Informations- und Kommunikationstechnik

Die Bootstrap-Schaltung

Bei vielen Transistorschaltungen in der Emittergrundschaltung erfolgt die stabile Einstellung des statischen Arbeitspunkts mithilfe eines Basisspannungsteilers und niederohmigen Emitterwiderstands. Beide beeinflussen die Eingangsimpedanz der Schaltung. Vom Eingang her gesehen, ist der Wert des Emitterwiderstands mit dem Stromverstärkungsfaktor zu multiplizieren. Im Wechselstromersatzschaltbild liegen die Widerstände des Basisspannungsteilers dazu parallel und verringern die Eingangsimpedanz. Eine gute Stabilisierung wird mit einem hohen Querstromfaktor erzielt, der durch einen relativ niederohmigen unteren Teilerwiderstand erreicht wird. Dieser Wert bestimmt dann letztlich den Wert der Eingangsimpedanz, der für Emitterschaltungen oft unter 10 Kiloohm liegt.

Wird mit diesem Schaltungskonzept das Signal einer hochohmigen Quelle wie zum Beispiel eines Kondensatormikrofons oder eines Parallelschwingkreises verstärkt, so wird die Quelle durch eine niedrige Eingangs- oder Anschlussimpedanz stark belastet. Die nutzbare Signalamplitude wird sehr klein, die Leerlaufspannung der Quelle bricht zusammen. Bei Schwingkreisen verschlechtert sich zudem die Kreisgüte und die Bandbreite nimmt zu. Die Bootstrap-Schaltung ist eine spezielle Eingangsschaltung des Verstärkers, mit der diese Nachteile weitgehend aufgehoben werden. (Bootstrap, engl. Stiefelschlaufe, dient als Anziehhilfe und wird hier sinngemäß als Ansteuerhilfe übersetzt).

Der Basisgleichstrom gelangt nicht mehr direkt vom Spannungsteiler R1, R2, sondern über einen weiteren Widerstand R3 an die Basis. Durch diesen Widerstand fließt zusätzlich der Signalstrom i3 über R2 nach Masse. Die Signalquelle wird durch rund 35 kΩ belastet. Ein Koppelkondensator C, der Bootstrap-Kondensator, wird nun zwischen Emitter und dem Fußpunkt von R3 eingefügt. Er koppelt die Signalspannung uE vom Emitterwiderstand auf den Fußpunkt. An R3 liegt ein Teil der Signaleingangsspannung ue und phasengleich die vom Emitter kommende Spannung uE. Die über dem Widerstand verbleibende Wechselspannungsdifferenz u3 ist bei richtiger Dimensionierung sehr klein. Der nach Masse fließende Signalstrom i3 ist daher ebenfalls sehr klein ist. Der Bootstrap-Kondensator hat folglich den Eingangswiderstand für das Signal vergrößert.

Bootstrap-Schaltung mit Diagrammen

Die Schaltung hat eine Spannungsverstärkung von 20 dB. Die Oszillogramme zeigen die Verhältnisse der Signalspannung am Zusatzwiderstand R3 oben ohne den Bootstrap-Kondensator und darunter mit ihm. Der Wechselstrom i3 verringert sich dabei von 10,6 μA ohne auf 1,3 μA mit Bootstrap-Kondensator. Die Eingangsimpedanz wurde in der Simulation nach der Methode der halben Ausgangsspannung ermittelt. Die Bootstrap-Schaltung liefert den deutlich höheren Wert. Da der Bootstrap-Kondensator die untere Grenzfrequenz beeinflusst, sollte er eine hohe Kapazität haben. In dieser Schaltung wurde mit 1 μF die untere Grenzfrequenz zu rund 1 Hz gemessen.

Der für die Bootstrapschaltung notwendige Emitterwiderstand verringert die maximal erreichbare Spannungsverstärkung. Sie vergrößert und verbessert aber die Eingangsimpedanz der Schaltung deutlich. Damit sie wirksam bleibt, darf der Emitterwiderstand zur Erhöhung der Spannungsverstärkung nicht durch einen parallel geschalteten Emitterkondensator aufgehoben werden. Die Bootstrapschaltung wird oft auch in der Kollektorschaltung eingesetzt, wo auf den Emitterwiderstand nicht verzichtet werden kann.