Emittergrundschaltungen

Emittergrundschaltungen

Arbeitspunktprobleme

Für den gewünschten Betrieb und das Funktionieren einer Verstärkerschaltung ist die Wahl des Arbeitspunktes und dessen Stabilisierung besonders wichtig. Ein einmal eingestellter Arbeitspunkt soll möglichst konstant bleiben. Insbesondere soll er unabhängig sein gegenüber:

- Temperaturänderungen

- Exemplarstreuungen } der Transistorparameter

- Langzeitänderungen

- Speisespannungsänderungen

Um den Arbeitspunkt konstant zu halten, muß der Kollektorstrom konstant gehalten werden. Dies sieht man sehr gut in den Kennlinienfeldern des Transistors.

Wahl des Arbeitspunktes

Da man bestimmte Anforderungen an eine Verstärkerschaltung stellt, kann der Arbeitspunkt nicht beliebig gewählt werden. Folgende Faktoren sind zu beachten:

- Erforderliche maximale Ausgangssingnalgröße (Spannung, Leistung)

- Lastwiderstand

- Rauschen

- verfügbare Speisespannung

- Eingangs-, Ausgangswiderstand

- Transistorgrenzwerte

Ursachen der Arbeitspunktverschiebung

Die Ursache einer Arbeitspunktverschiebung ist durch die Anderung der drei Kenngrößen U_BE, B_N und I_CB0 gegeben. Ist die Abhängigkeit, sprich die Funktion I_C(U_BE, B_N, I_CB0) bekannt, so läßt sich eine kleine Anderung DI_C dI_C des Kollektorstroms berechnen:

Tabelle .0: Orientierungswerte

Diese Kenngrößen ändern sich mit der Temperatur wie folgt:

Großsignalersatzschaltbild

Schaltungsdimensionierung für maximales Vu

Oft ist eine hohe Spannungsverstärkung erwünscht. Die maximale Spannungsverstärkung wird vom Gleichspannungsabfall am Kollektorwiderstand bestimmt. Um eine hohe Spannungsverstärkung zu erzielen, muß I_C R_C möglichst groß sein.

Anmerkung: Bei dieser Dimensionierungsart wird eine große Spannungsverstärkung bei kleinem I_C erreicht. Ob es wirklich die maximale Spannungsverstärkung ist, würde eine Extremwertaufgabe zeigen.

Dimensionierung der Koppelkondensatoren

Für die Grenzfrequnz von n hintereinandergeschaltenen gilt folgende Näherungsformel:

Der Eingangskondensator errechnet sich mit:

Der Eingangskondensator errechnet sich mit:

Verbotene Schaltung

Spannungsverstärkung: V_U = -g_m ( R_C || r_CE || R_L)

Eingangswiderstand: r_i = r_BE || R₁ || R₂ r_BE

Ausgangswiderstand: r_a = R_C || r_CE

Der Kondensator C läßt keine Gleichgrößen durch, dadurch bleibt die AP-Einstellung konstant. An der Graphik sieht man aber, daß sich bei einer Temperaturänderung auch die Diodenkennlinie verändert. Sie erfährt eine Verschiebung nach links von 2mV pro °C. Da man sich bei eingestelltem AP im steilen Bereich der Kennlinie befindet, ändert sich dadurch bei eingeprägtem U_BE der Basisstrom I_B sehr stark.

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der BE-Diode ist der AP extrem instabil. Wir erkennen, bereits bei einer geringen Temperaturveränderung verschieben sich die AP-Einstellungen derart, daß die Schaltung nicht verwendbar ist. Im Bereich, in dem der Transistor als Stromquelle arbeitet bleibt die Stromverstärkung nahezu konstant. Im Sättigungsbereich nimmt sie aber stark ab und kann daher auch kleiner 1 werden.

Basiswiderstand ohne Gegenkopplung

Überlegungen uzr AP Einstellung:

Um den Einfluß der AP Einstellung zu erkennen formen wir V_U = -g_m R mit g_m = I_C⁰ / U_T um und erhalten:

Bei Belastung mit R_L genügt die Bedingung maximales U_RC für maximale Spannungsverstärkung nicht. Zusätzlich muß noch R_C<<R_L (großes I_C⁰) gelten um die Leerlaufspannungsverstärkung zu erreichen. In der Praxis verwendet man R_C R_L / 4

Basiswiderstand mit Gegenkopplung

Berechnung der Verstärkung:

Bei dieser Methode der Arbeitspunkteinstellung wird ein Teil des Ausgangsstromes in Abhängigkeit der Ausgangsspannung auf die Basis (Eingang) zurückgeführt. Wenn nun der Kollektorstrom durch eine Temperaturerhöhung oder durch eine größere Stromverstärkung (Exemplarstreuung) steigt, so sinkt dadurch die Kollektor-Emitterspannung (U_CE).

Dadurch wird der Basisstrom verringert und der Kollektorstrom wird wieder kleiner.

Diese Schaltung hat allerdings den Nachteil, daß ein Wechselspannungsanteil am Ausgang sich auf I_B auswirkt. Um also dieser Wechselspannung entgegenzuwirken, wird folgender Trick angewandt.

Emittergrundschaltung mit Emitterwiderstand

ohne C_e

Anmerkung: Um die Schaltung für maximales V_U zu dimensionieren geht man wie bereits im Punkt 3.1 beschrieben vor. Es ist nur zusätzlich der Spannungsabfall an R_E zu berückscihtigen.

Durch den unbelasteten Spannungsteiler (I_q >> I_B) liegt an der Basis des Transistors ein konstantes Potential. Steigt nun aus irgendeinem Grund der Kollektorstrom I_C, so steigt der Spannungsabfall U_E I_C R_E an. Da das Potential an der Basis konstant ist, wird die Basis-Emitterspannung U_BE und dadurch auch der Basisstrom I_B kleiner (siehe Diodenkennlinie). Da I_B und I_C über die Stromverstärkung B verknüpft sind, wird auch I_C kleiner. Es kommt zu einem Ausgleich (stromgesteurte Spannungsgegenkopplung).

Praktisches Dimensionierungsbeispiel für eine Anderung von I_C um 1% bei 10° Temperaturerhöhung

Wir erhalten also:

Die Stabilität des AP ist umso besser, je größer man den Gleichspannungsabfall an R_E wählt, da dann die Anderung von U_BE klein gegenüber U_E bleibt und damit den Kollektorstrom nur noch wenig beeinflußt.

mit C_E

Die beste Möglichkeit zur Einstellung eines stabilen AP besteht darin, die sChaltung für tiefe Frequenzen gegenzukoppeln. Dazu dient das RC-Glied R_E, C_E. Bei tiefen Frequenzen ist dann die Spannungsverstärkung -R_C/R_E. Wenn für Wechselspannung keine Gegenkopplung erwünscht ist, muß der Kondensator C_E die Wechselspannung im interessierenden Frequenzbereich kurzschließen. Zu seiner Dimensionierung betrachten wir den durch C_E verursachten Frequenzgang der Verstärkung. Dazu ersetzen wir R_E durch . Oberhalb der Frequenz f₁=1/2pR_EC_E sinkt der Bertag dieser Impedanz ab, d.h. die Verstärkung steigt proportional zur Frequnz an, bis sie den Wert g_m R_C erreicht hat.

Den Kondensator C_E dimensioniert man folgendermaßen:

Da die Schaltung drei Hochpässe enthält müssen die Grenzfrequenzen der einzelnen HP niedriger als f_min gewählt werden.

damit erhalten wir

Emitterfolger (kollektorschaltung)

Der Name Emitterfolger kommt daher, daß das Emitterpotential dem Basispotential nachfolgt. Da der Ausgangswiderstand viel kleiner (über 6000mal) als der Eingangswiderstand ist, wird die Schaltung auch als Impedanzwandler bezeichnet. Sie liefert praktisch die Leerlaufspannung der Signalquelle an einem wesentlich niedrigeren Innenwiderstand. Durch Zwischenschaltung eines Emitterfolgers ist es möglich, eine hochohmige Stufe mit einer niederohmigen ohne Spanungsverlust zu koppeln. Eine Besonderheit des Emitterfolgers besteht darin, daß man ihn nur bei Aussteuerung mit sehr kleinen Wechselspannungen soniederohmig belasten kann, wie man es aufgrund des kleinen Ausgangswiderstandes erwarten würde. Das kommt daher, daß der Lastwiderstand R_L wechselspannungsmäßig parallel zum Gegenkopplungswiderstand R_E liegt. Macht man ihn niederohmig gegenüber R_E, wirdschon bei kleiner Spannungsaussteuerung die Stromaussteuerung so groß wie der Ruhestrom, und es treten Verzerrungen auf. Um sie klein zu halten, muß sein.

Tietze-Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik

Erwin Böhmer Elemente der angeandten Elektronik

Referat Heralic, Schuberth