Hallo! Ich würde gerne eine Emitterschaltung mit Bootstrap-Kondensator (bootstrap.jpg im Anhang) aufbauen, aber mir fehlt der Ansatz zur Dimensionierung der Komponenten. Die Schaltung habe ich von hier (https://www.elektroniktutor.de/analogverstaerker/bootstrp.html). Ich habe schon in Halbleiterschaltungstechnik Tietze/Schenk (12. Auflage) und Art of Electronics (Third Edition) recherchiert, wurde aber diesbezüglich nicht zufriedenstellend fündig. Beim Tietze/Schenk steht gar nichts zur bootgestrappten Emitterschaltung und bei Art Of Electronics wird nur die Kollektorschaltung behandelt. Mein Ansatz: 1) Ich vermute mal R1 und R2 wählt man einfach so, dass die gewünschte Basisspannung sich zwischen beiden ausbildet. Dabei R1 und R2 nicht zu klein dimensionieren, damit Spannungsteiler nicht zu stark belastet wird. 2) R3 dann so wählen, dass U_{R3} = I_{Basis} * R3 im mV-Bereich??? 3) C_B so wählen, dass Kondensator bei gewünschten Signalfrequenzen quasi kurzschließt??? Frage 1: Stimmen meine Ideen? Ist das ein sinnvoller Ansatz zur Dimensionierung oder kann man hier schlauer vorgehen? Frage 2: Gibt es ein äquivalentes Buch zu "Numerical Recipes in C" für Schaltungstechnik? Also quasi ein Buch, in dem Dimensionierungsrezepte für übliche Schaltung stehen? Viele Grüße
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Die Dimensionierung ist nicht so einfach. Das Bootstrapping soll ja den Eingangswiderstand erhöhen. Der besteht aber aus 2 Komponenten, nämlich dem Eingangswiderstand des Transistors (rbe+B*RE) selbst und parallel dazu dem hochtransformierten R3` (R3*B*RE/rbe, mit rbe=Ut/Ic)). Du musst daher den zu erzielenden Eingangswiderstand und den Kollektorstrom vorgeben und dann "rückwärts" rechnen.
Die Dimensionierung ist relativ einfach. Für den Transistor sind R1, R2 und Re parallel geschaltet, was den Verstärkungsfaktor bestimmt. Das Verhältnis zwischen Cb und R1 und R2 parallel bestimmt die untere Grenzfrequenz. Konstantstromquellennutzer schrieb: > R3 im mV-Bereich??? Auf keinen Fall. Da solltest Du mindestens ein Zehntel der Betriebsspannung einplanen. Je mehr, desto besser.
Konstantstromquellennutzer schrieb: > Frage 1: Stimmen meine Ideen? Nee. Der Knackpunkt ist, dass die Größen im Ausgangskreis (Rc ~= R_aus, Ub, Re, Ic) einerseits voneinander abhängig sind; auf der anderen Seite hängen sie aber auch über Ic = hfe * Ib von der Eingangsseite ab. Da die Verstärkung des Transistors endlich (und nicht übermäßig hoch) ist, kann man mit einer Einzelstufe nur ein bestimmtes Impedanzverhältnis überwinden. Der Ausgangswiderstand kann realistisch vielleicht ... was weiss ich... Faktor 100 niedriger sein der Eingangs- widerstand -- aber man kann nicht bei 60dB Verstärkung der Stufe R_ein = 100MOhm und R_aus = 10 Ohm erreichen. Das geht einfach nicht, nicht mit einem einzelnen Bipolartransistor. Bedeutet konkret: Letztlich wählt man, wie von Elliot schon erklärt, über Ic das Impedanzniveau der gesamten Stufe. Soll R_ein höher werden, muss in der Regel auch Re vergrößert werden, und das erzwingt auch Vergrößern von Rc (~= R_aus) bzw. Verkleinern von Ic und V. Falls Du tatsächlich eine konkrete Schaltung auslegen willst, müsstest Du Zahlen für Ub, R_ein_min, R_aus_max und V liefern. > Frage 2: Gibt es ein äquivalentes Buch zu "Numerical > Recipes in C" für Schaltungstechnik? Also quasi ein > Buch, in dem Dimensionierungsrezepte für übliche > Schaltung stehen? Kein einzelnes Standardwerk bekannt, in dem alles steht. Nein.
Man kann die Schaltung auch nacheinander berechnen, also erstmal ohne R3 und CB. RE soll den Arbeitspunkt stabilisieren, daher sollten daran wenigstens 1V abfallen. Ist die Verstärkung zu gering, kann man noch einen R und C in Reihe dazu parallel schalten. R3 wählt man so hoch, daß sich der Arbeitspunkt nicht nennenswert verschiebt. Bei Bedarf die Berechnung R1/R2 um die Verschiebung korrigieren.
Da gibt's noch etwas: https://www.electronicdeveloper.de/TransistorVv.aspx Komisch, ist im Desktop EDD Programm garnicht drin, sondern linkt direkt auf Webseite. So kann man nicht wie sonst offline Berechnungen durchführen. ciao gustav
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Konstantstromquellennutzer schrieb: > Ich würde gerne eine Emitterschaltung mit Bootstrap-Kondensator > (bootstrap.jpg im Anhang) aufbauen, aber mir fehlt der Ansatz zur > Dimensionierung der Komponenten. LTspice ist Dein Freund. Dann siehst Du auch wie die Schaltung sich dynamisch verhält. mfg Klaus
... Beitrag "Emitterschaltung berrechnen" Ltspice laden Beitrag "Re: Dimensionierung Emitterschaltung" Schaltung laden Beitrag "Re: Dimensionierung Emitterschaltung" und den eigenen Wünschen entspr. anpassen ...
KSE = Kleinsignalersatzschaltbild -er lassen sich leichter überprüfen :-) Beitrag "Re: KSE zeichnen"
Hallo, vielen Dank für die hilfreichen Antworten! Mittlerweile habe ich es geschafft die Schaltung funktionstüchtig aufzubauen und an meine Problemstellung einigermaßen anzupassen. Im Wesentlichen habe ich mich an den Antworten von Elliot, Egon D. und Karl B. orientiert und dann solange rumgebastelt bis es funktioniert hat. Der genaue theoretische Weg ist mir leider trotzdem noch nicht ganz klar. Bei dem Versuch dem Problem mit Kleinsignalersatzschaltbildern auf die Pelle zu rücken, habe ich irgendwann die Geduld verloren. Durch die Rückkopplung mit dem Kondensator C_B werden die Netzwerkgleichungen deutlich komplizierter... Deswegen würde ich gerne noch folgende Fragen stellen: Elliot schrieb: > und parallel > dazu dem hochtransformierten R3` (R3*B*RE/rbe, mit rbe=B * Ut/Ic)). Frage 1) Warum wird der Widerstand R3 um den Faktor B * RE / r_be hochtransformiert? Kann man das irgendwie über Näherungen ausrechnen? Klaus R. schrieb: > LTspice ist Dein Freund. Dann siehst Du auch wie die Schaltung sich > dynamisch verhält. Ok, das ist natürlich auch ein Weg. Die Simulation mit LTSpice von der Schaltung aus (https://www.electronicdeveloper.de/TransistorVv.aspx) hat funktioniert, wenn auch die von mir bestimmten Schaltungsparameter etwas anders ausfallen als die angegeben. Allerdings weiß ich hier auch nicht so genau, was ich eigentlich machen muss, um eine Schaltung mit den von mir gewünschten Eigenschaften zu entwerfen. Einfach so lange Bauteilwerte ändern und neu simulieren bis es klappt? Frage 2) Ist das wirklich so die übliche Vorgehensweise beim Entwurf von Schaltungen? Einfach mit ein paar Startwerten aus der Literatur anfangen und dann solange an den "Stellschrauben" drehen bis es passt? Oder kann man auch mit einfachen Faustformeln schon mal ein grobes Design auslegen? Grüße
Achja, Frage 3) Wie wählt man den Wert von C_B? Mein Ansatz: Dessen Scheinwiderstand muss bei der niedrigsten Signalfrequenz deutlich kleiner sein als R_1, R_2 und R_3. ist das ein sinnvoller Ansatz?
Konstantstromquellennutzer schrieb: > Frage 1) Warum wird der Widerstand R3 um den Faktor B * RE / r_be > hochtransformiert? Kann man das irgendwie über Näherungen ausrechnen? Der Widerstand R3 liegt unten ja nicht auf Masse. Wenn man seinen Einfluss auf den gesamten Eingangswiderstand ermitteln will, muss man also wissen, ob - und vor allem wie und in welcher Richtung - sein Fußpunkt sich mit der Eingangsspannung ändert. Man weiß nun, dass der Emitter der Basis "folgt" und somit steigt die Spannung am unteren Ende dvon R3 mit der Spannung am oberen Ende. Damit wird der Strom durch den R3 deutlich geringer und sein Wert - vom Eingang her gesehen - wirkt also deutlich größer (kleinerer Strom). Das ist ja nun auch gerade der gewünschte Bootstrap-Effekt (Gesamt-Eingangswiderstand größer. Der Faktor, um den R3 jetzt größer wirkt, wird bestimmt durch die Signal-Spannung, die am Emitter anliegt. Und die kann man leicht berechnen, denn man kennt die Verstärkung des Emitterfolgers: Ve=gmRe. Dabei ist die Steilheit gm=d(Ic)/d(Vbe)=[d(Ic)/d(Ib)]/[d(Vbe)/d(Ib]=beta/r_be=B/r_be. Also ist der Verstärkungsfaktor am Emitter: Ve=Re*B/r_be. Um diesen Faktor erscheint der Widerstand R3 also erhöht am Eingang.
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Konstantstromquellennutzer schrieb: > Frage 2) Ist das wirklich so die übliche Vorgehensweise beim Entwurf von > Schaltungen? Einfach mit ein paar Startwerten aus der Literatur anfangen > und dann solange an den "Stellschrauben" drehen bis es passt? Oder kann > man auch mit einfachen Faustformeln schon mal ein grobes Design > auslegen? Nein, natürlich nicht. Die "Startwerte" findet man nicht in der Literatur, sondern wählt bzw. berechnet diese relativ überschlägig. Dabei gibt es immer Vernachlässigungen, denn keine Formel ist korrekt und beinhaltet immer Vernachlässigungen/Vereinfachungen. Andernfalls könnte man die Schaltung so - von Hand - gar nicht mit vertretbarem Aufwand dimensionieren. Das ist auch vernünftig so, denn es wäre Unsinn, alles bis auf das letzet Prozent auszurechnen - und dann Bauelemente mit Toleranzen von 5% einzusetzen. Und dann kommt die Simulation, die natürlich viel genauer ist als die Rechnung, da die Modelle der Transistoren und OPVs doch sehr genau sind und parasitäre Kapazitäten/Widerstände und andere "Dreckeffekte" (Sperrströme) berücksichtigen kann. Und dabei kann man dann, wenn man auch die realen Bauteilwerte eingesetzt hat, die nicht akzeptablen Abweichungen versuchen zu korrigieren durch das Drehen an den "Stellschrauben".
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Konstantstromquellennutzer schrieb: > Frage 1) Warum wird der Widerstand R3 um den Faktor B * RE / r_be > hochtransformiert? Kann man das irgendwie über Näherungen ausrechnen? Denken wir uns Cb mal weg. Der Eingangswiderstand der Basis erhöht sich um B * RE. Wechselstrommäßig liegt an der Basis R3 + R1//R2. Wozu der Cb als Bootstrapp gut sein soll erschließt sich mir nicht richtig. Bootrapping wird m.E. eingesetzt um die Aussteuerung zu verbessern. D.h. hier würde man versuchen die Kollektorspannung zu erhöhen. Ehrlich gesagt, solche Schaltungen sollten heutzutage nur in ganz speziellen Fällen verwendet werden. In den 70iger und 80iger Jahren baute die namhafte Firma Braun noch ganze HiFi Anlagen damit. Heute sind die OPV so gut und preiswert, daß sich eine Emitterschaltung als Verstärkerstufe eigentlich nicht mehr lohnt. mfg Klaus
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Lutz V. schrieb: > Man weiß nun, dass der Emitter der Basis "folgt" und > somit steigt die Spannung am unteren Ende dvon R3 mit > der Spannung am oberen Ende. ... weil der Kondensator (zumindest für hinreichend schnelle Änderungen) als Spannungsquelle aufgefasst werden kann, so dass die Spannung am Abgriff des Basisspannungsteilers dem Emitterpotenzial "nachgeführt" wird. Über R3 fällt damit gar nicht die volle Eingangsspannung ab, sondern nur der (sehr viel kleinere) Teil, der (dynamisch) tatsächlich STEUERND auf den Transistor wirkt. > [...] > Der Faktor, um den R3 jetzt größer wirkt, wird bestimmt > durch die Signal-Spannung, die am Emitter anliegt. Und > die kann man leicht berechnen, denn man kennt die > Verstärkung des Emitterfolgers: Ve=gmRe. > Dabei ist die Steilheit > gm=d(Ic)/d(Vbe)=[d(Ic)/d(Ib)]/[d(Vbe)/d(Ib]=beta/r_be=B/r_be. Hmm. Wäre es nicht netter, die Steilheit über Ic/U_t zu nähern? Zusammen mit Ic ~= Ie erhält man dann nämlich hier... > Also ist der Verstärkungsfaktor am Emitter: Ve=Re*B/r_be. ... die Näherung Ve = Re*Ie/U_t bzw. Ve = Ue/Ut. Ut ist die Temperaturspannung (ideal 25.6mV bei 25°C); Ue der Spannungsabfall am Emitterwiderstand. > Um diesen Faktor erscheint der Widerstand R3 also erhöht > am Eingang.
Klaus R. schrieb: > Denken wir uns Cb mal weg. Der Eingangswiderstand der > Basis erhöht sich um B * RE. Schon -- aber das ist nicht der Eingangswiderstand der ganzen Stufe. Zu B*Re liegt nämlich noch R3+(R1||R2) parallel. > Wechselstrommäßig liegt an der Basis R3 + R1//R2. > Wozu der Cb als Bootstrapp gut sein soll erschließt > sich mir nicht richtig. Nun ja: Vergleiche einfach... ohne Kondensator: (B*Re)||(R3+(R1||R2)) ...mit... mit Kondensator: (B*Re)||(R3*Ue/Ut).
Egon D. schrieb: > mit Kondensator: (B*Re)||(R3*Ue/Ut). Und das ginge zu Lasten der Stabilität. Auf diese Weise läßt sich ein Oszillator bauen. mfg Klaus
Wie sieht die Schaltung denn jetzt mittlerweile mit Bauteilewerten aus?
Klaus R. schrieb: > Wozu der Cb > als Bootstrapp gut sein soll erschließt sich mir nicht richtig. > Bootrapping wird m.E. eingesetzt um die Aussteuerung zu verbessern Ohne den Kondensator Cb würde R3 ja gleichstrommäßig parallel tur Basis-Emitter-Strecke liegen ! Die Bootstrap-Methode dient dazu, den Gesamteingangswidestand zu erhöhen, weil ansonsten der Spannungsteiler R1||R2 voll eingehen würde. Jetzt wirkt diese Parallelschaltung nur in Reihe mit dem dynamisch vergrößerten R3 ! Mit dem Aussteuerungsverhalten hat diese Methode nichts zu tun.
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Konstantstromquellennutzer schrieb: > Frage 2) Ist das wirklich so die übliche Vorgehensweise > beim Entwurf von Schaltungen? Einfach mit ein paar > Startwerten aus der Literatur anfangen und dann solange > an den "Stellschrauben" drehen bis es passt? Naja, man sollte schon vom Prinzip her verstanden haben, was man da macht. > Oder kann man auch mit einfachen Faustformeln schon > mal ein grobes Design auslegen? Selbstverständlich. Du hast nur zu wenig konkrete Angaben für das Anwenden der Faustformeln geliefert :) Wie in meiner allerersten Antwort schon geschrieben: Um etwas Konkreteres sagen zu können, müsste man wissen, * welche Betriebsspannung, * welche Aussteuerbarkeit am Ausgang, * welchen Ausgangswiderstand höchstens, * welchen Eingangswiderstand mindestens und * welche Verstärkung erreicht werden sollen -- und welche Größe welche Priorität hat.
Egon D. schrieb: > Wäre es nicht netter, die Steilheit über Ic/U_t zu nähern? > ... die Näherung Ve = Re*Ie/U_t . Ja, in der Praxis würde man den Vergrößerungsfaktor sicherlich am besten so ausrechnen; mir kam es aber darauf an, die Fage zu beantwworten, in der die andere Form (mit B und r_e) vorkam. Es ist ja: g=1/r_e=Ie/U_t.
Konstantstromquellennutzer schrieb: > aber mir fehlt der Ansatz zur > Dimensionierung der Komponenten. Hier gibrs ein Uni-Skript als PDF https://www.transkommunikation.ch/dateien/schaltungen/diverse_schaltungen/electronics_infos/Praktische%20Elektronik.pdf Bootstrap auf 3-7 S.37 so ähnlich simpel und nachvollziehbar erklärt wie früher im Elektor-Verstärkerkurs.
DM-5 schrieb: > Bootstrap auf 3-7 S.37 so ähnlich simpel und nachvollziehbar erklärt wie > früher im Elektor-Verstärkerkurs. Ich habe es verstanden. Allerdings benötigt man die Bootstrap Berechnung auf der nächsten Seite dazu. Diese Vorgehensweise erinnert mich an mein Studium in Verstärkertechnik. Wir hatten einen Prof der einige Jahre in den USA war. Er ersparte uns das Berechnen der Schaltung mittels Vierpoltheorie und wendete ähnliche Vereinfachungen an. Ein wirklich guter Praktiker. Heute gibt es ja LTspice, ein Segen und schärft den Blick auf das Wesentliche. mfg klaus
Klaus R. schrieb: > Heute gibt es ja LTspice, ein Segen und schärft den > Blick auf das Wesentliche. Mein Kommentar passt nicht ganz zum Haupt-Thema - aber trotzdem: Aus Erfahrung weiß ich, dass so ein Simulationsprogramm nicht das VERSTÄNDNIS für die Funktionsweise einer Schaltung verbessern kann (das soll es ja auch gar nicht). Man sollte schon vorher ungefähr wissen, wie das Ergebnis aussehen sollte, andernfalls vertraut man evtl. falschen Ergebnissen - verursacht z.B. durch Dimensionierungsfehler, fehlende Massepunkte .... Insofern habe ich Zweifel, ob LTSpice oder PSpice den "Blick schärfen kann".
Lutz V. schrieb: > Insofern habe ich Zweifel, ob LTSpice oder PSpice den "Blick schärfen > kann". Ich kann eine Schaltung auf Papier durchrechnen. Dann habe ich die Werte für den von mir gerade festgelegten Arbeitspunkt. Das die Grundlagen wichtig sind ist keine Frage. Was ist dann mit einer Sprungantwort oder einem Bodegiagramm? Ich kannte noch so eben Rechenschieber. Mit Millimeterpapier hat man die Augen belastet. Im Studium haben wir uns bei Stern-Dreieck Transformationen die Finger wund getippt. Mit einem HP41 habe ich tatsächlich eine Frequenzweiche komplex durchgerechnet, dauerte nur ein paar Stunden. Heute sage ich nur: Hurra, wir sind doch nicht mehr in der Steinzeit!😎 mfg Klaus
Klaus R. schrieb: > Was ist dann mit einer Sprungantwort oder einem Bodegiagramm? Was ich nur sagen wollte - Man muss eigentlich vorher wissen, wie UNGEFÄHR die Sprungantwort oder das Bode-Diagram aussehen muss! Also quasi als Bestätigung der Vermutung und natürlich als exakte Darstellung der Funktionen. Andernfalls glaubt man blind das, was man sieht (und evtl. ja falsch sein kann, weil man beim Widerstand m statt M geschrieben hat.) Ich gebe Dir ja recht, dass Simulation eine enorme Hilfe ist - ich kenne Aufgabenstellungen, die NUR so zu lösen sind.
Klaus R. schrieb: > dauerte nur ein paar Stunden ... > > Heute sage ich nur: Hurra, wir sind doch nicht mehr in der Steinzeit!😎 > mfg Klaus Ja, und Programme wie LTSpice sind ein Segen. Aber zum Verständnis einer Schaltung tragen sie nur wenig bei. Ich nutze LTSpice überwiegend für das Finetuning einer Schaltung: was passiert wenn ich R1 um 20% ändere, usw. Grundsätzlich sollte man zuerst die Funktion und grobe Dimensionierung einer Schaltung verstehen. Klaus R. schrieb: > Ich kannte noch so eben Rechenschieber. Auch auf die Gefahr hier ausgelacht zu werden: aus Spaß und um nicht aus der Übung zu kommen rechne ich tatsächlich gelegentlich mit dem Rechenschieber ;-). 2-3 Stellen reichen in der Praxis fast immer. Gibt ja Leute die einen Onlinerechner bemühen um mit dem Ohmschen Gesetz einen Widerstand auf 10 Stellen zu berechnen. Auch im Kopf zu rechnen hilft um geistig fit zu bleiben. Schwingkreise schätze ich ab und rechne dann erst nach.
Klaus R. schrieb: > Heute gibt es ja LTspice, ein Segen und schärft den > Blick auf das Wesentliche. In gewisser Weise muss ich Dir aber jetzt doch zustimmen - es wird vielleicht nicht gerade der "Blick aufs Wesentliche" geschärft, aber die Simulation kann interessante - bisher unbekannte - Effekte aufdecken. Beispiel: MILLER-Integrator mit OPV. Überraschenderweise geht der Betrag so bei -20..-40 dB in die Waagerechte über, steigt sogar wieder an. Ein Effekt, der das Verständnis für die - unerwünschten - Eigenschaften einer Schaltung aufdecken und einen zum Nachdenken bringen kann. Voraussetzung: Man hat was anderes erwartet und fragt sich überhaupt...wieso?
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