Informations- und Kommunikationstechnik

Kopplungsmethoden für Transistorstufen

Mit einstufigen Transistorverstärkern kann fast nie die gewünschte Ausgangsleistung erreicht werden. Zur möglichst verzerrungsarmen Verstärkung sind Signalgegenkopplungen notwendig, die aber den Verstärkungsfaktor verringern. Eine hohe Verstärkung mit minimalem Klirrfaktor erhält man durch mehrstufige Verstärker. Die einzelnen Stufen können auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sein. Fünf der wichtigsten Kopplungsprinzipien werden kurz beschrieben. Im Anschluss gibt das Kapitel Hinweise zu den allgemeinen Eigenschaften mehrstufiger Transistorverstärker.

Die kapazitive Kopplung

Eine einfache und oft verwendete Methode ist die RC-Kopplung. Der Signalausgang eines Verstärkers wird über einen Kondensator mit dem Signaleingang der Folgestufe verbunden. Der Name RC-Kopplung kennzeichnet das dabei entstehende RC-Glied, das der Kondensator mit der Eingangsimpedanz der Folgestufe bildet. Diese Art der Kopplung ist bei den gezeigten Beispielen der einstufigen Verstärker zum Ein- und Auskoppeln des Signals mehrfach dargestellt worden.

Verstärker mit RC-Kopplung

Die kapazitive Kopplung wird im NF-Bereich und teilweise auch im HF-Bereich angewendet. Zu den Vorteilen zählt, dass der Arbeitspunkt jeder einzelnen Stufe unabhängig voneinander berechnet und eingestellt werden kann und durch die Ankopplung nicht beeinflusst wird. Die Stufen sind auf einer Leitung galvanisch getrennt. Der Aufbau ist einfach.

Von Nachteil ist die Frequenzabhängigkeit, da der Hochpass zur Folgestufe mitbestimmend für die untere Grenzfrequenz ist. Zur Verstärkung tiefer Frequenzen muss der Koppelkondensator einen großen Kapazitätswert haben. Der Gleichspannungsanteil einer Mischspannungen kann nicht verstärkt werden.

Die induktive Kopplung

Die einzelnen Stufen sind durch Übertragertransformatoren gekoppelt, daher wird die Methode auch transformatorische Kopplung genannt. In der Übergangszeit vom Röhren- zum Transistorverstärker fand man oft die induktive Kopplung. Derzeit beschränkt sich das Anwendungsgebiet auf die HF-Technik zur Kopplung aktiver Zwischenfrequenzfilter und in NF-Großanlagen der 100 V ELA-Normverstärkertechnik. Das Schaltungsprinzip zeigt die Übertragerkopplung zur Ansteuerung einer Gegentaktendstufe.

Verstärker mit Übertragerkopplung

Ein Vorteil der induktiven Kopplung ist die galvanische Trennung der Stufen auf einer Leitung. Erhält jede Verstärkerstufe eine eigene Versorgungsspannung, so kann eine totale galvanische Trennung erreicht werden. Die Arbeitspunkte können sich gegenseitig nicht beeinflussen. Es ist eine optimale Impedanz- und Leistungsanpassung zwischen den Stufen möglich.

Ein besonderer Nachteil der induktiven Kopplung ist der Fertigungsaufwand für gute Übertrager, die in Vergleich zu den anderen Bauteilen groß und teuer sind. Infolge der im weiten Bereich nicht linearen Magnetisierungskennlinien des Kernmaterials ergeben sich Verzerrungen bei der Signalübertragung. Die Übertrager haben daher eine geringe nutzbare Bandbreite und besitzen im höheren Frequenzbereich eine Eigenresonanz, die bei NF-Übertragern um 50 kHz liegt. Tiefe Frequenzen lassen sich nur mit sehr kleinem Wirkungsgrad übertragen. Eine Gleichspannungsübertragung und Verstärkung ist nicht möglich.

Die optoelektronische Kopplung

Ein sehr bekanntes Beispiel ist die Infrarotfernsteuerung. Die Lichtleitfasertechnik nutzt ebenfalls das Prinzip der optischen Kopplung. Optokoppler werden dort eingesetzt, wo ein hoher Isolationswiderstand zum Schutz der Steuerstufe und des Bedieners gefordert ist, wie beispielsweise bei Lichtsteueranlagen der Bühnentechnik. Optokoppler sind meist kleine Dual-in-line Schaltkreise (ICs). Zu ihren Vorteilen zählt die totale galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Die Isolationsspannungen reichen bis 25 kV. Zwischen Ein- und Ausgang kann der Isolationswiderstandswert bis 1000 GΩ betragen.

Optokoppler

Das Bild zeigt einen 2-Kanal-Optokoppler mit Transistorausgang im DIL-Gehäuse. Eine Gleichspannungsübertragung ist möglich. Mit einem Fototransistorempfänger kann eine Bandbreite über 200 kHz erreicht werden. Mit Fotodioden lassen sich auch Wechselspannungen über 10 MHz verlustfrei übertragen. Ihr größter Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad.

 

Die piezoelektrische Kopplung

Diese spezielle und seltener angewendete Methode wandelt elektrische Signale in Ultraschallwellen um. Sie durchlaufen einen Stab oder eine Scheibe aus Quarzglas. Am anderen Ende erzeugt ein Ultraschallwandler erneut elektrische Signale. Man kann sie auch als elektromechanische Allpassfilter bezeichnen. In Abhängigkeit von der Frequenz findet nur eine Phasenänderung aber keine Betragsänderung statt. Eine Ultraschall-Verzögerungsleitung lässt das Signal entsprechend der Weglänge, die der Schall zurücklegen muss, um eine genau abgestimmte Zeit später am Ausgang ankommen. Anwendungsbeispiele finden sich in der Tontechnik in älteren Hallgeräten. In der analogen Farbsignalaufbereitung verzögert ein Ultraschallelement als PAL-Laufzeitdecoder, richtiger als PAL-Laufzeitleitung bezeichnet, mit 64 μs das Farbartsignal um eine Zeile.

Laufzeitleitung

Die piezoelektrische Kopplung hat mit der Digitalisierung und verbesserten Speichertechnik an Bedeutung verloren. Zu den Nachteilen zählt, dass nur Wechselgrößen mit sehr kleinen Leistungen übertragen werden können.

Die galvanische Kopplung

Die einzelnen Verstärkerstufen sind im Signalweg ohne Kondensatoren und induktive Übertrager direkt miteinander verbunden. Die Kopplungsmethode wird daher auch als Gleichstrom- oder galvanische Kopplung bezeichnet. Die Verstärker haben eine untere Grenzfrequenz von 0 Hz und werden vielfach als Breitbandverstärker bezeichnet. Die Gleichstromkopplung wird besonders bei Messverstärkern und dem Aufbau integrierter Schaltkreise ICs angewendet. Die Arbeitspunktberechnung jeder einzelnen Verstärkerstufe ist aufwendiger, da die Gleichspannungspotenziale am Aus- und Eingang aufeinander abgestimmt sein müssen.

Galvanische Kopplung

In beiden Prinzipschaltungen sind zwei Emitterstufen galvanisch gekoppelt. Der Arbeitspunkt der Eingangsstufe wird vom Basisvorwiderstand bestimmt, der mit Spannungsgegenkopplung auch für die Arbeitspunktstabilisierung bei thermischer Belastung sorgt. Bei einem maximalen Aussteuerbereich entspricht die Spannung zwischen Kollektor und Emitter etwa der halben Betriebsspannung. Mit diesem Wert wird die Basis des zweiten Transistors angesteuert, daher muss seine Emitterspannung relativ hoch sein. Die Ausgangsstufe arbeitet folglich mit einer großen Stromgegenkopplung, die nur eine kleine Verstärkung zulässt. Die hohe Emitterspannung verringert den maximalen Aussteuerbereich des Ausgangstransistors.

In der rechten Schaltungsvariante wird die Ausgangsstufe über einen Basisspannungsteiler angekoppelt. Der Emitterwiderstand des Ausgangstransistors kann nun kleiner sein, folglich vergrößert sich mit dem Aussteuerbereich auch die Stufenverstärkung. Nachteilig ist, dass durch den Spannungsteiler nur ein Teil des verstärkten Signals der Eingangstufe an die Ausgangsstufe gelangt.

Für jede weitere Stufe in Emitterschaltung wird bei den dargestellten Schaltungsvarianten der Aussteuerbereich immer kleiner. Abhilfe erreicht man durch eine abwechselnde npn-pnp-Kombination. Beide Transistoren arbeiten in Emitterschaltung und müssen eine eigene Arbeitspunktstabilisierung besitzen.

Gleichstromkopplung mit npn- und pnp-Transistoren

Die Schaltung zeigt die Gleichstromkopplung mit npn- und pnp-Transistoren in Emitterschaltung. Der npn-Transistor erhält seinen Arbeitspunkt durch den Basisvorwiderstand, der mit Spannungsgegenkopplung auch für thermische Stabilisierung sorgt. Der Kollektorwiderstand und die Kollektor-Emitterstrecke des ersten Transistors bilden den Basisspannungsteiler des pnp-Transistors. Der Emitterwiderstand hält durch Stromgegenkopplung den Arbeitspunkt der Ausgangsstufe stabil. Hat der Ausgangstransistor einen großen Aussteuerbereich, so verringert sich der von der Vorstufe. Die Kollektorspannung des npn-Transistors muss dann größer als die halbe Betriebsspannung sein.

Wird die Gleichstromkopplung mit einem Wechsel der Transistorgrundschaltungen kombiniert, so erhält man mehrstufige Breitbandverstärker mit sehr guter Impedanzanpassung. Die Spannungsverstärkung wird einzig von der Emitterstufe bestimmt. Der Arbeitspunkt des Folgetransistors wird auch hier von der Vorstufe bestimmt. Die Transistoren benötigen eine eigene thermische Arbeitspunktstabilisierung.

Gleichstromkopplung mit variierten Grundschaltungstypen

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Eigenschaften mehrstufiger Verstärker

Auf den Nutzen einer Strom- oder Spannungsgegenkopplung bei Transistorverstärkern wurde mehrfach hingewiesen. Man erhält eine thermische Stabilisierung des statischen Arbeitspunkts und sie wirkt linearisierend auf den verzerrenden Einfluss der gekrümmten Steuerkennlinie ein. Sie verringert eine Gegenkopplung die unerwünschten, nichtlinearen Verzerrungen, die als Klirrfaktor messbar sind, setzt jedoch die maximal mögliche Verstärkung herab. Dieser Nachteil kann durch eine Serienschaltung mehrerer Verstärkerstufen ausgeglichen werden.

Die Gesamtverstärkung

Jede einzelne Stufe besitzt neben der Verstärkung eine bestimmte Bandbreite, die sich aus der Differenz zwischen der oberen und unteren Grenzfrequenz errechnet. Die Gesamtverstärkung über mehrere Stufen ist das Produkt der Einzelverstärkungen. Die Berechnung vereinfacht sich beim Verwenden der Verstärkungsangaben in Dezibel. Das Gesamtmaß der Verstärkung ist dann die Summe der Einzelverstärkungen in Dezibel. In der folgenden Skizze wird davon ausgegangen, dass alle Einzelstufen identisch sind und eine Eingangsspannung mit dem Faktor 10 entsprechend 20 dB verstärken.

3-stufige Verstärkerkette

Der allgemeine Arbeitsbereich

Da jeder Verstärker eine bestimmte Bandbreite hat, ist seine Verstärkung von der Signalfrequenz abhängig. Im Bodediagramm oder Amplitudenfrequenzgang, meistens nur Frequenzgang genannt, wird diese Abhängigkeit grafisch dargestellt. Um den weiten Frequenzbereich zeichnerisch zu erfassen, ist die horizontale Frequenzachse logarithmisch geteilt. Die Vertikalachse ist entweder im Spannungsverhältnis oder dem entsprechenden Verstärkungsmaß in dB geteilt. Für eine definierte Nennfrequenz hat in dieser normierten Darstellung das maximale Verstärkungsverhältnis den Wert 1 oder 100%, entsprechend 0 dB. Die Nennfrequenz für NF-Verstärker ist auf 1 kHz festgelegt worden. Der allgemeine Arbeitsbereich eines Verstärkers liegt in einem Bereich zwischen ±3 dB bezogen auf das Nennverstärkungsmaß mit 0 dB. Der Übertragungsbereich liegt zwischen der unteren und oberen Grenzfrequenz, wo die Verstärkung auf −3 dB gefallen ist.

Der Frequenzgang und die Bandbreite über alles

Vergleicht man die Spannungsfrequenzgänge ein- und mehrstufiger Verstärker, so erkennt man, dass die Bandbreite mehrstufiger Verstärkers mit der Zahl der Stufen abnimmt. Die folgende Tabelle zeigt die Messwerte für drei in Serie geschaltete identische Verstärker mit der Stufenverstärkung 10.

Stufe bei Nennfrequenz (0 dB) bei Grenzfrequenz (−3 dB)
Uein Uaus Uein Uaus
1 1 mV 10mV 1 mV 7 mV
2 10 mV 100 mV 7 mV ≈ 50 mV
3 100 mV 1000 mV 50 mV ≈ 350 mV

Haben alle Verstärker die gleiche Bandbreite, so verkleinert jede Stufe bei ihrer Grenzfrequenz die Verstärkung um 3 dB. Für die Gesamtverstärkung ergibt sich eine Minderung um 9 dB. Allgemein errechnet sich für einen Verstärker mit n gleichen Stufen die Verstärkung bei der Grenzfrequenz der Einzelstufe zu:

Formeln zur Verstärkung bei Grenzfrequenz

Die Grenzfrequenzen der Verstärkerkette sind festgelegt auf −3 dB unterhalb der Maximalverstärkung bei der Nennfrequenz. Im Vergleich zur Einzelstufe ist die untere Grenzfrequenz in den höheren und die obere Grenzfrequenz in den tieferen Frequenzbereich verschoben. Die Bandbreite des mehrstufigen Verstärkers hat sich im Arbeitsbereich verringert. Die Grenzfrequenzen der gesamten Verstärkerkette f'g bei gegebenen, gleichen Grenzfrequenzwerten fg der Einzelstufen errechnet sich bei der Stufenzahl n zu:

Grenzfrequenzgleichungen

Sind die Grenzfrequenzen für das Gesamtsystem vorgegeben, dann müssen die Einzelstufen eine größere Bandbreite aufweisen. Bei zwei Stufen darf bei der Grenzfrequenz die Stufenverstärkung nur um 1,5 dB geringer sein, bei drei Stufen um 1 dB. Mit der folgenden Beziehung kann die Verstärkungsminderung der Einzelstufe bei Grenzfrequenz für einen n-stufigen Verstärker errechnet werden:

Formeln

Der Amplitudenfrequenzgang eines Verstärkers zeigt bei unterschiedlichen Verstärkungen eine Abhängigkeit zwischen der Bandbreite und der Verstärkung. Das Produkt beider Größen ist konstant. Ist die Bandbreite bei einem Verstärkungsfaktor bekannt, so kann die von der Verstärkung abhängige Bandbreite errechnet werden. Für Operationsverstärker und Transistoren gibt der Hersteller den Wert einer Transitfrequenz an.

Bandbreite-Verstärkungs-Produkt

Die Transitfrequenz

Die Frequenz bei der Verstärkung V = 1 wird allgemein als Transitfrequenz fT bezeichnet. Für die häufig verwendete Emitterschaltung wird eine Beta-Eins-Grenzfrequenz fβ1 definiert. Bei ihr hat die Kurzschlussstrom-Verstärkung den Wert 1. Beide Frequenzen bedeuten das Gleiche. Die Transitfrequenz wird zum Teil auch als Bandbreite-Verstärkungs-Produkt bezeichnet.