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Verbundschaltungen (bipolar)
 
   
 
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Inhalt:
 Allgemeines
 Mehrstufige Verstärker
 Hohe Eingangsimpedanz
 Niedrige Ausgangsimpedanz
 Kaskodeschaltung
 Differenzverstärker / Operationsverstärker
 Weitere Themen:
 Emitterschaltung
 Emitterfolger (Kollektorschaltung)


Allgemeines

Transistorgrundschaltungen mit einem einzigen Transistor besitzen einige Nachteile, die man durch Verwendung mehrerer Transistoren leicht beseitigen kann. Von dieser Möglichkeit macht man gern ausgiebig Gebrauch, da Vorstufentransistoren sehr preiswert sind und deshalb Verbesserungsmaßnahmen nicht aus finanziellen Gründen scheitern müssen.

Nachfolgend erfahren Sie in einer kleinen Auswahl, welche Verbundschaltungen es mit Bipolartransistoren gibt, wie sie aufgebaut sind, wie sie funktionieren und welche Vorteile sie gegenüber Grundschaltungen mit einem einzigen Transistor haben.


Mehrstufige Verstärker

Im Interesse einer möglichst unverzerrten Verstärkung ist es unabdingbar, eine recht starke Gegenkopplung anzuwenden. Diese reduziert jedoch die eigentlich sehr hohe mögliche Spannungsverstärkung einer Emitterschaltung recht drastisch. Um trotz niedriger Verzerrungen eine hohe Spannungsverstärkung zu erzielen, kann man mehrere Verstärkerstufen hintereinanderschalten.

Man kann zwar problemlos mehrere  Emitterschaltungen kondensatorgekoppelt hintereinanderschalten, aber dadurch liegen dann mehrere Hochpässe hintereinander, wodurch sich die untere Grenzfrequenz in Summe erhöht. Dem kann man zwar durch Vergrößerung der Kondensatoren entgegentreten, aber viel schöner wäre es, wenn man die einzelnen Stufen ohne Kondensatoren miteinander verbinden könnte - also galvanisch koppeln, wie man im Fachjargon sagt. Bei einem zweistufigen Verstärker ergibt sich dann beispielsweise folgende Schaltung:

Zweistufiger Verstärker mit galvanischer Kopplung
Bild 1: Zweistufiger Verstärker mit galvan. Kopplung

Die erste Stufe wirkt ganz genau so wie im Beispiel in  Emitterschaltung beschrieben. Die zweite Stufe kommt ohne Eingangskondensator und ohne Basisspannungsteiler aus, weil der Ausgang der ersten Stufe im Arbeitspunkt ja bereits eine Vorspannung am Ausgang liefert. Diese Vorspannung muß lediglich mit dem durch R5 und R6 gebildeten Spannungsteiler auf den richtigen Wert eingestellt werden. Nachteilig ist dabei, daß genau dieser Spannungsteiler auch die durch die erste Stufe verstärkte Signalspannung gleich wieder vermindert. Man kann zwar zur Pegelanpassung zwischen der ersten und der zweiten Stufe statt R5 eine Z-Diode einsetzen, die nur die Gleichspannung reduziert und den Wechselspannungsanteil unverändert passieren läßt, aber Z-Dioden rauschen stark und sind damit nicht zu empfehlen.

Man kann die Problematik jedoch leicht durch die Verwendung komplementärer Transistoren lösen: Der Arbeitspunkt der ersten Stufe liegt üblicherweise etwas über der Hälfte der Betriebsspannung. Dies ist bei der Schaltung nach Bild 1 ungünstig, weil die relativ hohe Spannung auf eine relativ niedrige Spannung heruntergeteilt werden muß, was einen großen Teilungsfaktor und damit leider auch eine hohe Signaldämpfung ergibt. Bei der in Bild 2 dargestellten Schaltung hingegen sind die Verhältnisse umgekehrt: Bei der zweiten Stufe sind die Spannungen nämlich auf die Betriebsspannung bezogen. Wenn man den Arbeitspunkt noch ein klein wenig höher legt und den Widerstand R6 so dimensioniert, daß an ihm eine ausreichend hohe Spannung abfällt, kann man auf einen Spannungsteiler zwischen den beiden Stufen komplett verzichten. Der Arbeitspunkt der ersten Stufe liegt dann zwar nicht so, daß sich ein maximaler Aussteuerbereich ergibt, aber dieser ist ohnehin nicht erforderlich, weil die zweite Stufe ebenfalls eine Spannungsverstärkung besitzt und bei voller Aussteuerung der ersten Stufe vollends übersteuert würde.

Zweistufiger Verstärker mit galvanischer Kopplung
Bild 2: Zweistufiger Verstärker mit galvan. Kopplung npn/pnp

Es ist aber kaum etwas so gut, daß man es nicht noch weiter verbessern könnte. Die Verzerrungen sind im Vergleich zu einer einzigen Stufe mit gleicher Verstärkung gering, aber trotzdem erzeugt jede Stufe ein gewisses Maß an Verzerrungen. Die Verzerrungen der ersten Stufe werden von der zweiten Stufe genauso stark verstärkt wie das Nutzsignal. Man kann die Gesamtverzerrungen dadurch verringern, indem man eine sogenannte Über-Alles-Gegenkopplung verwendet, wie in Bild 3 dargestellt:

Zweistufiger Verstärker mit Über-Alles-Gegenkopplung
Bild 3: Zweistufiger Verstärker mit Über-Alles-Gegenkopplung

Bei dieser Schaltung wird ein Teil der phaseninvertierten Ausgangsspannung über R7 auf den Gegenkopplungswiderstand R4 zurückgeführt. Dieses Gegenkopplungssignal sorgt dafür, daß die Verstärkung beider Stufen zusammen einen definierten Wert besitzt und durch einen stetigen Vergleich des Ausgangs- mit dem Eingangssignal Verzerrungen deutlich reduziert werden. Dies funktioniert am besten, wenn die Verstärkung der ersten Stufe gering und die der zweiten hoch ist. Man strebt daher eine hohe Grundverstärkung (ohne R7) an und reduziert dann die Verstärkung durch den Gegenkopplungswiderstand R7, so daß sich ein hoher Gegenkopplungswert über die beiden Stufen ergibt. Der Quotient zwischen Grundverstärkung und tatsächlicher Verstärkung ist die Reserve, die die Schaltung nutzen kann, um Abweichungen "auszubügeln". Der Kondensator C3 sorgt dafür, daß die Gegenkopplung nur für Wechselspanungen wirkt, damit sich bei Veränderung von R7, über den man leicht die Gesamtverstärkung einstellen kann, der Arbeitspunkt nicht ändert.

Der Widerstand R6 wird zur Erzielung einer hohen Verstärkung oft mit einem Kondensator wechselspannungsmäßig überbrückt. Für Gleichströme (Strom im Arbeitspunkt) wirkt dann eine arbeitspunktstabilisierenden Gegenkopplung, Wechselströme hingegen verursachen durch den Kondensator keinen nennenswerten Spannungsabfall, so daß die zweite Stufe mit maximaler Verstärkung arbeitet. Man kann man statt eines zweistufigen Verstärkers, bei dem im Interesse einer hohen Grundverstärkung die zweite Stufe wechselspannungsmäßig nicht gegengekoppelt ist, einen vierstufigen aufbauen, bei dem die zweite, dritte und vierte Stufe in sich über den jeweiligen Emitterwiderstand gegengekoppelt ist, und das Ausgangssignal von der vierten statt wie oben von der zweiten Stufe über R7 an die erste Stufe zurückführen, was die Gesamtverzerrungen nochmals reduziert. Das Spiel kann man allerdings nicht mit beliebig vielen Stufen fortsetzen, da sich die Signalverzögerungen der einzelnen Stufen addieren. Ab einer bestimmten Signalfrequenz wäre das rückgekoppelte Ausgangssignal durch die Verzögerung nicht mehr phaseninvertiert sondern phasengleich. Ohne besondere Maßnahmen würde dann der Verstärker schwingen.


Hohe Eingangsimpedanz

Der Eingangsimpedanz von Emitterschaltungen (incl. Basisspannungsteiler) sind Grenzen gesetzt, weil sowohl der Emitterwiderstand (wegen der Verstärkung) als auch der Basisspannungsteiler (wegen des erforderlichen Mindest-Querstroms) nicht beliebig hochohmig gewählt werden können. Dem kann man abhelfen, indem man vor die Emitterschaltung eine Kollektorschaltung (=Emitterfolger) setzt. Der gebräuchliche Begriff Emitterfolger ist hierbei etwas unpassend, weil er nicht der Emitterschaltung folgt, sondern ihr vorangeschaltet ist. Deshalb wird in diesem Zusammenhang die passendere Bezeichnung Kollektorschaltung benutzt. Auch hier kann man den Koppelkondensator weglassen, wenn man den Arbeitspunkt der Kollektorschaltung so wählt, daß er auch für die Emitterschaltung paßt; siehe Bild 4. Und auch hier ist es so, daß bei der ersten Stufe ein maximaler Aussteuerbereich nicht erforderlich ist, weil deren Ausgangsspannung ohnehin nicht so hoch sein darf, daß die zweite Stufe übersteuert wird.

Zweistufiger Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz
Bild 4: Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz

Die beiden Widerstände R1 und R2, die den Arbeitspunkt der ersten und gleichzeitig auch zweiten Stufe festlegen, besitzen im Gegensatz zum Emitterfolger als eigenständige Schaltung keine identischen Werte. Sie werden so dimensioniert, daß sich der richtige Arbeitspunkt der Emitterschaltung (T2) einstellt. Der Arbeitspunkt der Kollektorschaltung (T1) ergibt sich dann automatisch.

Aufgrund physikalischer Grenzen kann man mit einer Kollektorschaltung auch bei großen Emitterwiderständen und einer hochohmigen Vorspannungserzeugung (R1/R2) keine beliebig hohen Eingangswiderstände erreichen. Es gibt zwar sogenannte Bootstrapschaltungen, mit denen dies mit einem Trick trotzdem möglich ist, aber seit der Verfügbarkeit von kostengünstigen Bauteilen mit ohnehin sehr hoher Eingangsimpedanz ( Feldeffekttransistoren) ist es in den meisten Fällen sinnvoller, diese zu verwenden.


Niedrige Ausgangsimpedanz

Die Ausgangsimpedanz einer Emitterschaltung wird hauptsächlich durch die Größe des Kollektorwiderstands bestimmt. Dieser kann aus vielerlei Gründen oft nicht so niederohmig dimensioniert werden, wie dies die gewünschte Ausgangsimpedanz erfordert: Einerseits darf man den maximalen Kollektorstrom des Transistors bzw. seine maximale Verlustleistung nicht überschreiten, andererseits muß der Kollektorwiderstand um ungefähr den gewünschten Verstärkungsfaktor größer sein als der Emitterwiderstand, wodurch sich für diesen ein sehr kleiner Wert ergäbe. Dies hätte zur Folge, daß der Eingangswiderstand, der ja maßgeblich von der Größe des Emitterwiderstands abhängt, sehr gering wäre.

Viel besser ist es, wenn man die Emitterschaltung unabhängig vom Ausgangswiderstand nach den anderen Erfordernissen auslegt und den Ausgangswiderstand mit einem nachgeschalteten Emitterfolger erniedrigt. Dies wird häufig so gemacht, weshalb man die Kollektorschaltung auch gerne Emitterfolger nennt. Die Vorspannung für den Emitterfolger muß man bei galvanischer Kopplung nicht gesondert über Widerstände erzeugen, sondern bekommt sie mit dem Ausgangssignal der Emitterschaltung gleich kostenlos mitgeliefert:

Verstärker mit geringer Ausgangsimpedanz
Bild 5: Verstärker mit geringer Ausgangsimpedanz

Man kann selbstverständlich für die Ausgangsstufe statt des npn- auch einen pnp-Transistor verwenden. Und genauso selbstverständlich kann man statt der einstufigen auch mehrstufige Emitterschaltungen in der gezeigten Art und Weise mit einem nachgeschalteten Emitterfolger versehen.


Kaskodeschaltung

Die in Bild 6 dargestellte Kaskodenschaltung ist im Grunde eine Hochfrequenzschaltung. Sie wird aber auch manchmal in Audioverstärkern eingesetzt. Sie besteht aus zwei Schaltungsteilen: Transistor 1 arbeitet in Emitterschaltung, bei der der Kollektorwiderstand durch die Basisschaltung mit Transistor 2 ersetzt ist. Für Transistor 1 hat dies den Vorteil, daß die Kollektorspannung immer konstant bleibt. Bei einer normalen Emitterschaltung schwankt die Kollektorspannung, da am Kollektor ja die Ausgangsspannung anliegt. Bei hohen Frequenzen wird dieses Signal über die immer vorhandene Kollektor-Basis-Kapazität auf die Basis zurückgeführt. Dadurch stellt sich eine zusätzliche, unerwünschte Gegenkopplung ein, die mit steigender Frequenz immer stärker zunimmt. Diesen Effekt nennt man Miller-Effekt. Wenn man wie bei der Kaskodeschaltung dafür sorgt, daß die Kollektorspannung sich nicht verändert, entfällt auch die unerwünschte Gegenkopplung d.h. der Miller-Effekt.

Verstärker in Kaskodeschaltung
Bild 6: Kaskodeschaltung

Die weitgehend konstante Kollektorspannung des Transistors T1 stellt sich deswegen ein, weil die Basis des Transistors T2 mit einer konstanten Spannung verbunden ist, die durch R3 und R4 aus der Betriebsspannung erzeugt wird. Die Emitterspannung von T2 liegt daher ca. 0,5 bis 0,7 V unter der festen Basisspannung. Der Kollektor-Basis-Kondensator kann sich bei T2 nicht negativ auswirken, weil die Basis sehr niederohmig auf einem festen Potential liegt (der Kondensator C3 wirkt für hohe Frequenzen wie ein Kurzschluß).

Beim Transistor T1 ändert sich zwar durch die Ansteuerung mit dem Eingangssignal nicht die Kollektorspannung aber der Kollektorstrom, denn der hängt vom Basisstrom ab. Der Transistor T2 wird von T1 angesteuert und liefert immer den gerade notwendigen Strom: Wenn T1 aufgrund eines höheren Basisstroms mehr leitend wird (d.h. einen höheren Strom fließen lassen möchte) vermindert sich seine Kollektorspannung minimal und damit die Emitterspannung von T2. Da die Basisspannung von T2 konstant ist, erhöht sich dadurch seine Basis-Emitter-Spannung sprich sein Basisstrom und damit sein Kollektor- und letztendlich sein Emitterstrom, so daß als Resultat T2 immer den Strom liefert, den T1 fließen lassen möchte. Die Kollektorspannung schwankt daher höchstens um ein paar Zehntel Volt statt wie bei der Emitterschaltung nahezu Betriebsspannung. Der Kollektorstrom von T2 fließt durch den Widerstand R5 und ruft an ihm wie bei der Emitterschaltung einen Spannungsabfall hervor, der das Ausgangssignal repräsentiert.

Abgesehen vom nicht vorhandenen Miller-Effekt und dem sich daraus ergebenden höheren Grenzfrequenz verhält sich die Kaskodeschaltung genauso wie eine Emitterschaltung. Es gelten sogar die gleichen Formeln zur Berechnung. Allerdings ist bei gleicher Betriebsspannung der Aussteuerungsbereich geringer, denn die Ausgangsspannung kann ja nicht geringer werden als größenordnungsmäßig die Basisspannung von T2.


Differenzverstärker / Operationsverstärker

Alle bisher vorgestellten Schaltungen stellen zwar gegenüber den einfachen Grundschaltungen eine mehr oder minder deutliche Verbesserung dar, aber vom Ideal sind auch sie noch weit entfernt. Sie werden heute für anspruchsvolle Anwendungen kaum noch angewendet, weil schon vor vielen Jahren eine modernere Schaltungsart entwickelt wurde, die wesentlich bessere Eigenschaften besitzt: Der Differenzverstärker und der darauf basierende Operationsverstärker, der heute Stand der Technik ist - egal ob als integrierte Schaltung oder diskret aufgebaut. Näheres dazu (Grundlagen, Anwendung, Schaltungen etc.) können Sie in  Operationsverstärker erfahren.
  

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