Kapitel 5, Bipolar-Transistoren, Teil 2, komplett PDF

Preview

Summary

sddfgasdsdf...

Description

Kapitel 5: Bipolar-Transistoren Teil 2

1

Analoge Grundschaltungen • Bislang: Bipolartransistoren isoliert betrachtet • praktischer Einsatz: als Bauelemente in Schaltung eingebunden • analoge Schaltungen: Betriebsgrößen können Werte annehmen, die einen erlaubten Bereich kontinuierlich überstreichen  präzise Kontrolle der Betriebsgrößen in weiten Bereichen erforderlich • Vergleiche mit digitalen Schaltungen: nur diskrete Zustände möglich, nur Eindeutige Unterscheidung zwischen „0“ und „1“ notwendig • Wichtige Gruppen analoger Schaltungen: Verstärker: Eingangssignal wird verstärkt an Verbraucher (Ausgang) geliefert; Stabilität wesentlich Oszillatoren: ein Teil des Ausgangssignals wird an Eingang zurückgegeben  Schwingungszustand, Oszillatoren als instabile Verstärker • Entwurf einer Verstärkerschaltung: Kennlinienfeld  Abschätzung wichtigster Betriebsgrößen  Optimierung im praktischen Aufbau

Basisschaltung

Emitterschaltung

Kollektorschaltung

2

Emitterschaltung

• Die Signalspannung uG des Generators (mit Innenwiderstand RG) soll verstärkt an den Lastwiderstand RL geliefert werden. • Beide Teile sind gleichspannungsmäßig durch Koppelkondensatoren vom Verstärker getrennt : CK hinreichend groß, transparent für Wechselsignal uG • Schaltung wird von der Gleichspannung UB versorgt, die wechselstrommäßig als geerdet angesehen werden kann

3

Emitterschaltung: Grenzdaten • Komponenten der Schaltung ergeben sich aus Kennlinienfeld • Grenzdaten, die nicht überschritten werden dürfen: • max. Verlustleistung Pm (wichtig besonders bei Leistungstransistoren): größte Spannung im Transistor ist Uce, größter Strom ist Ic  max. Leistung Pm = Uce Ic (gestrichelte Hyperbel im Ic-Uce-Feld) • weitere Grenzdaten: max. Kollektorstrom Icm , max. Kollektorspannung Ucem  grenzt Bereich im Kennlinienfeld ab, der nicht verlassen werden darf, ohne dass der Transistor beschädigt wird. 4

Emitterschaltung: Arbeitsgerade

Arbeitsgerade: Ort sämtlicher möglicher Betriebszustände des Transistors • vernachlässige zunächst den Emitterwiderstand RE  Arbeitsgerade wird durch Wahl des Kollektorwiderstands bestimmt (vgl. MOS Inverter mit Rpull-up); Steigung im IC (UCE)-Diagramm: -1/RC; Gerade verläuft durch Abszissenpunkt UB • Arbeitspunkt A sollte in der Mitte des Aussteuerbereiches liegen. A bestimmt sich durch Projektion des Kollektorgleichstroms Ic0 in die Ic (Ueb)-Kennlinie der Emitterdiode des Transistors  für A erforderliche Basis-Emitterspannung Ueb0 ; Einstellung von Ueb0 durch passende Wahl von R1 und R2; Einstellung reagiert empfindlich wegen großer Steigung der Ic(Ueb)-Kennlinie  R2 oft als Trimmwiderstand ausgelegt 5

Emitterschaltung: Stromgegenkopplung

• bisherige Schaltung (mit RE=0) ist thermisch instabil: Steigt die Temperatur, so nimmt IC zu (bei festem Basispotential, wegen Temp.-Verhalten der in Durchlass gepolten Emitterdiode). • Steigendes IC  Uce sinkt (Spannungsabfall an RC wächst) Arbeitspunkt wird entlang der Arbeitsgeraden zu höherem IC verschoben. Dies ist i.a. nicht tolerierbar. • Gegenmaßnahme: Einfügen eines Emitterwiderstandes RE: Bei Anstieg von IC nimmt auch Spannungsabfall an RE zu  Ueb sinkt (Basispotential durch Spannungsteiler R1 , R2 festgelegt)  IC sinkt ebenfalls („Stromgegenkopplung“) • Soll Stromgegenkopplung nur für den Gleichstrom gelten: überbrücke RE durch hinreichend hohe Kapazität CE; RECE-Kombination bestimmt dann untere Frequenzgrenze der Verstärkerstufe.

Emitterschaltung: Dimensionierung und Parameter • Werte der Widerstände hängen von Anforderungen an die Schaltung ab: - maximale Aussteuerung um den Arbeitspunkt herum  Ucem - minimale Kollektor-Emitterspannung Uces, bei der Transistor in Sättigung geht (Kollektordiode beginnt dann zu leiten) • Annahmen: Uces = 0.2 V, Spannungsabfall an RE von ca. 2 V (zum Ausgleich der Temperaturschwankungen von Ueb)  Potential am Emitterpunkt festgelegt: RE = VE / Ic0  Anforderung an das Kollektorpotential VCA im Arbeitspunkt : VE + Uce0 = VE + Uces + Ucem < VCA am Arbeitspunkt

( Untergrenze für VCA, hierzu werden wenige Volt addiert, um sicher innerhalb Bauelement-Toleranzen zu liegen).

7

Emitterschaltung: Dimensionierung und Parameter • Aus dem so ermittelten Wert für VCA wird der Kollektorwiderstand errechnet:

RE und RC dienen zur Festlegung der Arbeitsgeraden. • es folgt das Potential an der Basis: VB = VE + Ueb0 mit Ueb0  0.7 V. • Sofern Transistor im linearen Teil seiner Kennlinien, gilt für Basisruhestrom: Ib0 = Ic0 /  (s. Stromverstärkung d. Emitterschaltung) • Einstellung von R1 und R2 so dass VB = VE + Ueb0 erfüllt ist; dabei sollte Spannungsteiler nicht zu stark durch Ruhestrom Ib0 belastet werden: Strom durch Spannungsteiler (durch R2) sollte das k-fache von Ib0 betragen, mit k  5 ... 10. Man erhält

R1 

U B  VB V und R2  B I b  kI b kI b

• Damit sind alle Schaltungselemente in erster Näherung dimensioniert; Optimierung durch Feineinstellung von z.B. R2

8

Emitterschaltung: Wechselstromverhalten Berechnung des wechselstrommäßigen Eingangswiderstandes Re: • Emitter ist über CE wechselstrommäßig geerdet, ebenso UB • Betrachte Schaltung vom Basisknotenpunkt aus: Parallelschaltung von R1, R2 und dem Eingangswiderstand der Emitterdiode rbe ist wirksam (Durchsteuerung der Diode ist vorausgesetzt)

9

Emitterschaltung: Wechselstromverhalten

10

Emitterschaltung: Wechselstromverhalten • analoge Herleitung des Ausgangswiderstands Ra: vom Kollektor aus gesehen ergibt er sich aus einer Parallelschaltung von Rc und dem Ausgangswiderstand rce des Transistors:

11

Emitterschaltung: Spannungsverstärkung • Kleinsignal-Spannungsverstärkung im Leerlauf vuL (unbelasteter Ausgang)

12

Emitterschaltung: Spannungsverstärkung • Kleinsignal-Verstärkung vu, die die Signalspannung uG bis zur Spannung u2 am Verbraucher RL erfährt (belasteter Ausgang) uG teilt sich über den Generatorwiderstand RG und den Eingangswiderstand Re auf:

Der Basisstrom i1 wird um den Faktor  zum Kollektorstrom verstärkt, der über RC und RL die Ausgangsspannung u2 liefert:

13

Emitterschaltung: Spannungsverstärkung uG RG  Re  u1 Re

1 1 1  RL RC u2     u1    R1 R2  rbe  RL  RC

Spannungsverstärkung der Gesamtstufe:

Beachte: Herleitung für Verstärkungen nur betragsmäßig; Verstärkerstufe in Emitterschaltung beinhaltet Phasenverschiebung von einer halben Periode zwischen Spannungen an Ausgang und Eingang: bei Erhöhung der Eingangsspannung sinkt Ausgangsspannung

14

Basisschaltung • Basis ist über die Kapazität CB wechselstrommäßig geerdet; Basispotential wird wie bei Emitterschaltung durch Spannungsteiler R1 und R2 im Arbeitspunkt festgelegt. • RE: wiederum zur Stabilisierung gegen Temperaturschwankungen • wechselstrommäßige Ankopplung von Signalgenerator und Verbraucher RL an Verstärkerschaltung über Koppelkondensatoren CK • Eingangswiderstand, gesehen vom Emitter in die Schaltung hinein:

15

Basisschaltung • Ausgangswiderstand und Spannungsverstärkung: Ergebnisse der Emitterschaltung können übernommen werden:

i2 1 1 1 1     u 2 Ra Rc rce Rc vu 

Re RL vuL Re  RG RL  RC

16

Kollektorschaltung (Emitterfolger) • Eingangs- und Ausgangsspannung haben ebenso wie in der Basisschaltung die gleiche Phasenlage Eingangswiderstand Re der Kollektorschaltung: • gesehen vom Basisknotenpunkt in die Schaltung hinein gilt :

• Ersetze u2: steht über der Parallelschaltung von RE und RL an; Hierdurch fließt die Summe aus Kollektorstrom ic und Basisstrom i1 (betrachte nur die Wechselanteile)

17

Kollektorschaltung (Emitterfolger) u1  u2  i1

U eb U  u 2   i1 eb  u2   i1rbe I b I c u2   ic  i1 

RE RL R R     1 i1 E L R E  RL RE  RL

18

Kollektorschaltung (Emitterfolger) • Ausgangswiderstand: wird vom Emitterpunkt rückwärts in die Schaltung hinein gesehen (Parallelschaltung des Emitterwiderstandes RE, des Widerstandes rce der gesperrt gepolten Kollektor-Diode und des Widerstandes des Basiszweiges) • …Rechnung ergibt:



 1 1   RE rce RG   rbe

*

• Herleitung vom Widerstandsbeitrag des Basiszweiges: Betrachte Änderung dU2 der Ausgangsspannung  verursacht Eingangsstromänderung dI1 :



• meist kann der zweite Term in Gleichung vernachlässigt werden; sind zusätzlich RG klein und RE hinreichend groß, so gilt vereinfacht:

*

 Die Kollektorschaltung hat einen sehr kleinen Ausgangswiderstand

19

Kollektorschaltung: Spannungsverstärkung • Berechnung von vu ähnlich wie bei der Emitterschaltung

u1  u 2  i1

 U eb U  u 2   i1 eb  u2   i1rbe I b I c

u 2  ic  i1 

R E RL R R    1i1 E L RE  RL RE  RL

20

Transistorschaltungen im Vergleich • Bisherige Diskussion gilt nur für hinreichend niedrige Frequenzen, bei denen der Transistor noch gut folgen kann; Bahnwiderstände und Kapazitäten des Transistors in Betrachtungen weggelassen.

• Emitterschaltung am häufigsten verwendet • Basisschaltung aufgrund niedrigen Eingangswiderstands oft zu große Belastung der Signalquelle • Kollektorschaltung eignet sich als Impedanzwandler, zum Antrieb von großen (niederohmigen) Lasten

21

Vergleich: Schaltungen mit FETs

• Das Kennlinienfeld von bipolaren Transistoren und FETs ist sehr ähnlich.  Diskussion der analogen Verstärkerschaltungen kann deshalb auf FET-Schaltungen übertragen werden. • Besonderheit von FETs: praktisch verschwindender Gatestrom IG und damit extrem hoher Eingangswiderstand rGS zwischen gate und source

22

Vergleich: Schaltungen mit FETs • Die Grundschaltungen mit FETs sind denen des Bipolar-Transistors analog, können analog dimensioniert werden  „Gate-, Source-, und Drain-Schaltung“

Beispiel: FET in einer Sourceschaltung, entspricht Bipolar in Emitterschaltung

23...