Informations- und Kommunikationstechnik

Transistorverstärker in Kollektorschaltung

In der Kollektorschaltung liegt auf das Signal bezogen der Kollektoranschluss des Transistors an Masse. Diese Grundschaltung wird auch Emitterfolger genannt und entspricht im Schaltungsaufbau einer Emitterschaltung ohne Kollektorwiderstand. Der Arbeitswiderstand ist der Emitterwiderstand, der gleichzeitig für eine Arbeitspunktstabilisierung sorgt. Das Eingangssignal steuert die Basis an. Das folgende Bild zeigt eine typische Kollektorschaltung.

Kollektorschaltung

Ein Basisspannungsteiler ist nicht zwingend notwendig, oft reicht ein Basisvorwiderstand. Der Arbeitspunkt wird so eingestellt, dass am Emitterwiderstand etwa die halbe Betriebsspannung U messbar ist. Wird die Basisspannung erhöht, nimmt auch der Basisstrom und mit ihm der Kollektor- und Emitterstrom zu. Die Stromänderung bewirkt am Emitterwiderstand eine Spannungsänderung und die Emitterspannung folgt der Basisspannung, daher auch die Bezeichnung Emitterfolger.

Mit dem Emitterwiderstand hat die Schaltung eine Stromgegenkopplung. Sie bewirkt, dass die Emitterspannung immer etwas kleiner als die Basissteuerspannung ist und die Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung immer etwas kleiner als 1 bleibt. Im Gegensatz zur Emitterschaltung hat die Kollektorschaltung keine Phasendrehung oder Inversion des Ausgangssignals. Eingangs- und Ausgangssignal sind phasengleich. Die Spannungsverstärkung kann nicht wie bei der Emitterschaltung durch einen parallel geschalteten Kondensator unterdrückt werden. Für die Kleinsignalverstärkung wird mit 1 V Gleichspannung am Emitterwiderstand eine gute Stabilisierung des Arbeitspunkts erreicht. Ist am Ausgang eine große Signalamplitude gefordert, muss natürlich auch die Gleichspannung am Emitter entsprechend hoch sein.

Signalersatzschaltung einer Kollektorstufe

Mithilfe der Wechselstromersatzschaltung lassen sich alle signalabhängigen Größen herleiten. Auf das Signal bezogen entspricht der positive Pol der Betriebsspannung der Signalmasse. Von der Eingangsseite gesehen bildet daher der Basisspannungsteiler eine Parallelschaltung. Der Transistor ist als ideale Stromquelle definiert. Auf der Ausgangsseite liegt der dynamische Transistorwiderstand der Kollektor-Emitterstrecke parallel zum Emitterwiderstand. Da rCE » RE ist, kann er vernachlässigt werden.

Der Transistoreingangswiderstand

Das Eingangssignal liegt an der Reihenschaltung aus dem dynamischen Widerstand der Basis-Emitterstrecke rBE und dem Emitterwiderstand. Ist die Schaltung durch eine angeschlossene Folgestufe belastet, muss der zum Emitterwiderstand parallel liegende Lastwiderstand mit berücksichtigt werden. Der daraus folgende Parallelwiderstand wird von der Stromsumme (1+β)·iB durchflossen.

Transistor-Eingangsimpedanz

Der Stufeneingangswiderstand

Er errechnet sich aus dem Eingangswiderstand des Transistors und den für das Steuersignal dazu parallel liegenden Widerständen des Basisspannungsteilers. Der Eingangswiderstand kann sehr hoch sein, wenn anstelle des Spannungsteilers nur ein Basisvorwiderstand verwendet wird.

Kollektor-Stufeneingangsimpedanz

Die Ausgangswiderstände

Die Signalersatzschaltung zeigt den Transistor als Wechselspannungsquelle mit dem Innenwiderstand raTr. Er entsteht aus der Reihenschaltung des dynamischen Basis-Emitterwiderstandes rBE mit einem Generatorinnenwiderstand RGen der Signalquelle. Dieser ist genau genommen die Parallelschaltung des eigentlichen Innenwiderstands der angeschlossenen Signalquelle Ri mit den Widerständen des Basisspannungsteilers. Der Transistorinnenwiderstand raTr kann theoretisch beim Kurzschluss des Emitterwiderstandes ermittelt werden. Der Stufenausgangswiderstand ra ist dann die Parallelschaltung des Emitterwiderstandes RE zum so ermittelten Innenwiderstand.

Ersatzschaltung zur Stufenausgangsimpedanz

Die Kollektorschaltung hat eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz (Ausgangswiderstand). In den meisten Fällen kann bei der Berechnung wegen der Parallelschaltung der Wert des Emitterwiderstands vernachlässigt werden.

Die Spannungsverstärkung

Die Kollektorschaltung hat als Emitterfolger keine Spannungsverstärkung. Die Änderungen der Eingangsspannungen werden fast gleich groß am Emitterwiderstand messbar. Die Herleitung erfolgt mithilfe der Signalersatzschaltung.

Formeln zur Spannungsverstärkung

Die Stromverstärkung

Der Ausgangsstrom fließt durch den Lastwiderstand und ist Teil des Emitterstroms, der die Parallelschaltung aus Lastwiderstand und Emitterwiderstand versorgt. Wird der hochohmige Basisspannungsteiler im Eingangskreis nicht berücksichtigt, dann entspricht der Eingangsstrom dem Basisstrom. Die Stromverstärkung ist das Verhältnis des Ausgangsstroms bezogen auf den Eingangsstrom.

Formeln zur Stromverstärkung

Die Stromverstärkung erreicht ihren größten Wert, wenn kein weiterer Lastwiderstand angeschlossen ist oder der Emitterwiderstand als Lastwiderstand arbeitet. In diesem Fall würde eine Folgestufe auch vom Transistorgleichstrom durchflossen werden. Je kleiner ein angeschlossener Lastwiderstand im Verhältnis zum Emitterwiderstand ist, desto größer ist die Signalstromverstärkung. Die wichtigen Eigenschaften einer Kollektorschaltung im Überblick:

Das Eingangs- und Ausgangssignal ist phasengleich, es besteht keine Inversion.
Die Kollektorschaltung hat einen sehr hohen Eingangswiderstand.
Die Kollektorschaltung hat einen sehr kleinen Ausgangswiderstand.
Die Schaltung eignet sich als Impedanzwandler zwischen einer hochohmigen Signalquelle und einer Folgeschaltung.
Der Innenwiderstand der Signalquelle beeinflusst den Stufenausgangswiderstand.
Die Spannungsverstärkung ist kleiner 1.
Die Stromverstärkung ist hoch.
Die stets vorhandene Stromgegenkopplung minimiert nichtlineare Verzerrungen von der Eingangskennlinie.

Messtechnische Untersuchungen einer Kollektorschaltung

Eine Kollektorschaltung mit dem Kleinleistungstransistor BC 107 wird mittels Simulationsprogramm untersucht. Insbesondere sollen die oben hergeleiteten Gleichungen am praktischen Beispiel überprüft werden. Der Transistor hat eine Verlustleistung von 0,3 W. Die Betriebsspannung wird auf 20 V festgelegt. Zur vollen Ausnutzung der Ausgangsamplitude ist der Arbeitspunkt so gewählt, dass am Emitterwiderstand die halbe Betriebsspannung messbar ist. Mit einem Kollektorstrom von 10 mA bleibt man deutlich unterhalb der Leistungshyperbel und überlastet den Transistor nicht. Der Stromverstärkungsfaktor liegt bei B = 300. Die Schaltung ist mit einem Basisspannungsteiler mit dem Querstromfaktor m = 3 aufgebaut.

Dimensionierte Kollektorschaltung

Die Skizze zeigt den Aufbau mit den berechneten Bauteilwerten. Angegeben sind die Messergebnisse für den statischen Fall zur Festlegung des Arbeitspunkts und bei Signalansteuerung. Das Zeitdiagramm zeigt das Ausgangssignal am Lastwiderstand bei einem Eingangssignal von 1 kHz Sinus mit dem Amplitudenspitzenwert von 5 V.

Die Bauteile wurden nach dem folgenden Schema berechnet, und passende Widerstandswerte einer Normreihe gewählt. Die bei der Simulation gemessenen Strom- und Spannungswerte stimmen mit den Vorgabewerten gut überein. Eine Spannungsverstärkung des Signals findet nicht statt. Die statische Stromverstärkung errechnet sich zu B = 317 und dynamisch für das Signal zu β = 304. Die folgenden Berechnungen werden mit dem Stromverstärkungsfaktor 315 durchgeführt.

Dimensionierungs- und Verstärkungsberechnungen

Die aus der Simulation ermittelten Verstärkungen stimmen mit den Werten aus den theoretisch hergeleiteten Gleichungen gut überein. Die praktische Bestimmung der Eingangsimpedanz erfolgt nach der Methode der halben Ausgangsspannung. Dazu wird das Eingangssignal über einen in Reihe geschalteten einstellbaren Vorwiderstand an den Einkoppelkondensator gelegt. Die Ausgangsspannung ohne Vorwiderstand ist der Bezugswert. Der Vorwiderstand wird solange verändert, bis die Ausgangsspannung nur noch halb so groß ist. Der so bestimmte Wert ergab 33 kΩ und ist identisch mit der errechneten Schaltungseingangsimpedanz.

Berechnung der Eingangsimpedanz

Die Berechnung zeigt, dass in der Parallelschaltung der hohe Widerstand der Basis-Emitterstrecke vernachlässigbar ist. Der Eingangswiderstand des Transistors wird von der Stromverstärkung und der Parallelschaltung aus dem Emitterwiderstand und dem Lastwiderstand bestimmt. Der hohe Stufeneingangswiderstand, die Eingangsimpedanz, wird durch die dazu parallel liegenden Widerstände des Basisspannungsteilers herabgesetzt. Diese Widerstandswerte sollten wird, sollten möglichst hoch sein. Kann man auf den Spannungsteiler verzichten, wird die Eingangsimpedanz mit einem einzigen Basisvorwiderstand noch höher.

Die Ausgangsimpedanz kann nicht nach der halben Spannungsmethode bestimmt werden. Mit zunehmender Belastung geht die Ausgangsspannung in eine einseitige Begrenzung, noch bevor sie sich um 1 V verringert hat. Zur Messung wird die ΔU-, ΔI-Methode angewendet. Hierbei wird die Ausgangsspannung einmal ohne Last und dann mit angeschlossener Last genau gemessen. Aus dem Verhältnis kann dann die Ausgangsimpedanz errechnet werden.

Berechnung der Ausgangsimpedanz

Die Ergebnisse stimmen gut überein und es zeigt sich, dass die Ausgangsimpedanz vom Emitterwiderstand meistens nicht beeinflusst wird. Mit Koppelkondensatoren vereinfacht sich die statische Arbeitspunktberechnung mehrstufiger Schaltungen. Sie wirken sich aber negativ auf die untere Grenzfrequenz des Verstärkers aus. Kleinere Werte ergeben eine höhere untere Grenzfrequenz. Im Bodediagramm ist zu erkennen, dass der Auskoppelkondensator dabei den größeren Einfluss hat. Die Bodediagramme zeigen auch die große Bandbreite der Kollektorschaltung.

AC-Frequenzanalyse-Diagramme

Anwendung der Kollektorschaltung

Wegen ihrer hohen Eingangs- und niedrigen Ausgangsimpedanz eignet sich die Kollektorschaltung als Impedanzwandler. Sie kann einen wenig belastbaren hohen Innenwiderstand einer Signalquelle wie den eines Kondensatormikrofons in eine niedrige gut belastbare Ausgangsimpedanz umwandeln. In Leistungsendstufen ist die Kollektorschaltung einzig für die hohe Stromverstärkung zuständig. Zusammen mit einer hohen Spannungsverstärkung aus der Vor- oder Treiberstufe erhält man eine sehr große Leistungsverstärkung. Die niedrige Ausgangsimpedanz der Kollektorendstufe ermöglicht den direkten Anschluss eines niederohmigen Schallwandlers, einer Lautsprecherbox.