PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR CHRISTIAN PELTZ Inhaltsverzeichnis 1. Versuchsbeschreibung 1 1.1. Ziel 1 1.2. Aufgaben 1 2. Versuchsdurchführung 3 2.1. Transistorverstärker (bipolar) 3 2.2. Verstärker mit Feldeekttransistor 7 2.3. FET als Analogschalter 7 1. Versuchsbeschreibung 1.1. Ziel. Ermittlung der Eigenschaften einstuger Transistorgrundschaltungen. 1.2. Aufgaben. (1) Dimensionieren Sie einen einstugen RC-Transistorverstärker in Emitterschaltung entsprechend Abbildung 1.1 anhand des Kennlinienfeldes und der h-parameter. (2) Realisieren Sie den von Ihnen berechneten Transistorverstärker, indem Sie die auf der Leiterplatte vorhandenen Einstellregler entsprechend Ihrer Rechnung einstellen und die notwendigen Verbindungen stecken. Kontrollieren Sie die Einstellung des Arbeitspunktes durch Messung von I C und U CE. (3) Bestimmen Sie für eine Sinuseingangsspannung von 1 khz den Augangswiderstand R a. Messen Sie anschlieÿend die Betriebsparameter (R e,v u,v i,v p ) in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R L für R L = ; 2R a ; R a ; 0, 5R a ; 0, 1R a. Diskutieren Sie die Ergebnisse (Leistungsanpassung). Vergleichen Sie die gemessenen mit den theoretischen Werten (Berechnung aus den h-parametern). (4) Bestimmen Sie obere und untere Grenzfrequenz des Verstärkers. (5) Bestimmen Sie das Kleinsignalverhalten (R a, R e, V u, V i, V p für R L = ) einer Sourceschaltung entsprechend Abbildung 1.2. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit denen von Aufgabe 3 und diskutieren Sie sie. (6) Bauen Sie einen einfachen Analogschalter in Parallelbetrieb auf (Abbildung 31.3). Bestimmen Sie das Übertragungsverhalten b = Ua U e und die Dämpfung des geöneten Schalters. (7) Bestimmen Sie die Schaltzeiten des Schalters entsprechend Abbildung 1.3 durch Ansteuerung mit Rechteckimpulsen. Date: 10.11.2005. 1
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 2 (8) Bauen Sie einen Analogschalter im Serienbetrieb auf (Abbildung 1.4) und führen Sie die Messungen wie unter 6. und 7. durch. Abbildung 1.1. Transistorverstärker (bipolar) Abbildung 1.2. Transistorverstärker (FET)
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 3 Abbildung 1.3. Analogschalter im Parallelbetrieb Abbildung 1.4. Analogschalter im Serienbetrieb 2. Versuchsdurchführung 2.1. Transistorverstärker (bipolar). 2.1.1. verwendete Geräte. Oszillograf Nr.3 Transistorschaltbrett Nr.2
Multimeter Funktionsgenerator Widerstandsdekade PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 4 2.1.2. Dimensionierung. Bei der Dimensionierung des RC-Transistorverstärkers nach Abbildung 1.1 sind die Widerstandswerte von R 1, R 2, R C und R E zu bestimmen. Als erstes wird das gegebene Kennlinienfeld auf Abbildung 2.1 ausgewertet. Da im Stromsteuerkennlinienfeld nur Werte für U CE = 5V bzw. U CE = 9V gegeben sind hab ich mich für U CE = 5V entschieden. Als zweites muss im Ausgangskennlinienfeld ein Basisstrom I B gewählt werden bei dem der Anstieg der Kennlinie nahezu linear ist. Dies ist bei I B = 65µA der Fall. Auf diese Weise werden Verzerrungen des Signals vermieden. Mit den beiden gewählten Werten sind I C = 8, 1mA und U BE = 650mV festgelegt. Ausserdem lassen sich aus den Anstiegen an den jeweiligen Stellen in den jeweiligen Kurven die h-parameter des Transistors zu h 11 = U BE I B = 508Ω h 22 = h 21 = I C I B = 105 I C U CE = 0, 316mS h 12 = U BE U CE 0 bestimmen. Zur Bestimmung der Widerstandswerte sind folgende Relationen nützlich: U R1 + U R2 = U B U BE + U RE = U R2 U B = U RE + U CE + U RC I R1 = I B + I R2 I C + I B = I E U B ist noch frei wählbar und wird in der Regel zu U B 2 U CE gewählt um die Schaltung thermisch stabil zu halten, denn bei dieser Betriebsspannung ist die Verlustleistung maximal und ein Verlassen des Arbeitspunktes durch z.b. äuÿere Erwärmung, führt automatisch zur Selbstkühlung. I R1 kann ebenfalls gewählt werden und wird zur weiteren Stabilisierung des Arbeitspunktes auf 3 10 I B gesetzt. Diese Maÿnahme macht U BE unabhängiger von U B. Auch U RE ist unbestimmt und wird hier auf U RE = 1V gesetzt. In der Regel ist I B vernachlässigbar klein gegen I C und I RE, somit kann I C = I RE gesetzt werden ohne einen groÿen Fehler zu machen. Mit diesen Festlegungen lassen sich R 1 = U R1 I R1 = U B U BE U RE 8V 650mV 1V = 10 I B 10 65µA = 9769Ω
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 5 R 2 = U R2 I R2 = U BE + U RE 650mV + 1V = 9 I B 9 65µA = 2821Ω R C = U R C I RC = U B U RE U CE I C = 8V 1V 5V 8, 1mA = 247Ω R E = U R E I C = 1V 8, 1mA = 123Ω Die Kapazitäten der 3 Kondensatoren dieser Schaltung waren vorgegeben: C K1 = C K2 = 22µF C E = 47µF 2.1.3. Kontrolle des Arbeitspunktes. Die Schaltung wurde gemäÿ Abbildung 1.1 aufgebaut und die entsprechenden Spannungs- und Widerstandswerte eingestellt. Um bei Einspeisung einer Betriebsspannung U B = 8V einen Kollektorstrom von I C = 8, 1mA und eine Kollektor-Emitter-Spannung von U CE = 5V zu gewährleisten mussten die Widerstandswerte geringfügig zu R 1 = 10, 13kΩ R 2 = 3, 068kΩ R C = 220Ω R E = 116Ω geändert werden. Zusätzlich wurde eine Sinusspannung an den Eingang geschaltet und überprüft ob auch am Ausgang eine Sinusspannung erzeugt wurde (siehe Abbildung 2.2) Abbildung 2.2. Funktionskontrolle
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 6 2.1.4. Bestimmung der Betriebsparameter. Als Eingangssignal wurde wie in der Aufgabenstellung gefordert eine Sinusspannung der Frequenz f = 1kHz verwendet. Als erstes wurde der Ausgangswiderstand nach der U 2 Methode bestimmt. Dabei ergab sich R a = 220Ω. Im Anschluss wurden die Betriebsparameter R e, V U = Ua V I = I a Ie = U a R e U e R a und V p = U a U a R a in Tabelle 1 dargestellt. U e U e R e U e, = V I V U bestimmt. Die Ergebnisse sind Tabelle 1. Betriebsparameter R L \Ω U e \mv U a \V R e \Ω V U V I V p 33,3 1,53 460 45,9 0 0 2 R a = 440Ω 32,5 1,02 500 31,4 35,7 1119 R a = 220Ω 33,1 0,77 460 23,3 48,6 1132 0, 5 R a = 110Ω 34,2 0,52 490 15,2 67,7 1030 0, 1 R a = 22Ω 33,7 0,14 570 4,2 107,6 447 Die maximale Leistungsverstärkung tritt wie zu theoretisch zu erwarten war bei R L = R a auf. 2.1.5. Bestimmung der Grenzfrequenzen. Die Grenzfrequenzen sind jene Frequenzen bei denen die Ausgangsspannung auf den Wert Ua,max 2 abgesunken ist und eine Phasenverschiebung von φ = ±45 zwischen Ein- und Ausgangsspannung auftritt. Es wurde mit U a,max = 1, 516V gearbeitet und, wie in den Abbildungen 2.3 und 2.4 zu sehen, die Grenzfrequenzen f Gu = 95Hz und f Go = 717kHz bestimmt. Abbildung 2.3. untere Grenzfrequenz
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 7 Abbildung 2.4. obere Grenzfrequenz 2.2. Verstärker mit Feldeekttransistor. 2.2.1. verwendete Geräte. Oszillograf Nr.3 Funktionsgenerator Widerstandsdekade Transistorschaltbrett Nr.2 2.2.2. Kleinsignalverhalten. Als erstes wurde eine Sourceschaltung nach Abbildung 1.2 aufgebaut. Von dieser wurde dann das Kleinsignalverhalten bestimmt. Der Eingangswiderstand ist bei dieser nicht mit der U 2 Methode zu bestimmen, jedoch ist der 1MΩ Widerstand maÿgeblich und somit wird mit R e = 1MΩ gearbeitet. Der Ausgangswiderstand wurde zu R a = 9kΩ bestimmt. Als Eingangssignal wurde eine Sinusspannung U e = 67, 19mV der Frequenz f = 1kHz eingespeist. Es wurde eine Ausgangsspannung U a = 500mV gemessen. Daraus lassen sich die Spannungsverstärkung V U = 7, 44, die Stromverstärkung V I = 827 und die Leistungsverstärkung V p = 6153 berechnen. 2.2.3. Vergleich beider Verstärkerschaltungen. Der FET zeigt zwar eine kleinere Spannungsverstärkung, hat aber eine um eine Gröÿenordnung höhere Stromverstärkung und eine um zwei Gröÿenordnungen gröÿere Leistungsverstärkung. Er ist also besonders geeignet bei hochohmigen Eingang sowie hoher geforderter Stromund Leistungsverstärkung. 2.3. FET als Analogschalter. 2.3.1. verwendete Geräte. Oszillograf Nr.3 Funktionsgenerator Sinusgenerator Steckbrett Nr.3
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 8 2.3.2. Übertragungsverhalten von Analogschaltern im Serien- und Parallelbetrieb. In diesem Teilversuch wurde das Übertragungsverhalten der Analogschalter nach Abbildung 1.3 und 1.4 untersucht. Dazu wurde als Steuerspannung eine Rechteckspannung mit f St = 118Hz und als Eingangsspannung eine Sinusspannung mit f sinus = 400Hz benutzt(siehe Abbildung2.5). Abbildung 2.5. Analogschalter Im Serienbetrieb wurden folgende Werte aufgenommen: Schalter geschlossen: U e = 6.812V U a,geschlossen = 6.687V Abbildung 2.6. Schalter geschlossen
Schalter oen: PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 9 U e = 6.812V U a,offen = 40.63mV Abbildung 2.7. Schalter oen Daraus lassen sich Übertragungsverhalten b und Dämpfung D bestimmen. b = U a,geschlossen U e = 0, 98 D = 20log( U a,offen ) = 44, 5dB U e Im Parallelbetrieb wurden folgende Werte gemessen: Schalter geschlossen: U e = 6, 812V U a,geschlossen= 6, 625V
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 10 Abbildung 2.8. Schalter geschlossen Schalter oen: U e = 6, 812V U a,offen = 937, 5mV Abbildung 2.9. Schalter oen Daraus lassen sich das Übertragungsverhalten Ü und Dämpfung D bestimmen. b = U a,geschlossen U e = 0, 97 D = 20log( U a,offen ) = 17, 2dB U e
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 11 2.3.3. Bestimmung der Schaltzeiten. Für die Bestimmung der Schaltzeiten wurde als Eingangsspannung eine Gleichspannung eingespeist. Als Schaltzeit wird die Zeit vom Schaltbefehl bis zum erreichen von Ua,max 2 deniert. Die Schaltzeiten wurden mithilfe der Cursor gemessen. Die Schaltzeit t S für die Serienschaltung beträgt t S = 1, 3µs und die Schaltzeit für die Parallelschaltung beträgt t S = 2.9µs. Abbildung 2.10. Schaltzeitbestimmung
PROTOKOLL ZUM VERSUCH TRANSISTOR 12 Abbildung 2.1. Kennlinienfeld