Mathias Arbeiter 28. April 2006Betreuer: Herr Bojarski

Transistor

Eigenschaften einstufiger Transistor-Grundschaltungen

Inhaltsverzeichnis

1 Transistorverstarker - Bipolar 31.1 Dimensionierung / Einstellung des Arbeitspunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 Uberprufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Betriebsparameter des Bipolar-Transistors als Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.1 Eingangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.2 Ausgangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3 Verstarkungen in Abhangigkeit vom Lastwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Grenzfrequenzen des Verstarkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.1 Durchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.2 Messwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 FET als Verstarker 82.1 Betriebsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.1 Eingangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.2 Ausgangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.3 Verstarkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Vergleich mit bipolarem Transistor als Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 FET als Analogschalter 93.1 Analogschalter in Parallelbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1.1 Schaltverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.1.2 Dampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1.3 Ubertragungsverhaltnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.4 Schaltzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2 Analogschalter in Serienbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2.1 Dampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2.2 Ubertragungsverhaltnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2.3 Schaltzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1 Transistorverstarker - Bipolar

1.1 Dimensionierung / Einstellung des Arbeitspunktes

Abbildung 1: RC-Transistorverstarker in Emitterschaltung

Um den optimalen Arbeitspunkt des Transistors einzustellen, mussen die Widerstande im Vorfeld be-rechnet werden.

Die Spannung UCE die am Transmitter vom Kollektor zum Emitter abfallt, kann dabei vorgegebenwerden:

UCE = 5V

Anhand des Kennlinienbildes (siehe Anhang) konnen folgende Parameter abgelesen werden:

IB = 53.4µA

UBE = 650mV (Spannung die zwischen Basis und Emitter abfallt)IC = 5.9mA (Kollektor-Strom)h21 = 96 (Stromverstarkung)h11 = 520Ω (Eingangswiderstand des Transistors)h22 = 0.28mS (Ausgangsleitwert des Transistors)

Mit Hilfe der Maschen- und Knotenregeln lassen sich nun die Widerstande berechnen.Sie ergeben sich zu:

R1 = 33.1kΩR2 = 5.38kΩRE = 84ΩRC = 0.76kΩ

Die Kondensatoren sind nicht variabel und besitzen folgende Kapazitaten:

CK1 = CK2 = 22µF

CE = 47µF

1.1.1 Uberprufung

• Schaltung gemaß Abb. 1 aufbauen

• es ist jedoch nicht notig eine Wechselspannung als Eingangssignal einzuspeisen

• ebenso ist der Kondensator CK2 nicht fur die Bestimmung des Arbeitspunktes erforderlich

• zu Beginn muss mit Hilfe eines Multimeters ermittelt werden, welcher Widerstand zu welcher Be-zeichnung gehort

• UCE und IC werden anschließend gemessen

• sollten die experimentell ermittelten Werte von den theoretisch berechneten Werten abweichen, sokann durch leichte Variation der Widerstande und der Betriebsspannung Ubereinstimmung gefun-den werden

• die Betriebsspannung wird dabei so gewahlt dass UB = 2 · UCE gilt

experimentell bestimmt:

IC = 5.50mA

UCE = 5.33V

theoretisch berechnet:

IC = 5.9mA

UCE = 5.0V

Nach geringfugiger Manipulation am Widerstand R1 und der Betriebsspannung konnten folgende Messwer-te aufgenommen werden:

IC = 5.93

UCE = 4.98V

Der optimale Arbeitspunkt des Transistors wurde somit begonnen.

1.2 Betriebsparameter des Bipolar-Transistors als Verstarker

• Schaltung gemaß 1 aufbauen

• eine Wechselspannung wird nun eingespeist

• das Ausgangssignal wird am Oszilloskopen angezeigt

• der Kondensator CK2 muss naturlich mit einbezogen werden

• das verstarkte Signal darf 10 V naturlich nicht uberschreiten

• dazu muss die Dampfung am Frequenzgenerator eingeschaltet werden, da das Ausgangssignal sonstzu groß wird

• Ein- und Ausgangssignal konnen mithilfe des Oszilloskopen gemessen werden und daraus die Verstarkungbestimmt werden

• der Eingangs- und Ausgangswiderstand des Transistors wird mithilfe der U/2-Methode bestimmt(siehe dazu Abschn. 1.2.1 und Abschn. 1.2.2

1.2.1 Eingangswiderstand

Der Eingangswiderstand des Transistors lasst sich sehr einfach messen, indem ein Widerstand vor demTransistor in Reihe geschaltet wird (vor der Basis des Transistors).Ohne Vorwiderstand wurde die Ausgangsspannung uber den Transistor abfallen.Wird ein Vorwiderstand in Reihe dazugeschaltet, so verringert sich die Ausgangsspannung. Wird der Vor-widerstand derart eingestellt, dass nur noch die Halfte der ursprunglichen Ausgangsspannung gemessenwird, so ist der Vorwiderstand gleich dem Eingangswiderstand des Transistors.

Es ergibt sich ein Eingangswiderstand:

Re = 600Ω

Man beachte, dass im Aufbau der Schaltung kein Verbraucher (Lastwiderstand) vorkommt. Da der Last-widerstand parallel zum Transistor geschaltet wird, entspricht solch eine Schaltung einem Lastwiderstandvon ∞.

1.2.2 Ausgangswiderstand

Die Messung des Ausgangswiderstandes erfolgt analog wie in Abschn. 1.2.1, nur dass nun kein Wider-stand vor dem Transistor, sondern logischerweise hinter dem Transistor. Dieser Widerstand wird auch alsLastwiderstand bezeichnet.Halbiert sich die Ausgangsspannung bei entsprechendem Lastwiderstand so gilt abermals: Lastwiderstand= Ausgangswiderstand des Transistors.

Es ergibt sich ein Ausgangswiderstand des Transistors:

Ra = 740Ω

1.2.3 Verstarkungen in Abhangigkeit vom Lastwiderstand

• der Lastwiderstand wird nun variiert

• die Eingangsspannung wird fur alle Lastwiderstande konstant gehalten

• anhand der Eingangsspannung und Ausgangsspannung kann die Verstarkung bestimmt werden

• es zeigte sich, dass der Eingangswiderstand des Transistors nicht konstant war, sondern leicht vomgewahlten Lastwiderstand abhing

• mithilfe der Halbierungsmethode konnte der Eingangswiderstand Re jedoch fur jeden Lastwider-stand bestimmt werden

Die konstante Eingangsspannung betrug:

Ua = 59.37mV

Die Spannungsverstarkung kann direkt aus den Messwerten berechnet werden.Die Stromverstarkung ergibt sich zu

VI =Ia

Ie=

Ua

Ra

Ue

Re

Die Leistungsverstarkung ergibt sich zu

VP =Pa

Pe=

Ua · Ia

Ue · Ie

RL Re Ua Ia in mA Ie in µA VU =Ua

UeVI VP

∞ 600 6.875 – – 116 – –1480 660 4.52 3.05 90.0 76 34 2.58 ·103

740 630 3.375 4.56 94.2 57 48 2.75 ·103

370 640 2.28 6.16 92.8 38 66 2.55 ·103

74 620 0.625 8.44 95.8 11 88 0.93 ·103

Abbildung 2: Verstarkung des Transistors in Abhangigkeit vom Lastwiderstand

In Abb. 2 ist deutlich zu sehen, dass die Spannungsverstarkung mit zunehmendem Lastwiderstand abfallt,wahrend die Stromverstarkung anwachst.Die Leistungsverstarkung bleibt dagegen weitgehend konstant und unbeeinflusst vom Lastwiderstand.Lediglich bei einem Lastwiderstand der 1

10 des Ausgangswiderstands des Transistors betrug, wich dieLeistungsverstarkung von den anderen Werte ab.Moglicherweise arbeitet der Transistor nicht optimal, wenn der Lastwiderstand wesentlich kleiner ist, alsder Ausgangswiderstand des Transistors.

1.3 Grenzfrequenzen des Verstarkers

1.3.1 Durchfuhrung

• die Phase zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal muss mithilfe des Oszilloskopenbestimmt werden

• evtl. muss eines der beiden Signale invertiert werden

• die untere Grenzfrequenz ist erreicht, wenn die Phasenverschiebung −45 betragt

• die obere Grenzfrequenz ist erreicht, wenn die Phasenverschiebung +45 betragt

1.3.2 Messwerte

obere Grenzfrequenz (bei Phase von+45)

fgo = 755kHz

untere Grenzfrequenz (bei Phase von -45)

fgu = 140Hz

2 FET als Verstarker

Um das Kleinsignalverhalten eines FET-Verstarkers zu untersuchen wurde ein Schaltung gemaß Abb. 3aufgebaut.

2.1 Betriebsparameter

2.1.1 Eingangswiderstand

FET-Transistoren haben die Eigenschafte einen Eingangswiderstand von ∞ zu besitzen!Der PARALLEL vorgeschaltete Widerstand RV = 1MΩ kann somit als Gesamt-Eingangswiderstandaufgefasst werden.

RV = Re =(

11MΩ

+1∞

)−1

= 1MΩ

Re = 1MΩ

Abbildung 3: FET-Transistor in Source-Schaltung

2.1.2 Ausgangswiderstand

Ra, der Ausgangswiderstand des Transistors wird abermals uber die U/2-Methode bestimmt, indem einLastwiderstand in den Schaltkreis gebracht wird.

Ra = 8900Ω

2.1.3 Verstarkungen

Ausgangsspannung:

Ua = 0.518

Eingangsspannung:

Ue = 65.6mV

⇒ Ia =Ua

Ra= 58.2µA

⇒ Ie =Ue

Re= 0.065µA

VU = 7.9VI = 895VP = 7070

2.2 Vergleich mit bipolarem Transistor als Verstarker

Die Leistungsverstarkung ist ≈ 3 mal so groß wie beim bipolaren Transistor. Dies liegt vor allem an derim Vergleich zum bipolaren Transistor sehr starken Stromverstarkung, die ungefahr 20-mal großer istbeim FET und vom großen Eingangswiderstand herruhrt.

3 FET als Analogschalter

3.1 Analogschalter in Parallelbetrieb

3.1.1 Schaltverhalten

Abbildung 4: FET als Analogschalter in Parallelbetrieb

Um das Schaltverhalten eines FET in Parallelbetrieb zu untersuchen, wurde eine Schaltung gemaß Abb.4 aufgebaut.Als Eingangsspannung wurde eine Sinusspannung eingespeist, wahrend die Steuerspannung eine Recht-eckspannung darstellt, die mit dem Frequenzgenerator generiert wurde. (die Dampfung des Frequenzge-nerator muss nun deaktiviert werden!)

Ist die Sinusfrequenz erheblich kleiner als die Rechteckfrequenz so ergibt sich z.B. folgende Modulationin Abb. 5.

Abbildung 5: FET - Parallelbetrieb - oben: Steuerspannung unten: Ausgangsspannung

Die Frequenzen wurden ermittelt zu:

frechteck = 1800Hz

fsinus = 44Hz

Wird die Frequenz der Rechteckspannung der Sinusspannung angeglichen so ergibt sich ein Bild, wie inAbb. 6 dargestellt.

Abbildung 6: Schaltverhalten in Parallelbetrieb

Deutlich zu sehen ist, wie im Takt der Rechteckspannung die Sinusspannung an- und abgeschaltet wird.Nur wahrend einer Halbperiode der Rechteckspannung wird eine Ausgangsspannung gemessen.

3.1.2 Dampfung

Wird die Frequenz der Sinusspannung auf ein Vielfaches der Frequenz der Rechteckspannung eingestelltergibt sich ein Bild, wie in Abb. 7 dargestellt.

Abbildung 7: Schaltverhalten in Parallelbetrieb - Dampfungscharakter

In Abb. 7 ist ebenfalls zu sehen, dass die Ausgangsspannung nicht auf konstant Null abfallt, wahrend desAusschaltvorganges, sondern noch kleine Restbetrage ubrig bleiben.

Die Dampfung kann angegeben werden als Quotient aus der Peak-to-Peak-Spannungsmessung des Aus-gangssignal wahrend geoffnetem Schalter und dem geschlossenem Schalter.

Spannung Uoffen wahrend des geoffneten Schalters:

Uoffen = 3.03V

Spannung Uzu wahrend des geschlossenen Schalters:

Uzu = 187mV

Es ergibt sich eine Dampfung:

Uzu

Uoffen=

187mV

3.03V= 0.062

Die Ausgangsspannung wird wahrend des geschlossenen Schalters auf max. 6% der Ausgangsspannungim offenen Schaltbetrieb gedampft!

3.1.3 Ubertragungsverhaltnis

Das Ubertragungsverhaltnis VUeber ergibt sich aus der sinusformigen Eingangsspannung und dem (naturlichebenfalls sinusformigen) Ausgangssignal.

VUeber =Ua

Ue≈ 1

3.1.4 Schaltzeit

In Abb. 7 ist bereits schwach zu sehen, dass die Ausgangsspannung nicht sofort auf Null abfallt, wenn dieRechteckspannung den Punkt erreicht, an dem der Schalter schließt, sondern, dass der FET-Analogschaltereine gewisse Zeit benotigt.Diese Zeit wird als Schaltzeit bezeichnet.

Abbildung 8: Schaltverhalten in Parallelbetrieb - Schaltzeit

In Abb. 8 wurde der Schaltvorgang zeitlich detaillierter abgebildet.Mit Hilfe der Cursorfunktionen konnte nun die zeitliche Differenz zwischen dem Abschalten des Schaltersund dem Punkt, an dem die Ausgangsspannung auf ≈ Null abfallt, gemessen werden.

Es ergibt sich eine Schaltzeit von:

tparallel = 11.10µs

3.2 Analogschalter in Serienbetrieb

Abbildung 9: FET als Analogschalter in Serienbetrieb

Um das Schaltverhalten eines FET in Serienbetrieb zu untersuchen, wurde eine Schaltung gemaß Abb. 9aufgebaut.

Die Durchfuhrung ist analog wie beim FET-Analogschalter in Parallelebetrieb.

3.2.1 Dampfung

Spannung Uoffen wahrend des geoffneten Schalters:

Uoffen = 1.437V

Spannung Uzu wahrend des geschlossenen Schalters:

Uzu = 120mV

Es ergibt sich eine Dampfung:

Uzu

Uoffen=

120mV

1.437V= 8.4%

Die Ausgangsspannung wird wahrend des geschlossenen Schalters auf ≈ 8.4% der Ausgangsspannung imoffenen Schaltbetrieb gedampft!

3.2.2 Ubertragungsverhaltnis

Ausgangsspannung:

Ua = 1.437V

Eingangsspannung:

Ue = 3.06V

⇒ Ua

Ue≈ 0.47

3.2.3 Schaltzeit

Abbildung 10: Schaltverhalten in Serienbetrieb - Schaltzeit

tserie = 5.6µs