Transistor-Grundschaltungen

Abbildung 18: Schaltschema der Emitterschaltung

Die Grundgleichungen sind:

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Abbildung 19: Kleinsignalschaltschema der Emitterschaltung.

Für die Steilheit gilt

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wobei I_S der Sperrstrom ist. Also ist S=1mA/26mV=38,5mA/V.

Somit wird mit

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die Verstärkung

Die in Abbildung 18 gezeigte Emitterschaltung ist in der Praxis nicht zu gebrauchen, da sie erstens nicht temperaturstabil ist (bei erhöhter Temperatur sinkt die Basis-Emitterspannung, der Basisstrom steigt und die Verlustleistung auch: ein Teufelskreis). Ebenso arbeitet sie nur für sehr kleine Eingangsspannungen linear. Abhilfe schafft die einführung eines Gegenkopplungswiderstandes, wie sie in Abbildung 20 gezeigt wird. Die Stabilisierung des Transistors gegen Temperatureffekte wird mit einer verringerten Verstärkung erkauft. Da diese aber nicht mehr von strom- und temperaturabhängigen Grössen bestimmt ist, ist sie sehr viel besser definiert als in der Schaltung von Abbildung 18.

Abbildung 20: Temperaturstabile Emitterschaltung

Eine ähnliche Stabilisierung wird durch die Spannungsgegenkopplung erreicht (siehe Abbildung 21). Diese Schaltung hat zum Vorteil, dass keine Hilfsspannung für die Basisversorgung benötigt wird.

Abbildung 21: Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung

Da die Basis-Emitterspannung wie bei jeder Diode um –2mV/K sich ändert, muss der Arbeitspunkt stabil eingestellt werden (Abbildung 23).

Abbildung 22: Arbeitspunkteinstellung und Wirkung der Temperaturdrift.

Abbildung 23: Verfahren zur Einstellung des Arbeitspunktes.

Schliesslich zeigt Abbildung 24 ein durchgerechnetes Beispiel.

Abbildung 24: Berechnung der Emitterschaltung

Die Emitterschaltung hat sowohl eine Strom- wie auch eine Spannungsverstärkung. Ihre Eingangsimpedanz ist klein, die Ausgangsimpedanz jedoch hoch. Da sich die Spannung an der Basis ändert, gibt es bei hohen Frequenzen kapazitives Übersprechen zum Emitter oder Kollektor.

Basisschaltung

Bei der Basisschaltung ist diese auf einem konstanten Potential. Das Eingangssignal wird über den Emitter eingekoppelt. Kapazitives Übersprechen ist hier minimiert, auch höchste Frequenzen werden noch verstärkt.. Deshalb wird die Basisschaltung häufig in Hochfrequenzschaltungen verwendet. Die Eingangsimpedanz ist niedrig, passt aber hervorragend an Wellenleiter.

Abbildung 25: Basisschaltung

Wenn der Kollektorwiderstand R_C klein gegen r_CE ist, gilt für den Eingangswiderstand

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Der Ausgangswiderstand wird

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Emitterfolger, Kollektorschaltung

Die Kollektorschaltung hat als gemeinsamen Anschluss den Kollektor. Sie dient zur Impedanztransformation.

Abbildung 26: Emitterfolger

Die Ausgangsspannung U_a beim Emitterfolger ist jeweils um eine Basis-Emitterspannung geringer. Es gilt:

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Für den Ausgangswiderstand erhält man

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Beispiel

Der Eingangswiderstand wird , ist also 6000 mal grösser als der Ausgangswiderstand.

Die Berechnung des kleinen Ausgangswiderstandes des Emitterfolgers gilt nur für kleine Amplituden. Um die Verzerrungen klein zu halten muss gelten:

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dabei ist DV_E die Eingangsassteuerung, DV_EA die Ausgangsspannungsänderung und I_CA der Ausgangsstrom. Es folgt

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Für eine maximale Aussteuerbarkeit muss gelten, dass R_L>R_E ist.

Bipolartransistoren als Konstantstromquellen

Wenn man sich damit begnügt, den differentiellen Widerstand gross zu halten, dann kann man auch mit sehr kleinen Spannungen exzellente Stromquellen bauen. Der hohe Ausgangswiderstand der Emitterschaltung legt nahe, diese Schaltung zum Ausgangspunkt zu wählen.

Abbildung 27: Konstantstromquelle mit Transistor und mit Zener-Diode.

Die Basis wird auf einem konstanten Portential gehalten. Die am Widerstand R_E anliegende Spannung ist die Basisspannung, reduziert um, eine Diodenspannung. Also ist auch die Emitterspannung konstant. Dies setzt den Emitterstrom fest (). Der Kollektorstrom ist dann bei genügend hoher Verstärkung b auch konstant.

Beispiel

Der Innenwiderstand kann noch verbessert und gleichzeitig die Stromquelle von den Versorgungsspannungsschwankungen unabhängiger gemacht werden, wenn R₂ durch eine Zener-Diode ersetzt wird.

Stromspiegel

Stromspiegel stellen eine wichtige Komponente beim Bau von integrierten Schaltungen dar. Bei beiden Stromquellen in Abbildung 27 wird die Stromkonstanz durch die Änderung der Basis-Emitterspannung um –2mV/K beeinträchtigt. Man kann eine Diode in serie zu R2 schalten (siehe Abbildung 28) oder die dort angegebene Transistorschaltung verwenden.

Abbildung 28: Stromspiegel mit Dioden oder Transistoren

Die Schaltung mit zwei Transistoren kommt ohne Widerstände aus, ein grosses Plus bei integrierten Schaltungen. Das Verhältnis von Basis- zu Emitterstrom hängt von der aktiven Fläche eines Transistors ab. Bei der Schaltung in Abbildung 28, rechts, kann man das Stromverhältnis durch R₁ und R_L über das Flächenverhältnis von T₁ und T₂ einstellen. Bei diskreten Bauelementen ist dies nicht möglich. Hier gilt

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Darlingtonschaltung

Abbildung 29: Darlington-Schaltung

Wenn die Verstärkung eines Transistors, zum Beispiel bei einem Emitterfolger, nicht ausreicht, kann die Darlington-Schaltung (Abbildung 29) helfen. Der Emitterstrom des Eingangstransistors fliesst durch die Basis des zweiten. Die kombinierte Schaltung kann wieder als Einzeltransistor aufgefasst werden (im Handel in einem Gehäuse erhältlich). Der optional eingezeichnete Widerstand dient dazu, den Transistor schneller sperren zu können. Damit ist auch klar, wo die Schwächen von Darlington-Transistoren liegen: Sie sind relativ langsam.

Parallelschaltung von Bipolartransistoren

Reicht der zulässige Kollektorstrom eines Bipolartransistors nicht aus, kann man einen zweiten parallel schalten, indem man die Kollektoren und die Basen miteinander verbindet, die Emitter jedoch über kleine Widerstände (mit etwa 0,3 V Spannungsabfall beim Maximalstrom) verbindet (siehe Abbildung 30). Dies ist notwendig, da der Kollektorstrom mit steigender Temperatur zunimmt. Der Transistor mit dem grösseren Strom würde ohne die Emitterwiderstände mehr erwärmt, was gleichzeitig wieder einen grösseren Strom erzeugt: eine positive thermische Rückkopplung, die unweigerlich zur Zerstörung des Transistors führt.

Abbildung 30: Parallelschaltung von Bipolartransistoren. Die Emitterwiderstände R stabilisieren die Basisströme der Transistoren und verhindern so eine Überlastung.

Differenzverstärker

Eine weitere wichtige Schaltung bei der Konstruktion integrierter Schaltungen ist der Differenzverstärker.

Abbildung 31: Differenzverstärker (Long Tailed Pair im englischen)

Eine Konstantstromquelle versorgt die beiden zusammengeschalteten Emitter von zwei Transistoren. Bei symmetrischem Aufbau fliesst durch jeden der beiden Transistoren genau der halbe Strom. Steuert man nun einen der Transistoren mehr aus, d.h. erhöht man den Strom durch ihn, muss automatisch der Strom durch den andern Transistor sinken. Die Spannungsänderungen an den beiden Lastwiderständen R_C sind gegensinnig. Steure ich beide Transistoren gleichzeitig und gleichsinnig an, so ändert sich die Spannung an den beiden Kollektoren nicht. Beide Transistoren leiten zwar besser, die Konstantstromquelle erzwingt jedoch den Gesamtstrom, so dass die Spannung an den Widerständen sich nicht ändert. Ein Differenzverstärker unterdrückt also die Gleichtaktsignale und verstärkt die Gegentaktsignale.

Aussteuerungsbereich