Versuch EL-V6: Transistorgrundschaltungen

Versuch EL-V6: Transistorgrundschaltungen
Inhaltsverzeichnis
1 Überblick und Motivation
2
2 Voraussetzungen
2
3 Durchführung
3
4 Eingangsstufe: Differenzverstärker mit ohmscher Last
4
5 Ausgangsstufe
7
6 Operationsverstärker
9
EL-V6 - 1
1 Überblick und Motivation
Dieser Versuch behandelt einen einfachen Operationsverstärker (abgekürzt OPV) und seine
Teilschaltungen auf Transistorebene. Durch Beschaltung eines Operationsverstärkers mit
zumeist passiven Bauelementen lassen sich vielfältige Funktionen realisieren. So gibt es
Operationsverstärkerschaltungen, die Signale verstärken, integrieren, logarithmieren, mehrere Signale vergleichen, addieren oder subtrahieren. Die Funktion wird einzig durch die
äußere Beschaltung des Operationsverstärkers bestimmt.
Die Eigenschaften eines idealen OPVs sind frequenzunabhängig. Er besitzt eine unendlich
große Leerlaufspannungsverstärkung v0 = uA /uD , einen unendlich großen Eingangswiderstand rE und keinen Ausgangswiderstand rA , siehe Bild 1.
+
rA
rE
UD
v0 UD
UA
–
Bild 1: Operationsverstärker
Reale Operationsverstärker bestehen aus mehreren Teilschaltungen. Diese Teilschaltungen werden in diesem Versuch schrittweise bis hin zur Gesamtschaltung eines Operationsverstärkers untersucht. Die erste Teilschaltung ist eine Differenzeingangsstufe mit ohmscher
Last. Die zweite Teilschaltung ist eine Gegentaktausgangsstufe. Der OPV schließlich setzt
sich dann aus einem Differenzverstärker mit Stromspiegellast, der Ausgangsstufe und einer
Emitterschaltung, die beide Teilschaltungen miteinander koppelt, zusammen.
2 Voraussetzungen
• Vorlesung "Elektronische Schaltungen" von Prof. Dr.-Ing. T. Musch.
Als Sekundärliteratur empfiehlt sich das Buch "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" von Gray und Meyer.
• Selbstständig und schriftlich gelöste und zum Versuchstermin mitgebrachte Vorbereitungsaufgaben.
• Zugang zu OrCAD PSpice oder OrCAD PSpice Demo. OrCAD PSpice steht Ihnen
in der CIP-Insel zur Verfügung. Eine Demo-Version ist online erhältlich oder kann
direkt bei OrCAD heruntergeladen werden. Die Transistormodelle finden Sie auf
der Webseite der Veranstaltung "Bachelor-Vertiefungspraktikum Elektronik" zusammen mit der Demo-Version von PSpice in einer Zip-Datei zum
Download.
EL-V6 - 2
3 Durchführung
Zur selbstständigen und schriftlichen Vorbereitung gehören manuelle Abschätzungen und Simulationen. Noch vor den manuellen Abschätzungen steht das Verständnis der Schaltungen,
also eine qualitative Analyse. Die manuellen Abschätzungen sind die ersten quantitativen
Untersuchungen. Damit die manuellen Abschätzungen auch tatsächlich manuell durchgeführt werden können, enthalten Sie Vereinfachungen und Näherungen. Die nachfolgenden
Simulationen liefern genauere quantitative Aussagen. Wenn Sie Werte für Widerstände und
Kondensatoren auswählen, so entnehmen Sie diese bitte ausschließlich der E12-Reihe. Die
Vorbereitung umfasst die Beurteilung der gefundenen Ergebnisse. Dazu gehört auch die
Beurteilung der Qualität der manuellen Abschätzungen im Vergleich mit den Simulationen.
Gegebenenfalls muss eine Schaltung in der Simulation modifiziert werden, um den Anforderungen zu genügen.
Während des Praktikums werden dann gemeinsam Messungen und komplexere Simulationen vorgenommen. Die Vorgehensweise wird gemeinsam erarbeitet. Die Messwerte und
Simulationsdaten werden entweder in die Messprotokolle eingetragen oder auf einem PC
abgespeichert. Sie benötigen also einen Datenträger, vorzugweise USB-Stick. Die Messungen werden an drei Teilschaltungen und der vollständigen Operationsverstärkerschaltung
durchgeführt.
Nach dem praktischen Versuchsteil erstellen Sie die Ausarbeitung des Praktikums - wieder schriftlich und selbstständig. Dazu gehört auch die Beurteilung, wie gut die Simulationen
die Realität, also die Messungen, nachbilden. Es stehen nun die manuellen Abschätzungen
den Simulationen und diese der Realität gegenüber. Die Ausarbeitung ist eine Woche nach
der Versuchsdurchführung einzureichen. Eine Woche später erhalten Sie das Testat oder
die Möglichkeit, Ihre Ausarbeitung zu überarbeiten. Innerhalb einer Woche müssen Sie
Ihre Ausarbeitung wieder einreichen. Eine weitere Woche später erhalten Sie dann Ihr
Testat, wenn die Ausarbeitung den Anforderungen genügt. Eine weitere Möglichkeit zu
Überarbeitung erhalten Sie nicht.
EL-V6 - 3
4 Eingangsstufe: Differenzverstärker mit ohmscher
Last
Die Eingangsstufen von Operationsverstärkern sind Differenzverstärker. Der hier untersuchte hat eine ohmsche Last. Eingangs- und Ausgangssignale sind differentiell, wodurch
Gleichtakteingangssignale und die Temperaturabhängigkeit der Transistorgrundschaltungen
unterdrückt werden.
Vorbereitung
Manuelle Abschätzung
4.1 Entwerfen Sie einen Differenzverstärker mit ohmscher Last. Dafür stehen Ihnen diese
Bauelemente zur Verfügung:
• 4 npn-Transistoren BC548A: Is = 7 fA, UEarly >>, B >>
• 3 Widerstände
• 2 Spannungsquellen: ±UB = 15 V
Die Schaltung soll diese Eigenschaften besitzen:
• Die Kollektorströme der Transistoren im Differenzverstärker sind IC1,2 = 100 µA.
• Die maximale positive Gleichtakteingangsspannung ist UE,Max = 2 V.
Gehen Sie von diesen Randbedingungen aus:
• Die Transistoren arbeiten im Normalbetrieb, also ist UCB ≥ 0 V.
• Die Bauelemente haben auch im Betrieb Raumtemperatur, also ist
UT = 26 mV.
Bestimmen Sie die Widerstände in der Weise, dass bei maximaler positiver Gleichtakteingangsspannung UE,Max die Ausgangsspannung uA sinusförmig ist und maximale Amplitude hat. Nehmen Sie als Grenzfall UCB = 0 V an. Wählen sie anschließend geeignete Widerstandswerte aus der E12-Reihe aus.
4.2 Beschreiben Sie die Auswirkung einer Variation der Kollektorwiderstände des Differenzverstärkers auf seine Steilheit gm .
4.3 Bestimmen Sie die maximal zulässige negative Gleichtakteingangsspannung UE,Min .
4.4 Geben Sie die Kollektorströme IC1,2 des Differenzverstärkers als Funktion der Eingangsdifferenzspannung UD an und skizzieren Sie das Großsignalübertragungsverhalten: IC1,2 = f (UD ) für −8UT ≤ UD ≤ 8UT .
4.5 Geben Sie die Steilheiten gm1,2 der beiden Transistoren des Differenzverstärkers für
UD = 0 V an und skizzieren Sie die Steilheiten als Funktion der Eingangsdifferenzspannung UD : gm1,2 = f (UD ) für −8UT ≤ UD ≤ 8UT .
EL-V6 - 4
4.6 Berechnen Sie die Kleinsignalspannungsverstärkung vB = (uA2 − uA1 )/uD des Differenzverstärkers für UD = 0 V.
Simulation
4.7 Überprüfen Sie den Arbeitspunkt der Schaltung mit einer "Bias Point"-Analyse.
4.8 Simulieren Sie das Großsignalübertragungsverhalten der Kollektorströme IC1,2 als
Funktion der Eingangsdifferenzspannung UD mit einer "DC Sweep"-Analyse: IC1,2 =
f (UD ) für −8UT ≤ UD ≤ 8UT .
4.9 Simulieren Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung (uA2 (t) − uA1 (t)) als
Funktion der sinusförmigen Kleinsignaldifferenzeingangsspannung uD mit einer "Time Domain"-Analyse: (uA2 (t) − uA1 (t)) = f (uD (t)), Signalfrequenz f = 1 kHz.
Bestimmen Sie die Aussteuerungsgrenze für uD (t), so dass die Ausgangsspannung
nicht begrenzt wird.
Bestimmen Sie grafisch die Kleinsignalspannungsverstärkung vB = uA /uD .
4.10 Simulieren Sie die Steilheiten gm1,2 des Differenzverstärkers als Funktion der Großsignaldifferenzeingangsspannung UD : gm1,2 = f (UD ) für −8UT ≤ UD ≤ 8UT .
Praktikum
Messung
4.11 Im Praktikums-Aufbau wird ein Operationsverstärker LT1007 von Linear Technology als Inverter verwendet, seine Verstärkung ist also vB = −1. An zwei Hilfseingängen ist ein Trimmpotentiometer angeschlossen, mit dem eine statische Ausgangsspannung U0 verändert werden kann. Legen Sie den Signaleingang der Schaltung auf
Masse, so dass UD = 0 V ist, und stellen Sie die Ausgangsspannung des Inverters so
ein, dass die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (UA1 − UA2 ) = 0 V beträgt.
Diese Eingangsdifferenzspannung wird als Offsetspannung UOS des Differenzverstärkers bezeichnet.
UOS / V
EL-V6 - 5
4.12 Überprüfen Sie den Arbeitspunkt der Schaltung.
T1
T2
Ic / A
UBE / V
UCB / V
T3
—
T4
—
0
4.13 Messen Sie das Großsignalübertragungsverhalten der Kollektorströme IC1,2 als Funktion der Eingangsdifferenzspannung UD analog zur Simulation 4.10: IC1,2 = f (UD ).
Bestimmen Sie die Steilheiten gm1,2 für UD = 0.
4.14 Messen Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung (uA2 (t) − uA1 (t)) und
bestimmen Sie die Kleinsignalspannungsverstärkung vB analog zu 4.9: vB = (uA2 −
uA1 )/uD .
vB /
EL-V6 - 6
5 Ausgangsstufe
Die Ausgangsstufe, siehe Bild 2, ist als Gegentaktendstufe ausgelegt, besitzt eine Spannungsverstärkung von v ≈ 1 und hat einen kleinen Ausgangswiderstand. Gegentaktendstufen im
AB-Betrieb zeigen sehr kleine Übernahmeverzerrungen.
+UB
T5
T6
T2
T4
T9
R4=1kW
R2=68W
UA
UE
RE
T10
T3
R5=1kW
R3=68W
T1
T7
RL
R1=27kW
T8
-UB
Bild 2: Ausgangsstufe mit Strombegrenzung
Vorbereitung
Simulation
5.1 Überprüfen Sie den Arbeitspunkt der Schaltung für UE = 0 V mit einer "Bias Point"Analyse für RE = 0 Ω, RL = 100 kΩ. Verwenden Sie als pnp-Transistor den BC558A.
5.2 Simulieren Sie das Großsignalübertragungsverhalten der Ausgangsspannung UA als
Funktion der Eingangsspannung UE mit einer "DC Sweep"-Analyse: UA = f (UE ) für
−UB ≤ UE ≤ UB , RE = 10 kΩ, RL = 470 Ω und RL = 10 kΩ.
5.3 Simulieren Sie den zeitlichen Verlauf der Kleinsignalausgangsspannung uA (t) für eine
sinusförmigen Eingangsspannung uE (t): uA (t) = f (uE (t)) mit ûE = 1 V, f = 1 kHz,
5 Periodendauern, RE = 0 Ω, RL = 100 kΩ.
EL-V6 - 7
Praktikum
Messung
5.4 Messen Sie das Großsignalübertragungsverhalten der Ausgangsspannung UA als Funktion der Eingangsspannung UE analog zur Simulation 5.2: UA = f (UE ),
RE = 10 kΩ, RL = 470 Ω.
5.5 Messen Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung uA (t) für eine sinusförmigen
Eingangsspannung uE (t) analog zur Simulation 5.3: uA (t) = f (uE (t)), RE = 0 Ω,
RL = 100 kΩ.
EL-V6 - 8
6 Operationsverstärker
Der Operationsverstärker besitzt als Eingangsstufe den Differenzverstärker mit Stromspiegellast und ist mit der Ausgangsstufe durch eine Emitterschaltung gekoppelt, siehe Bild 3.
+UB
R2=5,6kW
R4=1kW
R3=1kW
T9
T10
T11
+
UD
T1
T8
T5
T7
T6
T2
C1
T12
T3
R1=27kW
T4
-UB
Bild 3: Operationsverstärker
Der Kondensator C1 = 68 pF dient der inneren Frequenzgangkompensation.
Vorbereitung
Manuelle Abschätzung
6.1 Schätzen Sie die Arbeitspunktströme IC9,10,11 der Transistoren T9 , T10 und T11 ab.
Verwenden Sie hierzu das konstante UBE = 0,65 V.
6.2 Bestimmen Sie die Leerlaufspannungsverstärkung für UD = 0 V: v0 = uA /uD .
Verwenden Sie hier B = 150 und UEarly = 120 V.
Nehmen Sie für die Ausgangsstufe eine Spannungsverstärkung von +1 und einen
Eingangswiderstand von 800 kΩ an, wenn die Last RL = 10 kΩ ist.
6.3 Beschalten Sie den OPV, so dass die Betriebsspannungsverstärkung vB = +101 ist.
Nehmen Sie an, dass v0 → ∞.
Simulation
6.4 Überprüfen Sie den Arbeitspunkt der Schaltung für UD = 0 V und einer Eingangsgleichtaktspannung von 0 V mit einer "Bias Point"-Analyse.
6.5 Simulieren Sie das Großsignalübertragungsverhalten der Ausgangsspannung UA als
Funktion der Eingangsdifferenzspannung UD mit einer "DC Sweep"-Analyse: UA =
EL-V6 - 9
f (UD ) für −2 mV ≤ UD ≤ 2 mV.
Verwenden Sie einen 10 kΩ Lastwiderstand. Bestimmen Sie grafisch die Leerlaufspannungsverstärkung v0 und die Offsetspannung UOS .
Beschalten Sie für die beiden folgenden Simulationen den Operationsverstärker wie in 6.3.
Kompensieren Sie den in Simulation 6.5 gefundenen Offset mit einer Gleichspannungsquelle
am nichtinvertierenden Eingang. Überprüfen Sie anschließend den Arbeitspunkt mit einer
"Bias Point"-Analyse.
6.6 Simulieren Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung uA (t) für eine sinusförmige Eingangsspannung uE (t) mit einer "Time Domain"-Analyse:
uA (t) = f (uE (t)), mit ûE = 100 mV, f = 1 kHz, 5 Periodendauern.
6.7 Simulieren Sie den Frequenzgang von 1 Hz bis 20 MHz nach Betrag und Phase
mit 100 Punkten pro Dekade mit einer "AC Sweep"-Analyse. Schließen Sie dafür
am nichtinvertierenden Eingang eine AC-Quelle mit einer Amplitude von 1 V an.
Bestimmen Sie die Lage der 3 dB-Eckfrequenz.
fg /
Praktikum
Messung
Beschalten Sie für die beiden folgenden Messungen den Operationsverstärker wie in 6.3.
6.8 Messen Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung uA (t) für eine sinusförmige
Eingangsspannung uE (t): uA (t) = f (uE (t)), mit ûE = 100 mV, f = 1 kHz.
Bestimmen Sie die Spannungsverstärkung.
vB /
6.9 Bestimmen Sie die Lage der 3 dB-Eckfrequenz. Welche Phasendifferenz zwischen
Ein- und Ausgangssignal liegt bei der 3 dB-Eckfrequenz vor?
fg /
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