Transistorgrundschaltungen

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

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 Kathodenbasisschaltung, Kathodenfolger/Anodenbasisschaltung und Gitterbasisschaltung die dazu analogen Röhrenschaltungen 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 obengenannte 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.

Emitterschaltung

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

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 nebenstehenden Bild 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.

Daten

• 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

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

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)

Abb. 4: Verstärker in Kollektorschaltung

Die 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

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.

Daten

• 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
• verzerrungsfreie Übertragung 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. 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.

Daten

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: 100 kΩ–1 MΩ
• 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 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

•  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.
• ZHAW: Transistor-Verstärkerschaltungen pdf 871 kB