Signalgegenkopplung zur Minimierung nichtlinearer Verzerrungen

Die Eingangskennlinie eines bipolaren Transistors zeigt den gekrümmten Verlauf einer Diodenkennlinie. Auf der Strom-Spannungskennlinie wird ein statischer Arbeitspunkt A definiert. Ein sich dazu symmetrisch änderndes Eingangssignal führt zu einem mehr oder weniger unsymmetrischen Ausgangssignal.

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 verläuft, ist selbst bei einem kleinen Eingangssignal mit merklichen Signalverzerrungen zu rechnen. Größere Signalamplituden führen immer zu einem verzerrten Ausgangssignal.

An einer gekrümmten Kennlinie entstehen nichtlineare Verzerrungen, wobei im Ausgangssignal Frequenzen auftreten, die im Eingangssignal nicht vorhanden waren. Durch die Messung des Klirrfaktors mittels einer Klirrfaktormessbrücke oder durch die Signalanalyse nach Fourier mit einem Frequenzanalysator lassen sich nichtlineare Verzerrungen nachweisen.

Bei den linearen Verzerrungen sind nur die Amplituden der Signalfrequenzen verändert und die Frequenzzusammensetzung bleibt gleich. Hoch- und Tiefpässe sowie Filter sind Baugruppen, deren Ausgangssignale lineare Verzerrungen aufweisen.

Signaldiagramme bei nichtlinearen Verzerrungen

Die Grafik zeigt bei gleicher Kleinsignalansteuerung für die beiden unterschiedlichen Arbeitspunkte die auftretenden Signalverzerrungen. Im steileren, geradlinigeren Kennlinienabschnitt bei A1 wird aus der symmetrischen Eingangsspannung ΔuBE ein symmetrischer Steuerstrom ΔiB. Das Oszillogramm stellt am Arbeitswiderstand ein unverzerrtes Sinussignal dar. 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 für 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 zusätzliche Frequenzlinien bei 2 kHz und 3 kHz. Der Gesamtklirrfaktor ist auf TDH=6,5% angestiegen und wäre deutlich hörbar.

Diese Messungen wurden an einem Transistorverstärker ohne Gegenkopplungsmaßnahmen durchgeführt. Nachfolgend wird gezeigt, wie man an einer gekrümmten Kennlinie auch bei großem Eingangssignal ein weitgehend unverzerrtes Ausgangssignal erhalten kann. Dazu bedarf es einer aktiven Signalgegenkopplung. Die Schaltungsparameter wurden so gewählt, dass der Arbeitspunkt auf der Eingangskennlinie gleich blieb. Das Eingangssignal mit Gegenkopplungsmaßnahmen wurde so weit vergrößert, dass die Steuerspannung den gleichen positiven Spitzenwert hatte. Die Gegenkopplung kann aus einer Strom- oder Spannungsgegenkopplung bestehen. Die Signalquelle liefert für beide Fälle eine unverzerrte Sinusspannung, die der Basis zugeführt wird.

Stromgegenkopplung

Durch die gekrümmte Eingangskennlinie entsteht bei der Stromgegenkopplung am Emitter ein gleichphasiges Signal mit Verzerrungen. Die Steuerspannung zwischen Basis und Emitter aus der unverzerrten Eingangsspannung an der Basis und der verzerrten Emitterspannung ist Spannungsdifferenz jetzt ebenfalls verzerrt. Dieses Signal führt an derselben gekrümmten Kennlinie zu einem nunmehr verzerrungsfreien Steuerstrom.

Spannungsgegenkopplung

Die Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung führt einen Teil der des 180° phasengedrehten und verzerrten Ausgangssignals vom Kollektor an die Basis zurück. Am Stufeneingangswiderstand schwächt das Rückkoppelsignal die Eingangsspannung durch Signaladdition. Es entsteht eine neue verzerrte Steuerspannung an der Basis-Emitterdiode, die an derselben Eingangskennlinie einen jetzt unverzerrteren Steuerstrom erzeugt.

Signale bei Gegenkopplung

Ohne Gegenkopplung führt ein relativ großes Eingangssignal zu einem stark verzerrten Ausgangssignal. Bei der hohen Spannungsverstärkung kommt es zu einem, hier mit 11%, großem Gesamtklirrfaktor. Mit gleichem Eingangssignal und einer Gegenkopplung bleibt der Klirrfaktor unter 1%. Die Spannungsverstärkung ist noch gleich geblieben.

  • 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.