Transistorgrundschaltungen

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Die Grundschaltungen einer Verstärkerstufe sind nach der Elektrode benannt, welche auf einem fest definierten elektrischen Potential liegt. Jene Elektrode ist die, die Eingangs- und Ausgangskreis gemein ist. Im Falle eines Bipolartransistors mit seinen drei Elektroden Emitter, Kollektor und Basis ergeben sich so die Emitterschaltung, die Kollektorschaltung und die Basisschaltung. Aufgrund ihrer Eigenschaften wird die Kollektorschaltung meistens Emitterfolger genannt. Die Transistor-Grundschaltungen unterscheiden sich prinzipiell in ihren elektrischen Eigenschaften und daher im Verwendungszweck.

Übersicht[Bearbeiten]

Die in einem Gerät wie etwa einem Audioverstärker enthaltene Anordnung einer Vielzahl von elektronischen Grundbausteinen lässt sich (zumindest gedanklich) in Dutzende der hier beschriebenen Grundschaltungen unterteilen. Die Gesamtfunktion ergibt sich aus der Kombination und dem Zusammenspiel der einzelnen Grundschaltungen.

Im Folgenden werden die Grundschaltungen mit Bipolartransistoren ausführlicher beschrieben. Statt mit Bipolartransistoren können die beschriebenen analogen Schaltungen auch mit Feldeffekttransistoren (FET) bzw. Elektronenröhren realisiert werden. Die Eigenschaften der entsprechenden Schaltungen sind zwar nicht identisch, ähneln sich jedoch wegen der gleichen zugrundeliegenden Prinzipien in ihrem Verhalten. Die entsprechenden FET-Schaltungen werden Sourceschaltung, Drainschaltung/Sourcefolger und Gateschaltung genannt, während die dazu analogen Röhrenschaltungen Kathodenbasisschaltung, Kathodenfolger/Anodenbasisschaltung und Gitterbasisschaltung heißen.

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.

Abb. 1: Transistorgrundschaltungen (Emitter-, Kollektor-, Basis-Grundschaltung)

Die oben genannte Methode zur Ermittlung der jeweiligen Grundschaltung ist nicht immer streng erfüllt, so dass ein weiteres Kriterium angewendet werden muss: Die Bezeichnung der Grundschaltung erfolgt entsprechend der Elektrode des Transistors, an welcher das gemeinsame Bezugspotential von Ein- und Ausgang liegt.[1]

Entsprechung von Röhren- und FET-Grundschaltungen (inkl. englischsprachige Entsprechungen)
Bauelement Emitterschaltung
engl. common emitter
Kollektorschaltung (Emitterfolger)
engl. common collector (emitter follower)
Basisschaltung
engl. common base
Röhre Kathodenbasisschaltung
engl. common cathode
Anodenbasisschaltung (Kathodenfolger)
engl. common plate (cathode follower)
Gitterbasisschaltung
engl. common grid
FET Sourceschaltung
engl. common source
Drainschaltung (Sourcefolger)
engl. common drain (source follower)
Gateschaltung
engl. common gate

Emitterschaltung [Bearbeiten]

Die Emitterschaltung basiert auf der Grundfunktion des Bipolartransistors: Ein in die Basis fließender Signalwechselstrom ruft einen um den Wechselstromverstärkungsfaktor \beta größeren Wechselstrom in den Kollektor hervor.

Abb. 2: Verstärkerstufe in Emitterschaltung mit Arbeitspunkt­stabilisierung durch Gleichstrom­gegenkopplung
Abb. 2a: Rauscharme Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung (Stromspiegel als Stromquelle)

Die nebenstehende Abbildung 2 zeigt eine Verstärkerstufe für Wechselspannung in Emitterschaltung mit kapazitiv überbrücktem Emitterwiderstand. Mit den Widerständen R_1 und R_2 wird der Arbeitspunkt festgelegt. Zusätzlich erkennt man hier eine Arbeitspunktstabilisierung (siehe Abschnitt weiter unten) durch Gleichstromgegenkopplung mittels Widerstand R_4. Die Kondensatoren legen die untere Grenzfrequenz der Schaltung fest. Sie sind dabei so groß, dass sie für das zu verstärkende Wechselstrom-Nutzsignal als Kurzschluss angesehen werden können. C_3 legt den Emitter wechselstrommäßig an Masse. C_1 und C_2 blockieren die Gleichspannungsanteile an Ein- und Ausgang. Der Basisstrom steuert den um den Wechselstromverstärkungsfaktor \beta größeren Kollektor-Emitter-Strom.

Der Eingangswiderstand ist klein und entspricht der Parallelschaltung aus R_1, R_2 und dem Basis-Emitter-Widerstand r_\mathrm{BE}. Wird C_3 weggelassen, erhöht sich der Eingangswiderstand, weil dann statt r_\mathrm{BE} der Widerstand r_\mathrm{BE} + \beta \cdot R_4 in die Rechnung eingeht. Der Ausgangswiderstand ist die Parallelschaltung aus dem Arbeitswiderstand R_3 und dem Kollektor-Emitter-Widerstand r_\mathrm{CE} (dieser ist in der Regel sehr groß gegenüber R_3). Die Spannungsverstärkung ist bei fehlendem C_3 das Verhältnis von R_3 zu R_4, ansonsten ist sie vom Transistortyp und der Temperatur abhängig. Der Emitterstrom ist gleich dem Kollektorstrom plus dem Basisstrom.

Nachteilig ist die Reduzierung der Grenzfrequenz durch den Millereffekt. Dieser kann durch eine Kaskode aus zwei Transistoren vermieden werden.

Die dazu analoge Grundschaltung mit Feldeffekttransistoren wird als Sourceschaltung bezeichnet; die entsprechende Grundschaltung mit Elektronenröhren heißt Kathodenbasisschaltung.

Dimensionierung der Bauelemente[Bearbeiten]

Die Spannung an R_4 sollte etwa 0,6 V betragen, die Spannung an R_2 also 1,2 V. R_3 soll so groß sein, dass die Spannung am Kollektor recht genau halb so groß ist wie die Betriebsspannung U_\mathrm{cc} , weil dann beide Halbwellen ihren maximalen Wert erreichen können. Die Schaltung im Bild 2 besitzt keine Wechselstrom-Gegenkopplung und verzerrt deshalb das Signal. Das lässt sich durch einen kleinen Widerstand von etwa 100 Ω in Reihe zu C_3 deutlich verbessern. Allerdings sinkt dadurch auch die Verstärkung.

Eigenschaften[Bearbeiten]

  • invertierend
  • Stromverstärkung hoch
  • Spannungsverstärkung hoch
  • Leistungsverstärkung ca. 100–1000, etwa Spannungsverstärkung × Stromverstärkung
  • Eingangswiderstand: 500 Ω–2 kΩ
  • Ausgangswiderstand: 50–100 kΩ bzw. etwa gleich dem Arbeitswiderstand R3
  • verzerrungsarme Verstärkung nur für sehr kleine Eingangsspannungen: wenn C3 vorhanden <0,001 V, ansonsten abhängig vom Verhältnis \frac{R_3}{R_4}

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

Die Emitterschaltung wird in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt, zum Beispiel in Kleinsignal-Verstärkern und elektronischen Schaltern. Sie ist die mit Abstand am häufigsten anzutreffende der drei Grundschaltungen.

Stabilisierung des Arbeitspunktes[Bearbeiten]

Abb. 3: Gleichspannungs­gegenkopplung
Hauptartikel: Arbeitspunkt

Die Art der Stabilisierung des Arbeitspunktes ist von der Transistorgrundschaltung prinzipiell unabhängig. Man unterscheidet folgende Stabilisierungsschaltungen:

  • Stabilisierung durch Emitterwiderstand beziehungsweise Gleichstromgegenkopplung (siehe Abb. 2)
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. 3)
Bei Zunahme des Kollektorstromes durch Eigenerwärmung des Transistors fällt mehr Spannung am Widerstand R_\mathrm{c} ab. Dadurch wird die Basis-Emitterspannung und Kollektor-Emitterspannung kleiner. Der Transistor sperrt mehr und der Kollektorstrom wird kleiner.

Kollektorschaltung (Emitterfolger) [Bearbeiten]

Abb. 4: Verstärker in Kollektorschaltung

Die versorgende Spannungsquelle soll für das Signal keinen Widerstand besitzen (gegebenenfalls einen Kondensator parallel schalten), daher ist der Kollektor auf einem konstanten Spannungsniveau. In der Schaltung fließt ein kleiner Basis-Emitter-Strom und steuert einen größeren Kollektor-Emitter-Strom. Dieser wird vom Arbeitswiderstand R_3 bestimmt; an ihm liegt eine Spannung U_\mathrm{a} = U_\mathrm{e} - U_\mathrm{be} mit der Eingangsspannung U_\mathrm{e} und der Basis-Emitter-Spannung U_\mathrm{be} von circa 0,7 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. Das macht die Schaltung zu einem Impedanzwandler.

Die dazu analoge Grundschaltung mit Feldeffekttransistoren wird als Drainschaltung bzw. Sourcefolger bezeichnet; die entsprechende Grundschaltung mit Elektronenröhren heißt Kathodenfolger oder Anodenbasisschaltung.

Dimensionierung der Bauelemente[Bearbeiten]

Die Spannung an R_3 sollte recht genau halb so groß sein wie die Betriebsspannung U_\mathrm{cc}, weil dann beide Halbwellen ihren maximalen Wert erreichen können. Das erreicht man, wenn R_1 und R_2 gleich groß sind.

Eigenschaften[Bearbeiten]

  • Nicht-invertierend
  • Spannungsverstärkung nahezu 1
  • Stromverstärkung hoch
  • Leistungsverstärkung nahezu gleich der Stromverstärkung
  • Eingangswiderstand groß: 3 kΩ–1 MΩ (Lastwiderstand × Stromverstärkung)
  • Ausgangswiderstand klein: 0,5–30 Ω
  • verzerrungsarme Übertragung für Eingangsspannungen bis zur Versorgungsspannung

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

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 [Bearbeiten]

Sie entspricht der Emitterschaltung, jedoch liegt die Basis auf Masse oder einer konstanten Spannung und der Emitter-Strom muss auch durch die Signalquelle fließen. Das 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 jeweils denen der Emitterschaltung.

Die dazu analoge Grundschaltung mit Feldeffekttransistoren wird als Gateschaltung bezeichnet; die entsprechende Grundschaltung mit Elektronenröhren heißt Gitterbasisschaltung.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Abb. 5: Verstärker in Basisschaltung
  • Nicht-invertierend
  • Stromverstärkung geringfügig unter 1
  • Spannungsverstärkung hoch
  • Leistungsverstärkung ca. 1000
    • ⇒ Spannungsverstärkung
  • Spannungsverstärkung 5 % bis 10 % größer als bei der Emitterschaltung
  • Eingangswiderstand klein: 25–500 Ω
  • Ausgangswiderstand groß: entspricht etwa dem Kollektorwiderstand
  • höhere Grenzfrequenz durch geringere Rückwirkung
  • verzerrungsarme Verstärkung für Eingangsspannungen bis zu einem Zehntel der Versorgungsspannung

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

  • HF-Stufen
  • HF-Oszillatoren ab ca. 50 MHz

Kombinationen[Bearbeiten]

Durch Kombinationen der 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: Eine Emitterschaltung (unten) mit darüberliegender Basisschaltung ergibt einen Kaskodeverstärker, bei dem der Eingangswiderstand niedrig und der Ausgangswiderstand sehr hoch ist. Diese Schaltung hat besonders geringe Rückwirkungen und ist deshalb für HF-Anwendungen geeignet.
  • Transistor-Transistor-Logik-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 wie ein einziger Transistor mit hoher Stromverstärkung angesehen werden, es werden auch integrierte Darlington-Schaltungen, Darlington-Transistoren genannt, gefertigt.
  • Thyristor-Schaltung, Multivibrator: Zwei Emitterschaltungen mit Rückkopplung.
  • Schmitt-Trigger: Zwei Transistoren in Kollektorschaltung, aber mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand.

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

Beim Stromspiegel arbeitet der zweite Transistor in Emitterschaltung, der erste stellt die Spannung an der Basis des zweiten bereit, so 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.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Hans-Joachim Fischer, Wolfgang E. Schlegel: Transistor- und Schaltkreistechnik. Militärverlag der DDR, Berlin 1988, ISBN 3-327-00362-9.
  •  Rainer Funke, Siegfried Liebscher: Grundschaltungen der Elektronik. Verl. Technik, Berlin 1975.
  •  Johann Siegl: Schaltungstechnik – Analog und gemischt analog/digital: Entwicklungsmethodik, Verstärkertechnik, Funktionsprimitive von Schaltkreisen. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2005, ISBN 978-3-540-27515-2, doi:10.1007/3-540-27515-0.

Weblinks[Bearbeiten]

  • Hanspeter Hochreutener: Transistor-Verstärkerschaltungen. Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik, 14. Januar 2011, abgerufen am 8. Januar 2013 (PDF, 871 kB).

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. vgl.  Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiterschaltungstechnik. Springer, 2002, ISBN 9783540428497, S. 98.