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 Robert Heinemanns PSPICE-Seiten |
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Beispiel Gr1:
PSpice-Simulation einer Verstärkerstufe in Emitterschaltung |
Die in Bild 1 dargestellte Emitterschaltung ist die weitaus am häufigsten eingesetzte
Verstärkerschaltung. Sie heißt Emitterschaltung, weil der Emitter des
Transistors für das zu verstärkende Signal auf Masse liegt. Die Emitterschaltung
von Bild 1 besitzt eine Stromgegenkopplung, bestehend aus RE1 und RE2. Diese Gegenkopplung
ist nur zur Stabilisierung des Arbeitspunktes wirksam, denn für Wechselspannung
ist der Gegenkopplungswiderstand durch den Emitterkondensator CE kurzgeschlossen.
Bild 1: Verstärkerstufe in Emitterschaltung. Arbeitspunktstabilisierung durch
Stromgegenkopplung
Bild 2 zeigt von oben nach unten die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung,
den Kollektorstrom und den Eingangsstrom. Diesen vier Diagrammen kann man entnehmen,
dass der Verstärker bei 1 kHz eine Spannungsverstärkung von ca. 2V / 10mV = 200 hat.
Die Stromverstärkung beträgt ca. 1mA / 4uA = 250.
Bild 2: Emitterschaltung mit Gleichstromgegenkopplung. Von oben nach unten: Eingangsspannung, Ausgangsspannung,
Kollektorstrom und Eingangsstrom
Eine Fourieranalyse (FFT aus dem Probe-Fenster heraus) zeigt, dass die Ausgangsspannung
verzerrt ist und eine deutlich erkennbare Oberschwingung bei 2 kHz besitzt:
Bild 3: Fourieranalyse (FFT) der Spannungen und Ströme von Bild 2
Bild 4 zeigt einen Ausschnitt des Output-Files mit dem Ergebnis eine Fourieranalyse
der letzten simulierten Periode (angefordert über das Setup der Transienten-Analyse):
Bild 4: Auszug aus dem Output-File: Fourier-Analyse der letzten simulierten Periode
Die harmonische Verzerrung (sie entspricht weitgehend dem Klirrfaktor) beträgt ca. 3,8%. Das
ist für die meisten Anwendungen zu viel. Abhilfe schafft die Schaltung von Bild 5, bei der nur ein Teil
des Emitterwiderstandes (RE2) durch CE kurzgeschlossen wird, während RE1 jetzt auch
für Wechselspannung wirkbar wird.
Bild 5: Verstärkerstufe in Emitterschaltung. Kombinierte Gleich- und Wechselstromgegenkopplung
Bild 6 zeigt die Ströme und Spannungen von Bild 2 bei kombinierter Gleich- und Wechselstromgegenkopplung.
Von oben nach unten: Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Kollektorstrom und Eingangsstrom.
Bild 6: Ströme und Spannungen bei kombinierter Gleich- und Wechselstromgegenkopplung
Den vier Diagrammen von Bild 6 kann man entnehmen,
dass der Verstärker von Bild 5 bei der Frequenz 1 kHz eine (Wechsel-)Spannungsverstärkung von ca. 350mV / 10mV = 35 hat.
Die (Wechsel-)Stromverstärkung beträgt ca. 120uA / 1.2uA = 100. Strom- und
Spannungsverstärkung sind durch die Wechselstromgegenkopplung schlechter geworden.
Die Fourieranalyse (Bild 7) zeigt, dass sich dafür der Oberschwingungsgehalt deutlich verringert hat. Der
Klirrfaktor beträgt nur noch ca. 0,1%:
Bild 7: Wechselstromgegenkopplung: Auszug aus dem Output-File: Fourier-Analyse der letzten simulierten Periode
Frequenzabhängigkeit der Strom- und Spannungsverstärkung
Bild 8 zeigt als Ergebnis eines AC-Sweeps den Frequenzverlauf der
Spannungsverstärkung (oben) und des Eingangswiderstandes (unten) der Schaltung von Bild 1
(reine Gleichstromgegenkopplung). Bild 9 zeigt die gleichen Diagramme für die Schaltung von Bild 5:
Bild 8: Frequenzverlauf der Spannungsverstärkung und des Eingangswiderstandes der Schaltung von
Bild 1 (reine Gleichstromgegenkopplung)
Bild 9: Frequenzverlauf der Spannungsverstärkung und des Eingangswiderstandes
der Schaltung von Bild 5 (kombinierte Gleich- und Wechselstromgegenkopplung)
Man erkennt durch Vergleich der Bilder 8 und 9, dass durch die Wechselstromgegenkopplung die
Bandbreite des Verstärkers und der Eingangswiderstand vergrößert wird.
Download der Simulationsdateien zur Emitterschaltung:
Falls Sie die Schaltung simulieren möchten, sich aber vor der Zeichenarbeit
scheuen, oder falls Sie mit dem Simulationssetup nicht
zurecht kommen, können Sie hier die Emitterschaltung von Bild 1
mit fertigem Simulationssetup im SCHEMATICS- oder im CAPTURE-Format herunterladen.
Zur Simulation benötigen Sie die Euromodifikationen zu PSpice,
die Bestandteil meines Buches sind.
Damit Sie nach der Simulation automatisch die vorgefertigten Probe-Diagramme erhalten,
müssen Sie vor dem Start der Simulation in SCHEMATICS die Option
ANALYSIS/PROBE SETUP/RESTORE LAST PROBE SESSION wählen, bzw in CAPTURE im Fenster
SIMULATION SETTINGS die Option PROBE WINDOW/SHOW/LAST PLOT.
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Für CAPTURE ab V10:
Laden Sie die unten angebotene selbstex- trahierende ZIP-Datei emitterschaltung_cap.exe
herunter und starten Sie dann die Entpackung durch Doppelklick auf den Dateinamen.
Das Entpackprogramm schlägt Ihnen zum Aufbewahren der entpackten Dateien den Ordner
PSpice-Beispiele vor. Ein guter Vorschlag. Starten Sie anschließend aus CAPTURE
heraus emitterschaltung.opj:
Laden Sie hier emitterschaltung_cap.exe (38 kB)
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Für SCHEMATICS:
Laden Sie die unten angebotene selbstex- trahierende ZIP-Datei emitterschaltung_sch.exe herunter und starten Sie dann die
Entpackung durch Doppelklick auf den Dateinamen. Das Entpackprogramm schlägt Ihnen zum Aufbewahren
der entpackten Dateien den Ordner PSpice-Beispiele vor. Ein guter Vorschlag. Starten Sie anschließend aus SCHEMATICS
heraus emitterschaltung.sch:
Laden Sie hier emitterschaltung_sch.exe (28 kB)
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