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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Colpitt-VCO schwingt nicht


Autor: Benjamin K. (halunke86)
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Hallo,

ich habe den Versuch gestartet, einen Colpitt-VCO mit einer 
"Grundfrequenz" von 27MHz in PSpice zu simulieren, um diesen für den 
späteren Aufbau zu dimensionieren (ist im Rahmen einer Studienarbeit, 
also bitte keine Beschwerden dass das nicht legal sei ;) ). Jedoch ist 
es mir bis jetzt noch nicht gelungen, diesen zum Schwingen zu bringen. 
Habe ich einen prinzipiellen Fehler in der Dimensionierung gemacht oder 
ist es eher ein Problem mit PSpice?

(Falls mir jemand noch ein paar allgemeine Tipps zur Dimensionierung im 
peto hat, kann er diese hier gerne loswerden)

Danke schonmal im voraus

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Die 200 Ohm am Ausgang find ich schon reichlich niedrig. Desweiteren 
würde ich eine längere Simulationszeit wählen.

Willst du das dann anschließend auch aufbauen?

Autor: MB (Gast)
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Amplitudenbedingung erfüllt?
Phasenbedingung erfüllt?

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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MB schrieb:
> Amplitudenbedingung erfüllt?
> Phasenbedingung erfüllt?

Sinnlos rumgerechnet und trotzdem läufts nicht? Ein Colpitts läuft in 
dem Frequenzbereich nach Pi*Daumen und in den Frequenzbereichen wo der 
Daumen zu groß wird hilft die Rechnerei einem auch nicht weiter. Da 
brauchts vorallem einen hochfrequeztauglichen Aufbau und eine 
vernünfitge Abschätzung der parasitären Effekte und die richtige Auswahl 
der Bauteile.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Der Spannungsteiler an der Basis ist viel zu hochohimg. Mache außerdem 
C5 größer als C6. Das Ganze muß mehr aussehen wie hier:

http://www.elektroniktutor.de/signale/colpitts.html

Warum googlest du eigentlich nicht selbst ein wenig??

Kai Klaas

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Ich habs mal ohne 200 Ohm Last simuliert und es schwingt nach 0,4ms. Du 
solltest noch den 1 µF Koppelkondensator auf 1nF umändern. sonst hast du 
utopische Ladekonstanten.

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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C5 könntest du noch erhöhen, wenn dir die Sinusverzerrungen zu stark 
sind. Aber Vorsicht, die reale Bauteile haben noch einige Verluste und 
parasitäre Effekte.

Autor: Wozu (Gast)
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dienen denn C17 (Wert?) und R 18 ?
Mach die mal weg.

Autor: Wozu (Gast)
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..ähm, C 18 und R 17...?

Autor: Benjamin K. (halunke86)
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Ernestus Pastell schrieb:
> Ich habs mal ohne 200 Ohm Last simuliert und es schwingt nach 0,4ms. Du
> solltest noch den 1 µF Koppelkondensator auf 1nF umändern. sonst hast du
> utopische Ladekonstanten.

hab jetzt mal meinen basis-spannungsteiler abgeändert auf 1K/270 ohm und 
zudem c5 geändert auf 50pF, doch selbst ohne last schwing bei mir leider 
immer noch nicht allzu viel. hast du es auch in pspice simuliert (falls 
ja, was für einstellungen hast du gewählt?)


@wozu: R17 stellt die eigentliche Last dar und C18 dient zum auskoppeln 
des signals...

@all: danke für die schnellen antworten...

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Benjamin K. schrieb:
> hab jetzt mal meinen basis-spannungsteiler abgeändert auf 1K/270 ohm und
> zudem c5 geändert auf 50pF, doch selbst ohne last schwing bei mir leider
> immer noch nicht allzu viel. hast du es auch in pspice simuliert (falls
> ja, was für einstellungen hast du gewählt?)

Nicht den den Basisspannungsteiler ändern! Das dämpft den Schwingkreis. 
Nur mindestens 1ms simulieren und die Koppelkondensatoren (1nF statt 
1µF) verkleinern. Die Last war nur nach meiner ersten Einschätzung zu 
groß aber ging dann in meiner Simulation in Ordnung.

C5 erst erhöhen wenn es mit der gegebenen Anordnung hinhaut. Die 
Simulation lief mit den Standardeinstellungen und dauerte 1ms.

Dein Problem lag nur in den Ladekonstanten durch die Koppelkondensatoren 
C17 + C18 und zu kurzer Simulationszeit.

Autor: Benjamin K. (halunke86)
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benutzt du auch pspice? hab meine werte geändert, er schwingt jedoch 
noch nicht..

Autor: Peter (Gast)
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>hab jetzt mal meinen basis-spannungsteiler abgeändert auf 1K/270 ohm

Das ist zuviel des Guten, damit bedämpfst Du den Schwingkreis zu sehr. 
Nehme mal ca. 10k/6.8k

>Wozu dienen denn C17 (Wert?) und R 18 ?
>Mach die mal weg.

C17 brauchts als DC-Block, sonst wird die Basis-Spannung über L7 
kurzgeschlossen. 1uF ist aber etwas zu hoch, versuche es mal mit 150p 
und auch besser zwischen C5 und L7 einfügen.

R18 finde ich nicht, vermutlich meinst Du R16 (100 Ohm) Den brauchts 
wirklich nicht, kannst Du vorerst weglassen.

Autor: Benjamin K. (halunke86)
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Ernestus Pastell schrieb:
> Die 200 Ohm am Ausgang find ich schon reichlich niedrig. Desweiteren
> würde ich eine längere Simulationszeit wählen.
>
> Willst du das dann anschließend auch aufbauen?

die antwort auf die letzte frage bin ich dir noch schuldig: ja, ich hab 
auch vor das anschließend aufzubauen (soll ein FM-Tx werden)

Autor: Peter (Gast)
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Anbei mein Dimensionierungsvorschlag mit Simulation:

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Benjamin K. schrieb:
> benutzt du auch pspice? hab meine werte geändert, er schwingt jedoch
> noch nicht..

Bei der Simulation verwendete ich LTspiceIV aber das kann fast keinen 
unterschied machen, da es ein Spice ableger ist. Und du hast hoffentlich 
zur die DC-Blockkondensatoren verkleinern auf 1nF und die 
Simulationszeit verlängert.

Wie das ganze schwingt siehts du an der angehängten Datei.


> die antwort auf die letzte frage bin ich dir noch schuldig: ja, ich hab
> auch vor das anschließend aufzubauen (soll ein FM-Tx werden)

Bevor du das ganze aufbaust solltest du mindestens noch die Verluste der 
Spule berechnen. Da selbige frequenzabhängig sind, müssen die Werte sich 
natürlich auf die Resonanzfrequenz beziehen.

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Falscher Transistor.

Autor: Peter (Gast)
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Die Frequenz des LC-Kreises liegt bei etwa 7.12 MHz, also weit weg von 
den 27 MHz

Der Basis-Spannungsteiler ist zu hochohmig, auch noch bei Ernestus 
Pastell Simmulation.

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Peter schrieb:
> Die Frequenz des LC-Kreises liegt bei etwa 7.12 MHz, also weit weg von
> den 27 MHz
>
> Der Basis-Spannungsteiler ist zu hochohmig, auch noch bei Ernestus
> Pastell Simmulation.

Das weiß ich, aber es wär wohl am hilfreichsten erst mal seine Schaltung 
zum Schwingen zu bringen. Und mit den Widerständen für den 
Basisspannungsteiler hat die Oszillatorfrequenz nix zum tun. Nicht die 
Leute unnötig verwirren.

Autor: Peter (Gast)
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>Das weiß ich, aber es wär wohl am hilfreichsten erst mal seine Schaltung
>zum Schwingen zu bringen.

Ungefähr sollte die Frequenz schon passen, schliesslich hat diese 
Einfluss auf die Dimensionierung der Signalfeedbackschaltung.

Auch der Arbeitspunkt des Transistors (Basis-Spannungsteiler) muss in 
etwas stimmen, Frequenzgang und Verstärkung des Transistors hängen 
massgeblich davon ab.

Die Phasenverschibung des Transitors ist für diesen Clapp-Oszillator 
(=Sonderform des Colpitts) ebenfalls von Bedeutung, auch hierfür muss 
die Frequenz einigermassen stimmen.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Das weiß ich, aber es wär wohl am hilfreichsten erst mal seine Schaltung
>zum Schwingen zu bringen.

Genau deswegen soll er ja den Basis-Spannungsteiler niederohmiger 
machen. Ein 1M Widerstand an dieser Stelle ist absurd hoch.

>Und mit den Widerständen für den Basisspannungsteiler hat die
>Oszillatorfrequenz nix zum tun. Nicht die Leute unnötig verwirren.

Auf einen Fehler hinweisen nennst du "verwirren"??

Kai Klaas

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Kai Klaas schrieb:
> Auf einen Fehler hinweisen nennst du "verwirren"??

Welcher Fehler??? Die Schaltung schwingt bei mir in der Simulation mit 
LTspice.

Dass die h-Parameter im Datenblatt nur unter bestimmten Randbedingungen 
gültig sind ist mir bekannt. Ist aber nicht Gegenstand der Diskussion 
lenkt daher vom eigentlichen Problem ab.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Welcher Fehler??? Die Schaltung schwingt bei mir in der Simulation mit
>LTspice.

Ja und? Deswegen ist jetzt alles richtig, oder was? Das ist nur eine 
Simulation, was du da machst, die Realität sieht etwas anders aus.

Das Gain-Bandwidth-Product eines bipolaren Transistors ist vom 
Kollektorstrom abhängig. Deswegen willst du in der Regel schon ein paar 
mA durch den Transistor schicken. Bei Benjamin fließen nur 500µA 
Kollektorstrom. Das ist ein bißchen wenig. Dadurch hat er bei 27MHz 
nicht genug Verstärkungsreserve und kann in der Realität Probleme 
bekommen.

Kai Klaas

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Kai Klaas schrieb:
>>Welcher Fehler??? Die Schaltung schwingt bei mir in der Simulation mit
>>LTspice.
>
> Ja und? Deswegen ist jetzt alles richtig, oder was? Das ist nur eine
> Simulation, was du da machst, die Realität sieht etwas anders aus.
>
> Das Gain-Bandwidth-Product eines bipolaren Transistors ist vom
> Kollektorstrom abhängig. Deswegen willst du in der Regel schon ein paar
> mA durch den Transistor schicken. Bei Benjamin fließen nur 500µA
> Kollektorstrom. Das ist ein bißchen wenig. Dadurch hat er bei 27MHz
> nicht genug Verstärkungsreserve und kann in der Realität Probleme
> bekommen.
>
> Kai Klaas

Weiterhin, was hat das mit der Fragestellung Simulation schwingt nicht 
zu tung?

Ansonsten antworte Ich nur noch auf Fragen des Fragestellers. Die Leute 
mit nebensächlichen Halbwahrheiten verwirren überlasse ich anderen.

Autor: Norbert L. (norbert_l64) Benutzerseite
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Wie gut, daas ich mich weigere mit Simulationsprogrammen zu arbeiten. So 
kann ich was aus der Praxis beitragen:

1. Für eine Frequenz von > 1...5MHz und reproduzierbarer 
Funktionssicherheit  muss immer ein HF-Transistor verwendez werden, z.B. 
BF199.

2. Das Signal wird immer niederohmig am Knotenpunkt 
Kollektor-Kollektorwiderstand ausgekoppelt.
Parallelbelastungen an der Emitterstrecke sollen vermieden werden. Die 
Rückwirkungen einer solchen Last wirkt bis auf den Schwingkreis zurück.
Dadurch verschlechtert sich dessen Stabilität.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Ansbach Dragoner schrieb:
> Wie gut, daas ich mich weigere mit Simulationsprogrammen zu arbeiten. So
> kann ich was aus der Praxis beitragen:
>
> 1. Für eine Frequenz von > 1...5MHz und reproduzierbarer
> Funktionssicherheit  muss immer ein HF-Transistor verwendez werden, z.B.
> BF199.
>

Diese Aussage ist falsch. Bei 1 bis 5MHz ist es sogar schlechter, wenn 
man das mit einem 1GHz-Transistor macht. Der rauscht dann mehr und 
schwingt eventuell noch zusätzlich auf einer sehr hohen Frequenz wegen 
der Zuleitungsinduktivitäten.

Autor: Norbert L. (norbert_l64) Benutzerseite
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Helmut S. schrieb:
> Diese Aussage ist falsch.

Na gut, dann habe ich mich 20 Jahre und ca. 850 Colpitt-Oszilatoren lang 
geirrt...

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ich habe schon einen FM Transmitter (100MHz) mit nem BC547 aufgebaut.

Autor: Norbert L. (norbert_l64) Benutzerseite
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Das hat aber nichts mit reproduzierter Funktionssicherheit zu tun. Das 
ist gebastelt.

Autor: Peter (Gast)
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@ Ernestus Pastell
>Die Leute mit nebensächlichen Halbwahrheiten verwirren überlasse
>ich anderen.
Genau aus diesem Grund solltest DU hier keinen Unsinn rauslassen!

Dein Simmulation schwingt eher zufällig, die lange Anschwingzeit deutet 
auf wenig Reserve hin. Und von einer ideale, verlustfreie Induktivität 
sollte man für Simulationen schon gar voraussetzen



>Wie gut, daas ich mich weigere mit Simulationsprogrammen zu arbeiten. So
>kann ich was aus der Praxis beitragen:

Mit dieser Einstellung würde ich Dich als meinen Mitarbeiter glatt auf 
die Strasse setzen. Ich habe schon viel Zeit und Geld gespart, weil ich 
Schaltungen viel schneller via Simmulation testen, untersuchen und 
optimieren konnte, ohne dass ich mir am Lötkolben die Finger verbrennen 
musste... Klar, korrekte Schaltungssimmulation will auch gelernt sein!

Autor: Norbert L. (norbert_l64) Benutzerseite
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Peter schrieb:
> Mit dieser Einstellung würde ich Dich als meinen Mitarbeiter glatt auf
> die Strasse setzen.

Das wäre sehr schlecht für dich!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>>Die Leute mit nebensächlichen Halbwahrheiten verwirren überlasse
>>ich anderen.
>Genau aus diesem Grund solltest DU hier keinen Unsinn rauslassen!
>
>Dein Simmulation schwingt eher zufällig, die lange Anschwingzeit deutet
>auf wenig Reserve hin. Und von einer ideale, verlustfreie Induktivität
>sollte man für Simulationen schon gar voraussetzen

Ich habe mich schon ausgeklingt, weil ich hier niemanden beleidigen 
will. Oft ist das Halbwissen ja genau auf derjenigen Seite, die das 
anderen vorwirft.

Simulationen im HF-Bereich sind immer unvollständig, wenn keine 
Streukapazitäten und Bauteiletoleranzen berücksichtigt werden. Deswegen 
sind Simulationen immer mit Vorsicht zu genießen, sie basieren auf 
Modellen, die die Wirklichkeit immer nur teilweise richtig wiedergeben.

Wer sich einigermaßem mit der Materie auskennt und schon ein paar 
Colpitts-Oszillatoren in seinem Leben gesehen hat, weiß auch ohne 
Rechnung, daß ein 1M Widerstand im Basisspannungsteiler eines 27MHz 
Oszillators ziemlich daneben ist.

Wieso sollte man eine Simulation mit einer so unrealistischen Größe zum 
Laufen kriegen wollen? Warum nicht von Anfang an einen realistischen 
Basisspannungsteiler wählen?

>Wie gut, daas ich mich weigere mit Simulationsprogrammen zu arbeiten. So
>kann ich was aus der Praxis beitragen:

Das ist natürlich auch verkehrt. Als Entwickler sollte man schon alle 
Möglichkeiten, die sich einem bieten, nutzen. Dazu gehört auch die 
Simulation. Man muß eben nur die Grenzen jeder Technik berücksichtigen.

Kai Klaas

Autor: Günther N. (guenti)
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Ein VCO ist eigentlich ein spannungsgesteuerter O
szillator,siehe:http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsgesteuerter_Oszillator
Da ich erst kürzlich hier im Forum über die Verwendung heutzutage 
gebräuchlicher Abkürzungen aus dem "Englischen" aufgeklärt wurde(ja fast 
gemassregelt),so weise ich mal vorsichtig auf die unkorrekte Verwendung 
des Kürzels "VCO" hin.

Autor: Peter (Gast)
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>> Mit dieser Einstellung würde ich Dich als meinen Mitarbeiter glatt auf
>> die Strasse setzen.

>Das wäre sehr schlecht für dich!

Das bezweifle ich!

Autor: Benjamin K. (halunke86)
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nochmals vielen dank an alle... auch wenn die diskussion am ende ein 
bisschen unharmonisch verlief, war sie sehr lehr- und hilfreich. ich 
habe meine schaltung mit pspice zwar immer noch nicht zum laufen 
gebracht (im anhang nochmal meine angepasste schaltung), jedoch werde 
ich es erstmal dabei belassen in der hoffnung, dass sie nachher im 
Sender funktionieren wird. falls es jemandem mal gelingen sollte diese 
in pspice zum laufen zu bekommen kann er ja bescheid geben.

eine letzte frage noch zum schluss: wie niederohmig(zahlenwert) soll ich 
auskoppeln? es wird als nächste stufe noch eine verstärkerstufe folgen 
(wahrscheinlich mit einem darlington-transistor in emitter-schaltung) 
und anschließend wird das signal auf die antenne gegeben.

Autor: Benjamin K. (halunke86)
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Günther N. schrieb:
> Ein VCO ist eigentlich ein spannungsgesteuerter O
> szillator,siehe:http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsgesteuerter_Oszillator
> Da ich erst kürzlich hier im Forum über die Verwendung heutzutage
> gebräuchlicher Abkürzungen aus dem "Englischen" aufgeklärt wurde(ja fast
> gemassregelt),so weise ich mal vorsichtig auf die unkorrekte Verwendung
> des Kürzels "VCO" hin.

da hast du natürlich recht. mein ziel ist auch die entwicklung eines 
vco, jedoch wollte ich die schaltung erstmal mit einer konstanten 
kapazität zum schwingen bekommen,  bevor ich diese durch eine 
varaktor-diode ersetze (und somit die schaltung dann zu einem vco 
erweiter)

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Hi,

ich hab noch weiter mit der Simulation experimentiert. Mir viel auf, das 
bei der Vorgabe eines maximalen Timestep meine Simulation wesentlich 
schneller anschwingt. Bei mir wahren es dann 10ns in LTspice. (Das man 
übrigens kostenlos bekommt).

Desweiteren habe ich für die Transientenanalyse den Parameter "startup" 
benutzt, dann befinden sich die Kondensatoren zu beginn der Simulation 
in ungeladenem Zustand.

 .tran 0 1ms 0 10ns startup

Etwas anderes sind eventuell noch unterschiedliche Transistormodelle in 
den Programmen, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können.

Zur Dimensionierung der Schaltung kann ich dir von meiner Seite was zur 
Orientierung mitgeben. Die Blindwiderstände des Resonanzkreises, der 
Basisspannungsteiler und Emitterwiderstand sollten immer in einem 
ausgewogenen Verhältnis zueinander liegen.

Vielleicht kuggst du dich im Internet noch nach fertigen 
Oszillatorschaltungen um, die dann von Anfang an schwingen. Dann 
bekommst du Übung in der Simulation und im zurecht pfriemeln des 
Aufbaus.

Da du Darlington-Stufen erwähnst. Bei denen sollest du prüfen, ob die 
bei 30 MHz noch vernünftig arbeiten. Ich hab damit keine Erfahrung, aber 
mein Bauchgefühl sagt da könnte es Probleme geben.

Und mal eine Gegenfrage, wo kommt die Eingangs gezeigte Schaltung her?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Ich habe jetzt die Schaltung auch mal simuliert, mit TINA.

Deine Originalschaltung schwingt bei mir gar nicht an. Erst, wenn ich 
die 200R Lastimpedanz auf mindestens 1k vergrößere, passiert etwas. Aber 
schön sieht das nicht aus und die Amplitude ist unter 1Vss.

Gute Resultate erhalte ich dagegen mit der Schaltung im Anhang. Die 
Ausgangsspannung beträgt immerhin über 8Vss.

Der Ausgang sollte allerdings nicht zu sehr belastet werden. Mit 1k 
statt 10k sinkt die Spannung auf rund 2,5Vss und der Oszillator schwingt 
nur noch widerwillig an.

Wenn du derart niedrige Lastimpedanzen treiben willst, mußt du dem 
Oszillator unbedingt einen Impedanzwandler nachschalten!

Kai Klaas

Autor: Benjamin K. (halunke86)
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prinzipiell steht die schaltung so im tietze & schenk, für die 
dimensionerung habe ich mir jedoch sehr viele schaltungen im internet 
angeschaut, vergliechen etc.

das mit der darlington-stufe war auch nur eine erste idee, ich muss mir 
noch überlegen mit welcher leistung ich überhaupt senden möchte (die 
obere schranke ist gesetzlich durch 4 watt geregelt, aber wie weit ich 
nach unten gehn kann und wie sich das auf die übertragungsstrecke 
auswirkt , muss ich mir noch überlegen)

@kai: in deiner schaltung haste jetzt aber auch einen ziemlich 
hochohmigen eingangsspannungsteiler

ich will in der folgenden stufe das signal nur noch verstärken. da ich 
in diesem frequenzbereich keine probleme bekomme bzgl. transitfrequenz, 
könnte ich dies mit einer emitter-verstärkerschaltung realisieren, 
welche ja einen hohen eingangswiderstand hat...

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>@kai: in deiner schaltung haste jetzt aber auch einen ziemlich
>hochohmigen eingangsspannungsteiler

Ja, um dir ein wenig entgegen zu kommen. 100k statt 1M ist allerdings 
schon um eine Größenordnung kleiner...

Kai Klaas

Autor: Benjamin K. (halunke86)
Datum:

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eine frage hätt ich noch: wieso wirkt sich die koppelkapazität zwischen 
SK und transistor nicht (oder zumindest nicht groß) auf die 
resonsanzfrequenz aus? sie liegt doch (zusammen mit dem unteren 
widerstand des basisspg-teilers) parallel zu den anderen c's.

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