2. SA Flashcards
Kann Emitter und Kollektor eines NPN-Transistors einfach getauscht werden?
Nein, das Bauteil wird sich anders Verhalten und andere Kennzahlen aufweisen. Das liegt daran das die Dotierungen der N-Schichten des Kollektors und Emitters sich in ihrer Intensität unterscheiden.
Beschreibe die Funktionsweise eines NPN-Transistors.
Wenn ein Strom in die Basis des Transistors fließt, fließen Löcher aus der P-dotierten Basis Schicht und Elektronen aus der N-dotierten Emitter Schicht, in die jeweilig gegenteilige und rekombinieren dort.
Der überwiegende Teil der Elektronen, die aus dem Emitter in die Basis übertreten, werden jedoch durch die hohe Spannung am Kollektor angezogen und durchqueren
die Basiszone. Damit fließt jetzt ebenfalls ein Strom in den Kollektor. Der Transistor leitet.
Wodurch unterscheiden sich B und β im Bezug auf die Stromverstärkung eines Transistors?
B → Gleichstromverstärkungsfaktor B = IC/IB
β → differentieller Wechselstrom Verstärkungsfaktor
Die Werte sind näherungsweise gleich, wobei β den Einfluss von IC unterliegt.
Wovon ist die Stromverstärkung eines Transistors hochgradig abhängig?
Umgebungstemperatur
Wann beeinflusst die Kollektor-Emitterspannung eines Transistors dessen Stromverstärkung?
Grundsätzlich gibt es eine leichte Beeinflussung, aber sobald UCE nicht mehr deutlich größer ist als UBE wird diese bedeutend.
Verstärkt wird diese Abhängigkeit von hohen Basisströmen
Wie kann ein Transistor indirekt an dessen Basis gesteuert werden(nicht IB)?
Die Diode zwischen Basis und Emitter hat einen differentiellen Widerstand, der bei steigender Spannung auch mehr Stromfluss erbringen wird.
Wie verhält sich der Wert der Eingangskapazität beim Miller Integrator ?
Proportional zum Spannungsverstärkungsfaktor
Cein → C x (Vu + 1)
Weshalb ist es nicht ratsam die Stromverstärkung über die Basis-Emitter-Spannung (UBE) zu steuern?
Der differentielle Widerstand der Basis-Emitter-Diode hat einen logarithmischen Spannungsverlauf, deshalb führt Spannungssteuerung zu Verzerrungen.
Was ist der Arbeitspunkt bei Niederfrequenzverstärkerschaltungen mit Transistor?
Die Dimensionierung/Signalpegel bei denen der Transistor ohne Steuersignal (also in Ruhe) betrieben wird.
Welchen Zweck haben Kondensatoren an Basis und Kollektor (Ein- und Ausgang), bei der Verstärkerschaltung mit Transistor?
AC durchgelassen
DC gesperrt
Daher liegt am Lastwiderstand/der angeschloßenen Anwendung, nur der durchgelassenen, und durch die Dimensionierung der Schaltung, bewusst verstärkte Wechselsspannungsanteil an.
Was ist bei der Auswahl von Kondensatoren in Transistorenverstärkerschaltungen zu beachten?
Die Kondensatoren müssen so groß gewählt werden, dass sie bei der gegebenen Frequenz eine vernachlässigbar kleine Impedanz für die anderen Schaltungsteile haben.
Was beschreibt der Begriff Impedanz?
Den Wechselstromwiderstand
Wie kann die Steilheit der Kollektorstromkurve bei Verstärkerschaltungen berechnet werden?
S = IC/UT
S = x mA/V `=µA/mV
Daraus folgt:
→ pro ein Volt/mV Änderung der Eingangsspannung ändert sich der Kollektorstrom um x mA/µA.
Grundsätzlich kann für den Wert UT (Temperaturspannung) unabhängig des verwendeten Transistors, ein Wert von näherungsweise 25,5mV.
Wie steht der differentielle Widerstand in Verbindung mit der Steilheit am Emitter von Transistoren?
Kehrwert
S = 1 / diff. R
Welche Probleme hat der einfach Verstärker mit Emitterschaltung?
- Die Eingangskennlinie unseres Verstärkers ist eine Dioden-Kennlinie, welche stets unlinear ist. Das führt zu Verzerrungen in der Verstärkung
- Der Arbeitspunkt ist durch den Basisstrom des Transistors festgelegt. Durch die in der Realität vorhandenen Toleranzen zweier Transistoren des gleichen Typs, weicht die Stromverstärkung und damit der Arbeitspunkt beider Transistoren grundsätzlich ab.
Es muss mit erheblichen Toleranzen der Stromverstärkung gerechnet werden.
Beschreibe wie die logarithmische Kennlinie der UBE-Diode die Funktionsweise der Emitterschaltung beeinflusst? Wie kann das gelöst werden?
Die Diodenkennlinie führt dazu das die Eingangsspannung verzerrt zum Ausgang geliefert wird. Die durch die Eingangsspannung beeinflusste Steilheit ist proportional zum Kollektorstrom, dieser wird nun also durch die differentiellen Widerstand der Basis-Emitter-Diode verzerrt.
Verzerrung um 10%, bedeutet in diesem Fall das die eine Hälfte des Sinus 10% größer ist als die andere. Das wird auch als Klirrfaktor bezeichnet.
Gelöst werden kann dieses Problem durch eine Steuerung des Transistors mit eingeprägten Strom statt Spannung.
B viel konstanter als S
Wie beeinflusst die Stromverstärkung den Arbeitspunkt bei einem Verstärker mit Emitterschaltung?
Wenn der Stromverstärkungsfaktor B abweicht, wird so der Kollektorstrom ebenfalls abweichen. Nun muss der Spannungsabfall über den Vorwiderstand des Rc neu berechnet werden. Nun wird auch der Spannungsteiler über UCE und URC andere Proportionen aufweisen und somit der Arbeitspunkt des Transistors verschoben sein.
Wie unterscheidet sich die Spannungs-Strom-Gegenkoppelung von einer regulären Emitterverstärkung?
Der Basiswiderstand ist nicht direkt an UBatt angeschloßen, sondern in Serie mit RC geschalten.
Erkläre wie mit der Spannungs-Strom-Gegenkoppelung eine Arbeitspunktstabilisierung erreicht werden kann.
Rückkoppelung durch den Anschluss von RB an die sinkende Spannung an UCE. Ohmsches Gesetz berechnet nun auch einen geringeren Spannungsabfall an IB. B wird stabilisiert.
Annahmen: Bei gleicher Schaltungsdimensionierung ohne SSG
→ Spannungsänderung von 3 V
→ Bei Stromverstärkung im Toleranzgrenzbereich 160 (statt ursprünglich 100)
Nun wird für die Schaltung mit SSG eine Spannungsänderung am Arbeitspunkt von 1V angenommen:
IC = UC/RC IB = (UCE- UBE) / RB
B = IC/IB
Resultat
→ Bei ähnlich abweichenden B wird UCE (Arbeitspunkt) nur um ein drittel verschoben sein
Um welche Schaltungsänderung handelt es sich bei der Arbeitspunktstabilisierung durch konstante Basisspannung?
Parallel zu der UBE-Diode von T1 wird ein weiterer Widerstand eingefügt. Dieser ist in Reihe mit den ersten Basiswiderstand
Welcher Effekt soll theoretisch durch die Arbeitspunktstabilisierung durch konstante Basisspannung genutzt werden? Welche Probleme gibt es?
Spannungsteiler soll UBE stabilisieren. IC wird bei konstanter Temp unmittelbar von UBE definiert. Daher sollte eine simple Stabilisierung möglich sein.
Wenn sich nun aber die Umgebungstemperatur ändert, gibt es durch den fest eingestellten Basisstrom keine Methode um der Änderung des Arbeitspunkts entgegenzuwirken. IC ändert sich stark, womit sich auch UA bzw. UCE stark ändern.
Wie kann die Arbeitspunktstabilisierung durch eine konstante Basisspannung selbst bei Änderung der Umgebungstemperatur genutzt werden?
Durch eine Schaltungsänderung. Statt normalen Basisspannungsteiler müsste eine Temperaturabhängiges Bauteil eingesetzt werden.
Früher wurde hierfür ein NTC genutzt.
Heutzutage ist eine Diode in Flussrichtung im Basisspannungsteiler (parallel der Diode von UBE) üblich. RB2 also in Reihe mit der hinzugefügten Diode.
Sobald die Umgebungstemperatur und mit ihr der Stromfluss durch die UBE-Diode steigt, steigt ebenfalls der Stromfluss durch die Basisspannungsteilerdiode. Dadurch wird der anstieg des Stromflusses in IB und folglich IC reduziert, was die Temperaturabhängigkeiten weitestgehend kompensiert.
Welche Anforderung muss noch gegeben sein das die Arbeitspunktstabilisierung mit konstanter Basisspannung und Reihendiode von RB2 möglichst temperaturunabhängig realisiert werden kann?
Die Diode muss thermische Koppelung mit dem Transistor aufweisen, sprich bei der Leiterkarte möglichst nahe am Transistor platziert sein.
Was ist ein beliebtes Größenverhältnis für den Querstrom des Basisspannungsteilers?
IQ = 10 x IB IB2 = IQ - IB → 9x IB
Welcher Kompromiss muss bei der Wahl des Querstroms des Basisspannungsteilers getroffen werden?
Einerseits ändert sich bei einem großen Querstrom die Basisspannung weniger, wenn sich der Basisstrom ändert.
IB↑IRB2↓URB2↓UBE↓
Also eine gewünschte Arbeitspunktstabilisierung.
Andererseits, belastet ein zu niederohmiger Basisspannungsteiler die Signalquelle von Q1 unnötig.
Wie kann der Innenwiderstand eines Spannungsteilers berechnet werden?
Ri = R1 || R2
Welche Einheit hat die Steilheit am Emitter von Transistoren?
Siemens → Leitwert
Welcher Kompromiss muss bei der Dimensionierung des Spannungsabfalls an RE eingegangen werden?
Großer R → bewirkt eine bessere Stabilisierung, allerdings wird der Aussteuerbereich (durch zusätzlichen Spannungsabfall) ebenso verringert.
Wodurch kann eine besonders gute Temperaturstabilität bei der Arbeitspunktstabilisierung durch Strom-Spannungs-Gegenkoppelung erreicht werden?
Spannungsteilerwiderstand RB2 kann durch eine Reihenschaltung aus Diode und Widerstand ersetzt werden. Die temperaturabhängige Flussspannung der Diode bewirkt nochmals eine deutliche Verbesserung der Stabilisierung.
Wie kann der Blindwiderstand einer Schaltung ermittelt werden, wenn die Spannung des Eingangssignals gegeben ist?
Mit einem Amperemeter kann der in die Schaltung fließende Strom ermittelt werden, mit dieser und der bekannten Eingangsspannung kann über das ohmsche Gesetz der Blindwiderstand bestimmt werden.
So kann Xc = 1 /2Pi x C x F, ohne die Kapazität zu wissen, berechnet werden.
Wo ist bei der Emitterschaltung der vom Miller-Integrator bekannte Effekt zu finden?
Als parasitäre Kapazitäten im Transistor. Zwischen Eingang (Basis) und Ausgang (Kollektor) sind unweigerlich Kapazitäten
→ Vu = UCE/UBE (ohne Gegenkoppelung=
→ Vu = delta UA/ delta UE
Cein = C x (Vu+1)
C = C_CB (Kapazität im Rückkoppelungszweig)
Kleinsignaltransistoren ca. 5 pF
Welche Parasitärkapazitäten sind im Transistor in Emitterschaltung grundsätzlich vorhanden?
Kollektor-Basis-Kapazität u. Basis-Emitter-Kapazität
Wie verhält sich die Basis-Emitter-Spannung im Verhältnis zur Umgebungstemperatur?
Umso höher die Umgebungstemperatur umso kleiner der Spannungsabfall über der UBE-Strecke
Erkläre die Spannungsstabilisierungsmechanismen der Strom-Spannungs-Gegenkoppelung (Emitterschaltung) in Bezug auf Verdoppelung der Stromverstärkung und Erwärmung der Umgebungstemperatur?
Erwärmung der Umgebungstemperatur → Spannungsabfall UBE sinkt (nun würde IB und damit IC sinken, jedoch) → Spannung an RE steigt → IE und deshalb IC steigen (relativ gute Stabilisierung des Arbeitspunkts durch die Gegenkoppelung)
Verdoppelung von B → IB wird kleiner → Basisspannungsteiler wird entlastet → Spannung an UB steigt → Strom an IB steigt wieder → Spannung an RE ändert sich daher nur geringfügig, was auch nur eine geringfügige Änderung des Arbeitspunkts nach sich zieht.
Welche Kenngrößen beeinflussen B, welche nicht?
Die Temperatur beeinflusst B sehr stark.
UCE entgegen nur leicht
Das Verhältnis von IC/IB bestimmen die Stromverstärkung grundsätzlich
Beschreibe die Ausgangskennlinie von IC zu UCE beim Bipolaren Transistor.
IC y-Achse
UCE x-Achse
Anfänglich stark ansteigender Kollektorstrom zu (Abhängig von IB) einem relativen geringen Spannungswert an UCE, von dem an die Kurve und damit der Kollektorstrom unverändert also waagrecht der x-Achse verlaufen
Zur vielseitigeren Anwendbarkeit sind mehrere Kennlinien im Bezug auf ihren Wert an IB angegeben.
Was kann dem, durch den Temperaturanstieg veränderten Stromverstärkungsfaktor, zur Stabilisierung grundsätzlich entgegen gewirkt werden?
Verringerung von UBE oder IB
Welche beiden Grundlegenden Maßnahmen zur Arbeitspunktstabilisierung gibt es?
Temperaturkompensation und Gegenkoppelung
Welche Vor- und Nachteile entstehen durch einen großen Widerstand an RE bei der Strom-Spannungs-gegenkoppelung?
Nachteil:
- Verstärkung stark limitiert durch Rc/Re (großer Teil der Spannung fällt an Re ab)
Vorteile:
- Arbeitspunkt ist stabilisiert
- Verzerrungen durch Basis-Emitter-Diode sinken ebenfalls deutlich
Welchen Effekt hat Re auf die Eingangsimpedanz bei der Arbeitspunktstabilisierung durch Strom-Spannungs-gegenkoppelung?
Eingangsimpedanz würde hauptsächlich aus Innenwiderstands des Spannungsteilers von RB1 und RB2 parallel zu (RE parallel RE1* Stromverstärkung) berechnet werden. Daher also eine stark erhöhte Eingangsimpedanz
Ohne Basisspannungsteiler simpler:
REing = beta * REeff
mit REeff = Parallelwiderstände RE und RE1 + Rdiff
Welche positiven/negativen Effekte auf das Verhalten der Schaltung hat die Schaltungsänderung mit C3 u. RE1 parallel zum Re?
+ Spannungsverstärkung steigt wieder
- Verzerrungen steigen wieder
- Eingangsimpedanz sinkt wieder
Weshalb ist die Eingangsimpedanz der Emitterschaltung von Relevanz?
Um eine optimierte Leistungsanpassung zu erreichen.
Die Idealleistungsanpassung entsteht wenn Ri von Q1 Ri von der Emitterschaltung entspricht.
Welches Verhalten zeigt ein PNP-Transistor verglichen mit dem NPN-Transistor?
Alle Spannungen und Ströme sind umgekehrt
Welches besondere Merkmal zeichnet die Emitterschaltung aus?
Sowohl Strom, als auch Spannung wird verstärkt.
Welche Grenzen und Nachteile hat die Emitterschaltung?
- relativ niedrige Eingangsimpedanz
- hohe Ausgangsimpedanz
- invertiert das Eingangssignal, Phasendrehung um 180 Grad bei Sinus-Eingangssignal
- Parasitärkapazitäten (zwischen Basis und Kollektor) limitieren die max. Arbeitsfrequenz. Zusammen mit den nicht vermeidlichen Widerstände wirkt sich das als Tiefpass aus → Einsatz bei hohen Frequenzen nicht immer möglich.
- selektive Verstärker (Verstärker mit Schwingkreisen am Ein-u. Ausgang) können durch die Basis-Kollektor-Kapazität ins Schwingen geraten
Welche parasitär Kapazitätswerte gibt es bei den verschiedenen Kondensatoren?
Ccb und Cbe bei:
Kleinsignal-Transistoren → pF
» Leistungstransistoren und «_space;Hochfrequenztransistoren
Welcher Grundsatz über parasitär Kapazitäten, gilt im Bezug auf den Frequenzarbeitsbereich?
Umso kleiner die Kapazitäten, desto höhere Frequenzen können realisiert werden.
Wie kann die Funktionalität eines NPN-Transistors geprüft werden?
Mit den Diodentest eines Multimeters
→ Diode über B nach C messen, Diode über B nach E messen
Alle anderen Messungen müssen sperren
Bei PNP sind beide Diode umgekehrt geschalten
Welchen groben Richtwert gibt es im Bezug auf die Basisspannungsänderung bei Temperaturänderung von 1 Kelvin?
-2mV/Kelvin
Was sind Komplementärtransistoren?
NPN u. PNP Transistoren die die gleichen Kenndaten haben. (Stromverstärkung, UBE, usw.)
Wo tritt der Miller-Effekt auf?
Invertierende Verstärkerschaltungen
Welche Auswirkungen hat der Miller-Effekt?
R und C bilden Tiefpass, hohe Frequenzen werden schlecht durchgelassen.
Wie entstehen die Verzerrungen bei der Emitterschaltung?
S.57 Elektronik-Skript
Wie wird die Basisschaltung gesteuert?
Spannung an UBE
Welche Größen werden bei der Basisschaltung verstärkt?
Spannungsverstärkung, aber keine Stromverstärkung
Was passiert wenn bei der Basisschaltung am Eingang die Spannung erhöht wird?
UE↑ UBE↓ IB↓ IC ↓ URC↓ UA↑
nicht invertierender Verstärker
Wie kann mit der Steilheit die Stromstärke an IC bei Spannungsänderung an UBE berechnet werden?
ICneu = IC +- 39 µA/mV
sprich bei einer Erhöhung von 1mV an UBE fällt der Strom an IC um 39 µA
Wie verhalten sich Cs an Wechselspannungen bezogen auf ihre Impedanz?
Ideal 0 Ohm an AC
Ideal unendlich an DC
Um welche Schaltung handelt es sich beim Emitterfolger?
Kollektorschaltung, wird auch Impedanzwandler genannt
Weshalb hat die Basisschaltung keine Stromverstärkung?
Emitterschaltung beta = IC/IB (Steuersignal hier IB)
Basisschaltung beta = IC/IE, da IE = IC → beta ungefähr 1 (Steuersignal in diesem Fall IE)
In welchen Verhältnis stehen die Eingangsimpedanz der Basis- und der Emitterschaltung?
Die Eingangsimpedanz der Basisschaltung ist um ein vielfaches kleiner, genau genommen→ ReinB = ReinE/Stromverstärkung.
Die Eingangsimpedanz der Basisschaltung ist also sehr klein.
Weshalb ist die Basisschaltung besonders gut für hochfrequente Anwendungen geeingnet?
Anders als bei der Emitterschaltung ist die Parasitärkapazitäten Cbc nicht im Spannungsverstärkungspfad, ein Miller-Effekt wirkt nicht. Die Kapazität zwischen Emitter und Kollektor ist sehr klein.
Weshalb zeigt die Kollektorschaltung eine besonders gute Arbeitspunktstabilisierung?
Da eine hohe Spannung am Emitterwiderstand abfällt, wird eine Spannungsänderung an UBE den Arbeitspunkt kaum verschieben.
Bei einer Änderung der Temperatur ist die Verschiebung sehr klein.
Bei einer Änderung vom Stromverstärkungsfaktor hingegen größer, da der Querstrom durch den hochohmigen Basisspannungsteiler so klein ist.
Mit welchen einfachen Zusammenhängen kann bei der Basisschaltung der Eingangswiderstand der Basis berechnet werden?
RBein = ΔUB / ΔIB = RE * B
Sprich der Eingangswiderstand der Basis kann über die Spannungsänderung an UB durch die Stromänderung an IB berechnet werden.
Zur Probe kann der Emitterwiderstand mit der Stromverstärkung multipliziert werden und das Ergebnis verglichen.
Was beschreibt der Begriff Latenz?
Latenz, Latency oder Reaktionszeit: Das ist der Zeitraum zwischen einem Ereignis und dem Eintreten einer sichtbaren Reaktion darauf.
Auch als Delay bekannt.
In welchen Wertebereichen werden Signale als Niederfrequenz und in welchen als Hochfrequenzsignal eingestuft?
Niederfrequenz bis 30 kHz, Hochfrequenz darüber
Wie kann aus der Ausgangskennlinie eines Transistors der Innenwiderstand am Kollektor berechnet werden?
RCin = deltaU / deltaI ; Werte können mit dem Steigungsdreieck abgelesen werden
In welchen Bereich befinden sich die Grenzfrequenzen der Transistorgrundschaltungen ungefähr?
CE → 0,5 - 3MHz
CB → bis 300MHz
CC → bis 300MHz
Welche Grundsätzlichen Möglichkeiten gibt es für Mehrstufige Verstärker?
- RC-Kopplung mehrerer von einander unabhängiger Verstärkerstufen
- Mehrere galvanisch gekoppelte Transistorstufen
Was ist eine Darlington-Schaltung?
Kaskadierung von zwei Transistoren→ Erhöhung der Stromverstärkung
Ab welchen Verstärkungsbereich werden zwangsläufig Darlington-Schaltungen benötigt?
B größer 1000
Wie wird ein Darlingtontransistor im Schaltbild von einem regulären Transistor unterschieden?
Zwei Striche am Kollektor
Um was handelt es sich bei der Kaskode-Schaltung?
Kombination aus Emitter- und Basisschaltung. Zwei NPN-Transistoren, bei welchen beim ersten die Basis an eine feste Spannung gelegt und der Emitter an den Kollektor des zweiten Transistors, der in einer gewöhnlichen Emitterschaltung fungiert.
