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Referat Emittergrundschaltungen - Das Kennlinienfeld, Gleichgrößen - Arbeitspunktbetrachtung


technik referate

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Emittergrundschaltungen

Inhaltsverzeichnis

1     Das Kennlinienfeld

2     Gleichgrößen - Arbeitspunktbetrachtung

2.1     Arbeitspunktprobleme

2.2     Wahl des Arbeitspunktes

2.3     Ursachen der Arbeitspunktverschiebung

2.4     Großsignalersatzschaltbild

3     Wechselgrößen

3.1     Schaltungsdimensionierung für maximales Vu

3.2     Dimensionierung der Koppelkondensatoren

4     Schaltungen

Verbotene Schaltung

4.2     Basiswiderstand ohne Gegenkopplung

4.3     Basiswiderstand mit Gegenkopplung

4.4     Emittergrundschaltung mit Emitterwiderstand


4.4.1     ohne Ce

4.4.2     mit CE

4.5     Emitterfolger (kollektorschaltung)

5     Quellenangabe

1          Das Kennlinienfeld

2         Gleichgrößen - Arbeitspunktbetrachtung

2.1            Arbeitspunktprobleme

Für den gewünschten Betrieb und das Funktionieren einer Verstärkerschaltung ist die Wahl des Arbeitspunktes und dessen  Stabilisierung besonders wichtig. Ein einmal eingestellter Arbeitspunkt soll möglichst konstant bleiben. Insbesondere soll er unabhängig sein gegenüber:

- Temperaturänderungen

- Exemplarstreuungen        }  der Transistorparameter

- Langzeitänderungen

- Speisespannungsänderungen

Um den Arbeitspunkt konstant zu halten, muß der Kollektorstrom konstant gehalten werden. Dies sieht man sehr gut in den Kennlinienfeldern des Transistors.

 

2.2            Wahl des Arbeitspunktes

Da man bestimmte Anforderungen an eine Verstärkerschaltung stellt, kann der Arbeitspunkt nicht beliebig gewählt werden. Folgende Faktoren sind zu beachten:

- Erforderliche maximale Ausgangssingnalgröße (Spannung, Leistung)

- Lastwiderstand

- Rauschen

- verfügbare Speisespannung

- Eingangs-, Ausgangswiderstand

- Transistorgrenzwerte

 

2.3            Ursachen der Arbeitspunktverschiebung

Die Ursache einer Arbeitspunktverschiebung ist durch die Anderung der drei Kenngrößen UBE, BN  und ICB0 gegeben. Ist die Abhängigkeit, sprich die Funktion IC(UBE, BN, ICB0) bekannt, so läßt sich eine kleine Anderung DIC » dIC des Kollektorstroms berechnen:


Si

Ge

Si

Ge

Si

Ge

Jj [°C]

-65

-65

+25

+25

+150

+70

ICB0 [nA]

< 0,01

2

0,03

103

30

30·103

UBE [V]

0,78

0,38

0,6

0,2

0,3

0,1

BN

25

20



55

55

100

90

Tabelle 1.0: Orientierungswerte

Diese Kenngrößen ändern sich mit der Temperatur wie folgt:

Eine Temperaturerhöhung von einem Grad bewirkt eine Anderung der Stromverstärkung um 1%.

Eine Temperaturerhöhung um 10° bewirkt eine Verdoppelung des Sperrstromes.

Xxx1.Größe vor Temperaturänderung

Xxx2.Größe nachTemperaturänderung

2.4            Großsignalersatzschaltbild

IC = BN·(IB + ICBO) + ICBO

für ICB0 << IB, IC gilt:   

IC = AN × IE + ICB0   mit 

3         Wechselgrößen

3.1            Schaltungsdimensionierung für maximales Vu

Oft ist eine hohe Spannungsverstärkung erwünscht. Die maximale Spannungsverstärkung wird vom Gleichspannungsabfall am Kollektorwiderstand bestimmt. Um eine hohe Spannungsverstärkung zu erzielen, muß IC·RC möglichst groß sein.

UCEo > UBEo + D + Ûa max                   UCEo = UB – URCo

ICo ³ IC max          ICo = k IC max                k ~ 1,5..2

Anmerkung: Bei dieser Dimensionierungsart wird eine große Spannungsverstärkung bei kleinem IC erreicht. Ob es wirklich die maximale Spannungsverstärkung ist, würde eine Extremwertaufgabe zeigen.

3.2            Dimensionierung der Koppelkondensatoren

Für die Grenzfrequnz von n hintereinandergeschaltenen gilt folgende Näherungsformel:

Der Eingangskondensator errechnet sich mit:

                       

Der Eingangskondensator errechnet sich mit:

                       

4         Schaltungen

4.1            Verbotene Schaltung

Spannungsverstärkung: VU = -gm ( RC || rCE  || RL)

Eingangswiderstand: ri = rBE || R1 || R2 » rBE

Ausgangswiderstand: ra = RC || rCE

Der Kondensator C läßt keine Gleichgrößen durch, dadurch bleibt die AP-Einstellung konstant. An der Graphik  sieht man aber, daß sich bei einer Temperaturänderung auch die Diodenkennlinie verändert. Sie erfährt eine Verschiebung nach links von 2mV pro °C. Da man sich bei eingestelltem AP im steilen Bereich der Kennlinie befindet, ändert sich dadurch bei eingeprägtem UBE der Basisstrom IB sehr stark.

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der BE-Diode ist der AP extrem instabil. Wir erkennen, bereits bei einer geringen Temperaturveränderung verschieben sich die AP-Einstellungen derart, daß die Schaltung nicht verwendbar ist. Im Bereich, in dem der Transistor als Stromquelle arbeitet bleibt die Stromverstärkung nahezu konstant. Im Sättigungsbereich nimmt sie aber stark ab und kann daher auch kleiner 1 werden.

4.2            Basiswiderstand ohne Gegenkopplung

Wir sehen die Schaltung funkrioniert wie eine Stromquelle, da der Strom unabhängig vom Lastwiderstand ist. Durch den eingeprägten Strom kann es nicht wie bei der vebotenen Schaltung zu einer AP Verschiebung kommen.

Spannungsverstärkung: VU = -gm ( RC || rCE || RL)

Eingangswiderstand: ri = rBE || RB » rBE

Ausgangswiderstand: ra = RC || rCE » RC

 

Überlegungen uzr AP Einstellung:

Um den Einfluß der AP Einstellung zu erkennen formen wir VU = -gm R mit gm = IC0 / UT um und erhalten:

Bei Belastung mit RL genügt die Bedingung maximales URC für maximale Spannungsverstärkung nicht. Zusätzlich muß noch RC<<RL (großes IC0) gelten um die Leerlaufspannungsverstärkung zu erreichen. In der Praxis verwendet man RC » RL / 4


Spannungssteuerung: RB << rBE

Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhanges von IC und UBE wird das Signal verzerrt, die bei kleinem I°C umso größer wird.




Stromsteuerung:  RB >> rBE

Da B konstant ist, und somit die Stromverstärkungsgerade wirklich eine Gerade ist, ist auch der Zusammenhang zwischen IC und IB ungefähr konstant.

4.3            Basiswiderstand mit Gegenkopplung

Spannungsverstärkung: VU »  - R2 / R1

Eingangswiderstand: ri » R1

Ausgangswiderstand: ra » 1/gm ( 1+ R2/R1 )

Berechnung der Verstärkung:

 

 

Bei dieser Methode der Arbeitspunkteinstellung wird ein Teil des Ausgangsstromes in Abhängigkeit der Ausgangsspannung auf die Basis (Eingang) zurückgeführt. Wenn nun der Kollektorstrom durch eine Temperaturerhöhung oder durch eine größere Stromverstärkung (Exemplarstreuung) steigt, so sinkt dadurch die Kollektor-Emitterspannung (UCE).

Dadurch wird der Basisstrom verringert und der Kollektorstrom wird wieder kleiner.

Diese Schaltung hat allerdings den Nachteil, daß ein Wechselspannungsanteil am Ausgang sich auf IB auswirkt. Um also dieser Wechselspannung entgegenzuwirken, wird folgender Trick angewandt.



4.4            Emittergrundschaltung mit Emitterwiderstand

4.4.1                ohne Ce

Spannungsverstärkung: VU »  - gm RC / (1 + gm RE) » - RC/RE

Eingangswiderstand: ri = rBE + bRE » bRE

Ausgangswiderstand: ra » RC

Anmerkung: Um die Schaltung für maximales VU zu dimensionieren geht man wie bereits im Punkt 3.1 beschrieben vor. Es ist nur zusätzlich der Spannungsabfall an RE zu berückscihtigen.

Durch den unbelasteten Spannungsteiler (Iq >> IB) liegt an der Basis des Transistors ein konstantes Potential. Steigt nun aus irgendeinem Grund der Kollektorstrom IC, so steigt der Spannungsabfall UE » IC·RE an. Da das Potential an der Basis konstant ist, wird die Basis-Emitterspannung UBE und dadurch auch der Basisstrom IB kleiner (siehe Diodenkennlinie). Da IB und IC über die Stromverstärkung B verknüpft sind, wird auch IC kleiner. Es kommt zu einem Ausgleich (stromgesteurte Spannungsgegenkopplung).

4.1.1.1. Praktisches Dimensionierungsbeispiel für eine Anderung von IC um 1% bei 10° Temperaturerhöhung


Wir erhalten also: 

Die Stabilität des AP ist umso besser, je größer man den Gleichspannungsabfall an RE wählt, da dann die Anderung von UBE klein gegenüber UE bleibt und damit den Kollektorstrom nur noch wenig beeinflußt.

4.4.2                mit CE

Spannungsverstärkung: VU »  - gm (RC || rCE)

Eingangswiderstand: ri = rBE || R1 || R2 » rBE

Ausgangswiderstand: ra = RC || rCE

Die beste Möglichkeit zur Einstellung eines stabilen AP besteht darin, die sChaltung für tiefe Frequenzen gegenzukoppeln. Dazu dient das RC-Glied RE, CE. Bei tiefen Frequenzen ist dann die Spannungsverstärkung –RC/RE. Wenn für Wechselspannung keine Gegenkopplung erwünscht ist, muß der Kondensator CE die Wechselspannung im interessierenden Frequenzbereich kurzschließen. Zu seiner Dimensionierung betrachten wir den durch CE verursachten Frequenzgang der Verstärkung. Dazu ersetzen wir RE durch . Oberhalb der Frequenz f1=1/2pRECE sinkt der Bertag dieser Impedanz ab, d.h. die Verstärkung steigt proportional zur Frequnz an, bis sie den Wert gm RC erreicht hat.

Den Kondensator CE dimensioniert man folgendermaßen:

Da die Schaltung drei Hochpässe enthält müssen die Grenzfrequenzen der einzelnen HP niedriger als fmin gewählt werden.

 damit erhalten wir

4.5            Emitterfolger (kollektorschaltung)

Der Name Emitterfolger kommt daher, daß das Emitterpotential dem Basispotential nachfolgt. Da der Ausgangswiderstand viel kleiner (über 6000mal) als der Eingangswiderstand ist, wird die Schaltung auch als Impedanzwandler bezeichnet. Sie liefert praktisch die Leerlaufspannung der Signalquelle an einem wesentlich niedrigeren Innenwiderstand. Durch Zwischenschaltung eines Emitterfolgers ist es möglich, eine hochohmige Stufe mit einer niederohmigen ohne Spanungsverlust zu koppeln. Eine Besonderheit des Emitterfolgers besteht darin, daß man ihn nur bei Aussteuerung mit sehr kleinen Wechselspannungen soniederohmig belasten kann, wie man es aufgrund des kleinen Ausgangswiderstandes erwarten würde. Das kommt daher, daß der Lastwiderstand RL wechselspannungsmäßig parallel zum Gegenkopplungswiderstand RE liegt. Macht man ihn niederohmig gegenüber RE, wirdschon bei kleiner Spannungsaussteuerung die Stromaussteuerung so groß wie der Ruhestrom, und es treten Verzerrungen auf. Um sie klein zu halten, muß  sein.

Eine andere Möglichkeit einen Emitterfolger zu realisieren entseht dadurch, daß für die negative Halbwelle anstatt des Kondensators eine neg. Spannungsversorgung verwendet wird.

5         Quellenangabe

Tietze-Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik

Erwin Böhmer Elemente der angeandten Elektronik

Referat Heralic, Schuberth



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