Versuch Bauen Sie einen einstufigen Verstärker mit einem n-p-n-transistor nach folgender Schaltung auf!
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- Justus Friedrich
- vor 7 Jahren
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1 1 Versuch 35 Transisorversärker 1. Aufgaben 1.1 Bauen Sie einen einsufigen Versärker mi einem n-p-n-transisor nach folgender Schalung auf! 1.2 Besimmen Sie die größe unverzerr versärke ingangswechselspannung bei einer Messfrequenz von 1 khz und legen Sie eine zur Versärkungsmessung geeignee ingangsspannung U fes. 1.3 Messen Sie die Versärkung und die Phasendrehung des Versärkers als Funkion der Frequenz im Inervall von 2 Hz bis 2 khz (ca. 3 Messpunke je Dekade) für die folgenden beiden Fälle: - nach obiger Schalung - ohne die Kondensaoren C1 und C2 1.4 Weren Sie die Messergebnisse aus und sellen Sie den Ampliudengang des Versärkers auf doppellogarihmischem Papier und den Frequenzgang auf halblogarihmischem Papier dar. rmieln Sie die Grenzfrequenzen! Schäzen Sie die relaiven Fehler für die Versärkung und die Phasendrehung ab. 2. Lieraur /3/ Mende, /13/ Sudienbücherei, /22/ Rumpf
2 2 Versuch 35 - Transisorversärker 3. Grundlagen 3.1 Versärker in Versärker is ein elekronisches Gerä, welches den am ingang des Versärkers anliegenden zeilichen Signalverlauf U () mi einer um die Versärkung V vergrößeren Ampliude () am Ausgang wieder abgib (Bild1). Die nergiezufuhr, die die Ampliudenvergrößerung (Versärkung) ermöglich, erfolg über die beiden Beriebsspannungsanschlüsse U B. Für den Zusammenhang zwischen in- und Ausgangsspannung gil: U = V(f) U A U Versärker U B Bild 1: Spannungsversärker: U - ingangsspannung, - Ausgangsspannung, U B Beriebsspannung Ampliudengang Die Versärkung V is bei jedem Versärker frequenzabgängig. Um einschäzen zu können, ob ein Versärker zur Versärkung von Signalen in einem besimmen Frequenzbereich geeigne is, muss die Funkion V(f) (Ampliudengang) des Versärkers bekann sein. Wechselspannungsversärker besizen einen Versärkungsabfall bei niedrigen und bei hohen Frequenzen (Bild 2a). in Gleichspannungsversärker besiz keinen Versärkungsabfall für f ; die Versärkung fäll lediglich bei hohen Frequenzen ab (Bild 2b) V V max V max 2 V max V max 2 a) O f u f o f f o f b) Bild 2: Versärkung V als Funkion der Frequenz f: a) Wechselspannungsversärkung b) Gleichspannungsversärkung
3 Versuch 35-Transisorversärker 3 Die Frequenzen, bei denen die Versärkung auf den Wer V max / 2 abgesunken is, bezeichne man als unere Grenzfrequenz. f u bzw. als obere Grenzfrequenz f o. Die Bandbreie Δ f des Versärkers ergib sich aus der Differenz Phasengang Δ f = f - fu Bisher wurde nur der Berag der Versärkung berache. Im allgemeinen ri jedoch eine Phasendifferenz ϕ zwischen Aus- und ingangsspannung auf; es gil also mi ϕ=ϕ2 ϕ1 ( ) ( ) U = Uˆ cos Ω +ϕ 1 U = Uˆ cos Ω +ϕ A A 2 Die Phasendrehung ϕ des Versärkers is frequenzabhängig (Phasengang). Insbesondere in der Nähe der Grenzfrequenzen is dieser ffek sark ausgepräg. Versärker, deren Phasendrehung im Bereich des Versärkungsmaximums π beräg, werden als inverierende Versärker, solche mi Phasendrehung Null als nichinverierende Versärker bezeichne (Bild 3). in Anwachsen der ingangsspannung bewirk also bei einem inverierenden Versärker einen um den Fakor V größeren Abfall der Ausgangsspannung. Û A Û A Û Û Bild 3: Phasenbeziehung zwischen ingangsspannung U und Ausgangsspannung beim nichinverierenden (a) und inverierenden (b) Versärker.
4 4 Versuch 35 - Transisorversärker 3.2 Transisorversärker Im Versuch wird ein sehr einfacher einsufiger Wechselspannungsversärker in mierschalung zur Unersuchung des Versärkungsverhalens aufgebau. Die Funkion der Schalung soll in zwei Schrien erläuer werden Versärkung mi einem n-p-n-transisor in mierschalung Die Schalung des Versärkers zeig das Bild 4. Bild 4: Transisorversärker in mierschalung Die Beriebsspannung U B wird über den Arbeiswidersand R A an die Kollekor-mier-Srecke des Transisors angeleg. Außerdem erzeug die Beriebsspannung über den Basiswidersand R B einen Basissrom I B, der seinerseis infolge der Sromversärkung V i des Transisors einen ensprechend größeren Kollekorsrom I C = V i V B bewirk. Der Kollekorsrom fließ über R A und erzeug an diesem einen Spannungsabfall U = I C R A. ine Wechselspannung U () am ingang des Versärkers verursach über den inkoppelkondensaor C einen zusäzlichen Wechselsrom I B~, der über die Basis-mier-Srecke des Transisors fließ. Auf diese Weise wird der Basissrom zeiabhängig. in Anwachsen von U vergrößer den Basisgleichsrom I B=, ein Abfall verminder ihn (Bild 5). Infolge der Sromversärkung des Transisors gil das ensprechende für den Kollekorsrom. Der Kollekorwechselsrom I C~ = I B~ V i erzeug am Arbeiswidersand R A einen Spannungsabfall R A I C = R A I B~ V i, der größer als U is. Dieser Wechselspannungsaneil R A I C~ der Kollekor-mier- Spannung U C wird über einen Auskoppelkondensaor C A an den Ausgangs des Versärkers geführ. Den zeilichen Verlauf von I B, U C und bei einer angelegen ingangswechselspannung U zeig Bild 5.
5 Versuch 35-Transisorversärker 5 U ingangsspannung I B Basissrom I B= Kollekor-mier-Spannung U C U B R A I C R A I C~ Ausgangsspannung Bild 5: Zeilicher Verlauf von U, I B, U C und. rklären Sie, weshalb die Phase der Ausgangswechselspannung gegenüber U um π verschoben is (inverierender Versärker)! Gegengekoppeler Versärker Um eine weigehende Unabhängigkei der igenschafen des Versärkers von der Beriebsspannung und von den Transisorparameern (Auswechseln des Transisors, influss der Umgebungsemperaur) zu erreichen und um die Signalverzerrung zu vermindern, werden Versärker gegengekoppel. Die Gegenkopplung is eine spezielle Ar der Rückkopplung, bei der ein Teil des Ausgangssignals auf den ingang des Versärkers zurückgekoppel wird. Zwei wichige Fälle der Rückkopplung sind die Mikopplung und die Gegenkopplung. Bei der Mikopplung erfolg die Signalrückführung auf den ingang des Versärkers so, dass die ingangsspannung unersüz wird (Phasendrehung Null, Generaor).
6 6 Versuch 35 - Transisorversärker Bei der Gegenkopplung erfolg die Signalrückführung mi einer Phasendrehung von π. Dadurch wird das ingangssignal geschwäch und die Versärkung verminder. Im Versuch wird eine einfache Form der Gegenkopplung angewende. Die Schalung is in Bild 6 dargesell. Der Kollekorsrom Ic fließ wegen I C >> I B ebenfalls über den mierwidersand R und erzeug an diesem einen Spannungsabfall R I R I C, der die Seuerspannung des Transisors verminder. Diese Gegenkopplung führ zu einer Herabsezung der Versärkung V auf den Wer V R R A für V i >> 1 der nahezu unabhängig von den Transisorparameern is, wenn die Sromversärkung sehr groß is (V i >>1). Bild 6: Gegenkopplung mi mierwidersand R Soll die Gegenkopplung nur die Sabilisierung des gleichsrommäßigen Arbeispunkes des Transisors bewirken, ohne die Versärkung zu verringern, so kann ein mierkondensaor C parallel zu R geschale werden und diesen wechselsrommäßig überbrücken. Die Kapaziä von C muss so groß sein, dass für die Signalfrequenz f die Bedingung eingehalen wird. R C = 1 2π f C = R Berechnen Sie C für f = 5 Hz, R = 1 kω und R = 1 R C! 4. Versuchsdurchführung Wahl der ingangsspannung zur Versärkungsmessung Die Versärkung V is ensprechend ihrer Definiion als Quoien V = / U von der Ampliude des ingangssignals unabhängig. Prakisch muss jedoch die xisenz einer oberen Grenze für die Ampliude der zu versärkenden Signale berücksichig werden. Die obere Grenze
7 Versuch 35-Transisorversärker 7 für die Ampliude der ingangsspannung U ergib sich daraus, dass die Ausgangsspannung = V U nich größer als die Beriebsspannung U B des Versärkers werden kann. Wird dies nich beache, so ensehen Verzerrungen des Ausgangssignals gegenüber dem ingangssignal (Bild 7). U B Bild 7: Ausgangssignalverlauf () eines Versärkers bei verschiedenen ingangsspannungen U. Links: U richig gewähl, Rechs: U zu groß gewähl. Bei den meisen Versärkern ensehen infolge der nichlinearen Kennlinien der Transisoren bereis Verzerrungen, wenn noch wesenlich kleiner als U B is. Die nscheidung darüber, wie groß die maximal zulässige Signalampliude is, häng von der geforderen Qualiä der Signalüberragung ab. in Maß dafür is der Klirrfakor, der den auf das Ausgangssignal bezogenen Aneil der durch den Versärker erzeugen Oberwellen angib. Bei der Durchführung des Prakikumsversuchs is es ausreichend, die Signalform am Ausgang des Versärkers oszillographisch zu beobachen und die ingangssignalampliude so einzusellen, dass keine Ausgangssignalverzerrungen sichbar sind. ine sehr genaue Konrolle der Verzerrungen ergib sich, wenn mi dem in- und dem Ausgangssignal des Versärkers eine Lissajous-Figur erzeug wird (Schalung nach Bild 8). Treen keine Verzerrungen auf, so ergib sich (infolge einer möglichen Phasendrehung) eine llipse. Beräg die Phasendrehung Null oder π, so enseh eine Gerade. 4.2 Versärkungsmessung Bei der Versärkungsmessung müssen die in- und die Ausgangsspannung mi Volmeern besimm werden. Dabei is folgendes zu beachen: - Die Volmeer müssen einen hohen Innenwidersand R i besizen (R i >> R a ), dami keine Messfehler ensehen. - Besonders bei Versärkern mi großer Spannungsversärkung (V >1) muss das Volmeer zur Messung von U einen Messbereich für sehr kleine Spannungen besizen. Beide Forderungen werden sowohl von Oszillographen als auch von Messinsrumenen, denen ein Versärker vorgeschale is, erfüll. ine Schalung zur Versärkungsmessung mi dem Oszillographen zeig Bild 8. Die von einem Generaor erzeuge Wechselspannung U' wird mi einem niederohmigen Spannungseiler R 2, R 1 geeil und an den ingang des Versärkers geleg. Die Ausgangsspannung wird mi dem Oszillographen in y-richung gemessen. Die Spannung U' wird mi dem Oszillographen in x-richung gemessen. Dabei is der inerne Ablenkgeneraor des Oszillographen ausgeschale (Triggerwahlschaler in Sellung X ).
8 8 Versuch 35 - Transisorversärker + U B R 2 Generaor Versärker U R 1 U Bild 8: Schalung zur Messung der Versärkung und der Phasendrehung eines Versärkers (R 1 = 1 Ω, R 2 = 1 Ω) - U B Die Versärkung V wird aus den gemessenen Spannungen und U' folgendermaßen berechne: UA R2 A U V = = 1 + U R 1 U ' Phasenmessung Die Messung der Phasendrehung φ des Versärkers erfolg ebenfalls mi der Schalung in Bild 8. Die Phasendifferenz zwischen in- und Ausgangssignal wird durch Ausmessen der llipse nach Bild 9 besimm. Für die Phasendrehung φ gil demnach: a b ϕ = arcsin = arcsin A B U Y 2 B 2 b U X 2 a 2 A Bild 9: Besimmung der Phasendifferenz durch Ausmessen der Lissajous-Figur
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