15. Übung Grundlagen der analogen Schaltungstechnik Die Letzte leider!

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1 15. Übung Grundlagen der analogen Schaltungstechnik Die Letzte leider! 1

2 Na, wie sieht es aus mit Eurem Schaltungsblick? Schade, das spart Rechenarbeit, aber Sie müssen sich natürlich sicher sein. 2

3 Aufgabe (Klausur WS07/08: 40 min, 22 Punkte) - die Killeraufgabe, aber warum? Bootstrapschaltung und Kleinsignal-Transistormodell Gegeben ist die in der Abbildung gezeigte Bootstrapschaltung. Für den Transistor gelte im Arbeitspunkt: B=180, U BE (Q1)=0,7V I C (Q1)=10mA, U CE (Q1)=2,5V, V CC =5V. Der Transistor habe die Earlyspannung V A =74V. Die DC-Arbeitspunktspannung über R 3 sei 0,5V (Richtung von I B, d.h. von R2 zur Basis). a) Ermitteln Sie die Dimensionierung der Widerstände R 1, R 2, R 3, R E und zeichnen Sie dazu das Arbeitspunktersatzschaltbild und tragen Schritt für Schritt die sich ergebenden Spannungen und Ströme ein. Sie benötigen eine zusätzliche Heuristik - welche? Anhaltspunkt für die Größenordnungen 3

4 Arbeitspunkteinstellung 4R-Schaltung (Standard) 4-R-AP-Schaltung: 2 Freiheitsgrade, wenn AP festgelegt ist Querstromheuristik: 10I BA = I q = I R2 Halbe Speisespannung: V c = Vcc/2 (V C =Kollektorpotential) 1/3-Heuristik: U RC =U CE =U RE = Vcc/3, oft nur für eine Größe U RE -Heuristik VCC 0.7V VE URE 10 4

5 Aufgabe (Klausur WS07/08: 40 min, 22 Punkte) - die Killeraufgabe b) Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild und berechnen Sie den Eingangswiderstand sowie die Spannungsverstärkung im Nutzfrequenzbereich. Benutzen Sie bei der Analyse unbedingt Vereinfachungen, d.h. Zusammenschaltungen von Widerständen durch ihren Ersatzwiderstand. Hinweis: Verwenden Sie unbedingt das nebenstehende Kleinsignalersatzschaltbild und rechnen Sie nicht mit stromgesteuerter Stromquelle ß! c) Welche Spannungsverstärkung ergibt sich für unendliche Verstärkung des Transistors? d) Welcher Unterschied ergibt sich für den Eingangswiderstand im Vergleich mit einer Kollektorschaltung (Hinweis: Basisspannungsteiler)? 5

6 Aufgabe (Klausur WS07/08: 40 min, 22 Punkte) - die Killeraufgabe Eine symbolische Analyse der Schaltung aus der PSpice-Simulation des Eingangswiderstandes Z ein ergab die approximierte Formel: g m r BE R 3 R E 1 + C 2 R 1 s Z ein = g m r BE R E + C 2 R 1 R 3 s 6

7 Aufgabe (Klausur WS07/08: 40 min, 22 Punkte) - die Killeraufgabe Erklären Sie das Verhalten qualitativ, indem Sie eine Betrachtung für f = 0 (Koppelkapazität C 1 kann als Kurzschluss gesehen werden) und f gegen unendlich durchführen. Bitte keine großen Analysen durchführen, nur kurz die Ergebnisse anhand von Größenordnungen nachvollziehen (falls Sie die Dimensionierungsaufgabe nicht gelöst haben, benutzen Sie die in a) angegebenen Größenordnungen). Die Grenzfrequenzen brauchen Sie dabei nicht zu betrachten oder zu erklären: 1.) Für f vergleichen Sie die Näherung mit Ihrem Ergebnis aus Aufgabenteil b). 2.) Wie erklärt sich das Ergebnis für f = 0? Zeigen bzw. erklären Sie das Ergebnis am besten mit einem kleinen Ersatzschaltbild und erklären Sie die Vernachlässigungen auch hier anhand der Größenordnung der Elemente. 7

8 Emitterschaltung RC RL v für R 0 g R R r ( 1) R BE E E m C L R r R R R sowie R R ein BE E 1 2 aus, KS C R R r R aus, LL C CE E v u v nur g m -Modell: g R R 1 g R m C L m ideal: Nullor u R C L R R E 8 E

9 Kollektorschaltung (Ergebnisse aus Seminar) BE v RE RL (1 ) r R R (1 ) BE E L 1 Rein rbe RE RL (1 ) ( R1 R2) mit R i 0 gm RE RL gm, mit Näherung 1 vu r 1 g R R m E L 9

10 Basisschaltung (ohne Quelleninnenwiderstand R i ) Transistor-ESB: R R C L v gm RC RL rbe R Berechnung ohne R 1,R 2 und R E ein rbe (1 ) 1 g m (ohne R i ) 10

11 WS 08/09 (60 min, 28 Punkte): Leitungstreiberschaltung V CC L 1 R 3 R 1 R 4 Q C 2 2 V out R L I BE (Q1) 55µA U BE (Q1) 0,706V I C (Q1) 10mA U CE (Q1) 4V I BE (Q2) -460,8µA V in C 1 C X R X Q 1 R 2 C 3 R 5 U BE (Q2) -0,851V I C (Q2) -100mA U CE (Q2) - 4V V CC 12V Zeichnen Sie den Signalweg und nennen Sie dabei, um welche Grundschaltungen es sich jeweils handelt (Basis-, Kollektor- oder Emitter-Grundschaltung)? Zeichnen Sie das Arbeitspunktersatzschaltbild und dimensionieren Sie die Schaltung mit den gegebenen Arbeitspunktwerten unter der Maßgabe, dass R 4 = R 5. Weiter seien bekannt: L 1 = 10mH und C 1 = C 2 = C 3 = C X = 100µF. Werden noch Heuristiken benötigt? Welche Bedeutung hat L 1 für die Dimensionierung? Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion v = V out /V in im Nutzfrequenzbereich unter Verwendung des Nullor-ESB. Stellen Sie R X nun so ein, dass v = 20 erreicht wird. Falls Sie b) nicht gelöst haben, nehmen Sie bitte R 1 = 500, R 2 = 300, R 3 = 60k, R 4 = R 5 = 40 an (das sind nicht die genauen Lösungen!). 11

12 SS08: 2. Aufgabe (50 min, 19 Punkte) a) Um welche Grundschaltung handelt es sich (Basis, Kollektor oder Emitter Grundschaltung)? b) Dimensionieren Sie die Schaltung mit den folgenden Arbeitspunktwerten B 170, U BE (Q1) 0,7V I C (Q1) 2mA, U CE (Q1) 5V, V CC 15V unter der Maßgabe, dass die Spannung des Kollektors auf V CC /2 liegt. Welche Heuristik wird zusätzlich benötigt? Wählen Sie diese sinnvoll. 12

13 SS08: 2. Aufgabe (50 min, 19 Punkte) c) Zeichnen Sie das vollständige Kleinsignalersatzschaltbild mit allen Kapazitäten unter Verwendung des in der Abbildung rechts gegebenen Kleinsignalersatzschaltbildes. d) Berechnen Sie die Formel für Spannungsverstärkung u aus /U ein unter der Annahme, dass alle Kapazitäten außer C BC kurzgeschlossen werden. e) Berechnen Sie die Pole und Nullstellen symbolisch und skizzieren Sie den errechneten Frequenzverlauf (kein Phasenverlauf), indem Sie die Zahlenwerte g m =73mS, C BC = 4pF und R L =1M verwenden. Falls Sie a) nicht gelöst haben, rechnen Sie mit R 1 =100k R 2 =30k R C =4k und R E =1k Bitte keine maßstäblich genauen Zeichnungen, nur die Eckwerte (Verstärkungen, Pole, Nullstellen) per Formel und entsprechendem Zahlenwert eintragen! Bitte ungefähre Grenzfrequenzen in Hz angeben. 13

14 SS10: Aufgabe (40 min, 14 Punkte [a = 8, b = 4, c = 2]) Gegeben ist die dargestellte Schaltung. Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild mit Hilfe des nebenstehenden Transistor-Ersatzschaltbildes. a. Berechnen Sie anschließend den Eingangswiderstand Rein der Schaltung für den Fall, dass beide Transistoren identisch sind (matchen). b. Nun wird am Eingang der Schaltung ein Parallelschwingkreis (rechts) angeschlossen Bestimmen Sie den Eingangswiderstand Rein der Schaltung numerisch so, dass der Schwingkreis voll entdämpft wird und die Polstellen des Resonanzkreises auf der imaginären Achse liegen (Annahme C k = h). Geben Sie die Frequenz der komplexen Polstellen numerisch an. c. Bestimmen Sie den Kollektorstrom der beiden Transistoren mit Hilfe der aus a) und b) errechneten Größen. 14

15 SS09: Aufgabe 3 (60 min, 40 Punkte [a=4, b=13, c=12, d=11]) a) Zeichnen Sie den Signalweg und nennen Sie dabei, um welche Grundschaltungen es sich jeweils handelt (Gate-, Source-, Drain-, Basis-, Kollektor- oder Emitter-Grundschaltung)? Beziehen Sie dabei die Aufgabe von R f ein - wofür dient er? b) Zeichnen Sie das Arbeitspunktersatzschaltbild und dimensionieren Sie die Schaltung mit den gegebenen Arbeitspunktwerten, wobei R 2 = 100k sei. Werden noch Heuristiken benötigt - wenn ja, wieviele? Weiter seien bekannt: C 1 =C 2 =10F und C k = 100F. 15

16 SS09: Aufgabe 3 (60 min, 40 Punkte [a=4, b=13, c=12, d=11]) c) Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion im Nutzfrequenzbereich unter Verwendung des Nullor-ESB. Nutzen Sie entsprechende Vereinfachungen - lässt sich die gewonnene Übertragungsfunktion einfach erklären (Schaltungsanalogie)? Stellen Sie R k nun so ein, dass v =10 erreicht wird. Falls Sie b) nicht gelöst haben, nehmen Sie bitte R 1 = 130k, R 2 = 100k R D = 700 R S = 300 R f = 170 an (das sind nicht die genauen Lösungen!) d) Ermitteln Sie die dynamische Übertragungsfunktion sowie Pole und Nullstellen des Verstärkers unter Verwendung des Nullor-Ersatzschaltbildes, allerdings mit C k als Kurzschluss (sonst wird es zu rechenaufwendig). Nutzen Sie die Aufbereitung und Vereinfachungen aus c), sofern möglich! 16