Informations- und Kommunikationstechnik

Transistorverstärker in Emitterschaltung

Von den drei Grundschaltungsarten mit bipolaren Transistoren findet man in der Verstärkertechnik oft die Emitterschaltung. Sie verfügt über eine hohe Strom- und Spannungsverstärkung und besitzt günstige Ein- und Ausgangsimpedanzen. Sehr ausführliche Erläuterungen zu den Eigenschaften als Signalverstärker findet man im Kapitel über den Kleinleistungsverstärker in Emitterschaltung. Vergleiche zur Basis- und Kollektorschaltung sind im Kapitel Grundschaltungen der Transistorverstärker aufgeführt.

Diese Seite beschreibt die Arbeitspunktstabilisierung und damit verbundene Eigenschaften des Emitterverstärkers. Die Qualität des Ausgangssignals wird von der Lage des Arbeitspunkts und von der Verstärkung bestimmt. Durch eine zusätzliche Stabilisierung des Arbeitspunkts wird die Schaltung von der Betriebstemperatur unabhängig. Ebenso ermöglicht sie im Reparaturfall, dass beim Ersatz von Transistoren gleichen Typs trotz Exemplarstreuungen und Kennwerttoleranzen der Transistoren die Schaltung auch ohne Neuberechnung weiterhin gleich gut funktioniert.

Der Temperatureinfluss ist von besonderer Bedeutung, da er bei jeder Inbetriebnahme wirksam wird. Transistoren gehören wie alle Halbleiter zu den Heißleitern, die bei Erwärmung den Strom besser leiten. Die Temperaturerhöhung verschiebt die Eingangskennlinie in Richtung kleinerer Schwellspannungen. Bei gleicher Basisspannung und einer Temperaturerhöhung um 10° nimmt der Basisstrom durchschnittlich um den Faktor 2 zu. Die daraus folgende bessere Leitfähigkeit des Halbleiters erhöht über die Stromsteuerkennlinie den Kollektorstrom um den Faktor der Gleichstromverstärkung B. Die Verlustleistung des Transistors nimmt zu und er erwärmt sich weiter.

Der Arbeitspunkt verschiebt sich in Richtung kleinerer Kollektor-Emitter Ausgangsspannungen. Bei der Großsignalverstärkung wird der gesamte Kennlinienbereich genutzt, sodass durch die Arbeitspunktdrift die Verzerrungen des Ausgangssignals zunehmen. Im Bereich der Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter entstehen Signalbegrenzungen. Die Verlustleistung im Kristall nimmt durch den erhöhten Stromfluss zu, wobei anfangs nur kleine partielle Zonen betroffen sind. Insgesamt erwärmt sich der Kristall und verbessert vergrößert seine Leitfähigkeit. Gefährdet ist hierbei die Diodenstrecke zwischen Basis und Emitter, die sich durch die selbst unterstützende Strom-Wärmekopplung zerstört.

Der Arbeitspunkt muss gegen Temperatureinfluss und Exemplarstreuungen stabilisiert werden.

Die Arbeitspunkteinstellung durch den Basisstrom

Der Arbeitspunkt wird durch den Basisgleichstrom festgelegt. Für die Versorgungs- oder Betriebsspannung errechnet man einen den Basisstrom bestimmenden Vorwiderstand R1. Über die Stromsteuerkennlinie stellen sich der Kollektorstrom und die verbleibende Spannung zwischen Kollektor und Emitter ein und bestimmen die Lage des Arbeitspunkts. Bei der Temperaturerhöhung δ nehmen die Leitfähigkeit des Transistors und sein Kollektorstrom zu, wodurch die Spannung am Arbeitswiderstand Ra größer wird. Die Spannung am Kollektor verringert sich entsprechend, sodass sich der Arbeitspunkt etwas verschiebt. Da der Basisstrom vom Basisvorwiderstand bestimmt konstant bleibt, gibt es keine sich selbst unterstützende Strom-Wärmekopplung. Die Arbeitspunktstabilisierung ist noch nicht optimal, der sie Exemplarstreuungen hinsichtlich des Gleichstromverstärkungsfaktors B beim Ersatz des defekten Transistors nicht ausgleichen kann.

Emitterschaltung mit Wirkungskette

Die Arbeitspunkteinstellung mit zusätzlichem Emitterwiderstand

Die Arbeitspunktdrift kann durch einen kleinen Widerstand im Emitterkreis verringert werden. Vom Schaltungstyp her bleibt es eine Emittergrundschaltung, da der Emitter niederohmig zur Betriebsmasse verbunden ist. Die Spannung am Emitterwiderstand sollte nur 1 bis 2 Volt betragen, um den Einfluss auf die maximale Verstärkung gering zu halten.

Nimmt der Kollektorstrom bei Erwärmung zu, so erzeugt er als Emitterstrom am Emitterwiderstand die Spannung URE. Das Emitterpotenzial wird gegenüber dem konstant eingestellten Basispotenzial positiver und die Steuerspannung zwischen Basis und Emitter verringert sich. Die Basis-Emitterdiode leitet weniger und verringert den Basisstrom. Über die Stromsteuerkennlinie wird dadurch der Kollektorstrom geringer. Ein kleinerer Strom ist gleichbedeutend mit einem geringeren Leistungsumsatz und weniger Erwärmung. Es liegt ein automatischer Regelkreis vor, der den Arbeitspunkt wesentlich besser stabilisiert und Exemplarstreuungen beim Transistorwechsel gut ausgleichen kann.

Stromgegenkopplung mit Wirkungskette

Diese Stabilisierung kann weiter verbessert werden, denn beim abnehmenden Basisstrom verringert sich jetzt noch die Spannung am Basisvorwiderstand R1. Das Basispotenzial wird dadurch positiver und lässt den Basisstrom nicht so weit absinken, wie es für eine optimale Arbeitspunktstabilisierung notwendig wäre.

Die Arbeitspunktstabilisierung durch Basisspannungsteiler und Heißleiter

Bei Leistungsverstärkern wird manchmal der Arbeitspunkt durch einen NTC-Widerstand im Basisspannungsteiler stabilisiert. Anstelle des NTC kann ebenso gut eine Diode oder ein als Diode geschalteter Kleinleistungstransistor verwendet werden. Die Heißleiter werden in engen thermischen Kontakt zum Leistungstransistor oder in dessen Nähe auf dem Kühlblech montiert. Mit steigender Temperatur werden sie niederohmig und verringern die Spannung zwischen Basis und Emitter des Leistungstransistors. Sowohl sein Basisstrom als auch sein Kollektorstrom verringern sich und wirken einer Arbeitspunktdrift entgegen. Die niederohmige Eigenschaft des Heißleiters wirkt sich nachteilig direkt auf den Eingangswiderstand des Transistors aus. Diese Art der Stabilisierung findet man daher nur bei Leistungsendstufen.

AP-Stabilisierung

 

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Stromgegenkopplung

Das Schaltungskonzept sieht einen Basisspannungsteiler und einen Emitterwiderstand vor. Zu jedem Arbeitspunkt gehört nach dem Mehrquadrantenfeld eines Transistors nicht nur der Basisstrom über die Stromsteuerkennlinie, sondern auch die dazu gehörige Basis-Emitterspannung entsprechend der Eingangskennlinie. So kann durch die Vorgabe einer UBE jeder gewünschte Arbeitspunkt eingestellt werden.

Der Basisspannungsteiler sorgt für eine konstante Basisspannung. Bei einer dynamischen Ansteuerung verändert sich der Basisstrom und der Spannungsteiler wird unterschiedlich belastet. Damit auch dann die Basisspannung konstant bleibt, muss der Teilerstrom ein Mehrfaches des Basisstroms sein. Am belasteten Spannungsteiler bleibt bei einem Querstromfaktor von 5 ... 10 die Teilerspannung weitgehend stabil. In den Gleichungen wird für den Querstromfaktor m verwendet. Die Basis-Emitterspannung ist damit nur von der Emitterspannung entsprechend dem sich ändernden Kollektorstrom abhängig.

Eine Gegenkopplung liegt vor, wenn ein Teil der Ausgangsgröße so auf den Eingang zurückgeführt wird, dass einer Änderung der Ausgangsgröße entgegen gewirkt wird.

Die Driftverstärkung

Driftverstärkung

Eine optimale Stabilisierung des Arbeitspunkts wird dann erreicht, wenn bei äußeren Einflüssen sowohl die Änderungen des Kollektorstroms als auch der Kollektorspannung klein bleiben. Ein ΔIC führt zu einer Änderung der Emitterspannung ΔUE. Die Basisspannung des Transistors ist durch den Basisspannungsteiler fest eingestellt, sodass ΔUBE gleich −ΔUE ist. Je größer der Emitterwiderstand ist, desto besser wird er den Änderungen des Kollektorstroms entgegenwirken. Bei einem großen Kollektor- oder Arbeitswiderstand entsteht aber schon durch eine kleine Stromänderung eine große Änderung der Kollektorspannung. Beide Änderungen werden in der Driftverstärkung erfasst.

Die Driftverstärkung gibt an, um wie viel Mal größer die Änderung der Kollektorspannung bezogen auf die der Basis-Emitterspannung ist. Mit einer kleinen Driftverstärkung erreicht man eine gute Stabilisierung. Zur Dimensionierung einer Emitterschaltung haben sich Werte zwischen 0,5 bis 10 als günstig erwiesen. Der weiter oben verwendete Wert RE = 0,1·RC entspricht der Driftverstärkung von 10. Zur Bemessung des Emitterwiderstands lassen sich auch Angaben wie UE = 0,2·U finden, das entspricht UD = 5.

Ein Transistorverstärker in Emitterschaltung mit Basisspannungsteiler und Emitterwiderstand ist gegen äußere Einflüsse gut stabilisiert. Sie lässt sich, wie neben der Schaltung dargestellt, recht einfach berechnen.

optimierte Emitterschaltung

Der positive Einfluss einer Stromgegenkopplung auf einen stabilen Arbeitspunkt verringert die ohne Gegenkopplung maximal erzielbare Verstärkung. Ein Teil des verstärkten Eingangssignalstroms führt am Emitterwiderstand zu einer Signalspannung. Die Steuerstrecke beim Transistor ist die Basis-Emitter-Diode, deren Basissignal phasengleich zum Emittersignal der Gegenkopplung ist. Die Differenz beider Signale ergibt die neue wirksame Steuerspannung, die kleiner als die ursprünglich angelegte Signalspannung ist. Mit einem Emitterwiderstand ist die Signalverstärkung immer kleiner als ohne ihn.

Verstärkung und Stromgegenkopplung

Für die Signalverstärkung kann die Gegenkopplung aufgehoben werden, wenn parallel zum Emitterwiderstand ein Kondensator ausreichend großer Kapazität geschaltet wird. Sein niedriger Blindwiderstand ist in der Parallelschaltung nur für das Signal bestimmend. Der Kondensator legt den Emitter für das Signal fast auf Massepotenzial. Die den Arbeitspunkt bestimmenden Gleichspannungsverhältnisse ändern sich dadurch nicht. Der Emitterkondensator besitzt einen praktisch unendlich hohen Gleichstromwiderstand, sodass der parallel liegende Emitterwiderstand für die statische Stromgegenkopplung bestimmend ist.

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Spannungsgegenkopplung

Spannungsgegenkopplung mit Wirkungskette

Nimmt mit zunehmender Temperatur am Transistor seine Leitfähigkeit zu, dann verringert sich seine Kollektorspannung. Wird aus dieser Spannung über einen Vorwiderstand der Basissteuerstrom gewonnen oder mittels Basisspannungsteiler die Basissteuerspannung erzeugt, so verringert sich die Transistoransteuerung und wirkt dem Kollektorstromanstieg entgegen. Mit dem Prinzip der Spannungsgegenkopplung kann ebenfalls der Arbeitspunkt stabilisiert werden.

Auf der Eingangsseite des Transistors ändern sich der Basisstrom und die Spannung gleichzeitig. Die Spannungsgegenkopplung gleicht somit auch Exemplarstreuungen gut aus. Die Driftverstärkung ist ein Maß für die Güte der Stabilisierung. Je kleiner sie ist, desto weniger wird der Arbeitspunkt beeinflusst. Die beste Stabilisierung wird ohne Basisspannungsteiler und nur durch einen Vorwiderstand erreicht.

Die Driftverstärkung errechnet sich aus dem Verhältnis der Spannungsänderungen von UCE zu UBE. Ist ein Basisspannungsteiler vorgesehen, dann liegt die Basis-Emitterspannung an der Parallelschaltung vom Teilerwiderstand R2 und dem dynamischen Widerstand rBE der Basis-Emitterstrecke. Die Spannung UCE liegt somit über dem Basisvorwiderstand und der Parallelschaltung, während die Steuerspannung nur über der Parallelschaltung liegt.

Driftverstärkung bei Spannungsgegenkopplung
Signale bei Spannungsgegenkopplung

Ist der Kondensator in der nebenstehenden Schaltung nicht wirksam, dann verringert die Spannungsgegenkopplung die Signalverstärkung. Ein Teil des Ausgangssignals trifft mit 180° gegenphasig auf das Eingangssignal. Das ansteuernde Summensignal (rot) ist somit kleiner als das direkte Quellensignal (blau).

Ein Kondensator ausreichend großer Kapazität hebt die Signalgegenkopplung ohne Einfluss auf die statische Stabilisierung des Arbeitspunkts auf. Der Basisvorwiderstand R1 wird durch eine Reihenschaltung von zwei im Wert halb so großen Widerständen ersetzt. Der Kondensator ist dazwischen gegen Masse geschaltet, da er sonst entweder das gesamte Eingangs- oder Ausgangssignal nach Masse kurzschließt. Mit dem Kondensator wird die Signalrückkopplung zur Basis verhindert und ue steuert die Basis an.

Die in diesem Kapitel für eine Emitterschaltung beschriebenen Maßnahmen zur Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung gelten ebenso für eine Basisschaltung und zum Teil auch für eine Kollektorschaltung.

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Signalgegenkopplung zur Minimierung von Signalverzerrungen

Die Eingangskennlinie eines bipolaren Transistors hat den gekrümmten Verlauf einer Diodenkennlinie. Auf dieser Strom- Spannungskennlinie wird ein statischer Arbeitspunkt A mit einer symmetrischen Eingangsspannung angesteuert. Die Übertragungskennlinie ergibt einen mehr oder weniger verzerrten Ausgangsstrom als Steuersignal für den Transistor. Liegt der Arbeitspunkt A1 wie im Bild dargestellt im steileren Kennlinienbereich, so sind bei kleinen Eingangsamplituden die Signalverzerrungen vernachlässigbar. In diesem kleinen Abschnitt ist der Kennlinienverlauf annähernd linear. Nachteilig sind bei Nichtansteuerung der insgesamt hohe Ruhestrom und eine damit verbundene Gleichstromverlustleistung.

Ein kleinerer Ruhestrom verschiebt den Arbeitspunkt nach A2 in den stark gekrümmten Bereich der Kennlinie. Da die Krümmung nicht gleichmäßig ist, entstehen selbst bei einem kleinen Eingangssignal in jeder Halbperiode unterschiedlich starke Signalverzerrungen. Das Stromsteuersignal bei größeren Eingangsamplituden ist dort immer verzerrt. An einer gekrümmten Kennlinie entstehen nichtlineare Verzerrungen als neuen Frequenzen, die im Eingangssignal nicht vorhanden sind. Mittels einer Klirrfaktormessbrücke oder durch die Signalanalyse nach Fourier mit einem Frequenzanalysator lassen sich die nichtlinearen Verzerrungen im Ausgangssignal nachweisen, die als Klirrfaktor bezeichnet werden.

Im Gegensatz dazu treten bei Hoch- und Tiefpässen und damit erstellten Filterschaltungen nur linearen Verzerrungen auf. Die Übertragungsfunktionen dieser Baugruppen beeinflussen nur die Amplituden, nicht aber die Frequenzzusammensetzung der Eingangssignale. Die Ausgangssignale weisen nur lineare Verzerrungen auf.

Signaldiagramme bei nichtlinearen Verzerrungen

Die Grafik zeigt bei gleicher Kleinsignalansteuerung die im jeweiligen Arbeitspunkt auftretenden Signalverzerrungen. Bei A1 im steileren, linearen Kennlinienabschnitt wird aus der symmetrischen Eingangsspannung ΔuBE ein symmetrischer Steuerstrom ΔiB. Am Arbeitswiderstand gemessen zeigt das Oszillogramm ein unverzerrtes Sinussignal. Die Fourieranalyse der Ausgangsspannung weist im Frequenzspektrum einen sehr geringen Oberwellenanteil bei 2 kHz und einen entsprechend niedrigen Gesamtklirrfaktor von THD = 1,7% auf. Der Kollektorruhestrom in A1 betrug 25 mA.

Im Arbeitspunkt A2 betrug der Kollektorruhestrom nur noch 6 mA. Hier wirkt sich selbst bei einer Kleinsignalansteuerung die gekrümmte Kennlinie ungünstig aus. Die symmetrische Eingangsspannung führt im Verlauf der negativen Halbwelle zu einem gestauchten Steuerstrom. Im Oszillogramm der Ausgangsspannung ist die Verzerrung erkennbar. Die Fourieranalyse zeigt neue Frequenzlinien bei 2 kHz und 3 kHz. Der Gesamtklirrfaktor ist auf TDH = 6,5% angestiegen und wäre in einem Audiosignal deutlich hörbar.

Diese Messungen wurden an einem Transistorverstärker ohne Gegenkopplungen durchgeführt. Mit einer aktiven Signalgegenkopplung kann auch an einer gekrümmten Kennlinie bei großer Eingangsamplitude ein weitgehend unverzerrtes Ausgangssignal erhalten werden. Zu diesen Untersuchungen wurden die Schaltungsparameter so gewählt, dass der Arbeitspunkt auf der Eingangskennlinie gleich blieb. Mit der Gegenkopplung wurde das Eingangssignal so weit vergrößert, dass die Steuerspannung den gleichen positiven Spitzenwert hatte. Die Signalquelle lieferte eine unverzerrte Sinusspannung. Die Gegenkopplung kann aus einer Strom- oder Spannungsgegenkopplung bestehen.

Stromgegenkopplung

Durch die gekrümmte Eingangskennlinie entsteht mit Stromgegenkopplung am Emitter ein gleichphasiges aber verzerrtes Signal. Die eigentliche Steuerspannung als Spannungsdifferenz aus unverzerrter Signalspannung an der Basis und verzerrter Emitterspannung ist jetzt ebenfalls verzerrt. Dieses Signal führt im gleichen Arbeitspunkt an derselben Krümmung zu einem nunmehr verzerrungsarmen Steuerstrom.

Spannungsgegenkopplung

Die Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung koppelt einen Teil des 180° invertierten und verzerrten Ausgangssignals vom Kollektor an die Basis zurück. An der Eingangsimpedanz addieren sich die Signale und das Rückkoppelsignal schwächt die Eingangsspannung. Es entsteht eine neue verzerrte Steuerspannung an der Basis-Emitterdiode, die an derselben Eingangskennlinie jetzt zum verzerrungsarmen Steuerstrom führt.

Signale bei Gegenkopplung

Ohne Gegenkopplung ergibt eine relativ große Eingangsamplitude ein stark verzerrtes Ausgangssignal. Bei der hohen Spannungsverstärkung werden daher rund 11%, Gesamtklirrfaktor gemessen. Mit dem gleichen Eingangssignal und einer Gegenkopplung bleibt der Klirrfaktor unter 1%, wobei die Spannungsverstärkung noch gleich geblieben ist.

Gegenkopplungsmaßnahmen stabilisieren den statischen Arbeitspunkt.
Eine Gegenkopplung verkleinert nichtlineare Signalverzerrungen und senkt dadurch den Klirrfaktor.
Gegenkopplungen machen Schaltungen im Reparaturfall unabhängig von Exemplarstreuungen der zu ersetzenden Transistoren.