0Elementare Transistorschaltungen

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1 Teilanfang E1 0Elementare Transistorschaltungen VERSUCH Praktikanten: Rainer Kunz Rolf Paspirgilis

2 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q In diesem Protokoll: O»Einleitung«auf Seite 3 O»Transistoren«auf Seite 3 O»Die Gegenkopplung«auf Seite 3 O»Gleichspannungsdimensionierung«auf Seite 4 O»Die Kondensatoren C E, C C und C B «auf Seite 7 O»Klein- und Großsignalaussteuerbereiche der Emitterschaltung«auf Seite 8 O»Der Emitterfolger«auf Seite 11 O»Ein- und Ausgangswiderstände der Kollektorschaltung«auf Seite 12 O»Emitterausgangswiderstand«auf Seite 15 O»Transistoreingangswiderstand«auf Seite 16 O»Transistorausgangswiderstand«auf Seite 17 O»Kollektor- und Basisschaltung«auf Seite 18 2

3 Q Rechts E1.1 Einleitung E1.1 Einleitung In diesem Versuch machen wir uns mit dem Transistor und seiner elementaren Rolle in Verstärkerschaltungen vertraut. Wir tun dies anhand von Emitter- und Kollektorschaltungen, deren Eigenschaften wir mit verschiedenen Methoden analysieren wollen. Da integrierte Schaltungen aus Transistoren zusammengesetzt sind, können wir die hier erlernten Methoden auch dort anwenden. E1.2 Transistoren Transistoren können elektrischen Strom je nach Auslegung verstärken oder schalten. Sie haben meist drei Anschlüsse. Der vom anhängenden Verbraucher genutzte Laststrom fließt beim bipolaren Typ zwischen Emitter und Kollektor. Der deutlich schwächere Steuerstrom, der ihn ein- und ausschaltet, fließt hingegen zwischen Basis und Emitter. Diese drei Bereiche bestehen aus einem gezielt verunreinigten Halbleitermaterial, zumeist aus Silicium. Erhält es durch die Dotierung einen Überschuß an beweglichen Elektronen, spricht man vom n-typ (weil Elektronen negative Ladung tragen). Entstehen hingegen (positive) Elektronenfehlstellen, Löcher genannt, bezeichnet man den Halbleiter als p-typ. Ein bipolarer Transistor besteht aus Material der Schichtfolge n-p-n oder p-n-p; weil Elektronen leichter beweglich sind als Löcher, nutzt man meist die erste Variante. Legt man eine positive Spannung an ein n- und eine negative an ein p-gebiet, so werden Elektronen aus dem ersten, Löcher aus dem zweiten herausgezogen, und es entsteht eine an Ladungsträgern verarmte Zone. Legt man nun an einen solchen n-p-n-transistor einen Laststrom, blockiert diese Sperrschicht den Durchfluß. Ein Steuerstrom läßt aber Löcher von der p-basis in den n-emitter und Elektronen in umgekehrter Richtung fließen. Bei entsprechend dünner Basis werden letztere schneller nachgeliefert, als sie mit den Löchern rekombinieren können, und gelangen so zur Kollektor-Basis-Grenzfläche, also dem in Sperrichtung gepolten p-n-übergang. Aufgrund des Elektronenüberschusses erscheint dann die p-dotierte Basis als Halbleitermaterial vom n-typ; die Sperrschicht wird zerstört, und der Laststrom kann durch das Bauteil fließen. Die Variante p-n-p funktioniert im wesentlichen ebenso, nur sind die Rollen von Elektronen und Löchern vertauscht. E1.3 Die Gegenkopplung Wird ein Teil des Ausgangssignals eines Verstärkers über ein Rückkopplungsnetzwerk auf den Eingang zurückgeführt, so spricht man von Gegenkopplung. Es gibt zwei Arten von Gegenkopplung: Die Strom- und die Spannungsgegenkopplung. 3

4 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q Bei der Spannungsgegenkopplung wird ein Teil der Ausgangsspannung um 180 phasenverschoben auf den Eingang zurückgeführt. In der Regel schaltet man dazu einen Widerstand parallel zur Strecke Basis-Kollektor. Bei der Stromgegenkopplung wird ein Widerstand R E in den Basis-Emitter-Kreis geschaltet. Wird nun die Eingangsspannung U e um U e geändert, so nimmt wegen I E I C die Spannung U E I E *R E am Widerstand im gleichen Maße zu oder ab. Die Spannung U BE U e -U E ändert sich demnach nur um einen Bruchteil von U e. Die Emitterspannungsveränderung wirkt also der Eingangsspannungsveränderung entgegen, wir haben eine Gegenkopplung. In unseren Versuchen verwenden wir nur die Stromgegenkopplung, da sie bessere Eigenschaften als die Spannungsgegenkopplung aufweist. Der Verstärkungsfaktor (kurz: Verstärkung) V einer Verstärkungsschaltung ist definiert zu: U V a u CE s r CE R C , U e u BE r CE + R C wobei s und r CE differentielle Kenngrößen des verwendeten Transistors sind, die sich bei Änderung des Arbeitspunktes aufgrund von Temperatur- und/oder Betriebsschwankungen des Transistors verschieben können und somit auch der Verstärkungsfaktor V. Damit wäre die Verstärkung nicht konstant, sondern von äußeren Einflüssen abhängig. Außerdem verzerrt der Transistor durch seine nicht-linearen Eigenschaften das Eingangssignal. Dem möchte man mit der Gegenkopplung entgegenwirken. E1.4 Gleichspannungsdimensionierung Vor dem Zusammenbau der Schaltung und bevor man ein Signal auf den Verstärker gibt, muß man sich überlegen, welche Größen und Eigenschaften die einzelnen Bauteile besitzen müssen. Die Anforderungen an die Schaltung, so wie die Rahmenbedingungen ihrer Verwendung bestimmen die zu verwendenden Widerstände, Kondensatoren und Transistoren. Wir wollen diese Überlegungen nun für die in Schaltung E1.1 anstellen. Der Versuchsanleitung entnehmen wir folgende Bedingungen an die Schaltung: 4 O Kollektorstrom I C 1 ma O Querstrom I Q 0,1*I C 0,1 ma O Betriebsspannung U B 15 V O Emitterverstärkung VU C /U E -3 O Kleinsignalverstärkung BI C /I B 100 Daraus folgern wir: O I Q I Q (I B )10*I B O Basisstrom I B I Q /100,01 ma

5 Q Rechts E1.4 Gleichspannungsdimensionierung Schaltung E1.1: Emitterschaltung. Aus Abschnitt Transistoren auf Seite 3 entnehmen wir, daß I E I B +I C. Dort haben wir aber auch gesehen, daß der großteil des Stromes nicht in die Basis, sondern in den Kollektor fließt, so daß wir näherungsweise I E I C annehmen können. Der Schaltung entnehmen wir ferner: bzw. in differentieller Form: U B U C + U RC const, du B du C + du RC 0. Und damit wird: du C du RC 5

6 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q Weiterhin gilt: bzw. und somit U E U BE + U RE U B U E U RE 0, du E du RE. Um den Transistor an seinem Arbeitspunkt zu betreiben, wollen wir eine Spannung von U BE 0,7 V zwischen Basis und Emitter anlegen. Aus den obigen Beziehungen und der Verstärkungsbedingung erhalten wir schließlich: du V C du RC ( di C )R C R C 3, du E du RE ( di E )R E R E wobei das Minuszeichen eine Phasenverschiebung um 180 bedeutet. Daraus erhalten wir das theoretische Verhältnis der Widerstände: R C 3R e Aus Abbildung 2 der Praktikumsanleitung entnehmen wir: Gewählt haben wir: U B 2U e + U CEMin + 2U C U B 2U e + U CEMin + 2VU E U B 2U e ( 1+ V ) + U CEMin U B 2I E R E ( 1 + V ) + U CEMin U B 2I C R E ( 1 + V ) + U CEMin ds U R B U CEMin E Ω 2I c R e ( 1 + V ) ds ( R C 5250Ω) R E R C 1, 8kΩ 5, 6kΩ 6

7 Q Rechts E1.5 Die Kondensatoren CE, CC und CB Den Spannungsteiler am Eingang des Verstärkers bestimmen wir durch Beziehungen, die wir dem Schaltplan entnehmen: U R2 U BE + U RE R 2 I Q U BE + R E I C S U R BE + R E I C U BE + R E I C 25 k Ω I Q 0, 1I C U B I Q R 1 + R R U B R 2 125kΩ I Q Gewählt haben wir: R 1 R 2 120kΩ 24kΩ Nachdem wir die Schaltung mit einem 0,47 µf-kondensator und einem Transistor vom Typ BC546B aufgebaut hatten, überprüften wir mit Hilfe des Oszillographen die Richtigkeit der Gleichspannungsverhältnisse. Danach legten wir ein Testsignal von 1 khz Frequenz an den Eingang und beobachteten annähernd das Oszillographenbild aus Abbildung E1.1, was uns eine Verstärkung von etwav-3,1 anzeigte, was dem theoretischen Verstärkungsfaktor von: recht nahe kam. V R C , 11 R E E1.5 Die Kondensatoren C E, C C und C B Da unsere Signale an den Verstärker Wechselspannungssignale sind, müssen wir die Kapazitäten der Kondensatoren an Basis, Emitter und Kollektor des Transistors einschätzen. Die Anleitung gibt uns diesbezüglich einige Hinweise: O Der Wechselstromwiderstand von C E muß klein gegen den Kehrwert der Steilheit 1/S E U BE / I C gewählt werden. O Der Wechselstromwiderstand von C B muß klein gegen den Eingangswiderstand r be sein. O Der Wechselstromwiderstand von C C muß klein gegen R C 5,6 k Ω sein. 7

8 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q Abbildung E1.1: Oszillographenbild. Aus der Anleitung entnehmen wir, daß 1/S E einige 10 Ω betragen wird, so daß für den Wechselstromwiderstand Z CE des Kondensators C E folgt: 1 1 Z CE «----- ωc E S C S E 01Ω 1,» , 9 µf E E ω 2π1000Hz Ebenfalls aus der Anleitung entnehmen wir, daß r be zwischen 1 kω und 50 kω liegen wird, so daß wir folgende Abschätzung machen können: 1 Z CB «r ωc be 1 1 C b» , 159µF > B ω1khz ωr be Aus dem dritten Hinweis folgern wir: 1 Z CC «R ωc C 1 C C» , 028µF C ωr C Dies veranlaßt uns zur folgenden Wahl: C E C B C c 100µF E1.6 Klein- und Großsignalaussteuerbereiche der Emitterschaltung Wir bauen die Schaltung gemäß Schaltplan E1.2 auf. Der Spannungsbereich, in dem die Verstärkungsschaltung linear verstärkt, wird Kleinsignalaussteuerbereich genannt. Verläßt die Spannung diesen Bereich, so wird das Eingangssignal zwar verstärkt, jedoch auch verzerrt. Der Bereich in dem dieses geschieht heißt 8

9 Q Rechts E1.6 Klein- und Großsignalaussteuerbereiche der Emitterschaltung Schaltung E1.2: Emitterschaltung. Großsignalaussteuerbereich. Nach oben hin wird dieser Bereich durch den Punkt begrenzt, an dem die Eingangsspannug nicht mehr verstärkt wird. E1.6.1 Verstärkungsbereiche ohne C E Kleinsignalaussteuerbereich Eingang: 0 V 1,85 V Ausgang: 0 V 5,5 V Großsignalaussteuerbereich Eingang: 1,85 V 1,85 V Ausgang: 5,5 V 5,5 V 9

10 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q E1.6.2 Verstärkungsbereiche mit C E Da wir eine sehr hohe Verstärkung erwarten, geben wir das eingangssignal über einen Spannungsteiler an den Eingang, so daß wir saubere, kleine Signale erhalten. Kleinsignalaussteuerbereich Eingang: 0 V 10,9 mv Ausgang: 0 V 2 V Großsignalaussteuerbereich Eingang: 10,9 mv 47,5 mv Ausgang: 2 V 6 V E1.6.3 Verstärkungsfaktoren Im Kleinsignalaussteuerbereich messen wir die Verstärkung einmal mit und einmal ohne C E : O Mit C E : V-187,5 O Ohne C E : V-3,1 Theoretisch müßte die Verstärkung mit C E lauten: R V C I SR 1 1 C R C U C T ωc E S Der gemessene Wert stimmt also mit dem theoretischen weitgehend überein. Die Steilheit des Transistors mit Emitterkondensator berechnet sich zu V S C 187, ( 3, ) 1 R C 5, 6kΩ Ω --- Der theoretische Wert berechnet sich aus dem Kollektorstrom I C 1 ma und der Temperaturspannung U T (bei T300 K etwa 26 mv) zu: I S theo C ( 3, ) 1 U t Ω --- Auch hier herrscht wieder recht gute Übereinstimmung. 10

11 Rechts Q E1.7 Der Emitterfolger E1.7 Der Emitterfolger Wir bauen die Schaltung gemäß Schaltplan E1.3 auf. Schaltung E1.3: Emitterfolgeverstärker. Wie aus Schaltung E1.3 zu sehen ist, gilt: O du CE -du a O du BE du e -du a O di C du a /R E Für die Transistorgleichung di C SdU BE du CE r CE 11

12 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q folgt damit: Im Abschnitt Verstärkungsfaktoren auf Seite 10 bestimmen wir die Steilheit zu S3,35*10-2 Ω -1, so daß folgt: Wir maßen mit C C : und ohne C C : du a 1 S ( du e du a ) ( du a ) R E r CE S S SdU e ( du a ) S R E r CE S S du V a S du e S R E R R E r CE SR E + -- E S V 0, 984 V ( 1, 01) V 1 Was wieder sehr schön mit dem theoretischen Wert übereinstimmt. E1.8 Ein- und Ausgangswiderstände der Kollektorschaltung E1.8.1 Eingangswiderstände Wir bauen die Schalung gemäß Schaltplan E1.4 auf. Für den Eingangswiderstand R X gilt laut Spannungsteilerregel: U U 1 R X R X + R M 12

13 Q Rechts E1.8 Ein- und Ausgangswiderstände der Kollektorschaltung Schaltung E1.4: Emittergrundschaltungeingangswiderstandsmessung. Wir regeln das Potentiometer also so ein, daß U 2 0,5*U 1 gilt. Dann ist nämlich R X R M. Dies tun wir einmal mit und einmal ohne C E : O mit C E : R X 9 kω O ohne C E : R X 19,4 kω Theoretische Werte Ohne C E R X r BE + BR E R 1 R R X BU T R + B R 1 R 2 I E C S R x 1, 8kΩ Mit C E R X r BE R 1 R 2 S R X 2, 3kΩ 13

14 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q Wir liegen mit unseren Meßwerten also noch im Bereich der Theorie. Die Abweichungen erklären wir uns anhand der Abweichung der Stromverstärkung B vom Wert 100. Dieser Wert ist vom individuellen Transistor abhängig und kann sehr stark schwanken. E1.8.2 Ausgangswiderstände Wir bauen die Schaltung gemäß Schaltplan E1.5 auf. Schaltung E1.5: Basisgrundschaltungausgangswiderstandsmessung. Die Spannungsteilerregel sagt uns wieder: bzw. U U 1 R X, R X + R M R R M U 2 X U 1 U 2 Messung mit C B U 1 0,2 V U 2 5 mv R X 25,6 Ω 14

15 Rechts Q E1.9 Emitterausgangswiderstand Messung ohne C B U 1 0,2 V U 2 12,5 mv R X 1 kω Da wir bei U 2 ein sehr verschwommenes Signal bekamen, waren diese Werte schwer abzulesen, so daß die Ergebnisse mit Vorsicht zu genießen sind. E1.9 Emitterausgangswiderstand Wir bauen die Schaltung gemäß Schaltplan E1.6 auf. Schaltung E1.6: Basisgrundschaltungausgangswiderstandsmessung. Wieder benutzen wir die Spannungsteilerregel, um den Ausgangswiderstand mit und ohne C B zu bestimmen: O Mit C B : R X 5,7 kω O Ohne C B : R X 5,7 kω Es fällt auf, daß R X R C ist, was wegen I E I C zu erwarten war. 15

16 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q E1.10 Transistoreingangswiderstand Um anders als bei den vorherigen Messungen den Einfluß der übrigen Widerstände auszuschließen, benutzen wir bei der Messung des Transistoreingangswiderstandes Schaltplan E1.7. Schaltung E1.7: Emittergrundschaltungeingangswiderstandsmessung. Wir maßen die Spannung U a einmal bei offenem und einmal bei geschlossenem Schalter und erhielten mit der Spannungsteilerregel: U R offen R X M U zu U offen den gesuchten Widerstand einmal mit und einmal ohne C E : O Mit C E : R X 24 kω O Ohne C E : R X 1 ΜΩ Theoretisch wäre zu erwarten: O Mit C E : R X r be 2,6 kω O Ohne C E : R X r be +B*R E 182,6 kω Auch hier erklären wir uns die Abweichungen wieder mit Schwankungen von B, wie im Abschnitt Ein- und Ausgangswiderstände der Kollektorschaltung auf Seite

17 E1.11 Transistorausgangswiderstand Wir bauen die Schaltung gemäß Schaltplan E1.8 auf. Rechts Q E1.11 Transistorausgangswiderstand Schaltung E1.8: Emitter-/Basisgrundschaltungausgangswiderstandsmessung. Da der Transistorausgangswiderstand nun nicht mehr parallel zu R C liegt, übernimmt R C die Rolle von R M. Die Masse liegt an R C. Wir erhalten folgende Beziehung: U 1 R C U 2 R R U R 2 C X X U 1 Dies messen wir wieder: O Mit C E : R X 152 k Ω O Ohne C E : R X 1,37 M Ω 17

18 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q E Theoretische Werte Mit C E liegt eine nicht-stromgegengekoppelte Schaltung vor, so daß man r CE als Ausgangswiderstand erhält, der laut Anleitung einige 100 kω groß sein soll, was mit dem gemessenen Wert gut übereinstimmt. Ohne C E wiederum liegt eine stromgegengekoppelte Schaltung vor, für deren Ausgangswiderstand gilt: BR R A r CE 1 E BR r R 1 R CE E 14MΩ, R + r R 1 + R BE + R 1 R E R 1 + R 2 Dies stimmt recht gut mit dem Meßwert überein. E1.12 Kollektor- und Basisschaltung Da für beide Schaltungen die gleiche Dimensionierung (sprich: Grundschaltung) angenommen wird, folgern wir für Kollektor- und Basisschaltung folgende Beziehungen: O Der Ausgangswiderstand der Kollektorschaltung entspricht dem Eingangswiderstand der Basisschaltung. O Der Eingangswiderstand der Emitterschaltung entspricht dem Eingangswiderstand der Kollektorschaltung. O Der Ausgangswiderstand der Basisschaltung entspricht dem Ausgangswiderstand der Emitterschaltung. 18

19 Rechts Q E1.12 Kollektor- und Basisschaltung Schaltung E1.9: Kollektorschaltung. 19

20 Links Versuch E1 Elementare Transistorschaltungen Q Schaltung E1.10:Basisschaltung. 20

21 Rechts Q 12Inhalt Einleitung 3 Transistoren 3 Die Gegenkopplung 3 Gleichspannungsdimensionierung 4 Die Kondensatoren C E, C C und C B 7 Klein- und Großsignalaussteuerbereiche der Emitterschaltung 8 O Verstärkungsbereiche ohne C E 9 O Kleinsignalaussteuerbereich 9 O Großsignalaussteuerbereich 9 O Verstärkungsbereiche mit C E 10 O Kleinsignalaussteuerbereich 10 O Großsignalaussteuerbereich 10 O Verstärkungsfaktoren 10 Der Emitterfolger 11 Ein- und Ausgangswiderstände der Kollektorschaltung 12 O Eingangswiderstände 12 O Theoretische Werte 13 Ohne C E 13 Mit C E 13 O Ausgangswiderstände 14 O Messung mit C B 14 O Messung ohne C B 15 Emitterausgangswiderstand 15 Transistoreingangswiderstand 16 Transistorausgangswiderstand 17 O Theoretische Werte 18 Kollektor- und Basisschaltung 18 21