Bis jetzt: 2-polige, passive Bauelemente (Widerstand, Kondensator, Drossel)

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1 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien lektronische Messgeräte im lektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Sensorik PID-egler Lock-In-Verstärker Phase-Locked Loop Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der lektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite

2 Transistor Bis jetzt: -polige, passive Bauelemente (Widerstand, Kondensator, Drossel) Wichtigstes aktives Bauelement: Transistor Grundlage für alle integrierten Schaltkreise Anwendung in Verstärkern Anwendung als (elektronisch gesteuerter) Schalter Zwei grundsätzliche Typen: Feldeffekttransistor und Bipolartransistor Was heißt aktives Bauelement? Bauelement kann "verstärken" Ausgangssignal mit mehr Leistung als ingangssignal zusätzliche Leistung kommt von externer Quelle (Spannungsversorgung) C B z.b. BC548C BS70 Seite

3 Diode Kurzer inschub: Diode Anode Kathode Schwellenspannung bei Si pn-dioden: ( ) V Merke: "In Durchlassrichtung fallen an einer Si pn-diode immer ca. 0.7 V ab." Seite 3

4 MOSFT Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-ffekt-Transistor: z. B. BS Gehäuse TO-9 MOSFT = unipolarer Transistor (nur lektronen oder Löcher tragen den Strom) Seite 4

5 Transistor Wieder zurück zum (Bipolar-)Transistor... B C d << L D C B B C C B Seite 5

6 Transistor Kennlinienfelder eines Bipolartransistors (z.b. BC07): Seite 6

7 Transistor Kennlinienfelder eines Bipolartransistors (z.b. BC07): Sättigungsbereich: I C ~ C schaltbarer ohmscher Widerstand ~ h fe ( C ) ca dc Verstärkungsbereich: I C ~ I B und dic Kollektor sieht aus wie eine Konstantstromquelle (mit Parameter I B ) B 0.7 V (falls I B > 0) Seite 7

8 Transistor-Grundschaltungen mitter-folger: falls in > 0.7 V B 0.7 V const. = in - B = in V _cc Spannungsverstärkung: Wo ist jetzt hier der Verstärker? G in _in B C _ I I B I I C in I I B h fe I B in (h ) ingangsimpedanz: Z in = (h fe + ) fe Impedanzwandler zusätzlicher Strom I C = h fe I B kommt aus der Versorgungsspannung CC Seite 8

9 Transistor-Grundschaltungen Common-mitter-Verstärker: _cc für in > B 0.7 V: B C _C I C h I F B CC h F I C C in B CC B h F C B ( in B ) _in _B _ Spannungsverstärkung G in h F C B Spannungsverstärker Probleme: Abschneiden von in < 0.7 V, h F unterliegt starken Schwankungen (mit C, T und Produktion) Seite 9

10 Transistor-Grundschaltungen Common-mitter-Verstärker (verbessert): _cc _in C _C C C B. C bildet Hochpass, d.h. B CC in,ac wichtig: B > B 0.7 V B. uhestrom: IC I 3. C so gewählt, dass C = CC -I C C = CC / C C CIC 4. C bildet Hochpass, d.h. = C (ohne DC) B B C, AC in, AC G Seite 0

11 Transistor-Grundschaltungen Common-mitter-Verstärker: Cut-off-Frequenz des ingangshochpass? _cc _C C _in C B C _ i d di _ ( hfe ) Impedanzwandler! d di mitter-folger: B C _cc _in _ Z in = (h fe + ) Seite

12 Seite _in _ B C _cc _C C _ C Transistor-Grundschaltungen Common-mitter-Verstärker: Cut-off-Frequenz des ingangshochpass? ( ) fe h Hochpass db fe Hochpass C f h 3 ) (

13 rdschleife (Ground loop) rdpotential kann Störungen enthalten (ortsabhängig) esultat: gemessenes Signal enthält 50 Hz + höhere Harmonische + F (radio frequency) + Spikes + "Frequenzmüll" Seite 3

14 rdschleife (Ground loop) Vermeidung von rdschleifen: - rdung nur an einem Punkt + Verwendung eines Differenzverstärkers Seite 4

15 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker: _CC _C _C _ G = _ A _ I_0 _ Seite 5

16 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker: _CC rsetze und durch I I _C _C _ Gleichtaktspannung (common mode): Gegentaktspannung (differential mode): CM diff A Ströme: CM I, diff, 0.7V CM A diff I_0 _ Voraussetzung: Transistor im Verstärkungsbereich Basisstrom vernachlässigbar (I B << I C ) CM diff 0.7V Strombalance im Punkt A: I I I0 A Seite 6

17 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker: _CC I I C _C liminieren von A und einsetzen: I I 0 diff Ausgangsspannung: CC C I I C 0 CC C diff _ A _ Gegentaktverstärkung: G diff diff C I_0 Gleichtaktverstärkung: G CM CM 0 _ Gleichtaktunterdrückung: CM (common mode rejection ratio) G G diff CM Seite 7

18 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker (vereinfacht): _CC Was ist G diff und G CM und CM? I I _C _C _ Konstantstromquelle durch (großen) Widerstand ersetzt A Ströme: Basisstrom wird vernachlässigt (I B << I C ) I,, 0.7V A diff CM 0.7V A A I0 Strombalance im Punkt A: I I I0 Seite 8

19 Transistor-Grundschaltungen Differenzverstärker (vereinfacht): _CC I I _C _C _ Ausgangsspannung: C CC 0.7V C C CM.4V C diff _ A _ Gegentaktverstärkung: G diff diff C _ Gleichtaktverstärkung: G CM CM C _ Gleichtaktunterdrückung: (common mode rejection ratio) CM G G diff CM Seite 9

20 Operationsverstärker _CC Seite 0

21 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien lektronische Messgeräte im lektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Sensorik PID-egler Lock-In-Verstärker Phase-Locked Loop Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der lektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite

22 Operationsverstärker Standardtypen: LF4 (JFT), LM74 (bipolar) Seite

23 Operationsverstärker Idealer Operationsverstärker:. ingangsimpedanz unendlich: i, = i, =. Ausgangsimpedanz null: i, = 0 i, 0 V 0 V i, 3. Verstärkung unendlich: V = i, V ( ) NB: < < CC Seite 3

24 Operationsverstärker: Komparator +5 V _CC 0 V V CC falls falls Seite 4

25 Operationsverstärker: Gegenkopplung f( ) - in + Gegenkopplung (negative ückkopplung): Teil des Ausgangs (= f( )) zurück an den invertierenden ingang wirkt der Verstärkung entgegen Verstärkercharakteristik nur von ückkopplung abhängig (bei ausreichend starker ückkopplung) Seite 5

26 Operationsverstärker: Gegenkopplung f( ) - in + V [ ideal OpAmp: ] V [ f( )] in 0 f ( in ) Seite 6

27 Operationsverstärker: Gegenkopplung I - = 0 in - + V [ ideal OpAmp: ] V [ f f( )] in ( in ) 0 Beispiel: Spannungsteiler f( ) f ( in ) in Seite 7

28 Operationsverstärker: Gegenkopplung Goldene egeln für ideale Operationsverstärker mit Gegenkopplung. Der Ausgang wird stets versuchen eine Spannung auszugeben, so dass die Differenz der ingangsspannung null ist, d. h. = - = 0. In die ingänge + und - fließt kein Strom, d. h. I = I = 0 Seite 8

29 Invertierender Verstärker _in - + _ Spannung am invertierenden ingang: mit Goldener egel in ( in ) Goldene egel 0 d. h. 0 Ausgangsspannung: in Seite 9

30 Spannungsfolger (Impedanzwandler) I - = 0 in - + in in Idealer Operationsverstärker: ingangsimpedanz unendlich: i,+ = i,- = Ausgangsimpedanz null: i, = 0 Seite 30

31 Impedanzwandler: Anwendung I DT I Mess DT I L L Koaxialkabel Isolationswiderstand eines Koaxialkabels: L >> G wenn DT L I Mess = I DT + I L Seite 3

32 Spannungsfolger (Impedanzwandler) Guard = in I DT Triaxialkabel I Mess in L = 0 L DT I L L Triaxialkabel: Signalleitung + innerer Schirm (Guard) + äußerer Schirm (Masse) L in 0 I L 0 I Mess I L kommt aus OpAmp-Ausgang (niedrige Ausgangsimpedanz) I DT Seite 3

33 Operationsverstärker: Frequenzgang OpAmp sind mehrstufige Verstärker Beispiel: LF4. Differenzverstärker. Verstärkerstufe 3. ndstufe jede Stufe zeigt Tiefpass-Verhalten mit verschiedenen Grenzfrequenzen.. 3. Seite 33

34 Operationsverstärker: Frequenzgang f 80 bei f = f 80 : Gegenkopplung Mitkopplung falls gleichzeitig gesamte Verstärkung g > Schwingung mit f = f 80 Lösung: z.b. (universelle) Frequenzgangkorrektur (Tiefpassfilter), so dass g < für f = f 80 (Nachteil: slew rate erniedrigt) Seite 34

35 Operationsverstärker: Datenblatt Seite 35

36 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien lektronische Messgeräte im lektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Aktive Filter Sensorik PID-egler Lock-In-Verstärker Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der lektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite 36

37 Aktive Filter zunächst: passiver Tiefpassfilter. Ordnung (Wiederholung) _in L C _ A( ) A 0, A0 ia a in ic LC C, b b LC 0 Dämpfung Z a 0-0 Dämpfung: 40 db/dekade 3 Parameter: A0 Verstärkung -30 a, b Grenzfrequenz, Welligkeit Dämpfung Z (db) Frequenz f (Hz) Seite 37

38 Aktive Filter Allgemein gilt für ein Filter n. Ordnung: A 0 A( ) n ic (i) c... (i) c ( ia n b A 0 )( ia b )... Filtertypen mit optimiertem Frequenzgang 4. Ordnung Tiefpass mit kritischer Dämpfung kein Überschwingen Bessel-Tiefpass optimierte echteckübertragung Butterworth-Tiefpass (fast) keine Dämpfung vor f g 0. Ordnung Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik,. Auflage, S. 87 Tschebyscheff-Tiefpass mit 3 db Welligkeit steiles Abschneiden hinter f g Koeffizienten: siehe Tabellenwerke Seite 38

39 Aktive Filter Allgemein gilt für ein Filter n. Ordnung: A 0 A( ) n ic (i) c... (i) c ( ia n b A 0 )( ia b )... Filtertypen mit optimiertem Frequenzgang 4. Ordnung Tiefpass mit kritischer Dämpfung kein Überschwingen Bessel-Tiefpass optimierte echteckübertragung Butterworth-Tiefpass (fast) keine Dämpfung vor f g Tschebyscheff-Tiefpass mit 0.5 db Welligk. Tschebyscheff-Tiefpass mit 3 db Welligkeit steiles Abschneiden hinter f g Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik,. Auflage, S. 87 Seite 39

40 Aktive Filter Aktiver Tiefpassfilter. Ordnung als wichtiger Grundbaustein: _in 3 C C - + _ ealisierung von Filtern höherer Ordnung: Hintereinanderschaltung von aktiven Filtern. Ordnung (kein Impedanzproblem durch niederohmigen OPV-Ausgang) A( ) in ic 3 3 CC 3 A0 ia b Seite 40