Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung bei

Kleinsignaltransistorverstärkern

Durch die Temperaturabhängigkeit und die Exemplarstreung der   Transistorkennwerte kann es zu einer mehr oder weniger starken Arbeitspunktverschiebung (I_C, U_CE) kommen, welche Verzerrungen oder bei Transistoren, die größere Eigenwärme erzeugen, unter Umständen sogar thermische Zerstörung zur Folge haben.

Temperatrurabhängige Transistorkennwerte:

U_BE Mit steigendere Temperatur wird die für einen bestimmten Strom benötigte Spannung
U_BE an der leitenden Emitterdiode kleiner. Die erforderliche Spannung U_BE nimmt um
etwa 2mV/K wie die Flußspannung bei einer normalen Diode ab. (Da die Ladungsträger-
beweglichkeit mit steigender Temperatur zunimmt wird die Flußspannung kleiner.)
(siehe Bild 1)

I_CB0 Bei Germaniumtransistoren im µA-Bereich.

Bei Siliziumtransistoren im nA-Bereich.

Muß bei Siliziumtransitoren nur bei höheren Sperrschichttemperaturen bertücksichtigt

werden.

I_CB0 verdoppelt sich bei einer Temperaturerhöhung um 10K.

Der Sperrstrom entsteht überwiegend durch thermisch gebildete Ladungsträgerpaare.

(siehe Bild 2)

B:      Die Stromverstärkung B wächst etwa mit 1%/K mit steigender Temperatur.

(siehe Bild 3)

Es kann aber auch durch Exemplarstreungen zu mehr oder weniger starken Abweichungen vom gewünschten Arbeitspunkt kommen.

Streung von:

-U_BE siehe Bild 1                                                                              

-B siehe Bild 3

Um den Arbeitspunkt trotz Temperaturschwankungen und Exemplarstreungen möglichst stabil

auf seinem Sollwert beizubehalten gibt es folgende Möglichkeiten:

Temperaturabhängige Widerstände

Heißleiter oder Dioden im Basisteiler.

Die nötige U_BE-Spannung soll je K Temperaturzunahme um 2-3mV sinken.

(Maßnahme gegen Temperaturänderungen)

Gleichstromgegenkopplung

über eine oder mehere Stufen.

Stabilisiert sowohl gegen Exemplarstreuung als auch gegen Temperaturänderungen

Kombination von Gleichstromgegenkopplung und temeraturabhängigen Basisteiler

ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG MIT BASISSPANNUNGSTEILER

Da die Eingangskennlinie exponentiell verläuft ergibt schon eine kleine Anderung der Spannung U_BE eine relativ große Anderung des Basisstromes. Deshalb erfolgt die genaue Einstellung des Arbeitspunktes bei dieser Schaltung zweckmäßigerweise durch ein Potentiometer anstelle von R

Da bei dieser Schaltung keine besonderen Maßnahmen zur Stabilisierung des Arbeitspunktes gegen Temperaturschwankungen ergriffen wurden, ist die Lage des Arbeitspunktes nicht sehr temperaturstabil.

Erhöht sich zum Beispiel die Temperatur des Transistors, so ergibt sich in Folge der größeren Ladungsträgerbeweglichkeit eine steilere Eingangskennlinie und ein geringerer Widerstand.

Es fließt also ein höherer Basisstrom und damit auch ein höherer Kollektorstrom.

Der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand R_C wird größer und der Spannungabfall U_CE am Transistor kleiner.

Um den ursprünglichen Basisstrom und damit auch den ursprünglichen Kollektorstrom und die ursprüngliche Kollektor-Emitterspannung wieder herzustellen, müßte die Basis-Emitterspannung auf einem kleineren Wert zurückgeregelt werden. Dies geschieht jedoch nicht, da der niederohmige Spannungsteiler R und R die Spannung U_BE konstant hält. Die nicht erfolgte Zurückregelung der Spannung U_BE bei erhöhter Temperatur wirkt wie eine tatsächlich erfolgte Erhöhung der Spannung U_BE bei konstanter Temperatur .

Daß der soeben beschriebene Temperatureinfluß auf den Arbeitspunkt erheblich sein kann soll folgendes Beispiel zeigen:

geg.:

ges.:  

DT= C Ube= 20mV

DU_CE=V_D DU_BE 20mV)= 5.4V            U_CE=5.2+5.4=10.6V bei T=10 C

U_CE=U_CErest=0.2V   bei T=30 C

Da bei dieser Schaltung U_CE stark von der Temperatur abhängt ist sie nur als Schaltverstärker brauchbar.

ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG MIT BASISVORWIDERSTAND

Der Unterschied zur vorhergehend Schaltung besteht darin, daß hier der Arbeitspunkt nicht durch einen niederohmigen Spannungsteiler eingestellt wird, der eine konstante Spannung U_BE erzeugt, sondern durch einen hochohmigen Basisvorwiderstand, der eine konstanten Basisstrom fließen läßt.

Der Arbeitspunkt wird daher nicht durch die Temperaturdrift von U_BE beeinflußt.

Eine starke Temperaturabhängigkeit des Arbeitspunktes wird jedoch durch eine andere Ursache hervorgerufen: Da in dieser Schaltung kein Widerstand parallel zur Basis-Emitterstrecke liegt, muß der Kollektor-Basisreststrom I_CBO voll über die Basis-Emitterstrecke nach Masse abfließen und kann nicht, wie in der Schaltung mit Basisspannungsteiler zum größten Teil außerhalb des Transistors über den niederohmigen Widerstand R nach Masse abfließen.

Da der Sperrstrom I_CB0 sehr stark temperaturabhängig ist, wirkt er wie ein exponentiell zunehmender zusätlicher Basisstrom, der eine erhebliche Arbeitspunktdrift verursachen kann.

Für den Kollektorstrom gilt:

Bsp.: Siliziumtransistor BC109B

I_CB0<8pA          25 C             I_CB0<257pA     55 C

I_CB0<47nA        100 C             I_CB0< mA       150 C

                    

ges.:DI_C DU_CE bei T=+30 C

Temperaturabhängigkeit von B vernachlässigt.

Bei einem Ruhestrom von I_C=1mA ist DI_C vernachlässigbar.

Anders werden die Verhältnisse bei höheren Temperaturen:

Bei T=100 C             

Bei T=150 C             

Diese Temperaturabhängige Arbeitspunktverschiebung wirkt sich bei Germaniumtransistoren noch stärker aus da der Reststrom I_CB0 hier viel größer ist als bei Siliziumtransistoren.

Bei dieser Schaltung wirkt sich aber auch die Exemplarstreung von B, U_BE und R aus:

R_1min=3M135   R_Cmin=6k46                  U_BEmin=0.5V

R_1max=3M465   RCmax=7k14                UBEmax=0.8V

U_CEmin=U_B-I_Cmax R_Cmax=0.2V                   UCEmax=UB-I_Cmin R_Cmin=7.8V

Man erkennt das die Arbeitspunktschwankungen infolge von Exemplarstreuung und Widerstandstoleranzen sehr groß sind. Sie werden aber zum größten Teil durch die Streuung von B verursacht.

Bei einer ungünstigen Dimensionierung wie in diesem Beispiel kann de Fall eintreten, daß U_CE gleich der Restspannung UCErest wird. Es ist damit eine einwandfreie Funktionsweise der Schaltung nicht immer gewährt (siehe Bild AP)

ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH TEMPERATURKOMPENSATION

   

a) Heißleiter b) Diode

In der Schaltung a findet ein NTC-Widerstand Verwendung, desen Widerstandswert mit steigender Tempertatur sinkt. R dient der Anpassung des Temperaturganges des Heißleiters.

In der Schaltung b dient eine Diode der Kompensation. Die Halbleiterdiode hat grundsätzlich den gleichen Temperaturgang wie die Basis-Emitter-Diode des Transistors und vermag es deshalb insbesonders den Temperaturgang der Spannung U_BE zu kompensieren. Um den Eingangswiderstand der Schaltung für das Signal durch die Diode nicht zu sehr verkleinern, wird die Reihenschaltung aus Diode und Widerstand R verwendet. Bei jeder Kompensations-schaltung ist dafür zu sorgen, das der Transistor und das temperaturabhängige Kombinationselement möglichst die gleiche Temperatur besitzen.

ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH STROMGEGENKOPPLUNG (Emitterschaltung)

Bei dieser Schaltung bewirkt der Widerstand RE bei Zunahme des Kollektorstroms bei Temperaturerhöhung ein Abnehmen der Spannung U_BE und verhindert dadurch den Stromanstieg. Die Ausgangsgröße Ic wirkt auf den Eingang: Stromgegenkopplung

Ic erzeugt am Widerstand R_E die Spannung U_E=I R_E

Mit dem Spannungsteiler R , R wird die Spannung  U =U_BE+U_E eingestellt, welche konstant bleibt. Erhöht sich nun die Temperatur, so steigt der Strom um DI_C an und bewirkt damit eine Zunahme vonU_E um DU_CE DI_C R_E

Da U =U_BE+U_E konstant ist muß U_BE um den gleichen Betrag abnehmen wie U_E zunimmt:

DU_E DU_BE =2mV/K

Da U_BE abnimmt, wird ein weiterer Stromanstieg verhindert.

Damit ist I_C begrenzt auf:

Ist R_E=1k und DT=10k so ist I_C mA Ist I_C=2mA so ist       

Dieses Beispiel zeigt, daß R_E die Güte der Stabilisierung bestimmt. Je größer R_E ist desto stabiler ist der Arbeitspunkt. Bei einer kleinen Stromerhöhung bewirkt R_E bereits das erforderliche Absinken von U_BE

Man muß aber auch U_C=U_B-I_C R_C betrachten.

Eine kleine Anderung von I_C kann eine große Anderung von U_C herbeiführen, wenn R_C sehr groß ist.

DU_C DI_C R_C

Man betrachtet daher die Driftverstärkung

Die Driftverstärkung gibt an, um wievielmal größer die Anderung der Kollektorspannung ist im Vergleich zur Anderung der Spannung U_BE. Je kleiner die Driftverstärkung ist, desto besser ist die Stabilisierung.

Die Stabilität der Schaltung ist daher umso besser, je größer R_E zu R_C gewählt wird, bzw. umso größer U_E gewählt wird. U_E geht aber für die Aussteuerung verloren, kann daher nicht beliebig groß gewählt werden. (siehe Bild AP)

U_E=1V V_D R_E=0.1R_C

Durch den Widerstand R_E wird aber auch die Wechselspannungsverstärkung kleiner. Man kann dem entgegenwirken, indem man den Widerstand R_E teilweise oder ganz mit einem Kondensator überbrückt.

Der herausragende Vorteil der Schaltung ist zweifellos, daß keinerlei Abgleich sowohl für die Einstellung des Arbeitspunktes als auch für die Stabilisierung erforderlich ist. Die Schaltung regelt jede Anderung selbstätig aus.

Die Streuwerte von der Stromverstärkung B und dem Reststrom I_CB0 spielen, wenn der Basisspannungsteiler niederohmig ist, im allgemeinen nur eine geringe Rolle.

ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH STROMGEGENKOPPLUNG MIT VERBESSERTER TEMPERATURSTABILITAT

Anstelle des Spannungsteilerwiderstandes R wird eine Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode geschalten. Durch diese Maßnahme soll der nachteilige Einfluß des temperaturabhängigen Kollektor-Basis-Reststrom I_CB0 vermindert werden.

Da der Kollektor-Basis-Reststrom I_CBO zu ca. 90% (bei Iq I_B) durch den Spannungsteilerwiderstand R fließt, wird bei steigender Temperatur der Spannungsabfall an R größer. Da die Diode jedoch im Gegensatz zum Widerstande einen negativen Temperatur-koefizienten hat, wird sie bei höherer Temperatur niederohmiger, so daß der höhere Spannungsabfall an R durch das Verhalten der Diode teilweise ausgeglichen wird.

Voraussetzung für die Wirksamkeit dieser Maßnahme ist ein enger Wärmekontakt zwischen Diode und Transistor (Montage auf gemeinsamen Kühlblech).

ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH SPANNUNGSGEGENKOPPLUNG

Eine Verbesserung der Stabilität gegenüber der einfachen Schaltung mit Basisvorwiderstand erreicht man, wenn man diesen nicht an die Versorgungsspannung U_B, sondern an den Kollektor anschließt.

Mit zunehmendem Kollektorstrom sinkt U_CE und damit gleichzeitig U_R1 und I_B

            

Die Arbeitrspunktstabilität ist umso besser, je größer das Produkt ist

Bei dieser Schaltung erfolgt die Arbeitspunktstabilisierung durch die Gegenkopplung selbstätig, und erfordert keinen Abgleich. Zur Arbeitspunkteinstellung muß aber die Stromverstärkung B bekannt sein, welche infolge der Exemplarstreuung und Temperaturänderung streut, und sich dadurch ungünstig auf den Arbeitspunkt auswirkt.

ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH KOMBINATION VON STROM- UND SPANNUNGSGEGENKOPPLUNG

Manchmal findet man auch eine Kombination beider Gegenkopplungsarten. Man erreicht damit eine weitere Verbesserung der Stabilität. Die Gegenkopplung für Wechselspannung läßt sich durch Überbrücken des Emitterwiderstandes mit einem genügend großen Kondensator verhindern. Nicht so einfach ist es, die Wechselstromgegenkopplung, die durch Verbindung von R mit dem Kollektor ensteht zu verhindern. Eventuell, wenn störend, R in zwei Widerstände unterteilen und den Mitelpunkt über einen Kondensator mit Masse verbinden.

Temperatureinfluß: