V Re\Ω VU VI Vp

∞ 33,3 1,53 460 45,9 0 02 ∗Ra = 440Ω 32,5 1,02 500 31,4 35,7 1119

Ra = 220Ω 33,1 0,77 460 23,3 48,6 11320, 5 ∗Ra = 110Ω 34,2 0,52 490 15,2 67,7 10300, 1 ∗Ra = 22Ω 33,7 0,14 570 4,2 107,6 447

Die maximale Leistungsverstärkung tritt wie zu theoretisch zu erwarten war beiRL = Ra auf.

2.1.5. Bestimmung der Grenzfrequenzen. Die Grenzfrequenzen sind jene Frequen-zen bei denen die Ausgangsspannung auf den Wert Ua,max√

2abgesunken ist und eine

Phasenverschiebung von φ = ±45 zwischen Ein- und Ausgangsspannung auftritt.Es wurde mit Ua,max = 1, 516V gearbeitet und, wie in den Abbildungen 2.3 und2.4 zu sehen, die Grenzfrequenzen fGu = 95Hz und fGo = 717kHz bestimmt.

Abbildung 2.3. untere Grenzfrequenz

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Abbildung 2.4. obere Grenzfrequenz

2.2. Verstärker mit Feldeekttransistor.

2.2.1. verwendete Geräte.• Oszillograf Nr.3• Funktionsgenerator• Widerstandsdekade• Transistorschaltbrett Nr.2

2.2.2. Kleinsignalverhalten. Als erstes wurde eine Sourceschaltung nach Abbildung1.2 aufgebaut. Von dieser wurde dann das Kleinsignalverhalten bestimmt. Der Ein-gangswiderstand ist bei dieser nicht mit der U

2 Methode zu bestimmen, jedoch istder 1MΩ Widerstand maÿgeblich und somit wird mit Re = 1MΩ gearbeitet. DerAusgangswiderstand wurde zu Ra = 9kΩ bestimmt. Als Eingangssignal wurde eineSinusspannung Ue = 67, 19mV der Frequenz f = 1kHz eingespeist. Es wurde eineAusgangsspannung Ua = 500mV gemessen. Daraus lassen sich die Spannungsver-stärkung VU = 7, 44, die Stromverstärkung VI = 827 und die LeistungsverstärkungVp = 6153 berechnen.

2.2.3. Vergleich beider Verstärkerschaltungen. Der FET zeigt zwar eine kleinereSpannungsverstärkung, hat aber eine um eine Gröÿenordnung höhere Stromver-stärkung und eine um zwei Gröÿenordnungen gröÿere Leistungsverstärkung. Er istalso besonders geeignet bei hochohmigen Eingang sowie hoher geforderter Strom-und Leistungsverstärkung.

2.3. FET als Analogschalter.

2.3.1. verwendete Geräte.• Oszillograf Nr.3• Funktionsgenerator• Sinusgenerator• Steckbrett Nr.3

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2.3.2. Übertragungsverhalten von Analogschaltern im Serien- und Parallelbetrieb.In diesem Teilversuch wurde das Übertragungsverhalten der Analogschalter nachAbbildung 1.3 und 1.4 untersucht. Dazu wurde als Steuerspannung eine Rechteck-spannung mit fSt = 118Hz und als Eingangsspannung eine Sinusspannung mitfsinus = 400Hz benutzt(siehe Abbildung2.5).

Abbildung 2.5. Analogschalter

Im Serienbetrieb wurden folgende Werte aufgenommen:• Schalter geschlossen:

Ue = 6.812V

Ua,geschlossen = 6.687V

Abbildung 2.6. Schalter geschlossen

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• Schalter oen:

Ue = 6.812V

Ua,offen = 40.63mV

Abbildung 2.7. Schalter oen

Daraus lassen sich Übertragungsverhalten b und Dämpfung D bestimmen.

b =Ua,geschlossen

Ue= 0, 98

D = 20log(Ua,offen

Ue) = −44, 5dB

Im Parallelbetrieb wurden folgende Werte gemessen:

• Schalter geschlossen:

Ue = 6, 812V

Ua,geschlossen=6, 625V

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Abbildung 2.8. Schalter geschlossen

• Schalter oen:Ue = 6, 812V

Ua,offen = 937, 5mV

Abbildung 2.9. Schalter oen

Daraus lassen sich das Übertragungsverhalten Ü und Dämpfung D bestimmen.

b =Ua,geschlossen

Ue= 0, 97

D = 20log(Ua,offen

Ue) = −17, 2dB

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2.3.3. Bestimmung der Schaltzeiten. Für die Bestimmung der Schaltzeiten wurdeals Eingangsspannung eine Gleichspannung eingespeist. Als Schaltzeit wird die Zeitvom Schaltbefehl bis zum erreichen von Ua,max√

2deniert. Die Schaltzeiten wurden

mithilfe der Cursor gemessen. Die Schaltzeit tS für die Serienschaltung beträgttS = 1, 3µs und die Schaltzeit für die Parallelschaltung beträgt tS = 2.9µs.

Abbildung 2.10. Schaltzeitbestimmung

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Abbildung 2.1. Kennlinienfeld