Transistorgrundschaltungen

Die Grundschaltungen eines Verstärkers sind danach benannt, welche Elektrode dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis gemeinsam ist. Im Falle eines Bipolartransistors ergeben sich so die Emitterschaltung, die Kollektorschaltung und die Basisschaltung.

Analog sind die entsprechenden Schaltungen auch mit Feldeffekttransistoren realisierbar.

Bei Trioden und anderen Elektronenröhren heißt das Analogon zur Basisschaltung Gitterbasisschaltung, das Analogon zur Emitterschaltung heißt Kathodenbasisschaltung, das Analogon zum Emitterfolger (Kollektorschaltung) heißt Kathodenfolger oder Anodenbasisschaltung.

Die Transistor-Grundschaltungen unterscheiden sich in den elektrischen Eigenschaften und daher im Verwendungszweck.

Übersicht

Die Schaltungen werden üblicherweise wie im nachfolgenden Bild in der oberen Reihe dargestellt, um die jeweils gemeinsame Elektrode zu verdeutlichen. Die Funktionsweise wird allerdings deutlicher, wenn man die Schaltungen gemäß der unteren Reihe umzeichnet.

Datei:Transistorgrundschaltungen.PNG

Emitterschaltung

Sie entspricht der normalen Funktionsweise eines Bipolartransistors. $C_{1}$ und $C_{2}$ blockieren den Gleichspannungsanteil. Mit den Widerständen $R_{1}$ und $R_{2}$ wird der Arbeitspunkt festgelegt. Der Basis-Emitter-Strom steuert den um den Stromverstärkungsfaktor $\beta$ größeren Kollektor-Emitter-Strom. Der Eingangswiderstand ist klein und entspricht $R_{1}\|R_{2}\|r_{BE}+B\cdot R_{E}$ .(Wenn $C_{3}$ vorhanden ist, dann ist $R_{e}=r_{BE}$ ). Der Ausgangswiderstand ist die Parallelschaltung aus dem Arbeitswiderstand $R_{3}$ und dem Kollektor-Emitter-Widerstand $r_{CE}$ (dieser ist in der Regel $\gg R_{3}$ ). Die Spannungsverstärkung ist bei fehlendem $C_{3}$ das Verhältnis von $R_{3}$ und $R_{4}$ , ansonsten ist sie vom Transistortyp und der Temperatur abhängig. Der Emitterstrom ist gleich dem Kollektorstrom und dem Basisstrom.

Daten

Invertierung des Eingangssignals (entspricht Phasendrehung um 180°)
Stromverstärkung hoch
Spannungsverstärkung hoch
Leistungsverstärkung ca. 100–1.000, etwa Spannungsverstärkung x Stromverstärkung
Eingangswiderstand $500\,\mathrm {\Omega } -2\,\mathrm {k\Omega }$
Ausgangswiderstand $50\,\mathrm {k\Omega } -100\,\mathrm {k\Omega }$ bzw. etwa gleich dem Arbeitswiderstand $R_{3}$
verzerrungsarme Verstärkung nur für sehr kleine Eingangsspannungen: wenn $C_{3}$ vorhanden $<0,1\,\mathrm {V}$ , ansonsten abhängig vom Verhältnis ${\frac {R_{3}}{R_{4}}}$

Einsatzgebiete

Die Emitterschaltung wird in vielen Bereichen der Elektronik, zum Beispiel in Kleinsignal-Verstärkern und elektronischen Schaltern eingesetzt.

Eine Emitterschaltung mit nachfolgender Basisschaltung ergibt einen Kaskodeverstärker für HF-Anwendungen, bei dem Eingangs- und Ausgangswiderstand niedrig sind.

Stabilisierung des Arbeitspunktes

Datei:Gleichspannungsgegenkopplung.PNG

Abb. 2: Gleichspannungsgegenkopplung

Stabilisierung durch Emitterwiderstand beziehungsweise Gleichstromgegenkopplung (siehe Abb. 1)

Der Transistor erwärmt sich im Betrieb, dadurch wird er leitender und es fließt ein größerer Kollektorstrom. Der größere Kollektorstrom bewirkt einen größeren Spannungsabfall am Emitterwiderstand

R_{4}

. Die Basis-Emitterspannung nimmt ab und der Transistor sperrt mehr.

Gleichspannungsgegenkopplung (siehe Abb. 2)

Bei Zunahme des Kollektorstromes durch Eigenerwärmung des Transistors fällt mehr Spannung am Widerstand

R_{c}

ab. Dadurch wird die Basis-Emitterspannung und Kollektor-Emitterspannung kleiner. Der Transistor sperrt mehr und der Kollektorstrom wird kleiner.

Kollektorschaltung (Emitterfolger)

Man kann davon ausgehen, dass die Spannungsquelle (gegebenenfalls durch Parallelschaltung eines Kondensators) für das Signal keinen Widerstand besitzt. Daher ist der Kollektor auf einem konstanten Spannungsniveau. In der Schaltung fließt ein Basis-Emitter-Strom und steuert einen Kollektor-Emitter-Strom. Dieser wird vom Arbeitswiderstand bestimmt; an ihm liegt eine Spannung

U_{a}=U_{e}-U_{be}

mit der Eingangsspannung $U_{e}$ und der Basis-Emitter-Spannung $U_{be}$ von circa $0,7\,\mathrm {V}$

Die Ausgangsspannung am Emitter folgt daher annähernd der Eingangsspannung, weshalb man auch von einer Emitterfolgerschaltung spricht. Da der Strom durch den Arbeitswiderstand am Eingang um den Faktor der Stromverstärkung verringert erscheint, ist die Eingangsimpedanz einer Emitterfolgerschaltung sehr hoch. die Spannungsverstärkung ist etwa 1. Dies macht die Schaltung zu einem Impedanzwandler.

Daten

Nicht-invertierend
Spannungsverstärkung nahezu 1
Stromverstärkung hoch
Leistungsverstärkung nahezu gleich der Stromverstärkung
Eingangswiderstand groß: 3 kΩ - 1 MΩ (Lastwiderstand x Stromverstärkung)
Ausgangswiderstand klein: 30 Ω - 200 Ω
verzerrungsfreie Verstärkung für Eingangsspannungen bis zur Versorgungsspannung

Einsatzgebiete

Impedanzwandler, z.B. für Kristall-Tonabnehmer und Piezo-Schallaufnehmer, in Kondensator- und Elektret-Mikrofonen, als Vorstufe der Darlington-Schaltung (hier ist die Last die Basis der Ausgangsstufe) und vieler Audioverstärker-Endstufen.

Basisschaltung

Sie entspricht der Emitterschaltung, jedoch liegt die Basis auf Masse oder einer konstanten Spannung und der Emitter-Strom muss auch durch die Signalquelle fließen. Dies macht die Stromverstärkung zu 1. Der Eingangswiderstand ist sehr klein, da der gesamte Laststrom sowie der Basisstrom von der Quelle aufgebracht werden muss. Der Ausgangswiderstand und die Spannungsverstärkung entsprechen der Emitterschaltung.

Daten

Nicht-invertierend
Stromverstärkung geringfügig unter 1
Spannungsverstärkung hoch
Leistungsverstärkung ca. 1.000
- => Spannungsverstärkung
Spannungsverstärkung 5 % bis 10 % größer als bei der Emitterschaltung
Eingangswiderstand klein: 25 $\Omega$ - 500 $\Omega$
Ausgangswiderstand groß: 100 k $\Omega$ - 1 M $\Omega$
höhere Grenzfrequenz durch geringere Rückwirkung
verzerrungsfreie Verstärkung für Eingangsspannungen bis zu einem Zehntel der Versorgungsspannung

Einsatzgebiete

HF-Stufen
HF-Oszillatoren ab ca. 50 MHz

Kombinationen

Durch Kombinationen aus den Grundschaltungen ergeben sich folgende Schaltungen:

Parallelschaltung: mehrere Transistoren sind parallelgeschaltet, bei Bipolartransistoren benötigt jedoch jeder einen eigenen Emitterwiderstand, um die Stromaufteilung zu sichern (nicht erforderlich bei MOSFET und IGBT)
Kaskadenschaltung; Reihenschaltung mehrerer Transistoren in Emitterschaltung, die Sperrspannungen addieren sich, jeder Transistor benötigt eine eigene, potentialgetrennte Basisansteuerung
Kaskode: Emitterschaltung (unten) und Basisschaltung (darüber) in Serie
Transistor-Transistor-Logik (TTL)-Inverter: Basisschaltung mit darauffolgender Emitterschaltung.
Darlington-Schaltung. Zwei Transistoren in Kollektorschaltung hintereinander; die Basis des zweiten ist die Last des ersten, sie teilen sich die Spannung zwischen Basis 1 und Emitter 2. Die Darlington-Schaltung kann ihrerseits wie ein Transistor hohe Stromverstärkung eingesetzt werden, es werden auch integrierte Darlington Transistoren gefertigt
„Thyristor“-Schaltung oder Astabiler Multivibrator: Zwei Emitterschaltungen mit Rückkopplung.

In TTL- werden zwei Transistoren in einer Halbbrückenanordnung betrieben, der untere in Emitter-, der obere in Kollektorschaltung.

Beim Stromspiegel arbeitet der 2. Transistor in Emitterschaltung, der erste stellt genau die Spannung an der Basis des zweiten bereit, dass dessen Kollektorstrom dem Eingangsstrom gleicht; Einsatz als steuerbare Stromquelle.

Beim Differenz-Eingang, z.B. eines Operationsverstärkers, wirkt jeder der beiden Eingänge als Emitterschaltung (invertierend) auf die ihm zugeordnete nächste Stufe, jedoch als Folge aus Kollektorschaltung und Basisschaltung auf den anderen Ausgang.

Quellen

Hans-Joachim Fischer und Wolfgang E. Schlegel: Transistor- und Schaltkreistechnik; Militärverlag DDR (1988);
Rainer Funke und Siegfried Liebscher: Grundschaltungen der Elektronik; Verlag Technik Berlin (1975); ISBN 344198031X
Johann Siegl: Schaltungstechnik - Analog und gemischt analog/digital; Springer (2005); ISBN 3540242112