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Mehrstufige Transistorverstärker
Aufgabenstellung
· Dimensionierung einer mehrstufigen Transistorschaltung.
· Prüfung und Einstellung des Arbeitspunktes.
· Messung der Spannungsverstärkung (Bode-Diagramm).
· Messung des Klirrfaktors.
· Messung der Beeinflussung durch Brummspannungen.
1 Dimensionierung der Schaltung
1.1 Angabe:
Untenstehende Schaltung ist gegeben. Es sind Transistoren vom Typ BC550 zu verwenden. Die Betriebsspannung UB beträgt 15 Volt, die Kollektorströme IC1 150 mA, IC2 2 mA, die Potentiale sind vorgegeben, der Widerstand Rq1 und Rq2 sollen sich 8:2 verhalten..
Der Eingangshochpaß ist auf eine Grenzfrequenz von 100Hz zu dimensionieren (um den Hochpaß im Bodediagramm zu erkennen), C1 und C2 sind auf eine Grenzfrequenz von 2-5Hz auszulegen (um den Netzbrumm auszusieben).
1.2 Schaltung
Die Werte der Berechnung wurden bereits eingetragen (nach AP-Einstellung: Rq2=820kW).
1.3 Dimensionierung der Schaltung
1.3.1 Widerstände
Der Eingangskondensator bildet mit den Querwiderständen und dem Transistor V1 incl. RE1 einen Hochpaß. Die Grenzfrequenz wurde deshalb mit 100Hz so hoch angesetzt, um die Auswirkung im Bode-Diagramm besser erkennen zu können, normalerweise sollte sie bei 5-10Hz liegen.
1.3.3 Herleitung der Formel für C1 und C2
Für die Kondensatoren C1 und C2 ergibt sich folgende Prinzipschaltung:
Die Grenzfrequenz für diese Anordnung beträgt:
1.3.4 Glättkondensator C1
Der Kondensator C1 soll, genauso wie C2, die Brummspannung von UB sieben. Eine direkte Glättung durch einen Kondensator ist wegen der geringen Brummspannung nur schwer möglich, weshalb der Netzbrumm durch einen Tiefpaß gesiebt wird, der eine Grenzfrequenz von 2-5 Hz haben sollte. Dadurch kann die 100-Hz Oberschwingung nicht an die Basis des zweiten Transistors kommen, welcher sie noch verstärken würde.
(bei 50Hz bereits -20dB, bei 100Hz -26dB)
Gleiche Vorgangsweise wie bei C1.
2.1 Allgemeines
Die Schaltung wurde auf einer Lötleiste aufgebaut. Vor der Inbetriebnahme der Schaltung wurde mit dem Multimeter P2 die Betriebsspannung eingestellt und die Tastköpfe wurden abgeglichen.
Als Eingangssignale wurden immer Sinusschwingungen verwendet.
2.2 Arbeitspunkt
Die Schaltung wurde ohne Kondensatoren aufgebaut. Alle Größen wurden mit dem Multimeter P2 gemessen. B betrug bei V1 317, bei V2 382 (mit P2 gemessen).
Der Arbeitspunkt stimmte mit den errechneten Widerstandswerten sehr genau überein. Lediglich der Querwiderstand Rq2 wurde von 680kW auf 820kW erhöht.
Bei den Potentialen (vergl. Schaltung) und Strömen wurden folgende Werte gemessen:
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IC1 2mA |
1,97 mA |
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IC2 150mA |
165 mA |
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10 V - Potential |
9,60 |
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7 V - Potential |
7,20 |
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3,5 V - Potential |
3,03 |
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0,5 V - Potential |
0,55 |
2.3 Bode-Diagramm
Es wurden Ein- und Ausgangsspannung der Schaltung gemessen.
Beim Oszilloskop wurde mit AC-Stellung gemessen, der Ausgangskondensator wurde nicht eingebaut. Bei dem Frequenzgenerator wurde kein DC-Anteil eingestellt, der Innenwiderstand betrug 50W.
Die Spannung des Frequenzgenerators wurde auf Null gestellt (f = 1kHz) und hochgeregelt. Ab Uess=250mV wurden am Ausgang deutliche Signalverzerrungen erkennbar, so daß für die Messung weniger als diese Spannung, hier 100mV verwendet wurden, welche im Verlauf der Messung immer konstant gehalten wurde.
Die Phase wurde mit der unkalibrierten Zeitablenkungseinstellung des Oszilloskops gemessen. Es wurde kein Lastwiderstand verwendet.
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f [Hz] |
Uess [mV] |
Uass [mV] |
j [grd] |
errechnetes Au[1] |
Au[dB] |
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20 |
200 |
30 |
2 |
6 |
|
|
50 |
600 |
90 |
6 |
16 |
|
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100 |
1750 |
70 |
17,5 |
25 |
|
|
1k |
100 |
3000 |
0 |
30 |
30 |
|
10k |
geregelt |
3000 |
0 |
30 |
30 |
|
100k |
3000 |
-20 |
30 |
30 |
|
|
1M |
750 |
-90 |
7,5 |
18 |
|
|
5M |
100 |
-180 |
1 |
0 |
Pos. j: Ausgangsspannung zeitlich voreilend, d.h. im Zeigerdiagramm pos Winkel.
Bode-Diagramm:
Bodediagramm
2.4 Brummspannung verursacht durch UB
Die Brummspannung wurde mit dem Oszilloskop in der AC-Stellung gemessen. Die Schaltung wurde natürlich an die Versorgung angeschlossen, es wurde nie ein Eingangssignal angelegt.
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UBRss [mV] |
Meßpunkt |
|
4 |
UB |
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10 |
Kollektor V1 |
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30 |
Kollektor V2 |
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1,5 |
offen 1 |
1: Der Tastkopf wurde ohne Eingangssignal auf den Tisch gelegt, wobei offensichtlich eine Einstreuung aus dem Labortisch stattfand. Schloß man das Masseschwänzchen mit dem Innenleiter zusammen oder legte man den Tastkopf auf die Klirrfaktormeßbrücke (metallische Abschirmung zum Labortischnetzgeräte), so verschwand die Einstreuung. Sie war unabhängig von der Schalterstellung 1:1/10:1, stammte also aus dem Koaxkabel.
2.5 Klirrfaktor
Der Klirrfaktor wurde mit einer Klirrfaktormeßbrücke gemessen. Zuerst wurden die zwei Frequenzgeneratoren untersucht, wobei G1 ein geringeres k aufwies, weshalb er für die weiteren Messungen verwendet wurde. Als Eingangssignal wurde mit G1 eine Sinusspannung erzeugt und k gemessen:
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k [%] |
Meßpunkt |
|
0,26 |
Ausgang G1 |
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0,72 |
Ausgang G2 |
|
0,52 |
Kollektor V1 (mit G1) |
|
0,46 |
Kollektor V2 (mit G1) |
3 Auswertung der Meßergebnisse
3.1 Rechnerische Nachbetrachtung
3.1.1 Kondensatoren
Die Grenzfrequenz des Hochpasses mit Cin liegt etwas höher als vorgegeben. Durch eine genaue Nachrechnung ergibt sich:
Dies ist praktisch identisch mit dem Bodediagramm.
3.1.2 Bode-Diagramm
Die Schaltung ist in zwei Emitterschaltungen aufspaltbar. Für den ersten Transistor ist RC1 der Kollektorwiderstand, da die 10V praktisch die Betriebsspannung für V1 darstellen.
3.2.1 Allgemeines
Die Schaltung funktionierte zwar nicht als ideales Bauelement, sie entsprach aber weitestgehend den Erwartungen. Der Arbeitspunkt stellte kein Problem dar.
3.2.2 Bode-Diagramm
Der Verstärkungsverlauf läßt sich sehr leicht erklären:
Im unteren Bereich (20-150Hz) ist die Hochpaßwirkung des Eingangskondensators Cin sehr gut zu erkennen. Die Grenzfrequenz stimmt fast mit dem geforderten Wert überein, rechnet man ihn genau nach, stimmt er bis auf wenige Hertz (vergl. 3.1)
Im Nutzbandbereich (hier 500Hz-100kHz) ist die Verstärkung konstant.
Über 200kHz beginnt das b abzunehmen und somit sinkt Au (vergl. 3.1).
Der Phasenverlauf ist unter 50Hz etwas undefinierbar. Im Bereich von 50Hz bis 1kHz zeigt sie ein schönes Hochpaßverhalten (90° auf 0°) (die Phasenverschiebung durch V1/V2 ist 360°), in höheren Bereichen treten offensichtlich diverse reale Verhaltensmuster auf und die Phasenverschiebung wird größer.
3.2.3 Brummspannung
Die Brummspannung von 30mV am Ausgang der Schaltung entsteht größtenteils durch die Brummspannung an der Basis von V2, die 10mV beträgt. Multipliziert man diese mit Au2=3,25 , erhält man etwa die besagten 30mV (32.5mV, der Einfluß durch die Betriebsspannung wird durch den RC2 abgeschwächt und muß wegen der Signalinversion subtrahiert werden, ist also etwas kleiner als 4mV).
Die Brummspannung an der Basis von V2 kommt jedoch vom Kollektor von V1. Sie kann von der Betriebsspannung stammen, die über den Tiefpaß von C1 nicht ganz abgeblockt wird. Wahrscheinlich wird sie jedoch über die Querwiderstände vom Emitter von V2 auf die Basis von V1 übertragen und dort verstärkt. Für 10mV müßten bei einer Verstärkung von Au1=11,8 an der Basis etwas weniger als 1mV anliegen. Die 1,5mV des Tastkopfes können nicht schuld sein, da immer nur an einer Stellen gemessen wurde.
Desweiteren ist noch anzumerken, daß bei einem Eingangssignal mit höheren Frequenzen als 50Hz die Überlagerung des 50Hz Brummens deutlich zu sehen war.
3.2.4 Klirrfaktor
Der Klirrfaktor ist am Ausgang des Frequenzgenerators logischerweise am kleinsten. Am Ausgang des ersten Transistors ist er am größten, da dieser mit einer größeren Auslenkung aus dem Arbeitspunkt betrieben wird (höheres A) und er wegen des kleineren IC1 im unteren Bereich der Spannungssteuerkennlinie operiert. Am Ausgangs der Schaltung ist der Klirrfaktor kleiner, da die Auslenkung geringer und der Strom IC2 größer ist.
