Labor Elektronik Laborbericht zu Versuch: Transistorverstärker Teilnehmer:... (Author) Tong Cha (Mat.-Nr:...) Datum der Simulation: 09.12.2008 Datum der Messung: 23.12.2008 Allgemeines: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 1 von 19
In dieser Versuchsreihe betrachten wir die Verstärkereigenschaften eines Bipolar- Transistorverstärkers. Die Versuchsschaltung sieht wie folgt aus: Mit dem Jumper Je Reges von 220Ω auf werden. kann der Widerstand 69Ω umgestellt Teil 1: Arbeitspunktberechnung 1.1: Herleitung des Kollektorstroms Ic0 und der Kollektor-Emitterspannung (allgemein): Berechnung von Ic0:. Berechnung von VCE: 1.2: Berechnung des Kollektorstroms Ic0 und der Kollektorspannung: Wir erhalten also: Ic0 = 2,102mA und Vc = 5,13V Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 2 von 19
1.3: Bestimmung von Vplus für IC0 = 2mA 1.4: Excel- Tabelle Es wurde eine Excel-Tabelle erstellt, in der die Verläufe vom Kollektorstrom IC und von der Kollektor-Emitter- Spannung VCE jeweils in Abhängigkeit von β ausgerechnet und graphisch dargestellt werden. Die Größen VT, IC0, RB, RC, RE, α, VBE0 und VPlus werden hierbei als Parameter eingesetzt. Simulation/Messung: Nach diesen Berechnungen wurde die Schaltung in PSpice simuliert Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 3 von 19
und die Ergebnisse verglichen. Hier die Verwendete Schaltung: Anschließend wurde am zweiten Versuchstermin noch die Messung der tatsächlichen Werte vorgenommen und die Ergebnisse in 2 Diagrammen zusammen gefasst: Ic(Messung) = 2,15mA, Ic(Rechnung) = 2,11mA, Ic(Simulation) = 2,10mA Vce(Messung) = 3,77 Volt, Vce(Rechnung) = 4,64 Volt, Vce(Simulation) = 4,64 Volt Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 4 von 19
Teil 2: Verstärkung und Eingangswiderstand Bei der Berechnung werden die Kondensatoren durch einen Kurzschluss ersetzt und C3 sowie Cbc vernachlässigt, was bei einer Frequenz von 1kHz zulässig ist, das dies weit von den Grenzfrequenzen entfernt ist. 2.1 Bestimmung der Kenngrößen des Transistors für Ic0=2mA, beta=250 und VA=80V 2.2 Kleinsignalersatzschaltbild: 2.3 Allgemeine Berechnung der Verstärkung Av: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 5 von 19
Ersatzschaltbild zur Berechnung: 2.4 Berechnung des Eingangswiderstandes der Transistorstufe an der Basis (allgemein): 2.5 Berechnung der Eingangsabschwächung A0 (allgemein): Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 6 von 19
2.6 Berechnung der Werte für Rl = 10kΩ und Je = offen: 2.7 Berechnung der Werte für Rl = 10kΩ und Je = geschlossen: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 7 von 19
Simulation/Messung: Für die Simulation wurde folgende, leicht vereinfachte Schaltung verwendet: Zusammenfassung der Werte aus Simulation, Messung und Rechnung: a) Jumper geschlossen: b) Jumper offen: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 8 von 19
Teil 3: Verstärkung in Abhängigkeit der Frequenz Um die Verstärkung für den jeweiligen Frequenzbereich richtig berechnen zu können werden jetzt die Kondensatoren C1, C2, C3 und Cbc berücksichtigt. Der Frequenzgang wird für je 2 Werte von Rl und Re berechnet: Anordnung A: Rl =33kΩ, Jumper Je geschlossen => Re= 69 Ω Anordnung B: Rl =1kΩ, Jumper Je offen => Re= 220 Ω 3.1 Berechnung der Verstärkung allgemein und für numerisch für Variante A und B: 3.2 Für beide Anordnungen A und B wird nun der Miller-Transformierte Kondensator Ca bestimmt und ein frequenzgangunabhängiger Wert für Av berechnet: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 9 von 19
3.3 Berechnung der Eingangsabschwächung A0 allgemein (mit Berücksichtigung von C1 und Ca), numerisch für tiefe und für hohe Frequenzen. Danach werden die Eckfrequenzen fgo und fgu für beide Varianten A und B bestimmt: für die A0: Ersatzschaltbild Berechnung für der Berechnung Grenzfrequenzen: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 10 von 19
Simulation/Messung: Bei der Messung behandeln wir Fall A. Das Diagramm mit den zusammen gefassten Ergebnissen sieht wie folgt aus: Die berechneten, Simulierten und gemessenen Verstärkungen stimmen recht genau überein, was auch das Diagramm gut widerspiegelt. Teil 4: Großsignalverhalten Für diesen Versuchsteil gelten folgende Werte: Frequenz: 1kHz, Ic0 = 2mA, Vbe0 = 9,65 Volt, Je = geschlossen, beta = 250 4.1 Ausgangsspannungshub bei Rl = unendlich: Fall a: Obere Aussteuerungsgrenze: Fall b: Untere Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 11 von 19
Aussteuerungsgrenze: 4.2 Ausgangsspannungshub für Rl = 3,3kΩ: Fall a: Obere sperrt: Aussteuerungsgrenze, Q1 Fall b: Untere Q1 sättigt: Aussteuerungsgrenze, Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 12 von 19
Simulation/Messung: Die Simulation folgendem erfolgt mit Schaltbild: Die Transientenanalyse wird so eingestellt, dass die Messung erst nach den Einschwingvorgängen durchgeführt werden kann. Die vorher berechneten Werte konnten mit der Simulation bestätigt werden. Arbeitspunktverschiebung: Zur Simulation der Arbeitspunktverschiebung setzen wir für C1 und C2 wieder die ursprünglichen Werte ein und stellen dann in Pspice die Spannung Vc und C2 graphisch dar für die Eingangsspannungen 0.2 Volt, 0.4 Volt, 0.6 Volt und 0.8 Volt. Es ergibt sich folgendes Bild: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 13 von 19
Mit einem Differenztastkopf und einer single shot Abtastung kann man das Weglaufen des Arbeitspunktes auch sehr schön am Ozilloskop beobachten: Die Verschiebung des Arbeitspunktes durch zu hohes Vin ist auch hier schön zu sehen Hier die Messergebnisse aus diesem Versuchsabschnitt: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 14 von 19
VC0 5,13 VC0 5,13 VC0 5,13 VC0 5,13 Vplus 13,57 Vplus 13,57 Vplus 13,57 Vplus 13,57 RC 4,70E+03 RC 4,70E+03 RC 4,70E+03 RC 4,70E+03 VZ 0,4 VZ 0,4 VZ 0,4 VZ 0,4 RE 69 RE 69 RE 69 RE 69 RL 560 RL 5,60E+04 RL 5,00E+12 RL 3,30E+03 nenner 628,00167 8 nenner 56068,001 7 nenner 5E+12 nenner 3368,0016 8 VRLmax VRLmin VRLmax VRLmin VRLmax VRLmin VRLmax VRLmin 0,8985551-4,2178231 7,7864909-4,7242632-4,6344988 3 3 4 5 8,439999992-4,73 3,4815 8 12,510754 hub 5,11637826 hub 2 hub 13,16999999 hub 8,11599888 VRLmax VRLmin VRLmax VRLmin VRLmax VRLmin VRLmax VRLmin 0,98-4 -4,08 3,68-3,92 vin rms 110mV vin rms 101mV vin rms 71mV vin rms 124mV Teil 5: Klirrfaktorberechnung Vorgaben: Kollektorstrom Ic0= 2mA, Jumper Je geschlossen, Lastwiderstand RL=3,3kΩ Das Maß für die Verzerrung des Eingangssignals nennt man Klirrfaktor. Für kleine Anteile an Oberwellen ist der Klirrfaktor nahezu gleich zu der Total Harmonic Distortion (THD): Zum Vergleich der Ergebnisse aus Pspice und der Messung verwenden wir daher die THD anstelle des Klirrfaktors. In Pspice lässt sich die THD durch Einstellungen im Transienten Menü einstellen. Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 15 von 19
Die Verwendete Schaltung sieht wie folgt aus: Auf diese Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 16 von 19
Weise bekommen wir folgende Werte berechnet: Für Vineff = 0,1V: 9.345314E-01 PERCENT Also ca. 0,935% Für Vineff = 0,2V: 3.582192E-01 PERCENT Also ca. 0,358% ( Werte aus dem Output File von PSpice entnommen) Für die Berechnung per Hand benötigen wir die Werte der Amplituden der Schwingungen. Diese lassen sich mit der FFT Analyse in Probe ermitteln: Grundschwingung: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 17 von 19
Oberwellen: Eingesetzt in die Formel für die THD ergibt sich also: Für Vineff = 0,2V: Für Vineff=0,1 Volt ergibt sich analog hierzu: 0,3687 Prozent Die THD kann auch mit dem Oszilloskop unter Zuhilfenahme der FFT-Analyse vorgenommen werden. Es ist aber notwendig, dass das Signal hierzu bündig nach einer ganzzahligen Anzahl von Schwingungen abschließt. Dies ist aber in der Praxis praktisch nicht zu realisieren. Daher eignet sich die normale Betrachtung (Rectangular) in den meisten Fällen nicht. Praktischer sind die Funktionen Hanning und Flattop. Durch einen Trick simulieren sie ein bündig abschließendes Signal, wobei Hanning besser für die Frequenz- und Flattop besser für die Amplitudengenauigkeit ist. Die FFT auf dem Oszilloskop sieht dann folgendermaßen aus: Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 18 von 19
Bestimmen wir hier die THD, kommen wir auf etwas andere Werte, was aber vermutlich auf Toleranzen bei der Ablesegenauigkeit zurück zu führen ist. udach1=0,1v delta db umrechn 36,869,18V grundwelle 4,23 db 1,62V 1.Oberwelle minus 33 db 22,38mV 2.Oberwelle minus 43 db 7,94mV THD 1,445440% udach1=0,2v umrechn delta db 2620,18V grundwelle 9,85dB 3,1V 1.Oberwelle minus 16,1dB 0,156V 2.Oberwelle minus 16,1dB 0,156V THD 5,011872% Labor Elektronik,..., Tong Cha Seite 19 von 19