Transistor-Verstärker

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1 Elektrotechnisches Grundlagen-Labor II Transistor-Verstärker Versuch Nr. 4 Erforderliche Geräte Anzahl Bezeichnung, aten GL-Nr. 1 Netzgerät V, 400mA trommesser NF-Generator NF-Millivoltmeter Oszillograph mschalter, abgeschirmt 1 chaltkasten 1 FET I = mA, p = -3, V 1 Widerstand 1kΩ 1 Widerstand 2,4kΩ 1 Widerstand 6kΩ 2 Widerstand 12kΩ 1 Widerstand 500kΩ 1 Widerstand 1MΩ 2 Kondensatoren 100nF 1 Kondensator 100µF, bipolar 2 Kurzschlussstecker 3 Koaxialkabel BNC-BNC 2 Koaxialkabel BNC/2 Bananenstecker atum: Name: Versuch durchgeführt:

2 1 Theoretische Grundlagen 1.1 rinzip der Verstärkung as im Versuch Transistor-Kennlinien beschriebene Verfahren zur dynamischen Bestimmung der teilheit kann als das Grundprinzip der sog. Kleinsignalverstärkung betrachtet werden. Hierbei wird dafür gesorgt, dass sich der (im ättigungsbereich) durch und I gegebene Arbeitspunkt des als gesteuerter Widerstand wirkenden FET nur wenig von seinem Ruhezustand entfernt, wenn der teuergleichspannung G eine kleine Wechselspannung gs überlagert wird. iese Überlagerung kann wie beschrieben mit Hilfe eines Übertragers erfolgen, einfacher und daher häufiger ist jedoch eine kapazitive Kopplung. Bild 1 zeigt eine solche Verstärkerschaltung. R C 2 1 C 1 R G G R C G R L Bild 1 Verstärkerschaltung ie Eingangswechselspannung 1 wird über den Koppelkondensator C 1 an das Gate des FET geführt, das verstärkte ignal (s. Abschnitt 1.3) am Ausgang über C 2 auf den Lastwiderstand R L ausgekoppelt. 1.2 Arbeitspunkteinstellung Zur Bestimmung des Arbeitspunkts müssen nur die in Bild 2 dargestellten Teile der chaltung betrachtet werden, die Gleichströme oder Gleichspannungen führen. 2

3 I R I G ~ 0 G B G G ~0 R G R Bild 2 Zur Bestimmung des Arbeitspunkts nter der Voraussetzung, dass ein vernachlässigbar kleiner Gatestrom I G fließt, erhält man die Maschengleichungen B = + (R + R ) I (1) = + R I 0 (2) G G = a im ättigungsbereich der trom I entsprechend der teuerkennlinie gemäß I K = Kennliniengleichung für den ättigungsbereich (3) 2 2 (G ) nur von G und den FET-Konstanten K und abhängt, folgt aus (2) und (3) I 2 ( 1 K R 1 2 K R )/ K R = (4) und weiter nach (1) B = (R + R ) I (5) wodurch der Arbeitspunkt festgelegt ist. Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, dass G < 0 gilt, wodurch die Annahme I G = 0 nachträglich gerechtfertigt ist. Ferner muss für die Betriebsspannung B > R I (6) gelten, damit der FET wirklich im ättigungsbereich arbeitet. Aus der ngleichung (6) kann ein maximaler Widerstand R + B max = (7) I definiert werden. 3

4 ie Auswertung von (4) kann auch auf graphischem Weg erfolgen. er Arbeitspunkt ergibt sich als chnittpunkt der teuerkennlinie mit einer der Gleichung (2) entsprechenden Geraden, s. Bild 3. G + I = K 2 2 R I = 0 teuerkennlinie A I G Bild 3 Graphische Bestimmung des Arbeitspunkts iese einfache Methode der Arbeitspunkteinstellung ist nur bei selbstleitenden FET möglich. 1.3 Verstärkerwirkung Bei der Betrachtung des Wechselstromverhaltens der Verstärkerschaltung von Bild 1 kann man davon ausgehen, dass in dem interessierenden Frequenzbereich die Kondensatoren C 1, C 2 und C sowie die Betriebsspannungsquelle für Wechselstrom als Kurzschlüsse anzusehen sind. Berücksichtigt man noch, dass i.a. der Widerstand R G sehr groß und daher zu vernachlässigen ist, ergibt sich folgendes Wechselstromersatzschaltbild 4

5 I d I g = 0 "R i " R R L 2 = ds 1 = gs Bild 4 Wechselstromersatzschaltbild Für den rainwechselstrom ergibt sich die Beziehung 1 1 I = + d ds (8) R R L Andererseits folgt aus di i i = du G + du (9) u G u mit den im Versuch Transistorkennlinien angegebenen efinitionen der Kleinsignalparameter I d 1 = gs + ds (10) R i Aus (8) und (10) erhält man für das als (pannungs-)verstärkung bezeichnete Verhältnis v 2 ds = = = R p (11) 1 gs wobei R p die arallelschaltung von R i, R und R L ist. as negative Vorzeichen bedeutet, dass zwischen 1 und 2 eine hasenverschiebung von ϕ= π besteht. Gleichung (11) gilt nur unter den oben gemachten Voraussetzungen und nur für mittlere Frequenzen. Für f 0 und f geht die Verstärkung auf null zurück und die hasenverschiebung nimmt von π abweichende Werte an. ie rsache für diesen sog. Frequenzgang sind bei niedrigen Frequenzen die Koppelkondensatoren C 1 und C 2, bei hohen Frequenzen verschiedene parasitäre Kapazitäten der chaltung und 5

6 des FET sowie die Frequenzabhängigkeit der teilheit. Eine ausführliche Behandlung dieser Fragen sowie anderer chaltungstechniken und aktiver Elemente für Verstärkungsanwendungen finden sich z.b. im nachfolgend angegebenen chrifttum. 2 Weiterführende Literatur [1] nger, Hans-Georg; chultz, Walter; Weinhausen Günter: Elektronische Bauelemente und Netzwerke I Vieweg-Verlag Braunschweig Fachbereichsbibliothek: ELT 510/033 [2] Tietze, lrich; chenk, Christoph: Halbleiter-chaltungstechnik pringer-verlag Berlin, Heidelberg, New York Fachbereichsbibliothek: ELT 530/001 [3] evin, Leonce: Field-Effect Transistors McGraw Hill New York Fachbereichsbibliothek: ELT 530/081 3 Fragen und Aufgaben Nachstehende Fragen und Aufgaben dienen Ihrer elbstkontrolle. Falls ie ohne Zuhilfenahme des ersten Abschnitts (Es werden auch einige Kenntnisse aus dem Versuch Transistor-Kennlinien benötigt.) die Lösung nicht finden können, sollten ie die betreffenden Kapitel nochmals durcharbeiten. Aufgaben, auf die im Folgenden vierten Abschnitt Bezug genommen wird, werden zur Auswertung der Versuchsergebnisse benötigt und sollten daher in jedem Fall vorher gelöst werden, damit die für die Messungen zur Verfügung stehende Zeit nicht unnötigerweise geschmälert wird. 1. Erklären ie die Begriffe Arbeitspunkt, Arbeitsgerade, Ausgangskennlinienfeld, teuerkennlinie, ättigungsbereich! 2. Geben ie die efinitionen der Kleinsignalparameter (teilheit, Innenwiderstand R i und urchgriff ) an! 3. Wie lautet die Kennliniengleichung eines FET für den ättigungsbereich? Welcher Wert ergibt sich hieraus für R i? Geben ie die teilheit als Funktion von, I und R an! 4. kizzieren ie die behandelte Verstärkerschaltung und erklären ie die Funktion der einzelnen Elemente! 6

7 5. ie Ausgangsspannung des Verstärkers sei 2 = 20 (Bild 5). I 1 V 1 R e 2 = 20 Bild 5 Verstärker ohne Vorwiderstand R Nun wird zwischen die Eingangsspannungsquelle, deren Innenwiderstand null sei, und den Verstärkereingang der Widerstand R in erie geschaltet (Bild 6). I 1R R V 1 1R R e 2 = 2R Bild 6 Verstärker mit Vorwiderstand R Hierdurch sinkt die Ausgangsspannung auf den Wert 2 = 2R. Geben ie den Eingangswiderstand R e = 1 /I 1 = 1R /I 1R des Verstärkers als Funktion von 20, 2R und R an! 6. Zur Bestimmung des Innenwiderstands R i und des Ausgangswiderstands R = R R werden zwei Messungen durchgeführt. a i er Ausgang des Verstärkers wird mit dem Widerstand R L belastet und die pannung 2 = 2L gemessen. Wird der Ausgang des Verstärkers nicht belastet (R L ), so kann die pannung 2 = 2 gemessen werden. Bestimmen ie den Innenwiderstand Verstärkers! R i als Funktion von 2L, 2 und R L des Lösungshinweis: Betrachten ie das Wechselstromersatzschaltbild nach Bild 4 und Gleichung (10)! 7

8 4 Versuchsanleitung 4.1 Hinweise zu den Geräten as Millivoltmeter GL 163 wird abwechselnd zur Effektivwertmessung von Ein- und Ausgangsspannung verwendet. Hierfür steht ein abgeschirmter mschalter zur Verfügung. er Oszillograph GL 177 erlaubt die Überwachung der ignale bezüglich inusform und Freiheit von törungen. Er wird an den Ausgang des Instruments GL 163 angeschlossen. Als Betriebsspannungsquelle dient das Netzgerät GL 112. ie Ausgangsspannung wird auf B = 25V und der maximale Ausgangsstrom auf ca. 10mA eingestellt. ie sinusförmige Eingangsspannung wird vom Generator GL 143 geliefert. Falls nicht anders angegeben, soll stets 1 = 10mV und f = 1kHz sein. 4.2 Arbeitspunkteinstellung Bauen ie die chaltung nach Bild 2 auf mit R G = 1MΩ und R = 1kΩ und messen ie mit einem anstelle des Widerstands R eingesetzten trommessers den rainstrom I ie Abschnürspannung des FET beträgt = -4V. Berechnen ie die teilheit mit der nach Aufgabe 3 ermittelten Formel! Überzeugen ie sich, dass I ungefähr konstant bleibt, solange B > ist! Wie groß darf der Widerstand R höchstens gewählt werden, damit der FET im ättigungsbereich bleibt? Führen ie nun die gleichen Messungen und Überlegungen für R = 2,4kΩ durch! Tabelle 1 R /kω I /ma /m R max /kω 1 2,4 8

9 4.3 Kleinsignalverstärkung Bauen ie nun die vollständige Verstärkerschaltung nach Bild 1 auf, wobei C 1 = C 2 = 100nF, C = 100uF, R G = 1MΩ ist und die Werte von R, R und R L in kω der folgenden Tabelle zu entnehmen sind! Bestimmen ie jeweils die Verstärkung durch Messen der Ausgangsspannung 2 für die Eingangsspannung 1 = 10mV. Tabelle 2 R /kω R /kω R L /kω 2 /mv v(mess.) 1 1 2,4 2,4 2,4 2, Impedanzmessungen Bestimmen ie aus den in den beiden letzten Zeilen der obigen Tabelle gemessenen Werten von 2 die Widerstände R i und R a gemäß Aufgabe 6! R i = kω R a = kω Führen ie die in Aufgabe 5 beschriebene Messung des Eingangswiderstands R e durch (R = 500kΩ, R L = 12kΩ, R = 12kΩ, R = 2,4kΩ)! R e = kω 4.5 Amplitudengang Bestimmen ie bei den in der folgenden Tabelle angegebenen Frequenzen f die Verstärkung v der Verstärkerschaltung (ohne den Widerstand R) für R L = 12kΩ, R = 12kΩ und R = 2,4kΩ! 9

10 Tabelle 3 f/hz k 2 /mv v f/khz /mv v Zeichnen ie den Amplitudengang in das vorgegebene iagramm auf der nächsten eite ein! 10

11 iagramm V f Hz