7 Transistor. 7.1 Einführung

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1 106 7 Transistor 7.1 Einführung Transistoren sind Halbleiterbauelemente mit drei Elektroden. Der Strom zwischen zwei dieser Elektroden kann durch einen viel kleineren Strom (bzw. eine Spannung) am dritten Anschluss gesteuert werden. Durch eine sehr kleine Leistung kann also eine relativ große Leistung beeinflusst werden. Als Grundmaterial zur Herstellung von Transistoren wird im Allgemeinen Silizium verwendet. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen werden in dem ansonsten als Halbleiter einzustufenden Stoff entweder freie Elektronen (n-dotiert) oder Löcher (p-dotiert) erzeugt. Dotiertes Halbleitermaterial ist als Leiter anzusehen und besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, dass mit steigender Temperatur der Widerstand von dotiertem Silizium geringer wird. Grundsätzlich muss zwischen zwei Transistorfamilien unterschieden werden, einerseits dem Bipolartransistor und andererseits dem Feldeffekttransistor. Beide Typen werden im Folgenden kurz beschrieben. Zu ihrem Verständnis ist es jedoch zunächst erforderlich den so genannten p-n-übergang von dotiertem Halbleitermaterial zu untersuchen. Wird p-dotiertes Silizium mit n-dotiertem Silizium wie in Abbildung 7.1 miteinander verbunden, so wandern freie (zur Bindung nicht benötigte) Elektronen aus der n-schicht in die p- Schicht und besetzen dort Löcher. Dadurch entsteht zwischen den beiden Schichten eine Spannung, die Diffusionsspannung. Sobald diese Spannung einen bestimmten Wert erreicht, reicht die Energie der Elektronen nicht mehr aus, um durch die sich bildende Verarmungsschicht (Sperrschicht) in das p-dotierte Material zu gelangen. Die Größe der Diffusionsspannung ist materialabhängig, sie beträgt bei Silizium ca. 0,7V. Legt man an einen solchen p-n-übergang eine Spannung an, so dass der Minuspol der Spannungsquelle mit der n-schicht und der Pluspol mit der p-schicht verbunden ist (siehe Abb. 7.2), wird die Verarmungsschicht kleiner, weil die Quelle die n-schicht mit Elektronen versorgt bzw. die überzähligen Elektronen aus der p-schicht absaugt. Wenn die angelegte Quellspannung größer als die Diffusionsspannung ist, dann ist die Verarmungsschicht vollständig abgebaut und es kann ein Strom fließen. Im umgekehrten Fall breitet sich die Verarmungsschicht weiter aus. Ein Abbildung 7.1: Der p-n-übergang

2 7.1 Einführung 107 Abbildung 7.2: Diode Abbildung 7.3: Feldeffekttransistor Strom kann in dieser Sperrrichtung nicht fließen, es sei denn die angelegte Spannung wird so groß, dass die extrem groß Feldstärke im p-n-übergangsbereich Elektronen aus ihre Bindung herausreißt, die dann am Leitungsmechanismus teilnehmen können. Diese Spannung nennt man Durchbruchspannung/Zenerspannung, das beschriebene Bauteil Diode/Zenerdiode. Eine normale Diode wird bei erreichen der Durchbruchspannung zerstört, die Zenerdiode ist für diesen Betriebszustand ausgelegt. Nähere Erläuterungen zum Thema Halbleiter erhalten Sie auch im Abschnitt 3 Grundlagen der Halbleitertechnik Der Feldeffekttransistor Abbildung 7.3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Selbstleitenden n-kanal Feldeffekttransistors (n Kanal JFET). Er besteht im Prinzip aus einem Kanal aus n-leitendem Material, welches an einer Stelle von p-leitendem Material umgeben ist. Dadurch entsteht an der Berührungsfläche der beiden Materialien ein p-n-übergang. Wenn eine Spannung an den Kanal angelegt wird, deren Polarität der gezeichneten entspricht, wird ein Strom zwischen Source S (Quelle) und Drain D (Senke) fließen. Der Strom I DS zwischen S und D wird bestimmt durch die ge-

3 7.1 Einführung 108 Abbildung 7.4: Kennlinien eines n-kanal Feldeffekttransistors gebene Spannung U DS und durch den Gesamtwiderstand zwischen den beiden Anschlüssen. Dieser Widerstand hängt zum einen von der Länge des Kanals und zum anderen von dessen Querschnittsfläche ab. Die p-n-verbindungen wirken wie in Sperrrichtung geschaltete Dioden. Wenn die Sperrspannung am Gate G (Gatter) erhöht wird, breitet sich der Verarmungsbereich im Kanal weiter aus. Damit wird der Widerstand zwischen S und D größer, da im Verarmungsbereich keine freien Ladungsträger existieren. Der Eingangswiderstand eines solchen Transistors ist sehr hoch (ca Ω bis Ω), weil die p n-übergänge in Sperrrichtung betrieben werden und somit theoretisch kein Strom in den Eingang hineinfließt. Wegen der sehr kleinen Gate-Ströme spricht man beim FET auch von einer leistungslosen Steuerung. Ein umgekehrter Aufbau ist ebenfalls möglich; also der Kanal aus p-leitendem und das Gate aus n-leitendem Material (p-kanal JFET), dann muss die Polarität der Spannungsquellen jedoch vertauscht werden. Außer den hier beschriebenen Transistoren gibt es weitere Typen bei denen mittels einer dünnen SiO 2 -Schicht das Gate vom Kanal isoliert ist (MOSFET). Durch diese Maßnahme steigt der Eingangswiderstand nochmals um einige Zehnerpotenzen. Außerdem lassen sich in dieser Bauweise, die nicht nur durch die Isolationsschicht von Abb. 7.3 abweicht, z.b. selbst sperrende Transistoren herstellen. Im Versuch wird der oben beschriebene JFET untersucht, auf die MOSFET-Technologie wird daher nicht weiter eingegangen. Die Abbildung 7.4 zeigt links den Verlauf der Übertragungskennlinie und rechts den Verlauf der Ausgangskennlinie. Die Übertragungskennlinie beschreibt den Drain-Strom I D in Abhängigkeit von der Gate-Spannung U GS wobei die Drain-Spannung U /DS als Parameter konstant gehalten wird. Mathematisch wird I D = f(u DS ) für U DS > U P durch die im Bild 7.4 (links) angegebene quadratische Gleichung beschrieben. Die Gatespannung, bei der der Drain-Strom gegen Null geht, wird Pinchoff- Spannung U P genannt. Man erkennt, dass für steigendes U DS der Drainstrom I D leicht ansteigt. Die Ausgangskennlinien beschreiben wiederum I D nun aber in Abhängigkeit von U DS wobei U GS als Parameter konstant gehalten wird (Abb. 7.4 (rechts)). Hier muss zwischen dem ohmschen Bereich und dem Abschnürbereich unterschieden werden. Im ersten Teil der Kurve steigt der Strom I D proportional zu U DS und zeigt das Verhalten eines ohmschen Widerstandes, dessen Größe bzw. Steigung mit U DS eingestellt werden kann. Im Abschnürbereich ist I D nahezu unabhängig von U DS. In diesem Bereich verhält sich ein FET

4 7.1 Einführung 109 wie eine Stromquelle Der Bipolartransistor Abbildung 7.5: NPN-Bipolartransistor Ein Bipolartransistor besteht aus drei Schichten Halbleitermaterial. In der Mitte befindet sich eine sehr dünne und nur schwach p- bzw. n-dotierte Schicht. Die beiden äußeren Schichten bestehen aus dazu komplementären Materialien und sind wesentlich dicker. Abbildung 7.5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines NPN-Bipolartransistors und sein zugehöriges Diodenersatzschaltbild. In der Namensgebung ist die Zonenfolge enthalten. NPN bedeutet, dass die mittlere Schicht p-dotiert ist und die beiden äußeren Schichten n-dotiert sind. Polt man die Spannungsquelle wie in Abb. 7.5, so wird der p-n-übergang zwischen dem Kollektor und der Basis in Sperrrichtung betrieben, der p-n-übergang zwischen der Basis und dem Emitter jedoch in Durchlassrichtung. Dadurch gelangen Elektronen vom Emitter in die Basis. Da die p-schicht dünn ist, gelangen die Elektronen in den Einflussbereich der positiven Spannungsschwelle zwischen Basis und Kollektor (interne Diffusionsspannung plus Kollektorspannung) und können so leicht in den Kollektor abfließen. In der Basisschicht selbst können wegen der schwachen Dotierung nur wenige Elektronen abfließen. Das Verhältnis zwischen Kollektorstrom und Basisstrom nennt man Stromverstärkung B (der Differentialquotient I C / I B ist die Wechselstromverstärkung β und stimmt in etwa mit B überein). B liegt normalerweise zwischen 20 und 200. Im Unterschied zum FET wird bei einem Bipolartransistor also eine Steuerleistung benötigt. Eingangskennlinie Den Zusammenhang zwischen I B und U BE (U CE = konst.) zeigt Abbildung 7.6a. Der exponentielle Verlauf der Eingangskennlinie entspricht dem einer Diodenkennlinie. Dies war mit Blick auf das Diodenersatzschaltbild aber auch zu erwarten. Stromverstärkung Die Stromverstärkung I C = f(i B ), (U CE = konst.) verläuft in etwa linear.

5 7.1 Einführung 110 Abbildung 7.6: Kennlinien eines NPN-Bipolartransistors R B1 R C C ein I q I b I c C aus U Bat R B2 U BE u e RE C E u a Abbildung 7.7: NF-Verstärker mit NPN-Bipolar bzw. mit N-Kanal Feldeffekttransistor Übertragungskennlinie Die Übertragungskennlinie I C = f(u BE ), (U CE = konst.) ist wie die Eingangskennlinie eine Exponentialfunktion. Ausgangskennlinie Abb. 7.6d zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektor- Emitter-Spannung bei jeweils konstantem Basisstrom I B. Die Kurven verlaufen, von einem kleinen Anlaufbereich abgesehen, fast parallel zur U CE -Achse. Der Ausgangsstrom ist also weitgehend unabhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung. Daher verhält sich der Bipolar- wie auch der Feldeffekttransistor in diesem Bereich wie eine Stromquelle. Mit steigendem Basisstrom vergrößert sich die Abhängigkeit des Ausgangsstromes I C von U CE, also I C = f(u CE ). Dieses ist beim FET ebenso (I D = f(u DS )) Die NF-Verstärkerstufe Der Anwendungsbereich von Transistoren ist sehr breit. Sie werden als Schalter, als Spannungsoder Stromverstärker und zur Schwingungserzeugung eingesetzt. Eine Anwendung von Transis-

6 und damit die Spannung an R S. Dadurch wird das Gate gegenüber Source n dass I D zurück geregelt wird. Weil dieser Effekt die Verstärkung der Schaltu wird R S für die zu verstärkende Wechselspannung durch den Kondensator C Aufgabe haben R E und C E in Bild 7a. Die Kondensatoren C EIN und C AUS die Verstärkers von Gleichspannung. Dies ist nötig, weil eine Gleichspannung d die Eigenschaften des ( Verstärkungsfaktor, A verändern würde. Die Verstärkung der S von R C ( U AUS = I C Empfindlichkeit des T Arbeitspunkt beeinflus wird durch die Steilhei sich aus dem Different Übergangskennlinie im 7.1 Einführung 111 Abbildung 7.8: Arbeitspunkteinstellung bei einem N-Kanal Feldeffekttransistor toren ist die Verstärkung von Wechselspannungssignalen. Bild 7.7a zeigt eine solche Verstärkerschaltung mit einem npn-bipolartransistor. In Bild 7.7b ist die Verstärkung mit einem n-kanal JFET aufgebaut. Die Funktionsweise der beiden Schaltungen ist grundsätzlich gleich. Steigt die Eingangsspannung (Basis- bzw. Gate-Potential) so wird der Strom durch den Transistor (I C bzw. I D ), wie die Übertragungskennlinie zeigt, ebenfalls steigen. Dadurch sinkt das Kollektorbzw. Drainpotential, weil die Spannung an R C bzw. R D wegen U = I R steigt. Sinkt die Eingangsspannung, so kehrt sich der Vorgang um. Eine Eingangsspannungsänderung verursacht also eine Änderung des Kollektor- bzw. Drainpotentials, welches genau um 180 phasengedreht also entgegengesetzt dazu verläuft. Für eine korrekte Arbeitsweise ist es notwendig einen gewissen Ruhestrom durch den Transistor einzustellen (Arbeitspunkt). Dies geschieht beim Bipolartransistor mittels eines Spannungsteilers, der aus den Widerständen R B1 und R B2 aufgebaut ist. Dadurch wird die Basis des Transistors vorgespannt, so dass ein Kollektorstrom fließen kann. Beim n-kanal JFET benötigt man hierfür eine gegenüber Source negative Gatespannung. Dies ist realisiert, indem das Gate über den hochohmigen (Megaohmbereich)Widerstand R G auf Massepotential gelegt wird. Da der Sourceanschluß des Transistors wegen R S auf positivem Potential gegen Masse liegt, ist die Bedingung U G < U S erfüllt. R S stabilisiert die Schaltung gleichzeitig gegen ein Temperaturbedingtes Abdriften des Drainstromes. Steigt I D durch eine Erhöhung der Temperatur (negativer Temperaturkoeffizient von Silizium), so steigt auch der Strom durch R S und damit die Spannung an R S. Dadurch wird das Gate gegenüber Source noch negativer, was bedeutet dass I D zurück geregelt wird. Weil dieser Effekt die Verstärkung der Schaltung nicht beeinflussen soll, wird R S für die zu verstärkende Wechselspannung durch den Kondensator C S überbrückt. Die gleiche Aufgabe haben R E und C E in Bild 7.7a. Die Kondensatoren C EIN und C AUS dienen zur Entkopplung des Verstärkers von Gleichspannung. Dies ist nötig, weil eine Gleichspannung den Arbeitspunkt und damit die Eigenschaften des Verstärkers (Verstärkungsfaktor, Aussteuerbarkeit, etc.) verändern würde. Die Verstärkung der Schaltung wird maßgeblich von R C ( U AUS = I C R C ) bzw. R D und der Empfindlichkeit des Transistors im gewählten Arbeitspunkt beeinflusst. Diese Empfindlichkeit wird durch die

7 Lösung: R S : Stellt man die quadratische Glei nach U GS um, so erhält man: 7.1 Einführung 112 Steilheit S beschrieben, welche sich aus dem Differentialquotienten der Übergangskennlinie im Arbeitspunkt berechnet (siehe Abb. 7.8). Je steiler die Übertragungskennlinie ist, desto größer ist S und desto größer wird auch die Verstärkung der Schaltung, da bei größerem S schon eine sehr kleine Basis- bzw. Gatespannungsänderung eine große Kollektor- bzw. Drainstromänderung verursacht Beispiel für die Dimensionierung von R B1, R B2, R C und R E. Gegeben sind: Die Betriebsspannung: U B = 5 V, das Ruhepotential am Kollektor: U C0 = 3 V und das am Emitter U E0 = 1 V. Der Kollektorstrom I C = 1 ma. ETP 1 / V Die Stromverstärkung B = 100. Der Querstrom durch den Je Basisspannungsteiler steiler die Übertragungskennlinie soll 10-malist, so desto groß wie größer I ist B sein. S und desto größer wird auch der Schaltung, da bei größerem S schon eine sehr kleine Basis- bzw. Gatespannungsän Bei der weiteren Betrachtung große wird Kollektor- davonbzw. ausgegangen, Drainstromänderung dass die Spannung verursacht. zwischen Basis und Emitter ca. U BE = 0,6 V beträgt (siehe Eingangskennlinie). Beispiel für die Dimensionierung von R B1, R B2, R C und R E Lösung: Gegeben ist: die Betriebsspannung U B = 5V. Das am Kollektor U C0 = 3V, das am Em Der Kollektorstrom I C = 1mA. Die S verstärkung B = 100. Der Querstrom Basisspannungsteiler soll 10 mal so sein. Bei der weiteren Betrachtung w ausgegangen, dass die Spannung zw und Emitter ca. U BE = 0,6V beträgt Eingangskennlinie ). Lösung: R : Mit I E I C folgt R E = 1V/1mA = 1000Ω E : mit I E I C folgt: R E = U E0 I C : R C = E U E0 I (5V-3V) E 1 V = 1000 Ω. 1 / 1mA = 2000Ω R C : R C = U B U C0 I C = 5 V 3 R B1 : V R = 2000Ω 1 ma B1 = (5V-0,6V-1V) / (11*1mA / 100) = 30,909 kω R B1 : R B1 = U B U BE U E0 5 V 0,6 V 1 V 11 I C R B2 = : R B2 = (1V+0,6V) = 30,909 /B / (10*1mA kω 11 1 ma/100 / 100) = 16,000 kω R B2 : R B2 = U BE+U E0 0,6 V+1 V 10 I C = = 16 kω /B 10 1 ma/ Beispiel für die Dimensionierung vonbeispiel R D undfür R S die. Dimensionierung von R G, R D, R S Gegeben ist: Gegeben sind: Die Betriebsspannung U B = 15V; die Pinch-Off-Spannung U P = -8 V, der Drainstrom I Die Betriebsspannung Uder B = maximaler 15 V, Sättigungsstrom I DSS = 20 ma. Das Ruhepotential am Drain beträgt U D R G = 1 MΩ.

8 Lösung: R E : Mit I E I C folgt R E = 1V/1mA = 1000Ω R C : R C = (5V-3V) / 1mA = 2000Ω R B1 : R B1 = (5V-0,6V-1V) / (11*1mA / 100) = 30,909 kω R B2 : R B2 = (1V+0,6V) / (10*1mA / 100) = 16,000 kω 7.2 Vorbereitungen 113 die Pinch-Off-Spannung U P = 8 V, der Drainstrom I D = 1 ma und Beispiel für die Dimensionierung von R G, R D, R S der maximaler Sättigungsstrom I DS = 20 ma. Das Ruhepotential amgegeben Drain beträgt ist: U D0 = 12 V. Die Betriebsspannung U Weiterhin ist R G = 1 MΩ gegeben. B = 15V; die Pinch-Off-Spannung U P = -8 V, der Drainstrom der maximaler Sättigungsstrom I DSS = 20 ma. Das Ruhepotential am Drain beträgt U Lösung: R G = 1 MΩ. Lösung: R S : Stellt man die quadratische G nach U GS um, so erhält man: 2 UGS ID = IDSS 1 UP I D UGS = UP 1 = I DSS U S = -U GS = 6,2V R S = 6,2V / 1mA = 6 200Ω R D = (15V-12V) / 1mA = 3 000Ω R S : Stellt man die quadratische Gleichung für I D nach U GS um, so erhält man: I D = I DS (1 U GS U P ) 2 I U GS = U P (1 D I DS ) = 6,2 V U S = U GS = 6,2 V, I S = I D = 1 ma = 6,2 V R S = U S I S R D : R D = U B U D0 I D = 6200 Ω 1 ma = 15 V 12 V 1 ma = 3000 Ω 7.2 Vorbereitungen Allgemein Bereiten Sie sich mit Hilfe der Einleitung, den Vorlesungsunterlagen und mit weiteren Quellen (Bibliothek, Internet) ausführlich vor. Sollten Fragen offen bleiben, wenden Sie sich bitte rechtzeitig an einen Betreuer oder Herrn Schneider, R. 1325, WA Fragen zur Vorbereitung Beantworten Sie bitte zur Vorbereitung dieses Versuches schriftlich folgende Fragen: 1. Zeichnen Sie schematisch den Aufbau eines p-kanal JFET und geben Sie die zugehörende Übertragungs- und Ausgangskennlinie an.

9 7.3 Versuchsdurchführung Warum bezeichnet man die beschriebenen Sperrschicht-FET als selbstleitend? 3. Was versteht man unter dotieren von Halbleitermaterialien? 4. Warum kann man beim FET im Gegensatz zum Bipolartransistor von leistungsloser Steuerung sprechen? 5. Eine NF-Verstärkerstufe mit npn-transistor (s. Bild 7.7a) ist zu dimensionieren. Folgende Größen sind gegeben: U B = 6 V, B = 150, I C = 0,5 ma, das Kollektorruhepotential beträgt 3,5 V, das Emitterruhepotential beträgt 1 V jeweils gegen Masse. Die Spannung zwischen Basis und Emitter beträgt 0,6 V. Der Querstrom durch den Basisspannungsteiler soll 10 I B betragen. Berechnen Sie R B1, R B2, R C und R E! 6. Eine NF-Verstärkerstufe mit n-kanal JFET (s. Bild 7.7b) ist zu dimensionieren. Folgende Größen sind gegeben: U B = 15 V, U P = 5 V, I DS = 24 ma, I D = 6 ma, R G = 1 MΩ. Das Drainruhepotential beträgt 7,5V gegen Masse. Berechnen Sie R D, R S! 7.3 Versuchsdurchführung Hinweise zu den Messungen: Bei der Aufnahme der Kennlinien ist es generell günstiger die Messreihen dort zu beginnen, wo die größte Verlustleistung zu erwarten ist, da so die zusätzliche Erwärmung, die während der Messung auftritt, am geringsten ist. Je zügiger die Messreihe durchgeführt wird desto besser sind die Ergebnisse. Die Erwärmung des Transistors verfälscht das Ergebnis. Im linearen Bereich einer Kennlinie reichen wenige Messpunkte. Im Bereich starker Krümmungen sind entsprechend mehr Messpunkte aufzunehmen Aufnahme der Eingangskennlinien eines npn-transistors Versuchsaufbau Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 7.10 auf. Zur Spannungsversorgung U 0 verwenden Sie eine Quelle mit nachgeschaltetem Spannungsteiler. Der Spannungsteiler R B1, R B2 wird mit einem Potentiometer mit R ges = R 1 + R 2 = 10 kω aufgebaut (siehe Abb. 7.9). Stellen Sie das Teilungsverhältnis des Potentiometers so ein, dass Sie bei einer Speisespannung von U 0 = V eine Ausgangsspannung U 2 = U BE = V erhalten.

10 7.3 Versuchsdurchführung 115 R 1 R U 0 U 0 R 2 U 2 U 2 Abbildung 7.9: Potentiometer als Spannungsteiler R B1 I B U 0 R B2 U BE Abbildung 7.10: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Eingangskennlinie Aufgaben Nehmen Sie die Eingangskennlinie I B = f(u BE ) beginnend mit dem größten Wert auf und tragen Sie die Messwerte in die Tabelle auf Seite 120 ein. Skizzieren Sie die Kennlinie in Abbildung Aufnahme der Stromverstärkungskennlinien eines npn-transistors Versuchsaufbau Erweitern Sie die Schaltung um zwei Messgeräte zur Erfassung des Kollektorstroms I C und der Kollektor-Emitter-Spannung U C E, sowie um eine weitere Spannungsquelle U 0 1. Ihre Schaltung sollte nun Abbildung 7.11 entsprechen.

11 7.3 Versuchsdurchführung 116 R B1 I C I B U 01 U CE U 02 R B2 Abbildung 7.11: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Stromverstärkungskennlinie Aufgaben Nehmen Sie die Stromverstärkung I C = f(i B ) mit dem Parameter U CE = 4,5 V auf. Beginnen Sie mit dem größten Wert und tragen Sie die Messwerte in die Tabelle auf Seite 120 ein. Skizzieren Sie die Kennlinie in Abbildung und bestimmen Sie hieraus die Stromverstärkung B Aufnahme des Ausgangskennlinienfeldes eines npn-transistors Versuchsaufbau Die Schaltung bleibt gegenüber dem Aufbau zur Aufnahme der Stromverstärkungskennlinie unverändert Aufgaben Nehmen Sie nun das Ausgangskennlinienfeld I C = f(u CE ) bei sich änderndem Parameter I B auf. Es sollen fünf Kennlinien vermessen werden, wobei sich die Ströme I B aus folgendem Zusammenhang ergeben: I B = I C B (7.1) Zusammen mit der aus der Stromverstärkungskennlinie ermittelten Stromverstärkung B ergeben sich für die gegebene Ströme I C die zu errechnenden Werte für I B. I C / ma I B / µa

12 7.3 Versuchsdurchführung 117 Nehmen Sie die Kennlinien wieder mit den größten Werten beginnend auf und tragen Sie die Messergebnisse in die Tabelle auf Seite 120 ein. Die Werte für I B1 bis I B5 entnehmen Sie obiger Tabelle. Skizzieren Sie die Kennlinien in Abbildung Aufbau eines NF-Verstärkers In dieser Aufgabe soll eine Niederfrequenz-Verstärkerstufe in Emitterschaltung dimensioniert und aufgebaut werden Dimensionierung Dimensionieren Sie einen NF-Verstärker nach Abbildung 7.12 mit Hilfe folgender Angaben: Die Betriebsspannung betrage U Bat = 10 V. Der Kollektorstrom I C wird mit 10 ma vorgegeben, das Emitter-Ruhepotential U E0 sei mit 1 V gegeben. Das Kollektorruhepotential U C0 ergebe sich aus der maximalen Aussteuerbarkeit. Die Stromverstärkung B sowie die Basis- Emitter-Spannung U BE entnehmen Sie bitte den Kennlinien. Der Querstrom I q durch den Basisspannungsteiler soll 10-mal so groß wie I B sein. Berechnen Sie die Werte für R B1, R B2, R C und R E, und tragen Sie diese in die Tabelle auf Seite 124 ein. Hinweis: Diese Schaltung soll eine Wechselspannung u e (t) verstärken. Die Ausgangsspannung u a (t) wird über einem Kondensator am Kollektor abgegriffen. Um einen möglichst großen Spannungshub (Amplitude) zu ermöglichen, muss R C so gewählt werden, dass das Kollektorruhepotential möglichst mittig zwischen dem Emitterruhepotential U E0 = U RE und U Bat liegt. Eine große Ausgangsamplitude ist eine Voraussetzung für eine große Aussteuerbarkeit. Die Stromverstärkung B erhalten Sie aus der Stromverstärkungskennlinie als Steigung im Punkt I C = 10 ma. Mit dem dazugehörigen Wert I B können Sie aus der Eingangskennlinie die Basis- Emitter-Spannung U BE bestimmen Aufbau Wählen Sie passende einstellbaren Widerstände für R B1, R B2, R C und R E auf dem Steckbrett aus und stellen Sie die errechneten Widerstandswerte ein. Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 7.12 zunächst OHNE Kondensatoren auf Aufgaben Nehmen Sie die Schaltung in Betrieb. Hierzu erhöhen Sie langsam die Spannung U Bat bis auf U Bat = 10 V. Messen Sie zur Kontrolle gleichzeitig die Spannung U RE. Sie sollte

13 7.3 Versuchsdurchführung 118 R B1 R C C ein I q I b I c C aus U Bat R B2 U BE u e RE C E u a Abbildung 7.12: Versuchsaufbau zum NF-Verstärker sich langsam dem erwarteten Wert annähern: U RE 1 V. Messen Sie das Kollektor-, Emitter- und Basisruhepotential gegen Masse (U C0, U E0, U B0 ). Erweitern Sie die Schaltung um die drei Kondensatoren C EIN = C AUS = 1 µf, C E = 100 µf. Verbinden Sie nun einen Funktionsgenerator (Signalform: sinus, f = 5 khz, û ss = 10 mv) mit dem Eingang des Verstärkers sowie ein Oszilloskop sowohl mit dem Eingang (Kanal 1) und dem Ausgang (Kanal 2) der Verstärkerschaltung. Messen Sie die Amplituden der Eingangs- und der Ausgangsspannung û ess und û ass. Drucken Sie den Oszilloskopbildschirm aus. Was können Sie über die Phasenbeziehung beider Signale aussagen? Ermitteln Sie die Spannungsverstärkung v der aufgebauten Schaltung. Hinweis: Die Spannungsverstärkung berechnet sich zu v = ûass û ess Auswertung Zeichnen Sie ein Vier-Quadranten-Kennlinienfeld des vermessenen Transistors. Verwenden Sie ein Din A4 Blatt mit Milimetereinteilung und zeichnen Sie möglichst formatfüllend. Zeichnen Sie in das Kennlinienfeld in jeden Quadranten den Arbeitspunkt ein. Für diesen Punkt wurde die Dimensionierung der Verstärkerschaltung durchgeführt. Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Eingangswiderstandes des Transistors. Bestimmen Sie r ein im Arbeitspunkt. (r EIN = U BE / I B,U CE = konst.)

14 7.3 Versuchsdurchführung 119 Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Ausgangswiderstandes des Transistors. Bestimmen Sie r aus im Arbeitspunkt. (r AUS = U CE / I C,I B = konst.) Bestimmen Sie die Steilheit des Transistors im Arbeitspunkt. (S = I C / U BE,U CE = konst.)

15 7.3 Versuchsdurchführung 120 Bipolar - Transistor / Typ BCF Eingangskennlinie: IB = f(ube) IB/ µa UBE/ mv Stromverstärkung: IC = f(ib) mit UCE = 4,5 V. IB/ µa IC/ ma Stromverstärkung B = Ausgangskennlinieng: IC = f(uce) mit IB als Parameter. IB/ µa UCE/ V ,6 0,4 0,2 0,15 0,1 0,05 IB1 = IC1/ ma IB2 = IC2/ ma IB3 = IC3/ ma IB4 = IC4/ ma IB5 = IC5/ ma

16 7.3 Versuchsdurchführung 121 Abbildung 7.13: Eingangskennlinie I B = f(u BE ) Abbildung 7.14: Stromverstärkung I C = f(i B ) mit U CE = 4,5 V

17 7.3 Versuchsdurchführung 122 Abbildung 7.15: Ausgangskennlinienfeld I C = f(u BE ) mit Parameter I B

18 7.3 Versuchsdurchführung 123 Abbildung 7.16: Kennlinienfeld des Bipolartransistors

19 7.3 Versuchsdurchführung 124 Bipolar - Transistor / Typ BCF NF - Verstärker; Dimensionierung, Messung. gegeben: berechnet: gemessen: UBat = 10 V B = UC0 = IC = 10 ma UBE = UE0 = UE0 = 1 V RB1 = UB0 = UCE = UB URE 2 RB2 = ûess = Iq = 10 IB RC = ûass = RE = v =

20 125 Literatur [1] CLAUSERT, H. ; WIESEMANN, G. : Grundgebiete der Elektrotechnik Auflage. München, Wien : Oldenbourg, 2003 [2] SCHRÜFER, E. : Elektrische Messtechnik Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen. 9., aktualisierte Auflage. München : Hanser Verlag, 2007 [3] STÖCKER, H. (Hrsg.): Taschenbuch der Physik. 3. Auflage. Thun, Frankfurt am Main : Verlag Harri Deutsch, 1998 [4] TIETZE, U. ; SCHENK, C. : Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Berlin : Springer, 2002