Halbleiterbauelemente

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1 Halbleiterbauelemente Martin Adam Versuchsdatum: Betreuer: DI Bojarski 16. November 2005 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung Ziel Aufgaben Transistorverstärker (bipolar) Verstärker mit FET FET als Analogschalter Vorbetrachtung 4 3 Durchführung bipolarer Transistorverstärker Dimensionierung Realisierung des Transistorverstärkers Bestimmung R a und Betriebsparameter Obere und untere Grenzfrequenz Verstärker mit FET Kleinsignalverhalten einer Sourceschaltung FET als Analogschalter Analogschalter in Parallelbetrieb Analogschalter im Serienbetrieb

2 1 Versuchsbeschreibung 1.1 Ziel Ermittlung der Eigenschaften einstufiger Transistorgrundschaltungen. 1.2 Aufgaben Transistorverstärker (bipolar) 1. Dimensionieren Sie einen einstufigen RC-Transistorverstärker in Emitterschaltung entsprechend Abb. 1 anhand des Kennlinienfeldes und der h- Parameter. 2. Realisieren Sie den von Ihnen berechneten Transistorverstärker, indem Sie die auf der Leiterplatte vorhandenen Einstellregler entsprechend Ihrer Rechnung einstellen und die notwendigen Verbindungen stecken. Kontrollieren Sie die Einstellung des Arbeitspunktes durch Messung von I C und U CE. 3. Bestimmen Sie für eine Sinuseingangsspannung von 1kHz den Ausgangswiderstand R a. Messen Sie anschließend die Betriebsparameter (R e, V u, V i, V p ) in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R L für R L = ; 2R a ; R a ; 0, 5R a, 0, 1R a. Diskutieren Sie die Ergebnisse (Leistungsanpassung). Vergleichen Sie die gemessenen mit den theoretischen Werten (Berechnung aus den h-parametern). 4. Bestimmen Sie obere und untere Grenzfrequenz des Verstärkers. Abbildung 1: 2

3 1.2.2 Verstärker mit FET 1. Bestimmten Sie das Kleinsignalverhalten (R a, R e, V u, V i, V p ) für R L = einer Sourceschaltung entsprechend Abb. 2. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit denen von Aufgabe und diskutieren Sie sie. Abbildung 2: FET als Analogschalter 1. Bauen Sie einen einfachen Analogschalter in Parallelbetrieb auf (Abbildung 3). Bestimmen Sie das Übertragungsverhalten = U a U e und die Dämpfung des geöffneten Schalters. 2. Bestimmen Sie die Schaltzeiten des Schalters entsprechend Abbildung 3 durch Ansteuerung mit Rechteckimpulsen. 3. Bauen Sie einen Analogschalter im Serienbetrieb auf (Abbildung 4) und führen Sie die Messungen wie unter Aufgaben 2. und 3. durch. Abbildung 3: 3

4 Abbildung 4: 2 Vorbetrachtung Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, das zum Schalten und Verstärken von elektrischem Strom verwendet wird. Die Bezeichnung ist eine Kurzform für die englische Bezeichnung Transfer Varistor, die den Transistor als einen durch Strom steuerbaren Widerstand beschreiben sollte. Sie werden in zwei Arten unterschieden: Bipolare Transistoren werden durch Stromfluss angesteuert. Deren Anschlüsse werden mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom auf der Emitter-Kollektor-Strecke steuern. Bei Feldeffekttransistoren (kurz: FET) werden die Anschlüsse als Gate (engl. Tor, Gatter), Drain (engl. Abfluss), Source (engl. Quelle) bezeichnet. Der Strom auf der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Die Steuerung erfolgt (nahezu) stromlos. Zur Dimensionierung eins Verstärkers muss im Kennlinienfeld des Transisitors ein Arbeitspunkt gewählt werden. In der Regel sind nicht alle verhaltensbeeinlfussenden Größen frei wählbar. Die Speisespannung beispielsweise kann oftmals vorgegeben sein. Die Wahl des Arbeispunktes richtet sich nach der benötigten Signalverstärkung, Bandbreite, der zulässigen Verlustleistung und weiteren Anforderungen. 4

5 3 Durchführung In allen Abbildungen ist der Kanal 1 des Oszillographen die Ausgangsspannung U a und Kanal 2 die Eingangsspannung U e. 3.1 bipolarer Transistorverstärker Dimensionierung Abbildung 5: Aus dem Kennlinienfeld (Anhang 1) wurden zur Bestimmung des Arbeitspunktes I B = 80µA, U B = 8V, U CE = 5V und U RE = 1V gewählt. Laut Kirchhoffschen Gesetzen gelten folgende Beziehungen: U R1 + U R2 U B = 0 (1) U BE + U RE U R2 = 0 (2) U B U RE U CE U RC = 0 (3) Aus den Gleichungen (2) und (3) folgen (U BE = 655mV aus Kennlinienbild): U RC = 8V 1V 5V = 2V Somit ergibt sich für U R1 aus Gl. (1): Weiterhin gilt: U R2 = 0, 655V + 1V = 1, 655V U R1 = 6, 345V I C + I B = I E (4) Mit I B = 80µA und I C = 6, 35mA aus dem Kennlinienfeld folgt, da I B I C folgt I E = 6, 35mA. 5

6 Es wird sinnvollerweise I q = 10I B = 800µA gewählt und es folgt nach der Knotenregel I R2 = 9I B = 720µA. Es ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz: R 1 = U R 1 I q R 2 = U R 2 I R2 R C = U R C I C R E = U R E I E = 7, 93kΩ = 2, 3kΩ = 315Ω = 157, 5Ω C K1 = C K2 = 22µF und C E = 47µF sind bauartbedingt vorgegeben. Für die h-parameter, die Anstiege der jeweiligen Geraden im Kennlinienfeld, ergeben sich folgende Werte: h 11 = U BE I B h 22 = I C U CE = 18, 97mV = = 383, 3Ω 49, 5µA 0, 317mA = 2, , 48V Ω = 2, S h 21 = I C = 3mA = 85, 13 I B 35, 24µA h 12 = U BE U CE = Realisierung des Transistorverstärkers Die Schaltung wurde gemäß Abbildung 1 und 5 aufgebaut und der Arbeitspunkt kontrolliert und U B und R 2 eingestellt. Es ergaben sich U B = 6, 2V und R 2 = 6, 16kΩ. In Abbildung 6 ist die Verstärkung von Kanal 2 (U e ) zu Kanal 1 (U e ) gut zu erkennen. 6

7 Abbildung 6: Bestimmung R a und Betriebsparameter R a wurde mit der U 2 -Methode ermittelt. Dazu wurde R L von R L = soweit Abbildung 7: verringert bis U a = Ua 2 erreicht war, denn dann ist R L = R a = 210Ω. Ebenso mit der U 2 -Methode wurde R e jeweils ermittelt. Dazu wurde von R V = 0 schrittweise erhöht. Abbildung 8: 7

8 R L inω R e in Ω U e in mv U a in mv V i = UaRe R au e V U = Ua U e V P = Pa P e ,00 15,62 0, ,1270 9,67 97, ,6246 4,65 58, ,9394 2,84 53, ,7929 1,51 43,52 Tabelle 1: Messwerte Aufgabe = U 2 a Re R au 2 e Obere und untere Grenzfrequenz Bei den Grenzfrequenzen tritt eine Phasenverschiebung von ϕ = 45 auf. Der I Betrag der Verstärkung sinkt dabei auf 2 der Maximalverstärkung. Mit dem Oszillographen wurden die Phasenverschiebungen sowie die dazugehörige verstärkte Spannung (im Bild: V p p (1)) gemessen. Es ergaben sich folgende Grenzfrequenzen: f UG = 112Hz F OG = 742kHz Abbildung 9: Abbildung 10: 8

9 3.2 Verstärker mit FET Kleinsignalverhalten einer Sourceschaltung Die Schaltung wurde gemäß Abbildung 2 aufgebaut. R a = 9kΩ wurde wieder mittels Umax 2 -Methode ermittelt. Es ergeben sich folgende Betriebsparameter: R L inω R e in MΩ U e in mv U a in mv V i = UaRe R au e V U = Ua U e V P = Pa P e 1 215, ,2113 2,03 456,48 Tabelle 2: Messwerte Es ist zu erkennen, dass der FET-Verstärker eine um eine Größenordnung kleinere Spannungsverstärkung aufweist. Jedoch ist seine Stromverstärkung um 3 Größenordnungen größer und somit auch die Leistung. Der FET ist folglich gut als Leistungsverstärker einsetzbar, gerade dort, wo ein niedriger Eingangsstrom gefordert ist. 3.3 FET als Analogschalter Analogschalter in Parallelbetrieb Der Analogschalter im Parallelbetrieb wurde wie in Abbildung 3 aufgebaut. U a,1 ist die Ausgangsspannung im offenen Betrieb und U a,2 im geschlossenen Zustand. Um die Schaltzeiten zu bestimmten wurde eine Gleichspannung als Eingangsspannung genutzt. Es wurde mit dem Oszillographen die Zeit bestimmt bis die Spannung beim Einschaltvorgang bis auf U 2 angestiegen war. U a,1 = 1, 72V, U a,2 = 15, 94mV = U 2 a Re R au 2 e Übertragungsverhältnis: U a 1, 72V = U e 1, 75V = 0, 98 Dämpfung: D = 20 log U a,2 15, 9mV = 20 log U a,1 1, 72V Schaltzeit: t S = 2µs = 40, 66dB 9

10 Abbildung 11: Abbildung 12: 10

11 3.3.2 Analogschalter im Serienbetrieb U a,1 = 5, 437V, U a,2 = 20, 31mV Übertragungsverhältnis: U a 5, 375V = U e 5, 437V = 0, 989 Dämpfung: D = 20 log U a,2 20, 31mV = 20 log U a,1 5, 437V Schaltzeit: t S = 1, 24µs = 48, 5dB Abbildung 13: Abbildung 14: 11

12 Abbildung 15: 12