Einige Grundschaltungen mit Transistoren

Eine Stromquelle (current source) liefert an einem Verbraucher $R_\mathrm L$ einen konstanten Strom: Konstantstromquelle; idealerweise unabhängig vom momentanen Spannungsabfall an $R_\mathrm L$. Stromquellen sind spannungsgesteuert, d.h. eine kleine Steuerspannung bestimmt das Verhalten einer Schaltung mit grossem Ausgangswiderstand. Eingesetzt werden sie z.B. zur Einstellung von Arbeitspunkten, als wesentliche Bestandteile diverser Generatoren oder zur Versorgung von elektrochemischen Zellen und optoelektronischen Bauelementen (LEDs, Laserdioden) etc.

Abbildung 3.126: Prinzip einer einfachen Stromquelle[7].

Das Prinzip einer einfachen Stromquelle beruht auf der Emitterschaltung bzw. (bei diskreten Schaltungen selten) auf der Source-Schaltung, siehe Abbildung 3.126; zur Stabilisierung meist mit Stromgegenkopplung. Dabei wird die Basis (bzw. das Gate) auf möglichst konstantem Potential gehalten. Verwendet man Transistoren (im Normalbetrieb) mit grosser Early-Spannung, dann ist im `Arbeitsbereich' der Ausgangsstrom durch $R_\mathrm L$ praktisch konstant.

Abbildung 3.127: Beispiele einfacher Stromquellen[7].

Einige einfache Stromquellen für diskrete Schaltungen zeigt Abbildung 3.127. Von links geschieht die Festlegung der konstanten Basisspannung durch a) einen Spannungsteiler, b) einen Spannungsteiler mit Diode zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit von $U_\mathrm{BE}$ des Transistors und c) mit Zenerdiode (mit der geringen Temperaturabhängigkeit des Zenerdurchbruchs).

Ein Stromspiegel (current mirror) ist eine stromgesteuerte Stromquelle, d.h. am Ausgang erhält man eine verstärkte oder identische oder abgeschwächte Kopie des Eingangsstroms. Bei konstantem Eingangsstrom funktioniert jeder Stromspiegel als Konstant-Stromquelle.

Abbildung 3.128: Prinzip eines einfachen Stromspiegels[7].

Der einfache Stromspiegel besteht aus zwei Transistoren (genauer aus npn-Diode und npn-Transistor bzw. aus n-Kanal-Diode und n-Kanal-MOSFET) und -- optional -- aus zwei Widerständen zur Stromgegenkopplung. Mit einem zusätzlichen, hinreichend grossen Vorwiderstand $R_\mathrm V$ kann man den Eingangsstrom als konstanten Refererenzstrom festlegen; man erhält so eine Konstant-Stromquelle.

Das sog. Übersetzungsverhältnis $K_\mathrm I=\frac{I_\mathrm a}{I_\mathrm e}$ hängt beim npn-Stromspiegel ohne Gegenkopplung (möglich bei integrierten Schaltungen) vom Verhältnis $\frac{I_\mathrm{S_2}}{I_\mathrm{S_1}}$ ab, also vom Grössenverhältnis der Transistoren. In diskreten Schaltungen ist nur der npn-Stromspiegel mit Gegenkopplung realisierbar; hier gilt $K_\mathrm I\approx\frac{R_1}{R_2}$. Ohne Gegenkopplung ist bei konstantem Übersetzungsverhältnis (z.B. $K_\mathrm I=1$) die Übertragungskennlinie $I_\mathrm a(I_\mathrm e)$ über mehrere Dekaden linear, mit Gegenkopplung etwas kleiner.

Nebenbemerkung: Der Arbeitsbereich von npn-Stromspiegeln ist immer grösser als der vergleichbarer n-Kanal-Stromspiegel.

Das limitierte Verstärkungs-Bandbreite-Produkt der Emitterschaltung begrenzt auch den einfachen Stromspiegel. Man greift deshalb gerne zur Kaskodenschaltung, meistens um eine grössere Verstärkung zu erreichen. Sie ist u.a. in vielen OP- und HF-Verstärkern enthalten.

Abbildung 3.129: Prinzip der Kaskodenschaltung[7].

Bei der Kaskodenschaltung werden eine Emitter- und eine Basisschaltung (bzw. eine Source- und eine Gateschaltung) in Reihe gesetzt, wodurch der Miller-Effekt der Emitter-Schaltung vermieden wird. Von den Lastschwankungen an $R_\mathrm C$ sieht der Transistor $\mathrm T_1$ praktisch nichts, sein $U_\mathrm{CE}$ bleibt unverändert und damit bleibt auch der Strom durch die Kaskode und durch $R_\mathrm V$ konstant.

Ersetzt man in der Prinzipschaltung den Emitterwiderstand $R_\mathrm E$ durch einen einfachen Stromspiegel, erhält man den `Stromspiegel mit Kaskode', einen Stromspiegel mit 3 Transistoren. Sein Hauptvorteil ist der erhöhte Ausgangswiderstand. Eine weitere Vergrösserung des Aussteuerbereichs erfordert komplexere Kaskoden-Stromspiegel mit 4, 5, 6 Transistoren plus Transistoren zur Arbeitspunkteinstellung.

Eine äusserst wichtige Grundschaltung in der integrierten Schaltungstechnik ist der Differenzverstärker (differential amplifier, long tailed pair); er bildet die Basis für den Operations-Verstärker.

Abbildung 3.130: Grundschaltung des Differenzverstärkers[7].

Seine Grundschaltung ist symmetrisch aufgebaut mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen. Zwei Emitterschaltungen (bzw. Source-Schaltungen) sind so angeordnet, dass die Emitter (bzw. Sources) gemeinsam mit einer Stromquelle verbunden sind, siehe Abbildung 3.130. Die Versorgungsspannung ist meist symmetrisch positiv und negativ: $\pm U_\mathrm B$.

Bei symmetrischem Aufbau fliesst durch jeden Transistor genau der halbe Strom. Erhöht die Spannung an einem Eingang den Strom durch den Transistor, so muss -- wegen der Konstantstromquelle -- der Strom am anderen Transistor entsprechend sinken. Die Spannungsänderungen an den `Lastwiderständen' $R_\mathrm{C_1}$ und $R_\mathrm{C_2}$ sind also gegensinnig.

Legt man gleichsinnige Signale an die beiden Eingänge gleichzeitig an, so ändern sich zwar die Transistorwiderstände, aber die Konstantstromquelle hält die Ströme konstant und damit bleiben die Spannungsabfälle an $R_\mathrm{C_1}$, $R_\mathrm{C_2}$, also an den Ausgängen konstant. Die sog. Gleichtaktverstärkung (common mode gain) ist im Idealfall gleich Null; solange der Gleichspannungsanteil hinreichend klein ist, kann jede Signalquelle direkt an den Differenzverstärker angeschlossen werden.

Legt man dagegen eine schiefsymmetrische Differenzspannung $\pm U_\mathrm D/2$ an die Eingänge, so tritt diese verstärkt an den Ausgängen auf (Differenzverstärkung, differential gain). Solange man im Aussteuerbereich bleibt, unterdrückt ein Differenzverstärker also die Gleichtaktsignale und verstärkt die Gegentaktsignale. Die MOSFET-Variante tut dies mit sehr hohem Eingangswiderstand.

Die Übertragungskennlinien zeigen eine relativ schlechte Linearität für die npn-Grundschaltung. Hier hilft in der Praxis wieder die Stromgegenkopplung, z.B. zwei gleiche Emitterwiderstände $R_\mathrm E$, auf Kosten der Differenzverstärkung.

Liegt an den Eingängen eine Spannungsdifferenz $U_\mathrm D=0$ an, so ist beim idealen Differenzverstärker $U_\mathrm{a_1}=U_\mathrm{a_2}$. Beim realen Bauelement beobachtet man aber $U_\mathrm{a_1}\ne U_\mathrm{a_2}$, als ob eine endliche Differenzspannung am idealen Verstärker anliegen würde: Offsetspannung. Die Ursache sind unvermeidbare Unsymmetrien (Toleranzen) in der Schaltung. Zur Korrektur sind verschiedene Massnahmen üblich (Korrekturspannung auf einen Eingang, einen Kollektorwiderstand als Potentiometer, gemeinsamer Emitterwiderstand als Poteniometer, etc). Gute Differenzverstärker haben Offsetspannungen kleiner $1\;\mathrm{mV}$ und Temperaturdrifts kleiner $1\;\mu\mathrm V/\mathrm K$.

Der grosse Vorteil monolithischer Differenzverstärkerschaltungen ist ihre Stabilität bei erstaunlicher Einfachheit; die Güte der Stromquelle (z.B. Temperaturkonstanz) ist massgebend.

Nebenbemerkung: Verwendet man statt der Lastwiderstände Stromquellen -- einfache Stromspiegel oder Kaskode-Stromspiegel sind üblich --, kann die Differenzverstärkung bzw. das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt um etwa eine Grössenordnung gesteigert werden.