PRAKTIKUM HALBLEITERSCHALTUNGSTECHNIK · i Einleitung ZielderLehrveranstaltungistesausgewählteInhalteausVorlesungundÜbungpraktisch umzusetzen.DazuwerdenSchaltungenberechnet,simuliert,aufgebautunddurchgemes-

Johannes Kepler Universität Linz, Institut für Mikroelektronik und MikrosensorikA-4040 Linz • Altenberger Straße 69 • Internet: http://www.ime.jku.at

PRAKTIKUM HALBLEITERSCHALTUNGSTECHNIKInstitut für Mikroelektronik und Mikrosensorik

3. überarbeitete Auflage, 2016Alle Rechte vorbehalten

i

EinleitungZiel der Lehrveranstaltung ist es ausgewählte Inhalte aus Vorlesung und Übung praktischumzusetzen. Dazu werden Schaltungen berechnet, simuliert, aufgebaut und durchgemes-sen. Die Berechnungen erfolgen mit einfachen Handrechenmodellen analog zur Übung.Die darauf folgenden Simulationen in PSpice stellen bessere Annäherungen an das realeVerhalten der Schaltungen als die einfachen Rechenmodelle dar. Einer der Lerneffektebesteht darin, zu erkennen in welchen Fällen die einfachen Handrechenmodelle ausreichenund in welchen nicht.

Der Aufbau der Schaltungen, erfolgt auf Lochrasterplatinen durch Auflöten von Bautei-len und Drahtverbindungen. Sekundäres Ziel des Praktikums ist es Ungeübten das “Lookand Feel“ für den Aufbau elektronischer Schaltungen zu vermitteln und sicherzustellen,dass Studierende der Informationselektronik bzw. der Mechatronik mit Vertiefung Elek-trotechnik, zumindest einmal in ihrem Studium eine Schaltung gelötet haben.

Abhaltungsmodus fünf Einheiten es wird in Zweiergruppen gearbeitet kein Einstiegstest Vorbereitung wird überprüft und zählt zur Mitarbeit keine Kopien von Messprotokollen nötig es ist ein Gesamtprotokoll pro Gruppe, bis zu vereinbarter Frist nach der letzten Einheit,abzugeben

Richtlinien für die Vorbereitung Die Praktikumseinheiten dienen dazu die Schaltungen aufzubauen und zu vermessen.Die dazu nötigen Vorarbeiten in Form von Berechnungen und Simulationen sind vorPraktikumsdurchführung zu erledigen und zum Praktikumstermin mitzubringen.

Fragestellungen, die nicht direkt für Aufbau oder Messung relevant sind, müssen erstim Endprotokoll bearbeitet werden.

Bei den Dimensionierungen soll darauf geachtet werden, sinnvolle Vereinfachungen an-zuwenden. Es ist unnötig hochgenaue Berechnungen durchzuführen, wenn die Bauteil-schwankungen die Rechengenauigkeit übersteigen.

Die von Ihnen analog zur Übung Halbleiterschaltungstechnik dimensionierten Schal-tungen sollen in PSpice simuliert werden.

Als Simulationswerkzeug bietet sich entweder OrCAD PSpice Vollversion oder LTspice(Freeware) an. Das kurze Tutorium in Kapitel 1 des Skripts bezieht auf die Verwendungvon OrCAD. Es liegt in Ihrer Verantwortung sich mit einer geeigneten Simulationssoftwarevertraut zu machen.

ii

Richtlinien für die Praktikumsdurchführung Die Schaltungen werden auf Lochrasterplatine aufgelötet und durchgemessen. Zur Do-kumentation der Messungen ist eine Digitalkamera zweckmäßig.

Gravierenden Abweichungen von Simulation bzw. Handrechnung muss nachgegangenwerden!

Achten Sie auf sinnvolle Einstellungen des Oszilloskops! Aktivieren Sie die Mittelungs-funktion nur in Ausnahmefällen!

Richtlinien zur Protokollerstellung

Grundsätzlich sollen die Ergebnisse von Handrechnung, Simulation und Messung, wennmöglich, verglichen werden. Erklärungsversuche für Abweichung!

Die mit • gekennzeichneten Fragestellungen müssen im Protokoll behandelt werden!Sie brauchen keine bekannten Herleitungen abschreiben. Es reicht eine Referenz auf Glei-chungen im Vorlesungsskript bzw. können Sie die relevanten Teile der verwendete Quelleals Kopie in den Anhang geben.

Die einzelnen Aufgabenstellungen sollen Sie dazu anregen sich Gedanken über dieschaltungstechnischen Zusammenhänge zu machen. Geben Sie ihre Erkenntnisse preis!

Unplausiblen Ergebnissen muss unbedingt nachgegangen werden!

Die Protokolle werden lang! Konzentrieren Sie sich nicht zu sehr auf die Formatierung,sondern auf den fachlichen Inhalt. Nichts desto trotz führen fehlende Achsenbeschrif-tungen, haarsträubende Einheitenfehler, unzweckmäßige grafische Darstellungen, usw. zuAbzügen in der Bewertung.

Sicherheitshinweise

Lötkolben sind heiß! Die Löttemperatur beträgt ca. 350C.

Bleihaltiges Lötzinn ist giftig (Schwermetall)!

Das beim Löten verdampfende Flussmittel (meist Kolophonium) gilt als gesundheits-schädlich!

Es wird daher empfohlen Lötdämpfe nicht einzuatmen und sich nach Beendigung desPraktikums die Hände zu waschen.

Inhaltsverzeichnis

1 EINFÜHRUNG PSPICE 11.1 Erstellen eines neuen Projekts in Orcad PSpice . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Platzieren der Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Simulation von zeitlichen Signalverläufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Simulation des Frequenzganges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5 Farbanpassung der Simulatorausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 MIKROFONVERSTÄRKER 82.1 Dimensionierung und Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.1 Simulation in PSpice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2 Hinweise zum Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Anhang zur Mikrofonverstärkerübung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.1 Funktionsweise des verwendeten Mikrofons . . . . . . . . . . . . . . 112.3.2 Zum Klirrfaktor / THD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.3 Verlustleistung an Potentiometern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.4 Messen der Rauschspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.5 Transistormodell des BC550C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 KONSTANTSTROMQUELLEN 173.1 Berechnung und Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 LC-OSZILLATOR 204.1 Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.1.1 Schwingbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.3 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.3.1 UKW-Prüfsender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5 KIPPSCHALTUNGEN 245.1 Berechnung und Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.1.1 Astabile Kippstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.1.2 Dreistufige Kippschaltung und Lauflicht . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

iii

INHALTSVERZEICHNIS iv

6 DIFFERENZVERSTÄRKER 286.1 Berechnungen und Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.1.1 DC - Analyse in PSpice und Verstärkungsberechnung . . . . . . . . 296.1.2 Temperaturstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7 UBE-VERVIELFACHER 317.1 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8 LEISTUNGSENDSTUFEN 338.1 Der komplementäre Emitterfolger (Kollektorschaltung) . . . . . . . . . . . 33

8.1.1 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358.2 Der rückgekoppelte Emitterfolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8.2.1 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368.3 Gegentaktverstärker mit Ruhestromeinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 37

8.3.1 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398.4 Der rückgekoppelte Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

8.4.1 Aufbau und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398.5 Der in Brücke geschaltete Verstärker (Aufbau optional) . . . . . . . . . . . 41

Kapitel 1

EINFÜHRUNG PSPICE

Die ersten Computerprogramme zur Schaltungssimulation gehen bis in die fünfziger Jahrezurück. Das erste Programm mit dem Namen SPICE (Simulation Program with Integra-ted Circuit Emphasis) erschien 1975. Im Zuge des Praktikums wird es nötig werden,Schaltungssimulationen mit einer geeigneten Software durchzuführen. Zum einen gibt eskommerzielle Softwarepakete, wie OrCAD PSpice, auf die sich auch die nachfolgende Ein-führung bezieht, und zum anderen ist freie Software wie LTspice von der Firma LinearTechnology eine echte Alternative. Sie haben bei der Auswahl der Software freie Hand!Demoversionen von Orcad PSpice sind in den neueren Versionen (aktuell OrCAD 16.6Demo (Capture and PSpice only), Stand 2016) für das Praktikum ungeeignet, da leiderzu stark eingeschränkt.

1.1 Erstellen eines neuen Projekts in Orcad PSpiceStarten Sie des Programms unter Programme, OrCAD... durch Auswahl von CaptureCIS. Es erscheint das Capture Fenster. Ein neues Projekt wird im Menüpunkt File, New,Project erzeugt, es erscheint dabei das in Abb. 1.1 abgebildete Fenster. Für die Simula-tion einer Transistorschaltung wird der Menüpunkt Analog or mixed A/D angeklickt.Der gewünschte Name und das Verzeichnis sind einzugeben.

Abbildung 1.1: New Project

1

KAPITEL 1. EINFÜHRUNG PSPICE 2

Nach der Quittierung mit OK erscheint das in Abb. 1.2 abgebildete Dialogfenster. ZumGenerieren eines neuen Projektes Create a blank project auswählen.

Abbildung 1.2: Create PSpice Project

Durch eine Quittierung mit OK erhält man ein leeres Zeichenblatt.

1.2 Platzieren der BauelementeDie gewünschten Bauelemente können durch Auswahl der selbigen aus der entsprechendenBibliothek des Menüpunktes Part im Menü Place (oder Shift+P) in das Zeichenblatteingefügt werden.

Abbildung 1.3: Place Part

In der Analog Bibliothek befinden sich z.B. Widerstände Kondensatoren usw. in ver-schiedenen Ausführungsformen, wie in Abb. 1.3 ersichtlich ist. Besonderes Augenmerk istbeim Einfügen eines Bezugspotentials mit Place, Ground und Auswahl des GND Sym-bols aus der CAPSYM Bibliothek darauf zu legen, dass dieses auf 0 umbenannt wird, dasonst bei der Simulation eine Fehlermeldung ausgegeben wird (Abb. 1.4) !!!Nach erfolgter Platzierung der Bauteile erfolgt die Verdrahtung mit Shift+W oder unterdem Menüpunkt Place durch Auswahl von Wire. Verbindungen zwischen Bauteilen stellenfür PSpice Knoten (Nodes) dar, welche vom Schaltplaneditor selbstständig nummeriertwerden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sollten interessante Knoten aussagekräftigbenannt werden. Vergeben Sie dazu sogenannte Net Aliases durch anklicken einer Ver-bindung und drücken vonShift+N (oder dem Symbol N1).Um eine Ausgabe der in der Schaltung interessanten Spannungen und Ströme in Abhängig-keit der Zeit zu erreichen, muss man nun noch Messpunkte mit Voltage/Level Marker


Abbildung 1.4: Place Ground

bzw. Current Marker (in der Menüleiste die lupenähnlichen Symbole mit V und I )setzen, wie beispielsweise in Abb. 1.5 gezeigt wird. Durch Anklicken der V, I Knöpfe inder Menüleiste werden Gleichspannungs- und Gleichstromwerte (Arbeitspunkt) direkt inder Zeichnung angezeigt.

Abbildung 1.5: Schematic

1.3 Simulation von zeitlichen SignalverläufenVor Start der Simulation ist es nun noch notwendig ein Simulationsprofil zu erstellen.Dieses erhält man durch Auswahl von New Simulation Profile im PSpice Menü. Im


sich öffnenden Fenster, wie in Abb. 1.6 dargestellt, ist nun der Name des Simulationsprofilseinzugeben.

Abbildung 1.6: New Simulation

Nach Betätigen des Create Buttons erscheint das in Abb 1.7 dargestellte Fenster, in demdie Simulationseinstellungen, wie beispielsweise die Simulationsdauer, eingestellt werdenkönnen.

Abbildung 1.7: Simulation Settings

Nach der Erstellung des Simulationsprofils kann die Simulation durch Drücken des RunPSpice Buttons (blaues Dreieck) gestartet werden. Es erscheint das Ausgabefenster mitden gewünschten Simulationswerten, wie beispielsweise für die Schaltung aus Abb. 1.5, inAbb. 1.8 gezeigt wird.

1.4 Simulation des FrequenzgangesDamit PSpice den Frequenzgang simulieren kann, muß als Signalquelle VAC oder VSRCverwendet werden. Als Analyseart muß im Simulation Profile AC Anlysis und derentsprechende Frequenzbereich eingestellt werden.


Abbildung 1.8: Simulationsergebnis der zeitlichen Analyse

Abbildung 1.9: Bode Diagramm


1.5 Farbanpassung der SimulatorausgabeAls Simulationsergebnis wird vorerst nur der Amplitudengang von V(OUT) angezeigt.Im Menü Plot kann mit Add Plot to Window ein neuer Plot hinzugefügt werden.Mit Add Trace kann nun mit Hilfe der Funktion P( ) der Phasengang von V(OUT)angezeigt werden. Für Ausdrucke ist die Ausgabe der Simulationsergebnisse auf schwarzemHintergrund, wie in Abb. 1.9 zu sehen, meist unzweckmäßig. Die Farben können z.B. inder Datei C:\Programme\Orcad\PSpice\PSpice.ini eingestellt werden. Ändern Siehierzu in der [PROBE DISPLAY COLORS] - Umgebung die Angaben für BACKGROUNDund für FOREGROUND.[PROBE DISPLAY COLORS]NUMTRACECOLORS=12BACKGROUND=BRIGHTWHITEFOREGROUND=LIGHTBLUE

1.6 ZusammenfassungPräfixe für Zehnerpotenzen in PSpice

Wichtige Tastenkombinationen

Shift + P Bauteil auswählenShift + W Draht zeichnenShift + G Ground platzierenShift + N Net Alias vergebenCtrl + R Bauteil rotierenI/O hinein/heraus zoomenH/V Bauteil horizontal/vertikal spiegeln

Nützliche Bauteile aus ANALOG Library

F Stromquelle stromgesteuertG Stromquelle spannungsgesteuertH Spannungsquelle stromgesteuertE Spannungsquelle spannungsgesteuertS Schalter spannungsgesteuertW Schalter stromgesteuert


Übersetzungsverhältnis durch Doppelklick auf Bauteil und Veränderung des Wertes inSpalte Gain anpassen.

Parametric Sweep

Simulation mit variablem Widerstand: Bauteilwert auf Rvar setzen.Bauteil PARAM aus SPECIAL Library hinzufügen.Doppelklick auf PARAM Objekt und Klick auf New Column... .Als Name Rvar (ohne Klammern) und einen Defaultbauteilwert in Value eingeben undOK drücken.Im Simulation Profile Checkbock Parametric Sweep und Radiobutton GlobalParameter anwählen.Als Parametername Rvar und die Grenzen für den Parametersweep eingeben.

Analyse Arten

Transient Simulierte zeitliche Entwicklung der SignaleDC Sweep Simulation mit variierender GleichspannungAC Sweep Frequenzgang, Bodediagramm (VAC/VSRC verwenden)Bias Point Bestimmung des Arbeitspunktes

Kapitel 2

MIKROFONVERSTÄRKER

Die mit • gekennzeichneten Fragestellungen sind im Endprotokoll zu behandeln!

Ziel ist es einen Verstärker für Elektretmikrofone zu dimensionieren. Für den ersten Tran-sistor wird dabei der rauscharme Typ BC550C (von On-Semiconductor) verwendet. Fürden zweiten, weniger kritischen Transistor wird der Standardtyp BC548B (ebenfalls vonOn-Semi) verwendet. Die Bauteilparameter beider Transistoren finden Sie in den Daten-blättern im Anhang.

2.1 Dimensionierung und BerechnungenDimensionieren Sie die Widerstände und die Kondensatoren für die in Abb. 2.1 dargestellteVerstärkerschaltung. Wählen Sie Werte aus der Normreihe E241. Da die Stromverstärkungder Transistoren sehr hoch ist, kann der Basisstrom vernachlässigt werden. Die Spannungan RE soll für gute Temperaturkompensation mit 2V (relativ hoch) gewählt werden.Sie können den Kollektorruhestrom IC0 entweder a) wie in der Übung frei wählen, oderbesonders Interessierte (Zusatzpunkte) können b) einen optimalen Kollektorruhestrombestimmen. Dazu sei Gl. 2.1 gegeben:

R0 =

√2βrBBIC0

UT + β

I2C0U2T . (2.1)

Hierbei ist β die Kleinsignalstromverstärkung (auch hFE), UT die Temperaturspannung,rBB der Basisbahnwiderstand (engl.: Base Spreading Resistance ). Die Werte finden Sie imDatenblatt des BC550C. R0 ist der äquivalente Generatorwiderstand der von der Basis ausgesehen wird: hier R1||R2||RG. Der Generatorwiderstand der Signalquelle RG kann mit4.7kΩ angenommen werden. Der Hintergrund für diese etwas umständliche Berechnungliegt darin, die von der Schaltung erzeugte Rauschspannung zu minimieren. Schätzen Sieaus obiger Gleichung den optimalen Kollektorstrom ab. Bedenken Sie, dass die Bauteilwer-te stark schwanken können, und Sie deshalb mit vielen Vereinfachungen rechnen können.Wählen Sie für den Basisquerstrom einen sinnvollen Wert im Bereich 0.1mA . . . 1mA.

11.0; 1.1; 1.2; 1.3; 1.5; 1.6; 1.8; 2.0; 2.2; 2.4; 2.7; 3.0; 3.3; 3.6; 3.9; 4.3; 4.7; 5.1; 5.6; 6.2; 6.8; 7.5; 8.2; 9.1

8

KAPITEL 2. MIKROFONVERSTÄRKER 9

BC550C

RC

RER2

R1

CE

BC548B

P1

2.2kΩC1

C2

uE

uA

U0=9V

RL

RG

uG

Abbildung 2.1: Verstärker Emittergrundschaltung mit Gleichstromgegenkopplung (auchals stromgesteuerte Spannungsgegenkopplung bezeichnet)

Weiters soll im Arbeitspunkt die Spannung am Emitter des zweiten Transistors 5V be-tragen. Die Amplitude am Eingang kann zu Simulationsbeginn mit 10mV angenommenwerden.

Geforderte Berechnungen:

• Dimensionierung der Widerstände!• Schätzen Sie den Eingangswiderstand und den maximalen Ausgangswiderstand ab.• Dimensionieren Sie die verwendeten Kapazitäten, wenn Wechselspannungssignale mitFrequenzen von 100Hz bis 25kHz verstärkt werden sollen.• Bestimmen Sie die maximale Spannungsverstärkung mit und ohne Kondensator parallelzum Emitterwiderstand RE. Welche Unterschiede können Sie feststellen?

2.1.1 Simulation in PSpiceDas Transistormodell des BC550C finden Sie im Abschnitt 2.3.5.• Überprüfen Sie die Arbeitspunkte!• Überprüfen Sie durch Simulation, ob die theoretisch mögliche Spannungsverstärkungtatsächlich erreicht wird. Simulieren Sie die Schaltung jetzt auch ohne CE.• Warum verringert sich jetzt die Ausgangsspannung? Rechnen Sie diesen Wert über-schlagsmäßig nach. Erhöhen Sie die Amplitude der Eingangsspannung bis auf 0.5V.• Was können Sie an der Ausgangsspannung bzw. Kollektor-Emitter-Spannung beobach-ten?


• Verwenden Sie die FFT-Funktion von PSpice und analysieren Sie die nichtlinearen Ver-zerrungen.• Bestimmen Sie die THD für Wechselspannungen von 1mV, 10mV und 100mV an derBasis von T1 (setzen Sie RG dazu auf 0Ω). Vergleichen Sie die Werte mit den Vorhersagenaus Anhang 2.3.2.• Welche Maßnahmen würde Sie treffen um Verzerrungen zu verringern? (Anspruchsvoll:Ist die gezeigte Art der Lautstärkeeinstellung in Hinblick auf die Verzerrungen sinnvoll?)

2.1.2 Hinweise zum Aufbau Für die Schaltungen im Praktikum ist es ausreichend die Bauteile ähnlich wie imSchaltplan anzuordnen. Es sei darauf hingewiesen, dass dies in der Praxis oft nicht optimalist, da reale Leitungen endliche Leitfähigkeit und eine gewisse Induktivität aufweisen.Speziell wenn sensible Analog- und schnelle Digitalelektronik gemeinsam zum Einsatzkommen, muss die Störausbreitung genauer analysiert werden2. Sie sollten für Ein- und Ausgänge sowie für die Versorgung Anschlüsse vorsehen dieschnelles An- bzw. Ablöten von Bauteilen und Drähten ermöglichen. Siehe z.B. folgendeAbbildungen.

Lötzinn

DrahtLochrasterplatine

Lötaugen

Bauen Sie die Schaltung zuerst ohne CE und C2 auf! Lassen Sie Platz um diese spätereinzulöten! Als Ausgang soll zu Messzwecken der Poti-Schleifer dienen. Achten Sie genau darauf keine Bauteile falsch gepolt einzubauen! Löten Sie das Poti so ein, damit Sie es wieder auslöten und wiederverwenden können. Mitunter können Abblockkondensatoren in der Versorgungsspannung sinnvoll sein. Beachten Sie die etwaige Polung des Elektretmikrofons (viele Elektretmikrofone zeigeneine Diodenwirkung in Sperrrichtung.)! Löten Sie das Mikrofon vorerst noch nicht an!

2.2 Messungen• Schätzen Sie ab mit welchemWiderstand Sie den Schleiferanschluss des Potis in Abb. 2.1belasten dürfen, damit das Poti im Arbeitspunkt für keine Schleiferstellung überlastet wer-

2Siehe z.B.: H.Johnson, M.Graham, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, PrenticeHall, 1993.


den kann. Verwenden Sie die Dimensionierungsregeln im Anhang 2.3.3 des Kapitels.• Schätzen Sie den Strom, den die Schaltung aufnehmen wird, ab und stellen Sie dieStrombegrenzung des Netzteils entsprechend ein.• Überprüfen Sie wie die gemessenen Arbeitspunkte der Transistoren mit der Simulationübereinstimmen.• Überprüfen Sie welche Verstärkung Sie ohne CE erreichen können. Löten Sie CE einbestimmen Sie die Verstärkung sowie die Aussteuergrenzen. Stellen Sie Ein- und Aus-gangsspannung auf dem Oszilloskopschirm grafisch dar. Da das Elektronikboard Wech-selspannungen von nur minimal 200mV mit einem vertretbaren Rauschen liefern kann,ist die benötigte Eingangsspannung durch einen Spannungsteiler bereitzustellen (fliegendauflöten; wird später nicht mehr benötigt). Überlegen Sie sich auch genau, welches Impe-danzniveau der Teiler haben sollte. (Wie groß ist der Eingangswiderstand der Schaltung?)• Ab welcher Eingangsamplitude gerät der Transistor in Sättigung?• Schließen Sie den Eingang kurz und bestimmen Sie die Rauschamplitude am Ausgangüberschlagsmäßig. Entfernen Sie den Vorspannungsteiler wieder und schließen Sie einElektretmikrofon entsprechend nachstehender Schaltung an den Verstärker an. Der Stromdurch das Mikrofon darf maximal 3mA betragen!• Dimensionieren Sie den Vorwiderstand RV entsprechend.

RV

Mic

• Welchen Ausgangspegel können Sie bei Sprache auf Zimmerlautstärke und voller Ver-stärkung messen?

2.3 Anhang zur Mikrofonverstärkerübung

2.3.1 Funktionsweise des verwendeten MikrofonsZur Umwandlung von Schallwellen (Luftdruckschwankungen) in elektrische Signale soll einElektret-Kondensator Mikrofon verwendet werden. Wegen des kostengünstigen Aufbaus(ca. 30ct) finden sie häufig Verwendung in Elektronik des Consumer-Bereichs. Aufbauund Funktion sind in Abb. 2.2 gezeigt.

In der Elektretfolie ist eine elektrische Polarisation gespeichert. Das heißt, dass an denGrenzflächen auch ohne externem Feld eine elektrische Ladungen Q auftritt. (Dies istvielleicht unintuitiv, jedoch analog zum Magneten in welchem eine magnetische Polari-sation gespeichert ist). Das elektrische Feld zwischen den Elektroden ist in guter Nähe-rung konstant. Entsprechend UGS =

∫d(t) Eds stellt sich eine der Membranauslenkung


Abstandshalter /Isolation

Ele

ktr

etfolie

JFET

Ele

ktr

ode

++

++

++

++

++

++

++

++

+

--

--

--

---

--

--

--

---

--

--

-

Schall

D

S

D

S

dSchall

Abbildung 2.2: links) Innenleben; mitte) Elektret-Kondensator; rechts) äquivalentesSchaltbild

proportionale Gate-Source-Spannung ein. Wie in Abb. 2.2 rechts zu erkennen, wird derArbeitspunkt nicht gateseitig über Widerstände eingestellt. Damit die Funktion trotzdemgegeben ist, muss der verwendete FET entweder ein MOSFET vom Verarmungstyp oderein JFET (mit inhärentem Verarmungsverhalten) sein.

2.3.2 Zum Klirrfaktor / THDDurch die stark nichtlineare Kennlinie des Transistors werden (sinusförmige) Eingangssi-gnale verzerrt. Dies äußert sich durch das Auftreten von Oberwellen im Ausgangssignal.Ein Maß für die Stärke der nichtlinearen Verzerrungen ist der Klirrfaktor k, welcher durch

k =

√u2

2 + u23 + u2

4 + · · ·+ u2∞

u21 + u2

2 + u23 + u2

4 + · · ·+ u2∞

(2.2)

gegeben ist und ein Verhältnis zwischen Effektivwert der Oberschwingungen3 (u2 . . . u∞)und des gesamtem Effektivwerts des Signals beschreibt. Grundsätzlich sind geringe Klirr-faktoren (0.5% gilt unter Umständen als noch hörbar) anzustreben. Da das subjektiveEmpfinden der Verzerrungen stark frequenzabhängig ist, wird dieser oft bei 1kHz ange-geben.

Ein einfacher auszuwertendes Maß ist durch die sogenannte gesamtharmonische Verzer-rung (engl. Total Harmonic Distortion, THD) gegeben. Diese ist bei üblichen Verzerrungendem Klirrfaktor vom Wert her sehr ähnlich.

THD =√u2

2 + u23 + u2

4 + · · ·+ u2∞

u1(2.3)

Berechnung der THD am Beispiel der Emitterschaltung

Gegeben ist der Kleinsignalverstärker aus Abb. 2.3. Das ansonsten übliche Netzwerk zurArbeitspunkteinstellung wird für die Berechnung durch die ideale Gleichspannungsquelle

3Oft auch als Oberwelle bezeichnet. Strenggenommen ist dies aber falsch, da eine Welle immer auchräumliche Änderung aufweist, was hier nicht der Fall ist.


UBE,0 ersetzt. Das Eingangskleinsignal ue sei eine harmonische Schwingung. Unter Ver-nachlässigung der Eins in der Transferkennlinien, gelten für die Ausgangsspannung Uafolgende Zusammenhänge:

Ua = UB − ICRC = UB −RCIS exp(ue + UBE,0

UT

)(2.4)

= UB −RC IS exp(UBE,0UT

)︸︷︷︸

IC,0

exp(ue sinωtUT

)(2.5)

RC

Ua

UBE,0

ue

UB

Abbildung 2.3: THD-Berechnung anhand einer Kollektorschaltung. Die Arbeitspunktein-stellung geschieht mittels UBE,0.

Einsetzen einer Reihenentwicklung für die Exponentialfunktion

exp (x) = 1 + x+ x2

2 + x3

3! + · · ·+ xn

n! (2.6)

ergibt:

Ua = UB −RCIC,0

·(

1 + ueUT

sinωt+ 14u2e

U2T

(1− cos 2ωt) + 124

u3e

U3T

(3 sinωt− sin 3ωt) + . . .

)(2.7)

Eine grobe Abschätzung der THD erhält man wenn man nur das Verhältnis zwischenquadratischem und linearem Anteil betrachtet. Dies führt zu folgender Faustformel:

THD ≈ ue4UT

(2.8)

Damit wird unmittelbar ersichtlich, daß für eine THD von ca. 1% nur 1mV ausgesteu-ert werden darf. Diese Abschätzung ist für kleine Auslenkungen bis maximal einige mV


ausreichend genau. Bei starker Verzerrung nähert sich das Ausgangssignal einer Recht-eckspannung an und die maximal zu erwartenden Werte sind

k =√π2 − 8π2 = 43.5% bzw. THD =

√π2 − 8

8 = 48.3%. (2.9)

Versuchen Sie dies zu simulieren! Sie können die FFT Funktion verwenden, oder aber ein-gebaute Funktionen zur direkten Berechnung der THD verwenden. Geben Sie in LTSpicezusätzlich zur transienten Analyse folgende Direktive (mit .op in der Schaltfläche) an

.FOUR 1k 10 V(out)

Es wird eine Fourieranalyse der Spannung des Knotens mit Namen „out“ vorgenommen,wobei die Amplituden von 10 Harmonischen der Grundschwingung von 1kHz berechnetwerden. Das Ergebnis finden Sie im Log File, welches Sie mit Strg+L öffnen können.

Verringerung der harmonischen Verzerrungen durch Gegenkopplung.

Die Verstärkerschaltung in Abb. 2.1 verfügt über keine Wechselspannungsgegenkopplung.Im Gegensatz zu Operationsverstärkerschaltungen ist bei unserer Schaltung die Leerlauf-verstärkung so gering, das dieser „Geradeausbetrieb“ grundsätzlich möglich ist. DurchRückkopplung können die Verzerrungen stark reduziert werden, was allerdings auch dieVerstärkung reduziert. Um hohe Verstärkungen bei stark reduzierten Verzerrungen zu er-reichen, ist es nötig die Verstärkung der Transistorstufe entsprechend zu erhöhen. Da dieVerstärkung aber auf

A = −sRC = −IC,0UT

RC = −UB − UC,0UT

(2.10)

begrenzt ist (UC,0 ist das Kollektorruhepotential), benötigt man einen mehrstufigen Auf-bau, oder schaltungtechnische Tricks. Verwendet man z.B. an Stelle von RC eine Strom-quelle I0, so stellt diese die Steilheit s ein, und der nun wirksame Widerstand im unbe-lasteten Fall ist durch den Earlyeffekt gegeben und man kann Verstärkungen der Größen-ordnung

A ≈ − I0

UTrEA > 1000 (2.11)

ohne weiteres erreichen.

2.3.3 Verlustleistung an PotentiometernAm verwendeten Potentiometer darf die maximale Verlustleistung 150mW nicht überstei-gen. Dies bedeutet, dass über die gesamte Widerstandsbahn maximal 150mW abgegebenwerden können. Ist der Schleifer, wie in untenstehender Abbildung gezeigt, jedoch nichtauf den vollen Winkel eingestellt, so reduziert sich die Fläche über die die Wärme abge-geben werden kann und die maximal abgebbare Verlustleistung ist geringer.Die max. abgebbare Leistung bei Schleiferstellung α (α = 0..1) berechnet sich mit

P (α) = P0 · α P0 . . .max. Verlustleistung


U

a

Widerstandsbahn

Wärm

e-

abgabe

Schleifkontakt

Der Widerstand R bei Schleiferstellung α beträgt:

R(α) = R0 · α R0 . . . nomineller Potiwert

Es gelten die Zusammenhänge:

P (α) = I2 ·R(α) (2.12)P0 · α = I2 ·R0 · α (2.13)

P0 = I2 ·R0 (2.14)

Dies bedeutet letztendlich, dass in der Widerstandsbahn des Potis ein gewisser Strom Inicht überschritten werden sollte! Für das verwendete 2k2-Poti beträgt dieser maximaleStrom ca. 8.25mA. Berücksichtigen Sie diesen Sachverhalt um Schaltungen zu erhaltendie sich nicht durch eine ungünstige Potistellung zerstören lassen!

2.3.4 Messen der RauschspannungAls Rauschspannung versteht man jene Spannungsamplitude die bei kurzgeschlossenemEingang am Ausgang anliegt. Die verwendeten Digitaloszilloskope bieten spezielle Funk-tionen die das Messen der Rauschspannung vereinfachen. Zunächst stellt man in Menü„Erfassung“ auf „Spitzenwerte“ (Peak detect), diese Einstellung führt dazu, dass das Os-zilloskop sensitiver auf das Rauschen wird. Als nächstes wird im Menü „Anzeige“ dieFunktion Nachleuchten auf den Wert Unendlich gestellt. Diese Einstellung führt dazu,dass der Displayinhalt nicht nach jedem Durchgang gelehrt wird sondern, dass sämtlicheKurven übereinandergezeichnet werden. Misst man nun die Rauschspannung erhält manam Oszilloskopbild einen durchgehenden Balken in dem Bereich in dem die Rauschspan-nung liegt. Die Spannung kann nun bequem mit der Cursor Funktion gemessen werden.Einzelne Peaks die aus dem durchgehenden Balken herausragen werden hierbei nicht be-rücksichtigt.

2.3.5 Transistormodell des BC550CFügen Sie das untenstehende Modell als Direktive ein. Platzieren Sie einen NPN Transistorim Schaltplan und ändern Sie NPN in BC550C.


.model BC550C NPN(Is=7.049f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=23.89 Bf=493.2 Ise=99.2f+ Ne=1.829 Ikf=.1542 Nk=.6339 Xtb=1.5 Br=2.886 Isc=7.371p+ Nc=1.508 Ikr=5.426 Rc=1.175 Cjc=5.5p Mjc=.3132 Vjc=.4924 Fc=.5+ Cje=11.5p Mje=.6558 Vje=.5 Tr=10n Tf=420.3p Itf=1.374 Xtf=39.42+ Vtf=10)

Kapitel 3

KONSTANTSTROMQUELLEN

In Abb. 3.1 sind 3 Arten von Stromquellen mit absteigender Qualität gezeigt. Der linkeTransistor in Abb. 3.1 (links) mit kurzgeschlossener BC-Strecke verhält sich wie eine Di-ode (Transistordiode). Eine billigere Version der Stromquelle kann somit, wie in Abb. 3.1(mitte) gezeigt, realisiert werden. Da die Kennlinien und Temperaturgänge von Diode undTransistor unterschiedlich sind, müssen die Emitterwiderstände entsprechend höher ge-wählt werden. Eine nochmals vereinfachte Version (Abb. 3.1 rechts) kann durch weglassender Diode realisiert werden, wobei für gute Temperaturstabilität der Emitterwiderstandnochmals vergrößert werden muss.

3.1 Berechnung und Simulation• Dimensionieren Sie die Widerstände einer Konstantstromquelle Ihrer Wahl aus Abb. 3.1für einen Strom von 10mA durch den Lastwiderstand RL und für eine Versorgungsspan-nung von UB = 15 V. Nehmen Sie RE dabei mit 100Ω an.• Mit welchem maximalen LastwiderstandRL,max darf die von Ihnen dimensionierte Strom-quelle betrieben werden, sodass der Stromfluss nicht zusammenbricht? Die Transistorpa-rameter sind aus dem zugehörigen Datenblatt zu entnehmen.

BC548BBC548B

R1 RL

RE

RE

UB BC548B

R1

RE

UB

RE

1N4148

BC548B

R1

R2

UB

RE

1N4148

RL RL

Abbildung 3.1: Stromquellen mit Transistoren

17

KAPITEL 3. KONSTANTSTROMQUELLEN 18

• Stellen Sie den von der Stromquelle gelieferten Strom in Abhängigkeit des Lastwider-standes grafisch dar. Definieren Sie sich dazu einen Parameter in geschweiften Klammernfür den Kollektorwiderstand z. B. RL. In LTSpice platzieren Sie einfach die Direktiven

.STEP PARAM RL 10 10k 100

und

.OP

was LTSpice dazu veranlasst, die Arbeitspunkte (.op) mit variablem RL von 1Ω bis 10kΩmit 100Ω Inkrement zu simulieren. In OrCAD gehen Sie wie folgt vor. Plazieren Sieanschließend in den Schaltplan eine Parameterliste PARAMETERS: aus der LibrarySPECIAL und doppelklicken Sie darauf. Fügen Sie gemäß Abb. 3.3 mit der SchaltflächeNew Column... Ihren Parameter ein und machen Sie ihn in der Parameterliste sicht-bar, indem Sie die Spalte RL markieren und in den Display Properties Name onlyauswählen.

PARAMET ERS:

RL

R3

R L

Abbildung 3.2: Für den Parameter-Sweep muss ein PARAMETERS Objekt plaziert wer-den. Der Bauteilwert muss durch geschwungene Klammern variabel gesetzt werden.

Abbildung 3.3: Widerstand mit Parameter RL und der zugehörigen Parameterliste

Variieren Sie den Parameter zwischen 10Ω und 10kΩ (Abb. 3.3) und überprüfen Sie Ihrenvorher berechneten maximalen Lastwiderstand RL,max.• Stellen Sie den Kollektorstrom über den Lastwiderstand dar.Sie werden sehen, dass der von der Quelle gelieferte Strom mit zunehmendem Lastwider-stand abnimmt, obwohl RL < RL,max ist. Grund dafür ist der Innenwiderstand der Quelle,der im Folgenden berechnet werden soll. Gehen Sie dazu wie folgt vor: Bestimmen Sie an-hand der Simulation zunächst den Nennstrom INenn der Quelle, der sich bei Kurzschlußam Ausgang, also bei RL = 0Ω , einstellt Abb. 3.5 links). Dann bestimmen Sie den Strom

KAPITEL 3. KONSTANTSTROMQUELLEN 19

Abbildung 3.4: Festlegung des Wertbereiches des Lastwiderstandes für die Simulation

IA für einen Lastwiderstand RL < RL,max, z.B. 1kΩ , der jetzt geringfügig kleiner seinwird als INenn (Abb. 3.5 rechts)).• Berechnen Sie jetzt aus INenn, IA und RL den Innenwiderstand Ri der Stromquelle.

RiINenn

A

RL<RL,max

IA

RiINenn A INenn

reale Stromquelle reale Stromquelle

Abbildung 3.5: links) Strommessung bei Kurzschluß, rechts) Strommessung mit RL

3.2 Aufbau und Messung• Überprüfen Sie die in der Simulation erzielten Ergebnisse durch Aufbau der Schaltungund der Messung von Strom und Spannung am variablen Lastwiderstand bei 100Ω , 500Ω ,1kΩ , 1.1kΩ , 1.2kΩ , 1.3kΩ , 1.4kΩ , 1.6kΩ , 2kΩ , 4kΩ , 6kΩ , 10kΩ . Verwenden Siedazu das Potentiometer.• Ermitteln Sie erneut RL,max und vergleichen Sie ihn mit den Werten aus Rechnung undSimulation.• Bestimmen Sie aus den gemessenen Strömen, wie im vorherigen Kapitel beschrieben,den Innenwiderstand und vergleichen Sie ihn mit dem Wert aus der Simulation. Solltees zu großen Abweichungen kommen die Sie sich nicht erklären können, so finden Sie imKUSSS das Dokument „Anmerkung Stromquelle.pdf“.

Kapitel 4

LC-OSZILLATOR

Die in Abb. 4.1 dargestellte Schaltung zeigt einen Oszillator in Basisschaltung zur Erzeu-gung harmonischer Schwingungen. Grundsätzlich sind Oszillatoren rückgekoppelte Ver-stärker, was allerdings in Abb. 4.2 nicht unmittelbar ersichtlich ist.

4.1 Berechnungen

9Vdc

Abbildung 4.1: Oszillatorschaltung. Sollte der Oszillator in der Simulation nicht anschwin-gen, so fügen Sie Uin ein.

4.1.1 SchwingbedingungVersuchen Sie aufgrund des Kleinsignalersatzschaltbildes die Resonanzfrequenz des Os-zillators zu berechnen. Hinweis: Die Kapazitäten C1 und C2 können als unendlich ange-nommen werden. Sie werden feststellen, dass die Berechnung nicht möglich ist ohne dieparasitären Kapazitäten des Transistors zu berücksichtigen.

20

KAPITEL 4. LC-OSZILLATOR 21

• Berechnen Sie die Resonanzfrequenz unter Berücksichtigung der parasitären Transis-torkapazitäten CBC und CBE und variablem RE. Berücksichtigen Sie in der Rechnung,dass die Kleinsignalstromverstärkung β frequenzabhängig ist! Hinweis: Sie dürfen für alleBerechnungen Mathematik Algebra Programme verwenden.

Die Kapazitäten CBC und CBE (siehe Abb. 4.2) sind in der Größenordnung von eini-gen pF und unterscheiden sich je nach Hersteller des Transistors mitunter deutlich (typ.CBC ≈ 5 pF und CBE ≈ 10 pF). Ein interessanter - in Folge ausgenützter Effekt - ist,dass diese Kapazitäten arbeitspunktabhängig sind (CBC und CBE bestehen zum Teil ausSperrschicht- bzw. Diffusionskapazitäten).

E

K

B

CBC

CBE

Abbildung 4.2: Transistor mit den parasitären Kapazitäten CBC und CBE

4.2 SimulationDie Spannungsquelle Uin dient dazu den Oszillator anschwingen zu lassen und wird in derRealität nicht benötigt, da hier Rauschen für das Anschwingen sorgt.• Simulieren Sie den Oszillator in PSpice. Er sollte, wie Abb. 4.2 zeigt, nach ca. 1µseingeschwungen sein. Stellen Sie diesen Bereich grafisch dar.

Abbildung 4.3: Ausgangsspannung des Oszillators


Simulieren Sie den Spannungsverlauf jetzt zwischen 1µs und 2µs, um den Einschwingvor-gang wegzuschneiden und bestimmen Sie mit Hilfe der FFT die Bandbreite und die Gütedes Oszillators. Erhöhen Sie nun die Simulationszeit auf das Fünffache, schneiden Sie denEinschwingvorgang weg und bestimmen Sie die Güte erneut. • Warum ergibt sich jetztein höherer Wert als vorher?

Variieren Sie als nächstes den DC-Arbeitspunkt durch verändern von R1 oder R2.• Fertigen Sie das DiagrammResonanzfrequenz fres über Basis-Emitterspannung an (mind.fünf Punkte)! Hinweis: Eine höhere Frequenzauflösung kann mitunter nötig sein. ErhöhenSie dazu die Simulationsdauer um ein Vielfaches.

4.3 AufbauBauen Sie die Oszillatorschaltung auf eine Lochrasterplatine auf. Bauen Sie die Schaltungnicht zu eng auf, um Effekte zusätzlicher parasitärer Kapazitäten zu minimieren. AchtenSie aber auch darauf, unnötig lange Leitungstücke zu vermeiden bzw. diese dicker auszu-führen, um zusätzliche Serieninduktivitäten zu vermeiden1. Die Wellenlänge der erzeugtenGrundfrequenzen liegt in der Gegend von 3m, wodurch Leitungsphänomene nicht relevantsind. Bauen Sie Cin nicht ein! Der Kondensator C wird durch einen Trimmkondensator,einstellbar von 4pF bis 40pF, ersetzt.

Die Spule (eine Luftspule) wird aus einem 15cm langem Stück Silberdraht mit 0.35mmDurchmesser von der Praktikumsgruppe selbst hergestellt. Dazu werden 12 nebeneinanderliegende Windungen auf einen Zylinder mit 3mm Durchmesser aufgewickelt (ein 3mmBohrer wird zur Verfügung gestellt). Am Spulenanfang und am Spulenende bleiben jeweilseinige Millimeter Silberschaltdraht als Anschlüsse übrig. Ziehen Sie die Spule auf ca. 12mm auseinander und bauen Sie sie so ein, dass Sie sie unter Umständen austauschenkönnen! Hinweis: Je nach Aufbau können es kleinste parasitäre Kapazitäten nötig machendie Windungszahl nachträglich noch zu verändern.

• Suchen Sie einen geeigneten Messpunkt (Keine Leitung anlöten! Der Messpunkt inAbb. 4.1 ist nicht geeignet!) und stellen Sie die Schwingung am Oszilloskop dar. Bestim-men Sie die Resonanzfrequenz des Oszillators mit Hilfe der FFT-Funktion eines geeignetenOszilloskops.

4.3.1 UKW-PrüfsenderWenn Sie sicher sind, dass die Oszillatorschaltung stabil anschwingt, verbinden Sie denEingang des Oszillators (=Basis des Transistors) mit dem Ausgang des Mikrofonverstär-kers. Sie erhalten einen Mono-FM-Sender. Versuchen Sie diesen mit einem Radio zu emp-fangen! Halten Sie das Mikrofon in die Nähe des Lautsprechers, so erkennen Sie anhandvon Rückkoppelgeräuschen die richtige Abstimmung von Oszillator bzw. Radio. Durch diegeringe abgegebene Leistung sollte der Sender nicht mehr als 50m Reichweite aufweisen.Sollte der Sender nur schlecht oder stark verrauscht empfangbar sein, so kann dies mög-licherweise durch Abblockung der Versorgungsspannung, oder durch Verwendung einer

1Diese Schaltung, bzw. Oszillatoren in Basisschaltung im Allgemeinen, reagieren empfindlich auf Ba-sisserieninduktivitäten.


Batterie (9V Block) als Stromversorgung behoben werden. Sollte der Mikrofonverstärkerdie Quelle des Rauschens sein, so können Sie auch versuchen eine externe Signalquelleüber einen Kondensator in den Oszillator einzukoppeln.

Die Schaltungsvorschläge für UKW-Prüfsender stammen mitunter aus den 70er Jahren.Damals wiesen die Transistoren höhere parasitäre Kapazitäten auf, wodurch auch dieKapazitätsänderung über die UBE-Änderungen größer war. Dies wirkt sich auf den er-zielbaren Frequenzhub (FM) - der der Lautstärke des im Radio wiedergegebenen Signalsproportional ist - aus. Der Trimmkondensator liegt parallel zu den parasitären Kapa-zitäten. Ist der Trimmkondensator auf einen hohen Wert eingestellt, so wirkt sich dieVeränderung der parasitären Kapazitäten vielleicht nicht stark genug auf die Frequenzän-derung aus. Konkrete Abhilfe schafft man indem man die Windungszahl der Induktivitäterhöht. Damit kommt man mit kleineren Trimmereinstellungen aus und der Frequenzhubwird größer.

In Österreich darf nach Allgemeinzuteilung der Frequenzen, die Sendeleistung im UKW-Band 50nW nicht übersteigen. Der Dauerbetrieb eines UKW-Senders, wie hier vorgestellt,ist grundsätzlich nicht zu empfehlen und ist besonders in urbanen Gebieten gefährlich!Schließen Sie auf keinen Fall eine Antenne an, da dies die Reichweite noch zusätzlicherhöhen würde!

Ein sachgemäß aufgebauter Prüfsender sollte in ein HF-dichtes Gehäuse mit Koaxialaus-gang eingebaut werden und dient zur Fehlersuche in Radios!

Kapitel 5

KIPPSCHALTUNGEN

Kippschaltungen sind mitgekoppelte Digitalschaltungen, bei denen sich die Ausgangs-spannung nicht kontinuierlich ändert, sondern immer zwischen zwei Zuständen hin undher kippt; daher der Name. Ein Beispiel wäre das Hin- und Herkippen zwischen zweiGleichspannungen, was einem Rechteckgenerator entspräche. Dabei werden verschiedeneTypen unterschieden, je nachdem, wie der Kippvorgang ausgelöst wird:

monostabil (Univibrator)Die Schaltung besitzt nur einen stabilen Zustand. Der andere Zustand ist nur für einedurch die Schaltung vorgegebene Zeit stabil. Als Beispiel seien Zeitschalter zu nennen.

bistabilDie Schaltung besitzt zwei stabile Zustände, zwischen denen nur durch äußere Erregunggewechselt werden kann. Beispiele dafür sind Flip-Flops und Speicherbausteine.

astabil (Multivibrator)Die Schaltung besitzt keinen stabilen Zustand, sondern kippt ohne äußere Erregung stän-dig hin und her. Sie dienen beispielsweise zur Generierung von Rechtecksignalen.

5.1 Berechnung und Simulation

5.1.1 Astabile KippstufeAbb. 5.1 zeigt eine einfache Realisierung einer astabilen Kippschaltung. Die 6 einge-zeichneten Dioden sollen 2 LEDs simulieren, da diese in der ursprünglich verwendetenPSpice-Version nicht vorhanden waren (Verwenden sie rote LEDs wenn dies mit IhrerPSpice Version möglich ist!). Die Schaltung liefert am Transistorausgang näherungsweiseeine periodische Rechteckspannung. Hinweis: Sollte die Simulationsdauer bei gegebenerDiskretisierung zu lang sein, so können Sie die Bauteilwerte abändern um eine höhereSchwingfrequenz zu erhalten. Der Aufbau erfolgt allerdings mit den Werten lt. Schaltungin Abb. 5.1.

Die Funktionsweise der relativ einfach aussehenden Schaltung ist nicht ganz trivial undbedarf einiger Überlegungen. Sie sollten die Schaltung soweit analysieren, dass Sie die

24

KAPITEL 5. KIPPSCHALTUNGEN 25

Q2

Q2N2222

Q1

Q2N2222

C2

22u

C1

22u

RC1

360

RB1

36k

RB2

36k

RC2

360

V1

8V OutputOutput

V

V

ID1

D1N4002

D2

D1N4002

D3

D1N4002

D4

D1N4002

D5

D1N4002

D6

D1N4002

T1 T2

Stufe 1 Stufe 2

BC548B BC548B

Abbildung 5.1: Astabile Kippschaltung

nachfolgenden Punkte beantworten können. • Bestimmen Sie überschlagsmäßig die Peri-odendauer des Rechtecksignals mit Hilfe der gegebenenWiderstands- und Kapazitätswerteund überprüfen Sie sie anhand der Simulation.• Stellen Sie die Verläufe der Kollektor-Emitter-Spannung, der Basis-Emitter-Spannungund des Stromes durch die LEDs dar und interpretieren Sie diese jeweils. Warum wirdUBE < 0?

In Datenblättern von Transistoren ist oft die maximale negative Basis-Emitter-SpannungUEB von ca. 6V angegeben. Ein Überschreiten der maximal erlaubten negativen Basis-Emitterspannung führt meist nicht unmittelbar zu einer Zerstörung des Bauteils, jedochwird berichtet1 , dass sich die Rauscheigenschaften (besonders 1/f) wesentlich verschlech-tern. Dieser Effekt hat bei der gezeigten Schaltung nur untergeordnete Auswirkungen.

• Überlegen Sie sich trotzdem, wie Sie zwei Dioden anbringen müssen, damit die Basis-Emitter-Spannungen keine zu hohen negativen Werte annehmen können, die Schaltungaber nach wie vor funktioniert.

5.1.2 Dreistufige Kippschaltung und LauflichtDer astabile Multivibrator soll im Folgenden auf eine dreistufige Blinkschaltung erweitertwerden. Realisieren Sie eine dritte identische Stufe und verschalten Sie die Kondensatorenentsprechend Abb. 5.2. Simulieren Sie! Hinweis: sollte die Kippstufe nicht anschwingen sokoppeln Sie eine 1mV Wechselspannung an eine der Basen über einen 1nF Kondensatorein.

1 C.D. Motchenbacher „Protect Your Transistors Against Turn-On or Testing Transient Damage“Electronic World, 44(25) (December 6 1971) 92-94


D 7

C 3

22u

D2

D 1N 4002

0

R 4

360

C1

22u

R 5

36k

C 2

22u

D3

D 4

D 8

D 1N4002

R2

360

Q2

BC 548B

D1

V2

8VdcQ3

BC548B

R1

36k

D 5

D1N 4002

Q4

BC 548B

R ückkopplung

D 6

R 3

36k

D 9

R 6

360

Abbildung 5.2: Blinkschaltung mit 3 LEDs

• Vergleichen Sie die Kurvenformen der Basisspannungen von zweistufiger und dreistufi-ger Kippstufe.

Es leuchten jetzt immer zwei LEDs gleichzeitig! Optional: Überlegen Sie wie Sie die Ver-schaltung der LEDs ändern müssen, damit immer nur eine LED leuchtet.

• Erweitern Sie die Blinkschaltung in der Simulation auf 4 Stufen! Warum funktioniertdie Schaltung nicht als 4-stufiges Lauflicht? (Besonders Interessierten sei nahegelegt sichauch die Erweiterung auf 5 Stufen anzusehen! )

5.2 Aufbau und Messung• Überlegen Sie sich zunächst die richtige Polarität der 22µF-Elkos gut! Bauen Sie diedrei Stufen einzeln so auf, dass Sie die Rückkopplung einfach von C2 (astabile Kippstufe)auf C3 (dreistufige Blinkschaltung) umlöten können. Um ein besseres Anschwingen zuermöglichen, sollten Sie Transistoren mit möglichst unterschiedlichem UBE auswählen2!Kürzen Sie die Anschlussdrähte der LEDs nicht! Und löten Sie die LEDs nuran den Anschlussdrahtenden an!

2Bei neueren Fabrikaten ist dies mitunter nur schwer möglich, da sie sehr geringe Exemplarstreuungenaufweisen


• Bauen Sie zuerst die astabile Kippstufe auf und messen Sie die beiden vorher simuliertenSpannungen. Verwenden Sie die DC-Kopplung! Messen Sie die Periodendauer. VerringernSie die Versorgung, so dass die LEDs gerade noch leuchten.• Wie ändert sich die Blinkfrequenz und warum?

Als nächstes löten Sie die Kondensatoren so um, dass alle 3 Stufen in Betrieb sind. Be-trachten Sie das Ergebnis. Optional: Zum Abschluss löten Sie die LEDs so um, dass sichdie Lauflichtschaltung mit immer nur einer leuchtenden LED ergibt und erfreuen Sie sicham wundervollen Wechsel der Lichter!

Kapitel 6

DIFFERENZVERSTÄRKER

Wie in Vorlesung und Übung besprochen, dient der Differenzverstärker dazu Eingangs-spannungsdifferenzen zu verstärken und Eingangsgleichtaktspannungen zu unterdrücken.Die Realisierung einer analogen Subtrahierfunktion ist von universeller Bedeutung in derRegelungs- und Verstärkertechnik. Im Folgenden sollen einige Eigenschaften des Diffe-renzverstärkers untersucht werden.

6.1 Berechnungen und Simulationen• Dimensionieren Sie die Widerstände R1, R2 für die in Abb. 6.1 dargestellte Schaltung,damit die Kollektorpotentiale 7.5V betragen (für Ue = 0V ). Für die weiteren Untersuchun-gen wird der rechte Eingang des Differenzverstärkers auf Masse gelegt. Der Widerstand

V+

0V4

15Vdc

I110m

Q1

BC548B

V-

PARAMET ERS:

Rv ar = 1m

Q2

BC548B

V3

15Vdc

R4

Rv ar

R1

2k

R2

2k

0

V5

FREQ = 1k

VAMPL = 0

VOFF = 0

0

Abbildung 6.1: Differenzverstärker

28

KAPITEL 6. DIFFERENZVERSTÄRKER 29

R4 stellt den Generatorwiderstand dar.

6.1.1 DC - Analyse in PSpice und VerstärkungsberechnungÜberprüfen Sie als erstes, ob der Arbeitspunkt richtig eingestellt wurde. Setzen Sie R4dazu auf 0Ω oder einen sehr kleinen Wert. Untersuchen Sie die Differenzspannung an denbeiden Ausgängen bei einer Eingangsspannung von 0V. Variieren Sie dabei den Generator-widerstandR4 im Bereich von 1Ω bis 10kΩ und plotten Sie die Differenzausgangsspannungüber den Generatorwiderstand. Hinweise für OrCAD: mit einem PARAMETERS-Objekt;Analyseart: DC-Sweep → Global Parameter. . . siehe Tutorium in Kapitel 1 bzw. für LT-Spice mit den Direktiven

.step param Rvar list 1 10k 10

.op

• Erklären Sie wie es zum beobachteten Verhalten kommen kann und was Sie dagegenunternehmen können.(Für Fortgeschrittene: Warum ist das beobachtete Problem bei kommerziell erhältlichenOperationsverstärkern viel weniger stark ausgeprägt?)

Setzen Sie den Generatorwiderstand für die folgenden Simulationen und Berechnungenauf 0Ω .• Berechnen Sie die Kleinsignal-Spannungsverstärkung Aed = uC2/(ue2 − ue1).• Berechnen und simulieren Sie die Gleichtaktverstärkung Agl = uC2/ue1 für ue1 = ue2des Differenzverstärkers. Verbinden Sie dazu die Eingänge und schalten Sie der Strom-quelle einen Widerstand parallel, der dem Innenwiderstand der Stromquelle aus Kapitel3 entspricht.• Ersetzen Sie die Stromquelle durch einen Widerstand, welcher (für Ue = 0V) 10mAliefert. Berechnen und simulieren Sie die Gleichtaktverstärkung und vergleichen Sie mitden oben erhaltenen Resultaten.

6.1.2 TemperaturstabilitätMessungen an der real aufgebauten Schaltung in Abb. 6.1 zeigen, dass diese Schaltungnennenswert auf Temperaturunterschiede der beiden Transistoren reagiert. • BerechnenSie (oder schätzen Sie ab) wie stark sich die die Differenzausgangsspannung bei einemTemperaturunterschied der beiden Transistoren von 1°C verschieben würde (RG = 0Ω undideale Stromquelle).

Setzen Sie nun zur Temperaturstabilisierung jeweils einen Emitterwiderstand von 33Ω einund berechnen Sie die wieder die • Verstärkungen, sowie die • Differenzausgangsspannungbei 1°C Temperaturunterschied beider Transistoren.

6.2 Aufbau und MessungBauen Sie die Schaltung mit den Emitterwiderständen auf und schließen Sie diese miteinem leicht entfernbaren Drahtbügel kurz.

KAPITEL 6. DIFFERENZVERSTÄRKER 30

• Schließen Sie die Eingänge gegen Masse kurz und messen Sie die Kollektorpotentiale.Geben Sie an, in welchem Bereich die Ausgangsdifferenzspannung durch den Temperatu-reinfluss in etwa schwankt. Schätzen Sie daraus grob die auftretenden Temperaturunter-schiede ab.

• Messen Sie die Gleichtaktverstärkung und vergleichen Sie mit Simulation und Berech-nung. Um den Effekt der Gleichtaktverstärkung zu sehen, müssen Sie große Eingangsam-plituden anlegen (mehrere Volt!).

Zur Messung der Differenzverstärkung sei angemerkt, dass das Elektronikbord nur Wech-selspannungen größer 200mV mit einem vertretbaren Rauschen liefern kann. Die benö-tigten 10mV Eingangsamplitude sind durch einen angelöteten (relativ niederohmigen)Spannungsteiler bereitzustellen.• Vergleichen Sie die erzielte Differenzspannungsverstärkung mit der Simulation. Beden-ken Sie die Erkenntnisse aus der DC-Analyse und versuchen Sie, im Falle starker Kollek-torpotentialasymmetrie, Abhilfe zu schaffen.

• Messen Sie die obigen Punkte auch mit aktiven Emitterwiderständen und dokumentie-ren Sie die Unterschiede!• Ersetzen Sie die Stromquelle durch einen äquivalenten Widerstand und messen Sie dieGleichtaktverstärkung. Vergleichen Sie mit Simulation und Berechnung.

Kapitel 7

UBE-VERVIELFACHER

Abbildung 7.1 zeigt einen sogenannten UBE-Vervielfacher.• Berechnen Sie UCE unter Vernachlässigung des Basisstroms und erläutern Sie wie dieseSchaltung zu ihrem Namen kommt. Hinweis: Nehmen Sie UBE als einem festen Wert von0.7V an.

R1

R2

IA

UBE

UCE

Abbildung 7.1: UBE-Vervielfacher

• Berechnen Sie UCE in Abhängigkeit von UBE und IA unter Berücksichtigung des Ba-sisstroms. Hinweis: Nehmen Sie UBE als festen Wert an.

• Bestimmen Sie ∆UCE/∆IA (UBE=const) und deuten Sie das Resultat.

• Berechnen Sie aus dem Kleinsignalersatzschaltbild den Ausgangswiderstand (∂Ua/∂IA)der Schaltung und vergleichen Sie das Resultat mit ∆UCE/∆IA für konstantes UBE ausobiger Rechnung.

• Erklären Sie warum es zu (deutlichen) Unterschieden kommt.

Dimensionieren Sie die Schaltung so, dass Sie die Spannung UCE von ca. UBE bis 3Veinstellen können. Verwenden Sie ein 2k2 Poti. Dieses wird für den Aufbau aus demMikrofonverstärker ausgelötet).

• Bestimmen Sie anhand der Berechnung von UCE (mit vernachlässigtem IB), welcherder Widerstände durch das Poti ersetzt werden muss und dimensionieren Sie den anderenWiderstand entsprechend. Anschließend soll die Schaltung getestet werden.

31

KAPITEL 7. UBE-VERVIELFACHER 32

R1

R2

IA

UBE

RV

UB

UCE

Abbildung 7.2: Messschaltung

7.1 Aufbau und Messung• Bestimmen Sie die minimal (Potistellung 0%) und maximal (Potistellung 100%) mög-liche Ausgangsspannung – entsprechend der Testschaltung aus Abb. 7.2 – für die StrömeIA = 1mA, 5mA, 10mA, 30mA durch Variation der Betriebsspannung UB.• Achten Sie darauf RV und den Transistor nicht zu gefährden (max. 50mA).• Berechnen Sie aufgrund der Messungen den differenziellen Ausgangswiderstand derSchaltung und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Berechnungen.• Bei starken Unterschieden zwischen Simulation und Messung, versuchen Sie die Tempe-raturabhängigkeit zu berücksichtigen! (Der thermische Widerstand des Transistor beträgtca. RθJA = 120K/W und der Temperaturkoeffizient der Basisspannung ca. −2mV/K.)

Kapitel 8

LEISTUNGSENDSTUFEN

Hinweis: Wenn Sie eine der Schaltungen mit den Lautsprecher betreiben wollen, so lassenSie diese immer vorher vom Tutor/Betreuer überprüfen!

8.1 Der komplementäre Emitterfolger (Kollektorschal-tung)

In Abb. 8.1 ist die Grundschaltung eines komplementären Emitterfolgers dargestellt. Beieiner positiven Eingangsspannung (> 0.7V) leitet der Transistor T1, der Transistor T2sperrt. Liegt eine negative Eingangsspannung an, so leitet der Transistor T2 und T1 sperrt.Vorteil von Gegentaktschaltungen ist also die Tatsache, dass jeder Transistor nur eineHalbwelle passieren lässt, wodurch sich, im Gegensatz zu Schaltungen, bei denen einTransistor beide Halbwellen verstärken muss, höhere Ausgangsspannungen ergeben. Einweiterer Vorteil der Gegentaktendstufe ist ihr geringer Ausgangswiderstand, so dass sieoft als Endstufe in Operations- und Leistungsverstärkern zu finden ist. Im Vergleich zueinem normalen Emitterfolger - mit kapazitiver Auskopplung - (Verstärker im A-Betrieb)fließt in dieser Schaltung kein Ruhestrom IC,0.

+U0

UeUa

–U0

T1

T2

Abbildung 8.1: Komplementärer Emitterfolger

Zur Simulation verwenden Sie die Leistungstransistoren TIP122 (NPN) und TIP127

33

KAPITEL 8. LEISTUNGSENDSTUFEN 34

(PNP) aus der OrCAD Library Darlington, bzw. die im KUSSS bereitgestellten LT-Spice Modell. Bei den verwendeten Transistoren (Hersteller: ST-Microelectronics) han-delt es sich um Darlingtontransistoren welche die in Abb. 8.1 gezeigte interne Schaltungaufweisen.

TIP122 TIP127 Gehäuse

Für Handrechnungen ist es ausreichend den Darlington–Transistor als einen normalenEinzeltransistor mit UBE ≈ 1.4V und B ≈ 1000 zu betrachten.

Abbildung 8.2: Komplementärer Emitterfolger mit Darlington Transistoren

Die in Abb 8.2 gezeigte Schaltung hat eine gravierende Schwachstelle in Form von Über-nahmeverzerrungen. Diese machen sich besonders bei niedrigen Eingangsspannungen be-merkbar und rühren daher, dass die Emitterpotenziale den Basispotenzialen um ca. 1.4Vhinterherlaufen. Das bedeutet, dass Eingangsspannungen im Bereich von ca. −1.4V bis1.4V nicht ausreichend verstärkt werden. Sehen Sie sich die Auswirkungen am besten mitHilfe der FFT des Ausgangssignals an!

Hinweis: Sie können Simulationsergebnisse aus LTSpice mittels Exportfunktion als Text-datei exportieren. In OrCAD exportieren Sie, indem Sie im Simulationsfenster V(OUT)


anklicken und auf kopieren drücken (STRG+C). Diese Daten können Sie z.B. in Matlabdurch drücken von einfügen (STRG+V) weiterverarbeiten. Sie können sich (wenn Sie wol-len) die Übernahmeverzerrungen anhören indem Sie eine lange Sequenz simulieren unddiese in Matlab (Befehl: WAVPLAY) abspielen.

8.1.1 Aufbau und MessungDie beiden Leistungstransistoren sind bereits auf einem Kühlkörper (ca. 2K/W) vormon-tiert. Testen Sie Ihre Schaltungen immer zuerst ohne Last, danach verwenden Sie einen47Ω Leistungswiderstand, der vom Betreuer extra bereitgestellt wird.• Machen Sie die Übernahmeverzerrungen sichtbar.

• Warum gibt es keine Übernahmeverzerrungen bei hohem Lastwiderstand bzw. Leerlauf?Hinweis: siehe interne Beschaltung der Darlingtontransistoren

Anmerkungen von möglichen Instabilitäten

Gerade bei fliegendem Aufbau der Endstufe kommen es oft vor, dass diese Schwingneigungzeigt. Diese äußert sich dadurch, dass die Ausgangsspannung auf dem Oszilloskop ab-schnittsweise hochfrequente “Schwingungsbursts” zeigt (bei ausreichender Zeitauflösungauch in Simulation sichtbar). Das Auftreten solcher Instabilitäten kann etwas verwun-dern, wird aber einsichtig, wenn man parasitäre Elemente berücksichtigt. So kann manz.B. zeigen, dass die Induktivität der Basisleitung, die parasitäre CBE Kapazität und ei-ne Streukapazität parallel zur Last einen Colpitts-Oszillator in Kollektorschaltung (ohneArbeitspunkteinstellung) vervollständigen. Wird als Eingangsspannung eine Wechselspan-nung betrachtet, so kann diese Spannungswerte annehmen bei welchen der Arbeitspunktgerade richtig eingestellt ist um die Schwingbedingung zu erfüllen. Dadurch kommt eszu diesen abschnittsweisen “Bursts”. Abhilfe kann hier ein sogenannter “Base-Stopper”-Widerstand seriell zur Basis schaffen, welcher die Güte der Basisleitungsinduktivität aus-reichend reduziert (220Ω ). Oft ist diese Maßnahme allerdings nicht ausreichend, und manmuss versuchen mit kleinen zusätzlichen Blindelementen für eine stabilisierende Wirkungzu sorgen. Grundsätzlich sollten Sie immer versuchen die Ursache der Oszillation zu ver-stehen um diese wirkungsvoll bekämpfen zu können. Notdürftige Stabilisierung, kann inSerienprodukten große Probleme verursachen, da die Oszillation bei leicht geändertenBedingungen immer wieder auftreten kann!

ACHTUNG: Sollten die Schwingungsbursts Amplituden > 5V annahmen, so drehen Siedie Eingangsspannung zurück, um die Bursts zu verkleinern, da sonst die Transistorendurch zu hohen negative Spannungen zerstört werden können!

8.2 Der rückgekoppelte EmitterfolgerDurch die Rückkopplung besitzt die Schaltung in Abb. 8.3 eine Spannungsverstärkungvon 21. Der OPV (für OrCAD Simulation TL082 aus OPAMP Library, für den Aufbauwird ein TL081 mit anderer Pinbelegung verwendet!) weist eine sehr hohe Leerlauf-verstärkung auf. Dies hat zur Folge dass die Ausgangsspannung des OPVs so nachgeführt


wird, dass die Ausgangsspannung an der Last (in etwa) gleich der Eingangsspannungist. Die Ausgangspannung des OPs springt dadurch in der Nähe der Nulldurchgänge desEingangssignals um ca. 2.8V. Oft lässt die begrenzte Slew-Rate des OPVs unverzerrteAusgangssignale nur mit kleinen Frequenzen bzw. Amplituden zu.

Abbildung 8.3: Der rückgekoppelte Emitterfolger

8.2.1 Aufbau und MessungBauen Sie den Operationsverstärker (Anschlussbelegung siehe Abb. 8.4 auf ein kleinesStück Lochrasterplatine auf. Das Rückkoppelnetzwerk soll nicht aufgelötet werden, son-dern wird extern an die Klemmen des Transistorblocks angeschlossen.

TL081

DIL 8

1 - Offset null 1

2 - Inverting input

3 - Non-inverting input

4 - VCC-

5 - Offset null 2

6 - Output

7 - VCC+

8 - Not connected

1

2

3

4

8

7

6

5

Abbildung 8.4: TL081 im DIL8-Gehäuse mit Anschlussbelegung

• Zeigen Sie die Ausgangsspannung an der Last und am OP bei verschiedenen Frequenzen.


Hinweis: Sollte der Verstärker Schwingneigung zeigen, so versuchen Sie diese zu unter-drücken, indem Sie einen Kondensator (10pF. . . 100pF) parallel zur Basis-Kollektor Stre-cke eines oder beider Transistoren schalten.

Als nächstes soll ein Lautsprecher (Impedanz ca. 8Ω ) angesteuert werden. Es wurdebereits erwähnt, dass bei Audioverstärkern Offsetfreiheit überaus wichtig ist. Der Funkti-onsgenerator am Übungsbord ist aber nicht ganz offsetfrei. Dieser Offset würde in Folgemit dem Faktor 21 verstärkt und könnte den Lautsprecher gefährden. Abhilfe schafft hierdie Erweiterung des Rückkoppelnetzwerkes bestehend auf R3 und R2 mit einer KapazitätC1, wie in Abb. 8.5 gezeigt. Durch diese Maßnahme verringert sich die Verstärkung fürkleine Frequenzen in Richtung 1. Eingangsoffsets werden dadurch nicht voll verstärkt.• Simulieren Sie den Frequenzgang der Schaltung und finden Sie einen geeigneten Kon-densator C1.

Abbildung 8.5: Rückkoppelnetzwerk, C1 dient der Reduktion der DC-Spannungsverstärkung

Drehen Sie die Eingangsamplitude auf 0V. Wählen Sie eine Frequenz von 1kHz. Überwa-chen Sie die Ströme in den Versorgungsleitungen und drehen Sie die Eingangsamplitudehinauf. Stellen Sie das Ausgangssignal am Oszilloskop dar. Sorgen Sie dafür, dass derLautsprecher schnell an- und abgeschlossen werden kann.• Wie verändert sich das Ausgangssignal? ACHTUNG: Sollten Sie einen Gleichspan-nungsoffset von mehr als 500mV am Ausgang feststellen, so trennen Sie den Lautsprecher!

Sollte die Spannung am Ausgang beim Anschluss des ohmsch-induktiven Lautsprechersstark verzerrt werden, so ist es oft ausreichend ein sogenanntes „Boucherot-Glied“ einzu-setzen. Dieses besteht aus einer Serienschaltung eines kleinen Widerstandes (1Ω . . . 10Ω )und eines kleinen Kondensators (10nF..100nF) und wird an den Ausgang des Verstär-kers gegen Masse angeschlossen (oft schon auf dem Lautsprecher angelötet). Die Stabi-lisierungswirkung wird verursacht durch eine steigende Ausgangsbelastung bei höherenFrequenzen1.

8.3 Gegentaktverstärker mit RuhestromeinstellungDie Übernahmeverzerrungen können minimiert werden indem die Transistoren vorge-spannt werden. Durch diese Maßnahme verschiebt sich die Ausgangsoffsetspannung zu

1Randy Slone „High-Power Audio Amplifier Construction Manual“, 1999


recht hohen Werten. Da Lautsprecher bereits durch geringe überlagerte Gleichspannun-gen zerstört werden können, muss dieser Offset abgeglichen werden (Nullabgleich). Be-werkstelligen Sie dies in der Simulation, indem Sie VOFF der Signalquelle auf die halbenegative Vorspannung setzen.

Abbildung 8.6: Endstufe mit Vorspannung der Transistoren

Simulieren Sie die Ausgangsspannungen für verschiedene (mind. 3) sinnvoll gewählte Span-nungen V4. Setzen Sie die zeitliche Auflösung, zur Vermeidung numerischer Artefakte, aufnicht mehr als 1µs.

• Geben Sie den Klirrfaktor für die verschiedenen Vorspannungen an (FFT, logarith-misch). Entweder als Abschätzung (Verhältnis von Grundwelle zur ersten Oberwelle) odermit einem Spezialmarker.

• Geben Sie auch zu jeder gewählten Vorspannung den Querstrom - der Strom der ausdem Emitter des NPN herausläuft und in den Emitter der PNP hineinläuft - an. TrennenSie dazu die Last ab und setzen Sie die Eingangsspannung auf 0V.)

Sie sollten sehen, dass zwischen niedrigem Klirrfaktor und geringem Leistungsverbrauchein Widerspruch zu bestehen scheint. Je höher der Querstrom gewählt wird, umso wei-ter verschiebt sich das Verhalten Richtung A-Betrieb und damit Richtung geringer Ver-zerrungen. Kommerziell sind sehr hochwertige Audioverstärker in A-Betrieb erhältlich,die enorme Verlustleistungen aufweisen. (Die Existenzberechtigung für Leistungsaudio-verstärker in A-Betrieb bleibt jedoch fragwürdig, da ordentlich dimensionierte Verstärkermit moderaten Querströmen, Klirrfaktoren von unhörbaren 0.0005% aufweisen können2.)

2Douglas Self „Audio Power Amplifier Design Handbook“, 2009


8.3.1 Aufbau und MessungVerwenden Sie zur Einstellung des Querstromes den bereits aufgebauten UBE-Vervielfacher,den Sie unbedingt auf minimale Spannung stellen! Sie brauchen keine Platine zulöten. Stellen Sie den Querstrom auf ca. 20mA ein. Überwachen Sie die Ströme in denZuleitungen für die Versorgungsspannung. ACHTUNG: der Querstrom steigt exponentiellmit der Potistellung, also drehen Sie vorsichtig! Stellen Sie die Ausgangsspannung amOszilloskop dar.• Bestimmen Sie den Offset der Schaltung.

R 4

C 1

100u

Q1

TIP122

Q4

BC548B

0

V215Vdc

R6

3k

R 5

V1

15Vdc

0

V4

FR EQ = 1k

VAMPL = 10

VOFF = 0

Q2

TIP127

V

R7

47

R3

3k

0

Abbildung 8.7: Vorspannung der Transistoren mit UBE-Vervielfacher

Hinweis: In der Praxis werden die Endtransistoren und der Transistor des UBE-Vervielfachersauf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert. Auch werden gerne kleine Emitterwider-stände für die Leistungstransistoren (ca. 0.2Ω ) eingesetzt. Das alles dient zur Erhöhungder thermischen Stabilität der Ruhestromeinstellung.

8.4 Der rückgekoppelte Verstärker

8.4.1 Aufbau und MessungSimulieren Sie das Verhalten des Verstärkers. Bedenken Sie dass der Ausgangsstrom desOPVs in der Simulation beliebige Werte annehmen kann, in der Realität aber auf einigemA begrenzt ist (bei der Dimensionierung von R3 wichtig). Verwenden Sie das Rückkop-pelnetzwerk mit Kondensator.• Simulieren Sie den Frequenzgang. Überprüfen Sie die Funktionalität des Verstärkerszuerst ohne Last, dann mit dem 47Ω Widerstand.


Q2

TIP127

R4

U4A

TL082

3

2

84

1

+

-

V+

V-

OUT

R2

20k

V3

FREQ =1000

VAMPL =0.5

VOFF = 0

C1

10u

R6

3k

V1

15Vdc

UB-

0

I

0

R1

1k

V2

15Vdc

0

Q3

BC548BIN

OUT

UB+

Q1

TIP122

RL

8

0

R3

3k

R5

Abbildung 8.8: Endstufe mit Vorspannung der Transistoren


Schließen Sie den Lautsprecher genau wie beim rückgekoppelten Emitterfolger an.

• Überlegen Sie sich warum dies möglich ist, obwohl die Ausgangstufe einen Ausgangsoff-set verursacht. Hinweis: Berechnen Sie entsprechend Abb. 8.9 wie stark sich der Offset aufdie Ausgangsspannung ua auswirkt. Nehmen Sie an: vo = 1e5, k = 1/20 und uo = 1.4V.

Ue Ua

UO

v0

k

+-

++

Rückkoppel-

netzwerk

OPV

Abbildung 8.9: Blockschaltbild zur Berechnung der Auswirkung des UBE-Vervielfachersauf den Ausgangsoffset

Hinweis: Die hohe Verstärkung des Operationsverstärkers ermöglicht es, dass störendeEffekte wie Nichtlinearitäten der Ausgangstransistoren und Offsetspannung sehr gut aus-geregelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten von Operationsverstärkern in Leistungsverstär-kern sind aber leider begrenzt, da OPVs meist nur mit geringen Versorgungsspannungenarbeiten können3 (TL081 max ±18V) und diese dadurch - ohne spezielle Schaltungstricks- nur für Verstärker mit Ausgangsleistungen kleiner 30W geeignet sind.

8.5 Der in Brücke geschaltete Verstärker (Aufbauoptional)

Für die letzte Aufgabe müssen Sie mit ihrer Nachbargruppe zusammen arbeiten. Eine derzwei Gruppen soll die Rückkopplung so ändern, dass sich ein invertierender Verstärkermit einer Verstärkung von ca. -21 ergibt. Verschalten Sie die einzelnen Verstärker wie inAbb. 8.10. Verwenden Sie als gemeinsame Versorgung nicht die Laborbords, sondern einstarkes Labornetzteil.

v0 -v0

ue

8Ω

Abbildung 8.10: Brückenschaltung zweier Verstärker3Ausnahmen bilden sehr teure monolithische Leistungs OPSVs, wie z.B. LM12 bzw. OPA541.


Die Aussteuergrenze eines einzelnen Verstärkers beträgt ca. UB − 3V.• Welche Leistung (RMS) dürfen Sie an einem 8Ω Lautsprecher erwarten?• Welche Leistung erwarten Sie am Lautsprecher, wenn zwei Verstärker in Brücke geschal-tet werden?• Diskutieren Sie Vor- und Nachteile der Brückenschaltung!

Hinweis: Beim Betrieb kommerzieller Verstärker in Brückenschaltung ist Vorsicht gebo-ten. Diese können meist (außer anders angegeben) nicht betriebssicher in Brückenschal-tung bei minimaler Lastimpedanz betrieben werden. In diesem Betriebsmodus verdoppeltsich schließlich der Strom durch die Transistoren und somit auch die Verlustleistung. DieVerwendung von Lautsprechern mit höheren Impedanzen kann Abhilfe schaffen, was aberden Leistungsgewinn wieder verringert.

Documents

PRAKTIKUM HALBLEITERSCHALTUNGSTECHNIK · i Einleitung ZielderLehrveranstaltungistesausgewählteInhalteausVorlesungundÜbungpraktisch umzusetzen.DazuwerdenSchaltungenberechnet,simuliert,aufgebautunddurchgemes-