Netzwerke und Schaltungen II Transistorverstärkerschaltungen

Professur für Leistungselektronik
und Messtechnik
Netzwerke und Schaltungen II
Prof. Dr. J.W. Kolar Übung Nr. 13
Name, Vorname
Testat
Transistorverstärkerschaltungen
Aufgabe 1: Emitterschaltung als Stromquelle
Eine Emitterschaltung nach untenstehendem Schaltbild arbeitet als Stromquelle auf den Lastwiderstand
R L . Für den interessierenden Arbeitsbereich sollen folgende Kennwerte gelten:
β = 200, V BE = 0.65V, r o → ∞, V Z = 2.7V. Sättigungsspannung des Transistors V CEsat ≈ 0.5V.
Fig. 1: Emitterschaltung als Stromquelle
a) Bestimmen Sie angenähert alle eingetragenen Ströme sowie die Spannung V CE für R L = 0.
b) Wie gross darf der Lastwiderstand höchstens werden, wenn der Transistor stets im aktiven
Bereich arbeiten soll (V CE ≥ V CEmax )? Es gelte die Vereinfachung, dass I E = I C .
c) Welche maximale Verlustleistung tritt bei variablem Lastwiderstand [0…R Lmax ] im Transistor
auf?
d) Welche maximale Verlustleistung tritt im Lastwiderstand auf?
e) Geben Sie zu der Schaltung in Fig. 1 eine lineare Ersatzschaltung an, wobei die Zenerdiode
durch eine Spannungsquelle V Z0 = 2.6V mit Innenwiderstand r Z = 15Ω und die Basis-
Emitterstrecke durch eine Spannungsquelle V BE = 0.6V mit Basis-Emitterwiderstand r BE = 1kΩ
charakterisiert wird. Berechnen Sie die Empfindlichkeit des Kollektorstroms I C gegebenüber
Schwankungen der Betriebsspannung V CC . Es gelte die Vereinfachung, dass I E = I C .
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Aufgabe 2: Emitterschaltung
Gegeben ist die Verstärkerschaltung nach Fig. 2, die mit einer Spannung V CC = 15V versorgt wird. Die
Schaltung soll so ausgelegt werden, dass eine Gesamt-Spannungsverstärkung von G V = -8 bei einer
Last R L von 2kΩ und einem Innenwiderstand der Signalquelle R sig = 10kΩ erreicht wird. Der
Emitterstrom I E beträgt 2mA und der Querstrom I Q ist auf das 10-fache des Basisstromes I B zu dimensionieren.
Der verwendete Transistor hat ein β von 100; der Early-Effekt soll vernachlässigt werden. Im Arbeitspunkt
beträgt die Basis-Emitter-Spannung 0.7V. Die Kondensatoren C ∞ sind für Gleichspannungen als
Unterbrechungen und für Wechselspannungen als Kurzschlüsse zu sehen.
Fig. 2: Emitterschaltung
a) Zeichnen Sie den für Gleichspannungen massgeblichen Teil der Emitterschaltung. Ermitteln
Sie die Ströme I B , I C und I Q .
b) Berechnen Sie die Widerstände R 1 , R 2 , R C und R E =R E1 +R E2 . Nehmen Sie dabei an, dass das
Potential der Basis und der Spannungsabfall über R C jeweils ein Drittel der Versorgungsspannung
V CC beträgt.
c) Zeichnen Sie ein Kleinsignalersatzschaltbild der Emitterschaltung und verwenden Sie für die
Modellierung des Transistors das T-Ersatzschaltbild. Berechnen Sie den Emitterwiderstand r e
und die Transkonduktanz g m des Transistors (V T = 25mV).
d) Berechnen Sie den Widerstand R E1 so, dass die geforderte Gesamt-Spannungsverstärkung
erreicht wird. Wie gross ist dann R E2 ?
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Aufgabe 3: Basisschaltung
Die Basisschaltung nach Fig. 3a) wird mit einer Spannung V CC = V EE = 10V gespeist. Die Signalquelle
hat einen Innenwiderstand R sig = 100Ω, während der Lastwiderstand R L und der Kollektorwiderstand
R C einen Wert von 10kΩ aufweisen. Der Transistor hat eine Stromverstärkung β von 100; der Early-
Effekt soll vernachlässigt werden. (V T = 25mV)
+V CC
I C1
R 1
I C2
I B1
T 1 T 2
+
_ V BE1
-V EE -V EE
a) Basisschaltung b) Stromspiegel
Fig. 3
a) Zeichnen Sie ein Kleinsignalersatzschaltbild der Schaltung aus Fig 3a).
Hinweis: Verwenden Sie dazu das T-Ersatzschaltbild des Transistors.
b) Wie gross muss der Strom I der Stromquelle sein, damit der Eingangswiderstand der Basisschaltung
gleich dem Innenwiderstand der Signalquelle ist?
c) Berechnen Sie die Spannungsverstärkung A V =v o /v i und den Ausgangswiderstand R out der
Schaltung.
Die Stromquelle in Fig. 3a) kann beispielsweise durch einen sogenannten Stromspiegel (siehe Fig.
3b)) realsiert werden.
d) Dimensionieren Sie den Widerstand R 1 so, dass der Strom I C1 = 5mA beträgt. Die Basis-
Emitter-Spannung V BE1 sei 0.7V. Welcher Zusammenhang besteht zwischen den beiden
Strömen I C1 und I C2 ?
Hinweis: Die beiden Transistoren T 1 und T 2 können als identisch angesehen werden.
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Aufgabe 4: Emitterfolger (nicht testatpflichtig)
Betrachten Sie den Emitterfolger gemäss Fig. 4, der eingangsseitig an einer Signalquelle mit Innenwiderstand
R sig = 20kΩ und ausgangsseitig an einer Last R L = 1kΩ angeschlossen ist. Der Strom der
Stromquelle beträgt 1mA, der Basiswiderstand R B ist mit 100kΩ gegeben. Weiters weist der Transistor
eine Stromverstärkung β von 100 und eine Early-Spannung V A von 100V auf.
Die Kondensatoren C ∞ sind für Gleichspannungen als Unterbrechungen und für Wechselspannungen
als Kurzschlüsse zu sehen.
Fig. 4: Emitterfolger
a) Zeichnen Sie ein Kleinsignalersatzschaltbild der Schaltung und berechnen Sie anschliessend
den Eingangswiderstand R in , sowie die Spannungsverhältnisse v b /v sig und v o /v sig (V T = 25mV).
Hinweis: Verwenden Sie das T-Ersatzschaltbild des Transistors.
b) Nehmen Sie an, die Signalquelle v sig erzeuge ein Sinussignal v sig (t)=v peak·sin(ω·t). Wie gross
darf v peak maximal sein, damit der Transistor nicht sperrt? Wie gross ist für diese Aussteuerung
die Amplitude der Basis-Emitterspannung?
c) Berechnen Sie die Leerlauf-Gesamtspannungsverstärkung G vo = v o /v sig und den Ausgangswiderstand
R out . Ermitteln Sie aus diesen beiden Werten die Gesamtspannungsverstärkung G v =
v o /v sig für eine Last R L von 500Ω.
d) Berechnen Sie die von der Signalquelle v sig abgegebene und die von R L aufgenommen Leistung
für eine Spannung v sig (t) = 1V·sin(ω·t). Ermitteln Sie folgend die Gesamtstromverstärkung
A i = i o /i i .
Hinweis: Beachten Sie in Punkt a) berechneten Spannungsverhältnisse.
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