Informations- und Kommunikationstechnik

Transistorverstärker in Basisschaltung

In der Basisschaltung liegt der Basisanschuss des Transistors durch einen Kondensator wechselstrommäßig an Masse. Das zu verstärkende Eingangssignal wird am Emitter eingekoppelt und am Kollektor als Ausgangssignal ausgekoppelt. Die statische Berechnung des Arbeitspunkts kann wie bei der Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung vorgenommen werden, wie es die umgezeichnete Schaltung deutlich macht. In einer Schaltung ohne Gleichstromgegenkopplung muss der Emitterwiderstand durch den induktiven Blindwiderstand einer Spule ersetzt werden. Der ohmsche Widerstand der Induktivität ist vernachlässigbar klein, während der Blindwiderstand als Eingangsimpedanz für das Signal wirkt und es nicht nach Masse kurzschließt.

Basisschaltung

Die Stromverstärkung

Basis-Signalersatzschaltung

Die Signalquelle steuert den Transistor am Emitter mit einem Steuerstrom ie an. Wie noch gezeigt wird, ist der Wert des Emitterwiderstands RE groß gegenüber der Eingangsimpedanz des Transistors, daher kann der Steuerstrom dem Emitterwechselstrom iE gleichgesetzt werden. Mit einem ausreichend großen Arbeitswiderstand Ra wird der Ausgangswechselstrom ia etwa gleich dem Kollektorwechselstrom iC sein. Da er um den Basisstrom kleiner als der Emitterstrom ist, bleibt die Stromverstärkung der Basisschaltung kleiner als 1.

Die Stromverstärkung kann mithilfe der Signalersatzschaltung hergeleitet werden. Um den Transistor mit dem größtmöglichen Signalstrom zu steuern, muss der Eingangswiderstand RE im Vergleich zum dynamischen Basis-Emitterwiderstand groß sein.

Berechnung der Wechselstromverstärkung

Die Stromverstärkung einer Transistor-Basisschaltung ist immer kleiner als 1. Sie erreicht ihren größten Wert, wenn der Arbeitswiderstand Ra groß im Vergleich zum Lastwiderstand RL ist.

Die Spannungsverstärkung

Berechnung der Wechselspannungsverstärkung

Ist der Emitterwiderstand wesentlich größer als die Eingangsimpedanz des Transistors, dann kann die Eingangsspannung mit der Steuerspannung an der Basis-Emitterstecke gleichgesetzt werden. Die Ausgangsspannung liegt an der Parallelschaltung aus dem Arbeits-, auch Kollektorwiderstand genannt und dem Lastwiderstand. Der Kollektorstrom ist um den Stromverstärkungsfaktor β größer als der Basisstrom. Mit diesem Ansatz kann die Spannungsverstärkung hergeleitet werden.

Durch den Eingangsstrom entsteht am Innenwiderstand der Signalquelle eine Spannung. Sie kann als Stromgegenkopplung interpretiert werden und setzt die Spannungsverstärkung herab. Ist der Quelleninnenwiderstand groß im Vergleich zum dynamischen Eingangswiderstand rBE des Transistors, wird die Spannungsverstärkung von den differenziellen Transistorparametern unabhängig. Die Basisschaltung erzeugt dabei ein fast verzerrungsfreies Ausgangssignal. Die Signalersatzschaltung und die Berechnungen zeigen die Zusammenhänge.

Spannungsverstärkung mit Gegenkopplung durch Ri

Die Spannungsverstärkung einer Transistor-Basisschaltung ist hoch und entspricht der einer Emitterschaltung.

Die Eingangsimpedanz des Transistors

Für das ansteuernde Signal liegt die Basis an Masse. Die Eingangsspannung des Transistors uBE ist somit proportional zum Emitterstrom. Da die Steuerspannung des Signals klein und der Emitterstrom groß ist, folgt daraus, dass die Eingangsimpedanz des Transistors sehr niedrig sein muss.

Eingangsimpedanz einer Transistorbasisstufe

Stufeneingangsimpedanz - Stufeneingangswiderstand

Die Signalquelle wird von der Eingangsimpedanz der Basisschaltung belastet, die eine Parallelschaltung aus Emitterwiderstand und dynamischen Eingangswiderstand des Transistors ist. Der meistens wesentlich größere Emitterwiderstand kann in der Parallelschaltung vernachlässigt werden. Wegen der niedrigen Stufeneingangsimpedanz muss zum Betrieb der Basisschaltung eine hohe Steuerleistung erbracht werden.

Eingangsimpedanz

Ausgangsimpedanz - Stufenausgangswiderstand

Betrachtet man die Signalersatzschaltung, so ist der Stufenausgangswiderstand in erster Näherung gleich dem der Emitterschaltung. Für eine sehr niederohmige Signalquelle errechnet sich der Ausgangswiderstand aus der Parallelschaltung des dynamischen Kollektor-Emitterwiderstands und dem Arbeitswiderstand. Der differenzielle Transistorwiderstand rCE ist im Verstärkerbetrieb sehr viel größer als der Kollektorwiderstand Ra und kann vernachlässigt werden. Die Ausgangsimpedanz wird somit vom Arbeitswiderstand bestimmt.

Hat die Signalquelle einen hohen Innenwiderstand, dann ist der Transistor über seinen Kollektor-Emitterwiderstand nicht mit der Signalmasse verbunden, sondern wirkt über den Emitter auf den Transistoreingang zurück. Zusammen mit der parallel dazu liegenden Transistorkapazität CCE ergibt sich ein Hochpass. Zwischen Eingangs- und Ausgangssignal besteht keine Phasendrehung (Inversion), folglich ist besonders bei hohen Frequenzen die Gefahr einer Mitkopplung gegeben. Dem entgegen wirkt die Sperrschichtkapazität der Kollektor-Basisstrecke. Sie stellt mit rd. 10 pF für sehr hohe Frequenzen einen Kurzschluss nach Masse dar. Die letzten Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die Basisschaltung besitzt einen sehr kleinen Stufeneingangswiderstand.
Die aufzubringende Steuerleistung ist sehr hoch.
Der Stufenausgangswiderstand entspricht dem Kollektorwiderstand.
Die Leistungsverstärkung ist hoch und entspricht dem Wert der Spannungsverstärkung.

Messtechnische Untersuchungen einer Basisverstärkerstufe

Eine dimensionierte Basisschaltung ist mit einem Simulationsprogramm untersucht worden, um die Messergebnisse mit den hergeleiteten Formeln zu vergleichen. In einer ersten Versuchsreihe hat die Signalquelle einen vernachlässigbar kleinen Innenwiderstand und steuert die Schaltung mit einer 1 kHz Sinusspannung an. In zweiten Fall beträgt der Innenwiderstand der Quelle 75 Ω und entspricht somit der Anschlussimpedanz an HF- und Videosysteme mit Koaxialleitungen. Die Zeitdiagramme zeigen, dass zwischen Eingangs- und Ausgangsignal keine Inversion besteht. Die Ausgangs- und Eingangsimpedanz wurde nach der halben Spannungsmethode ermittelt.

dimensionierte Basisverstärkerstufe mit Diagrammen

Der Einkoppelkondensator bildet mit der Eingangsimpedanz einen Hochpass, der die untere Grenzfrequenz bestimmt. Für eine niedrige untere Grenzfrequenz muss wegen der niedrigen Eingangsimpedanz der Kondensator eine große Kapazität haben. Je größer der Innenwiderstand der Signalquelle ist, desto kleiner kann bei gleicher Grenzfrequenz der Kapazitätswert des Koppelkondensators sein.

Für den Fall A wurden der Basis- und Kollektorstrom gemessen und die Basisstromverstärkung zu β = 276 ermittelt. Mit der ebenfalls gemessenen Basis-Emitterspannung konnte für diese Ansteuerung der dynamische rBE zu 4,2 kΩ bestimmt werden. Die mit diesen Werten berechnete Spannungsverstärkung beträgt Vu ≈309 und stimmt mit den im Amplituden-Frequenzdiagramm ablesbaren 50 dB, gut überein. Für den Stufeneingangswiderstand werden 15 Ω errechnet, die mit dem Eingangskondensator eine untere Grenzfrequenz von 11 Hz ergeben. Im Diagramm lassen sich 15 Hz ablesen. Für den Fall B errechnet sich die Spannungsverstärkung zu Vu ≈52 entsprechend 34 dB. Mit dem größeren Innenwiderstand der Quelle und gleichem Stufeneingangswiderstand und Koppelkondensator liegt die untere Grenzfrequenz bei errechneten 2 Hz, die zum Wert des Amplituden-Frequenzdiagramms passen.

Anwendungsbereiche

Die Basisschaltung wird bevorzugt für Hochfrequenz-(HF)-Verstärker benutzt. Ihre geringe Eingangs- und die hohe Ausgangsimpedanz erlauben eine einfache Impedanzanpassung an niederohmige HF-Leitungen und Antennen. Die interne Basis-Emitterkapazität des Transistors hat einen sehr kleinen Wert. Die kapazitive Belastung einer hochfrequenten Signalquelle ist daher gering und der Verstärker hat folglich eine große Bandbreite. Die Kapazität der Kollektor-Basisstrecke wirkt nur auf den Ausgang und verhindert mit ihrem hohen Wert, dass zum Beispiel in HF-Mischstufen die Oszillatorfrequenz auf die Eingangsstufe zurückgekoppelt wird. Eine durch den Quelleninnenwiderstand oft bestehende Stromgegenkopplung garantiert ein verzerrungsarmes Ausgangssignal. Die Basisschaltung eignet sich besonders für Oszillatorschaltungen zur Erzeugung hochfrequenter Sinusschwingungen.