Mathias Arbeiter 28. April 2006 Betreuer: Herr Bojarski. Transistor. Eigenschaften einstufiger Transistor-Grundschaltungen

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1 Mathias Arbeiter 28. April 2006 Betreuer: Herr Bojarski Transistor Eigenschaften einstufiger Transistor-Grundschaltungen

2 Inhaltsverzeichnis 1 Transistorverstärker - Bipolar Dimensionierung / Einstellung des Arbeitspunktes Überprüfung Betriebsparameter des Bipolar-Transistors als Verstärker Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Verstärkungen in Abhängigkeit vom Lastwiderstand Grenzfrequenzen des Verstärkers Durchführung Messwerte FET als Verstärker Betriebsparameter Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Verstärkungen Vergleich mit bipolarem Transistor als Verstärker FET als Analogschalter Analogschalter in Parallelbetrieb Schaltverhalten Dämpfung Übertragungsverhältnis Schaltzeit Analogschalter in Serienbetrieb Dämpfung Übertragungsverhältnis Schaltzeit

3 1 Transistorverstärker - Bipolar 1.1 Dimensionierung / Einstellung des Arbeitspunktes Abbildung 1: RC-Transistorverstärker in Emitterschaltung Um den optimalen Arbeitspunkt des Transistors einzustellen, müssen die Widerstände im Vorfeld berechnet werden. Die Spannung U CE werden: die am Transmitter vom Kollektor zum Emitter abfällt, kann dabei vorgegeben U CE = 5V Anhand des Kennlinienbildes (siehe Anhang) können folgende Parameter abgelesen werden: I B = 53.4µA U BE = 650mV (Spannung die zwischen Basis und Emitter abfällt) I C = 5.9mA (Kollektor-Strom) h 21 = 96 (Stromverstärkung) h 11 = 520Ω (Eingangswiderstand des Transistors) h 22 = 0.28mS (Ausgangsleitwert des Transistors) Mit Hilfe der Maschen- und Knotenregeln lassen sich nun die Widerstände berechnen. Sie ergeben sich zu: R 1 = 33.1kΩ R 2 = 5.38kΩ R E = 84Ω R C = 0.76kΩ

4 Die Kondensatoren sind nicht variabel und besitzen folgende Kapazitäten: C K1 = C K2 = 22µF C E = 47µF Überprüfung Schaltung gemäß Abb. 1 aufbauen es ist jedoch nicht nötig eine Wechselspannung als Eingangssignal einzuspeisen ebenso ist der Kondensator C K2 nicht für die Bestimmung des Arbeitspunktes erforderlich zu Beginn muss mit Hilfe eines Multimeters ermittelt werden, welcher Widerstand zu welcher Bezeichnung gehört U CE und I C werden anschließend gemessen sollten die experimentell ermittelten Werte von den theoretisch berechneten Werten abweichen, so kann durch leichte Variation der Widerstände und der Betriebsspannung Übereinstimmung gefunden werden die Betriebsspannung wird dabei so gewählt dass U B = 2 U CE gilt experimentell bestimmt: I C = 5.50mA theoretisch berechnet: U CE = 5.33V I C = 5.9mA U CE = 5.0V Nach geringfügiger Manipulation am Widerstand R 1 und der Betriebsspannung konnten folgende Messwerte aufgenommen werden: I C = 5.93 U CE = 4.98V Der optimale Arbeitspunkt des Transistors wurde somit begonnen.

5 1.2 Betriebsparameter des Bipolar-Transistors als Verstärker Schaltung gemäß 1 aufbauen eine Wechselspannung wird nun eingespeist das Ausgangssignal wird am Oszilloskopen angezeigt der Kondensator C K2 muss natürlich mit einbezogen werden das verstärkte Signal darf 10 V natürlich nicht überschreiten dazu muss die Dämpfung am Frequenzgenerator eingeschaltet werden, da das Ausgangssignal sonst zu groß wird Ein- und Ausgangssignal können mithilfe des Oszilloskopen gemessen werden und daraus die Verstärkung bestimmt werden der Eingangs- und Ausgangswiderstand des Transistors wird mithilfe der U/2-Methode bestimmt (siehe dazu Abschn und Abschn Eingangswiderstand Der Eingangswiderstand des Transistors lässt sich sehr einfach messen, indem ein Widerstand vor dem Transistor in Reihe geschaltet wird (vor der Basis des Transistors). Ohne Vorwiderstand würde die Ausgangsspannung über den Transistor abfallen. Wird ein Vorwiderstand in Reihe dazugeschaltet, so verringert sich die Ausgangsspannung. Wird der Vorwiderstand derart eingestellt, dass nur noch die Hälfte der ursprünglichen Ausgangsspannung gemessen wird, so ist der Vorwiderstand gleich dem Eingangswiderstand des Transistors. Es ergibt sich ein Eingangswiderstand: R e = 600Ω Man beachte, dass im Aufbau der Schaltung kein Verbraucher (Lastwiderstand) vorkommt. Da der Lastwiderstand parallel zum Transistor geschaltet wird, entspricht solch eine Schaltung einem Lastwiderstand von Ausgangswiderstand Die Messung des Ausgangswiderstandes erfolgt analog wie in Abschn , nur dass nun kein Widerstand vor dem Transistor, sondern logischerweise hinter dem Transistor. Dieser Widerstand wird auch als Lastwiderstand bezeichnet. Halbiert sich die Ausgangsspannung bei entsprechendem Lastwiderstand so gilt abermals: Lastwiderstand = Ausgangswiderstand des Transistors. Es ergibt sich ein Ausgangswiderstand des Transistors: R a = 740Ω

6 1.2.3 Verstärkungen in Abhängigkeit vom Lastwiderstand der Lastwiderstand wird nun variiert die Eingangsspannung wird für alle Lastwiderstände konstant gehalten anhand der Eingangsspannung und Ausgangsspannung kann die Verstärkung bestimmt werden es zeigte sich, dass der Eingangswiderstand des Transistors nicht konstant war, sondern leicht vom gewählten Lastwiderstand abhing mithilfe der Halbierungsmethode konnte der Eingangswiderstand R e jedoch für jeden Lastwiderstand bestimmt werden Die konstante Eingangsspannung betrug: U a = 59.37mV Die Spannungsverstärkung kann direkt aus den Messwerten berechnet werden. Die Stromverstärkung ergibt sich zu Die Leistungsverstärkung ergibt sich zu V I = I a I e = U a R a U e R e V P = P a P e = U a I a U e I e R L R e U a I a in ma I e in µa V U = U a U e V I V P

7 Abbildung 2: Verstärkung des Transistors in Abhängigkeit vom Lastwiderstand In Abb. 2 ist deutlich zu sehen, dass die Spannungsverstärkung mit zunehmendem Lastwiderstand abfällt, während die Stromverstärkung anwächst. Die Leistungsverstärkung bleibt dagegen weitgehend konstant und unbeeinflusst vom Lastwiderstand. Lediglich bei einem Lastwiderstand der 1 10 des Ausgangswiderstands des Transistors betrug, wich die Leistungsverstärkung von den anderen Werte ab. Möglicherweise arbeitet der Transistor nicht optimal, wenn der Lastwiderstand wesentlich kleiner ist, als der Ausgangswiderstand des Transistors. 1.3 Grenzfrequenzen des Verstärkers Durchführung die Phase zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal muss mithilfe des Oszilloskopen bestimmt werden evtl. muss eines der beiden Signale invertiert werden die untere Grenzfrequenz ist erreicht, wenn die Phasenverschiebung 45 beträgt die obere Grenzfrequenz ist erreicht, wenn die Phasenverschiebung +45 beträgt Messwerte obere Grenzfrequenz (bei Phase von+45) untere Grenzfrequenz (bei Phase von -45) f go = 755kHz f gu = 140Hz

8 2 FET als Verstärker Um das Kleinsignalverhalten eines FET-Verstärkers zu untersuchen wurde ein Schaltung gemäß Abb. 3 aufgebaut. 2.1 Betriebsparameter Eingangswiderstand FET-Transistoren haben die Eigenschafte einen Eingangswiderstand von zu besitzen! Der PARALLEL vorgeschaltete Widerstand R V = 1MΩ kann somit als Gesamt-Eingangswiderstand aufgefasst werden. R V = R e = ( 1 1MΩ + 1 ) 1 = 1MΩ R e = 1MΩ Abbildung 3: FET-Transistor in Source-Schaltung Ausgangswiderstand R a, der Ausgangswiderstand des Transistors wird abermals über die U/2-Methode bestimmt, indem ein Lastwiderstand in den Schaltkreis gebracht wird. R a = 8900Ω

9 2.1.3 Verstärkungen Ausgangsspannung: U a = Eingangsspannung: U e = 65.6mV I a = U a R a = 58.2µA I e = U e R e = 0.065µA V U = 7.9 V I = 895 V P = Vergleich mit bipolarem Transistor als Verstärker Die Leistungsverstärkung ist 3 mal so groß wie beim bipolaren Transistor. Dies liegt vor allem an der im Vergleich zum bipolaren Transistor sehr starken Stromverstärkung, die ungefähr 20-mal größer ist beim FET und vom großen Eingangswiderstand herrührt. 3 FET als Analogschalter 3.1 Analogschalter in Parallelbetrieb Schaltverhalten Abbildung 4: FET als Analogschalter in Parallelbetrieb

10 Um das Schaltverhalten eines FET in Parallelbetrieb zu untersuchen, wurde eine Schaltung gemäß Abb. 4 aufgebaut. Als Eingangsspannung wurde eine Sinusspannung eingespeist, während die Steuerspannung eine Rechteckspannung darstellt, die mit dem Frequenzgenerator generiert wurde. (die Dämpfung des Frequenzgenerator muss nun deaktiviert werden!) Ist die Sinusfrequenz erheblich kleiner als die Rechteckfrequenz so ergibt sich z.b. folgende Modulation in Abb. 5. Abbildung 5: FET - Parallelbetrieb - oben: Steuerspannung unten: Ausgangsspannung Die Frequenzen wurden ermittelt zu: f rechteck = 1800Hz f sinus = 44Hz Wird die Frequenz der Rechteckspannung der Sinusspannung angeglichen so ergibt sich ein Bild, wie in Abb. 6 dargestellt.

11 Abbildung 6: Schaltverhalten in Parallelbetrieb Deutlich zu sehen ist, wie im Takt der Rechteckspannung die Sinusspannung an- und abgeschaltet wird. Nur während einer Halbperiode der Rechteckspannung wird eine Ausgangsspannung gemessen Dämpfung Wird die Frequenz der Sinusspannung auf ein Vielfaches der Frequenz der Rechteckspannung eingestellt ergibt sich ein Bild, wie in Abb. 7 dargestellt. Abbildung 7: Schaltverhalten in Parallelbetrieb - Dämpfungscharakter In Abb. 7 ist ebenfalls zu sehen, dass die Ausgangsspannung nicht auf konstant Null abfällt, während des Ausschaltvorganges, sondern noch kleine Restbeträge übrig bleiben.

12 Die Dämpfung kann angegeben werden als Quotient aus der Peak-to-Peak-Spannungsmessung des Ausgangssignal während geöffnetem Schalter und dem geschlossenem Schalter. Spannung U offen während des geöffneten Schalters: U offen = 3.03V Spannung U zu während des geschlossenen Schalters: U zu = 187mV Es ergibt sich eine Dämpfung: U zu = 187mV U offen 3.03V = Die Ausgangsspannung wird während des geschlossenen Schalters auf max. 6% der Ausgangsspannung im offenen Schaltbetrieb gedämpft! Übertragungsverhältnis Das Übertragungsverhältnis V Ueber ergibt sich aus der sinusförmigen Eingangsspannung und dem (natürlich ebenfalls sinusförmigen) Ausgangssignal. V Ueber = U a U e Schaltzeit In Abb. 7 ist bereits schwach zu sehen, dass die Ausgangsspannung nicht sofort auf Null abfällt, wenn die Rechteckspannung den Punkt erreicht, an dem der Schalter schließt, sondern, dass der FET-Analogschalter eine gewisse Zeit benötigt. Diese Zeit wird als Schaltzeit bezeichnet. Abbildung 8: Schaltverhalten in Parallelbetrieb - Schaltzeit

13 In Abb. 8 wurde der Schaltvorgang zeitlich detaillierter abgebildet. Mit Hilfe der Cursorfunktionen konnte nun die zeitliche Differenz zwischen dem Abschalten des Schalters und dem Punkt, an dem die Ausgangsspannung auf Null abfällt, gemessen werden. Es ergibt sich eine Schaltzeit von: t parallel = 11.10µs 3.2 Analogschalter in Serienbetrieb Abbildung 9: FET als Analogschalter in Serienbetrieb Um das Schaltverhalten eines FET in Serienbetrieb zu untersuchen, wurde eine Schaltung gemäß Abb. 9 aufgebaut. Die Durchführung ist analog wie beim FET-Analogschalter in Parallelebetrieb Dämpfung Spannung U offen während des geöffneten Schalters: U offen = 1.437V Spannung U zu während des geschlossenen Schalters: U zu = 120mV Es ergibt sich eine Dämpfung: U zu = 120mV U offen 1.437V = 8.4% Die Ausgangsspannung wird während des geschlossenen Schalters auf 8.4% der Ausgangsspannung im offenen Schaltbetrieb gedämpft!

14 3.2.2 Übertragungsverhältnis Ausgangsspannung: Eingangsspannung: U a = 1.437V U e = 3.06V U a U e Schaltzeit Abbildung 10: Schaltverhalten in Serienbetrieb - Schaltzeit t serie = 5.6µs