3. Simulation von Transistorverstärkerschaltungen

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1 3. Simulation von Transistorverstärkerschaltungen 3.. Dies immer zuerst! Richten Sie nach dem Start zuerst den Workspace C:\Daten\SI3 ein. Dies wird dann der ereich sein, in dem alle Dateien zu diesem ersuch stehen werden. Diesen Workspace sollten Sie am nde der eranstaltung auf einer Diskette archivieren. Für die Mechatronik werden lediglich der mitterverstärker ohne Gegenkopplung und der mitterfolger simuliert, der ersuch mitterverstärker mit Gegenkopplung wird weggelassen Aufgabenstellung und Lernziel Mit diesem ersuch sollen mitterasisschaltung (mitterverstärker) ohne und mit Gegenkopplung durch einen Widerstand in der mitterleitung und eine Kollektor asisschaltung (mitterfolger) durch Simulation in ihrem elektrischen erhalten untersucht werden. s sollen durch Simulation die Arbeitspunkteinstellung, die Kleinsignalverstärkung (Frequenzgang, Phasengang) sowie ingangswiderstand und Ausgangswiderstand und die Großsignalverstärkung (Linearität, Übersteuerung) ermittelt werden. Die Studierenden sollen in der Lage sein, die genannten Größen für unterschiedliche Schaltungen mit Hilfe der Simulation zu ermitteln und die rgebnisse zu interpretieren. Die Schaltungen ohne die korrekten Widerstände zeigt das folgende ild: mitterverstaerker mit Gegenkopplung R1 Ohm R R2 Ohm RC2 R3 Ohm C2 in Q2 a1 C3 Q3 a2 CF Q4 1 1 a3 mitterverstaerker ohne Gegenkopplung R mitterfolger RM Grundsätzlich sollen die folgenden Größen ermittelt werden: (Dies ist eine allgemeine Auflistung! ine sinnvolle Reihenfolge für rmittlung der gefragten Größen, inzelheiten zu den Simulationen und Hinweise zu den Ausdrucken, die gemacht werden sollen, finden Sie in den nterpunkten Simulation der Schaltungen.) Darstellung der Arbeitspunktes in den verschiedenen Schaltung mit der Simulation iaspoint mit Spannungs und Stromangaben in der Schaltung (ein Ausdruck). Fassung vom 11. Oktober 27

2 Seite 2 SI/ MM ersuch odediagramm der erstärkung H a f ) = 2 log, ( 1 ΔI c Darstellung der Steilheit, S( f ) =, dieser Wert ist nur für die Δ Simulation der mitterschaltung(3.3) sinnvoll Darstellung des Transistoreingangswiderstandes. bei Gegenkopplung! R e Δ = ; aufpassen ΔI Darstellung des Ausgangswiderstandes mitterfolger. R A = für den I Überprüfung, ob die HPGrenzfrequenz zur Kapazität und den belastenden Widerständen passt Darstellung der Linearität an der erzerrung eines Sinus von 1 Hz. Wählen Sie die Amplitude geeignet. (Ausdruck) Dimensionieren Sie alle Schaltungen zuerst und zeichnen Sie dann alle Schaltungen wie oben gezeichnet in ein latt und drucken Sie die Lösung von 3.1.1(Arbeitspunkt) Alle anderen Simulationen können dann auch in diesem Schaltungsblatt erfolgen. Auch für den ACSweep können Sie die Quelle sin verwenden und dabei die Größe AC mit einer festen Spannung vorgeben ntwurf und Dimensionierung der Schaltungen mitterschaltung R1 k RC 5 Die etriebsdaten nehmen Sie aus der Simulation des ersuch 2. out in Q Daten aus ersuch 2: att =1 C =5 I =59uA ~729m R C =5Ohm Prof. DrIng. F. Schneeberger

3 SI/ MM ersuch 3 Seite 3 Die Arbeitspunkteinstellung an der asis soll durch einen orwiderstand zur etriebsspannung eingestellt werden. Dabei wird der Widerstand R 1 so dimensioniert, dass in die asis der geforderte asisstrom fließt. erechnen Sie den Widerstand und vervollständigen Sie die Schaltung. Überprüfen Sie die Schaltung mit der Simulation iaspoint" und der Darstellung der Arbeitpunktwerte in der Schaltung mitterschaltung mit Gegenkopplung (nur SI) Kopieren Sie die Schaltung nach in eine neue Schaltung auf dem gleichen Zeichnungsblatt. Nun fügen Sie in diese Schaltung einen mitterwiderstand ein, der die erstärkung auf den Wert 1 beschränkt (R = (1/1)*R C ). Da nun am mitterwiderstand auch eine Spannung abfällt, steht für den Transistor und den Kollektorwiderstand nicht mehr die volle etriebsspannung von 1 zur erfügung. Wenn aber der Kollektorstrom beibehalten wird, dann teilt sich die verfügbare Spannung nicht mehr zu gleichen Teilen auf den Transistor und den Widerstand auf. Dadurch wird die Aussteuerung etwas unsymmetrisch. Wir wollen das hinnehmen und keine weitere eränderung des Arbeitspunktes vornehmen. Der orwiderstand muss nun so dimensioniert werden, dass der gleiche Strom in die asis fließt wie beim nicht gegengekoppelten mitterverstärker aber der Spannungsabfall am mitterwiderstand berücksichtigt wird. erechnen Sie den orwiderstand und vervollständigen Sie die Schaltung. Überprüfen Sie die Schaltung mit der Simulation iaspoint" und der Darstellung der Arbeitpunktwerte in der Schaltung Dimensionierung des mitterfolgers (Kollektorschaltung) 1 in 3 R Q1 ot RM 1 1 Der Ausgang dieser Schaltung ist der mitter des Transistors. Dort muss also für eine optimale Aussteuerung im Arbeitspunkt die halbe etriebsspannung abfallen. Daraus ergibt sich wieder der orwiderstand. Der mitterwiderstand ergibt sich aus dem vorgesehenen etriebsstrom (Arbeitspunkt) und dem gewünschten Spannungsabfall. Wegen der Gegenkopplung ist hier der dynamische ingangswiderstand wesentlich größer als für die mitterschaltung. Die maximale Aussteuerung wird für diese Schaltung auch anders aussehen als in den anderen Schaltungen. erechnen Sie den orwiderstand und vervollständigen Sie die Schaltung. Überprüfen Sie die Schaltung mit der Simulation iaspoint" und der Darstellung der Arbeitpunktwerte in der Schaltung Simulation der Schaltungen Sie haben nun die Schaltung mit den oben ermittelten Werten ergänzt und können mit der Simulation beginnen. enutzen Sie bitte wie in dem Schaltungsbild oben gezeigt bei der Simulation im Frequenzbereich für alle Schaltungen eine gemeinsame Quelle sin für die ingangsspannungen und eine gemeinsame atterie als etriebsspannung. Mit der Quelle sin können Sie AC Spannungen, DC Spannungen und Sinusspannungen ausgeben. Aus der Simulation sollen die o.g. Aufgaben gelöst werden und als Druck dargestellt werden. Fassung vom 11. Oktober 27

4 Seite 4 SI/ MM ersuch Darstellung der Arbeitspunkte (Alle Ausdrucke enthalten die Namen der beteiligten Studenten) Die Schaltungen auf einem gemeinsamen Arbeitsblatt werden nun nur mit der Option iaspoint simuliert. Dieses Simulationsergebnis mit allen Strömen und Spannungen in allen Schaltungen drucken Sie in einem ild aus (1. latt) Simulation des Frequenzganges (ACSweep). Siehe auch Seite 5 ersuch 1 Die Simulation zur rmittlung des Frequenzganges (ACSweep). Hinweis: Der Simulationstyp ACSweep liearisiert die Gleichungen für die Schaltung im Arbeitspunkt. D. h. es treten keine erzerrungen auf. Dadurch wird die erechnung aller o. g. Gleichungen, die mit kleinen Abweichungen Δ arbeiten, zurückgeführt auf die einfache Rechnung mit den Wechselgrößen und I(f). Nun simulieren Sie nach a Aufgabenstellung das odediagramm der erstärkung H = 2 log1 für e alle Schaltungen. Aus dieser ACSweepSimulation können Sie nun auch die Steilheit I c S( f ) = für die mitterschaltung, den ingangswiderstand R = für I alle Schaltungen sowie den Ausgangswiderstand RA = für den I mitterfolger berechnen und darstellen Ausdrucke der Simulationen aus der Simulation im Frequenzbereich 1. Die Frequenzgänge der drei Schaltungen auf einem latt (3 Plots) mit eschriftung der 3 d Punkte bei oberer und unterer Grenzfrequenz sowie bei 1kHz (Dämpfung bzw. erstärkung und Frequenz). Kennzeichnen Sie Zuordnung zur Schaltung und drucken Sie diese rgebnis aus (2. latt). 2. ingangswiderstand jeder der drei Schaltungen auf einem latt (3 Plots) mit der eschriftung der Werte bei 1 Hz und 1 MHz (Werte, Frequenz). Kennzeichnen Sie Zuordnung zur Schaltung und drucken Sie diese rgebnis aus (3. latt). 3. Steilheit der mitterschaltung und Ausgangswiderstand des mitterfolgers auf einem latt (2 Plots) mit der eschriftung der Werte bei 1Hz und 1 MHz. Kennzeichnen Sie Zuordnung zur Schaltung und drucken Sie diese rgebnis aus (4. latt) Überprüfung, ob die HPGrenzfrequenz zur Kapazität und den belastenden Widerständen passt. (nur SI) Überprüfen Sie ob die unter (1) ermittelten unteren Grenzfrequenzen mit den Daten der Schaltung (C/R Gliedern) begründet werden können! Tragen Sie in die RCHP Schaltungen auf der Seite 5 die jeweiligen Werte für die Widerstände ein und berechnen Sie die Grenzfrequenzen und vergleichen Sie die Werte mit den Messwerten. egründen Sie eventuelle Abweichungen. Prof. DrIng. F. Schneeberger

5 SI/ MM ersuch 3 Seite 5 F F F R2 R1 R2 R1 R2 R1 Fg1 mitterverstärker Fg2 gegengekoppelter mitterverstärker Fg2 mitterfolger Messwerte Rechenwerte rmittlung der Aussteuergrenzen der verschiedenen Schaltungen Die Darstellung der Aussteuergrenzen erfolgt durch die Simulation der Schaltungen im Zeitbereich mit einem Sinussignal von 1 khz. Diese Frequenz wird gewählt, weil bei dieser Frequenz alle Schaltungen noch keinen Abfall der erstärkung zeigen. Welche Frequenz könnte man maximal bzw. minimal wählen Die Aussteuergrenze erkennt man an der erzerrung des Sinus am Ausgang der Schaltung. Die Schaltungen erlauben verschieden große ingangssignale, so dass man die Schaltungen nicht mit dem gleichen ingangssignal versorgen kann, wenn man mit einer Simulation alle Schaltungen zugleich darstellen möchte. Aus diesem Grunde muss man jeder Schaltung eine eigene Quelle geben. Die jeweilige Aussteuergrenze lässt sich aus der ACSimulation der erstärkung im Frequenzgang sowie der erücksichtigung des Arbeitspunktes abschätzen. Dazu geht man wie folgt vor: ei der nicht gegengekoppelten mitterschaltung, darf man auf der ingangskennlinie der asismitterstrecke nur im geradlinigen ereich aussteuern. Wir versuchen es daher als erstes mit der Temperaturspannung des PN Überganges 26m. Wir verwenden ± 13m. Wenn keine erzerrung auftritt wählen wir das Signal größer. eim mitterverstärker mit der Gegenkopplung wird die erstärkung von etwa 16 auf den Faktor 1 begrenzt. Damit ist die Auswirkung der Diodenkrümmung des inganges auch deutlich verringert. Wir sollten also das Ausgangssignal so groß wie möglich machen. s reicht von,8 bis 1 olt mit der Mitte um den Arbeitspunkt von 5. D.h. das Ausgangssignal kann von 5 ± 4,2 reichen. Dazu wird ein ingangssignal von ± 42m benötigt. eim mitterfolger ist die erstärkung bei 1. D.h. man kann mit dem maximalen Ausgangssignal von ± 5 aussteuern. Wenn man nun mit diesen errechneten Werten die Schaltungen aussteuert, und bei der Ausgabe gleichzeitig das aussteuernde Signal im Pegel und Gleichspannungsoffset entsprechend angepasst im gleichen Diagramm darstellt, wird man feststellen, dass Fassung vom 11. Oktober 27

6 Seite 6 SI/ MM ersuch 3 lediglich bei der Schaltung 1 (mitterschaltung) eine schwach sichtbare erzerrung auftritt. Diese erzerrung nennt man auch Klirrfaktor. Dieser Klirrfaktor lässt sich am besten durch die Darstellung der Kurven im Frequenzbereich (FFTutton) erkennen, denn Klirrfaktor bedeutet immer, dass zusätzlich zum eingespeisten Signal Oberwellen auftreten, die im Spektrum leicht zu erkennen sind. Hier ist die 1. Oberwelle bei 2 khz zu erkennen. ine gute FFT Darstellung erhält man von einem möglichst langen Zeitsignal (ggf. 4 Perioden). Ausdrucke der Ausgangsspannung mit den o.g Aussteuerungen Für SI ist ein Ausdruck mit 4 Ausgangdiagrammen (4 Plots) bzw. für MM mit 3 Ausgangsdiagrammen (3 Plots) zu erstellen (5. latt). 1. ei einer Frequenz von 1 khz und möglichst großen Kurvendarstellungen 2. Für jede Schaltung den Ausgangssinus mit den o.g. Aussteuerungen. Kennzeichnen Sie die Zugehörigkeit der Ausdrucke! Schreiben Sie die Scheitelwerte der ingangsspannungen mit auf den Ausdruck. 3. Stellen Sie in den Plots für die Sinusspannungen bei den beiden mitterschaltungen die ingangsspannung in einem Diagramm mit der Ausgangsspannung so dar, dass Sie die erzerrung durch den ergleich der Kurven leicht erkennen können. Sie müssen dazu die ingangsspannung mit der erstärkung der Stufe multiplizieren und invertieren, da die mitterverstärker das ingangssignal am Ausgang invertieren. Sie müssen das Signal auch noch verschieben, da am Ausgang das Signal um den Arbeitspunkt von 5 olt symmetrisch ist. Prof. DrIng. F. Schneeberger