Kleinsignalverhalten bipolarer Transistoren 1 ... - Strassacker
Kleinsignalverhalten bipolarer Transistoren 1 ... - Strassacker
Kleinsignalverhalten bipolarer Transistoren 1 ... - Strassacker
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Dr.-Ing. G. <strong>Strassacker</strong><br />
STRASSACKER<br />
lautsprechershop.de<br />
<strong>Kleinsignalverhalten</strong> <strong>bipolarer</strong> <strong>Transistoren</strong><br />
1 Theoretische Grundlagen<br />
1.1 Einstellung des Arbeitspunktes<br />
Will man einen bipolaren (npn- oder pnp-) Transistor als Spannungs-, Strom- oder Leistungsverstärker<br />
einsetzen, so ist zunächst ein dafür geeigneter Arbeitspunkt einzustellen.<br />
Bipolare <strong>Transistoren</strong> benötigen dazu, im Gegensatz zu Feldeffekttransistoren, einen Basisgleichstrom<br />
in Durchlaßrichtung der Basis-Emitterdiode.<br />
Bild 1: npn- und pnp-Transistor mit Dioden-Äquivalent<br />
Dieser, in Verbindung mit der Kollektor-Emitterspannung und dem Kollektor- (gegebenenfalls<br />
auch dem Emitter-) Widerstand, bestimmen den Arbeitspunkt. Er ist der Angriffspunkt für die<br />
Aussteuerung des Transistors mit Wechselgrößen.<br />
Die einfachste Einstellung des Basisgleichstromes erfolgt durch die Stromeinprägung an der<br />
Basis-Emitterdiode über einen gegenüber dem Basis-Emitter-Durchlaßwiderstand hochohmigen<br />
Vorwiderstand R B . Dazu und für die Kollektor-Emitterspannung U CE wird die Hilfsgleichspannung<br />
U 0 benötigt.<br />
Bild 2: Polung bei npn- und pnp Transistor<br />
Bereits in dieser einfachen Schaltung nach Abbildung 2 kann man die Gleichstromverstärkung<br />
des Transistors definieren: B = I C /I B (siehe Abbildung 3. Würde man dem günstig gewählten<br />
Basisgleichstrom I B noch einen Wechselstrom i B (t) überlagern, so erhielte man auch eine<br />
Wechselstromverstärkung: β = î C /î B . Allerdings kann man die Stromverstärkungen nach den<br />
einfachsten Schaltungen von Abbildung 2 nicht verwerten.
Bild 3: Links: Typischer Verlauf des Kollektorstroms als Funktion des Basisstroms, rechts:<br />
Typischer Verlauf der statischen und dynamischen Stromverstärkung bei einem Kleinsignal-<br />
Transistor<br />
Man benötigt mindestens noch einen Kollektorwiderstand R C oder einen Emitterwiderstand<br />
R E . Hierfür und für alle Folgeschaltungen dieser Anleitung werden nur noch npn-<br />
<strong>Transistoren</strong> verwendet:<br />
Bild 4: Links: Emitterschaltung mit Kollektorwiderstand, Mitte: Kollektorschaltung mit Emitterwiderstand,<br />
rechts: Ausgangskennlinien mit Widerstandsgeraden.<br />
Die Widerstandsgerade ergibt sich aus der Maschenregel. Es gilt<br />
für die Emitterschaltung<br />
U 0 = I C R C + U CE<br />
I C = −1<br />
R C<br />
U CE + U 0<br />
R C<br />
tanα ˆ= −1<br />
R C<br />
für die Kollektorschaltung<br />
U 0 = I E R E + U CE<br />
I E = −1<br />
R E<br />
U CE + U 0<br />
R E<br />
tanα ˆ= −1<br />
R E<br />
Grenzfälle<br />
I C = 0 : U CE = U 0 I E = 0 : U CE = U 0<br />
U CE → 0 : I C ≈ I Cm U CE → 0 : I E ≈ I Em<br />
Da I C ≈ I E ist, gilt die Widerstandsgerade vom Abbildung 4 für beide obigen Fälle. Ihr<br />
Schnittpunkt mit der durch I B aktivierten Transistorkennlinie I C (I B ) = f(U CE ) - im Abbildung<br />
4 dicker eingezeichnet - legt den Arbeitspunkt A fest. Er wird nachher, bei Wechselstromaussteuerung<br />
auf der Widerstandsgeraden hin- und hergeschoben. Der Arbeitspunkt muß daher im<br />
Kennlinienfeld I C = f(U CE ) so plaziert werden, daß die erwünschte Wechselstrom- und Wechselspannungssteuerung<br />
möglich ist, ohne daß z.B. harmonische Schwingungen durch Anecken<br />
an den Grenzen des Kennlinienfeldes (Abbildung 4: unten bei U 0 oder oben, nahe I Cm oder<br />
I Em ) verzerrt werden. Allerdings ist die Emitterschaltung (Abbildung 4 in dieser einfachen<br />
Ausführung wegen der Temperaturdrift der Basis-Emitterdiode von etwa -2mV pro Grad Temperaturerhöhung<br />
bei I C = const.) nicht brauchbar.
1.2 Kleinsignalverstärkung von Wechselgrößen qualitativ<br />
Unter Kleinsignalverstärkung versteht man eine möglichst formgetreue, also unverzerrte Verstärkung<br />
von Signalen. In der Regel handelt es sich um kapazitive Kopplung der einzelnen Stufen,<br />
damit ein eingestellter Arbeitspunkt nicht durch die galvanische Kopplung mit Nachbarstufen<br />
verändert wird. Aber der nachfolgende Lastwiderstand R L verändert bei Wechselspannungsoder<br />
Wechselstromsteuerung die dafür gültige Widerstandsgerade; Beispiel: Emitterschaltung:<br />
Bild 5: Mit R L belastete Emitterstufe und zugehörige Ausgangskennlinien<br />
Für das gezeichnete Beispiel wäre es besser, den Arbeitspunkt bei etwas größerem Basisstrom<br />
anzusiedeln, damit der Wechselstromhub nach oben und unten hin etwa gleich groß ist.<br />
Leider erfüllt die Schaltung nach Abbildung 5 noch nicht die Anforderung der Temperaturkonstanz:<br />
Bei erhöhter Temperatur erhöht sich zwar nicht der nach Abbildung 5 eingeprägte<br />
Basistrom, wohl aber der Stromverstärkungsfaktor, so daß auch der Kollektorstrom (I C = BI B )<br />
größer wird, wodurch sich der Arbeitspunkt temperaturabhängig verschiebt. Diese Schwierigkeit<br />
wird durch Stromgegenkopplung weitgehend vermieden (siehe Abbildung 6). Exakt bedeutet<br />
diese Stromgegenkopplung: der Ausgangsstrom I C ≈ I E erzeugt am Emitterwiderstand R E eine<br />
Gleichspannung, die der Spannung U BO entgegenwirkt, so daß U BE = U BO − U RE ist.<br />
Bild 6: Stromgegenkopplung<br />
Am Eingang des Transistors benötigt man den Basisspannungsteiler R V mit R BO , so daß jeweils<br />
bei Si-<strong>Transistoren</strong> I E R E + 0, 6V ≈ U BO oder:<br />
I C ≈ I E ≈ U BO − 0, 6V<br />
R E
Wirkungsweise: Erhöht sich mit steigender Temperatur I C und I E , so wächst auch I E R E und<br />
U BE wird kleiner, falls U BO durch ausreichend niederohmige Widerstände R V , R BO eingeprägt<br />
ist. Diese Gegensteuerung nennt man Gegenkopplung. Sie stabilisiert den Arbeitspunkt umso<br />
besser, je größer der Stromverstärkungsfaktor B des Transistors ist. Solange R E klein gegenüber<br />
R C ist, wird durch R E die Widerstandsgerade für R C kaum beieinflußt.<br />
Die Schaltung nach Abbildung 6 ist ein Spannungsverstärker. Durch R E wird nicht nur die Temperaturdrift,<br />
sondern auch die Wechselspannungsverstärkung verringert, also gegengekoppelt.<br />
Daher ist es oft nötig, R E zwar für die Stabilisierung des Arbeitspunktes, also für Gleichgrößen<br />
vorzusehen, ihn aber für Wechselgrößen durch kapazitive Überbrückung unwirksam zu machen:<br />
1<br />
ωC<br />
≈ 0<br />
k<br />
1<br />
ωC<br />
≈ 0<br />
E<br />
Bild 7: Kapazitive Überbrückung des den Arbeitspunkt stabilisierenden Widerstandes R E<br />
zwecks großer Wechselspannungsverstärkung<br />
1.3 Die wichtigsten Parameter<br />
Obwohl der Basisstrom I B , i B (t) Steuergröße des bipolaren Transistors ist, wird gelegentlich<br />
auch die Spannungssteuerung betrachtet. Dazu wird der (bei FETs gängige) Begriff der Steilheit<br />
S verwendet:<br />
S =<br />
∆I C<br />
∆U BE<br />
∣ ∣∣∣UCE<br />
=const<br />
Die zugehörigen Kennlinien sind in Abbildung 8 dargestellt.<br />
Bild 8: Links: Übertragungs-, rechts: Ausgangskennlinienfeld, letzteres mit U BE als Parameter<br />
Man erkennt: Die Steilheit S ist keineswegs konstant. Dort wo bei kleinen Spannungen U CE die<br />
Ausgangskennlinien abknicken, spricht man von U CESat , der Sättigungsspannung.
Der Wechselstrom- oder differentielle Widerstand r CE des Transistors nimmt bei zunehmendem<br />
Kollektorstrom ab, so wie die Steigung der Kennlinien, in Abbildung 8 rechts, zunehmen. r CE<br />
ist definiert zu:<br />
r CE = ∆U ∣<br />
CE ∣∣∣UBE<br />
∆I C =const<br />
Hochohmige Ausgangswiderstände r CE erzielt man demnach dort, wo kleine ∆I C zu großen<br />
∆U CE gehören.<br />
Bild 9: Eingangskennlinie eines Silizium-Transistors<br />
Der Eingangskennlinie entnimmt man, daß der differentielle oder Wechselstromwiderstand r BE<br />
der Basis-Emitterdiode im Durchlaß- (=Aussteuerungs-) Bereich (für Si) viel kleiner ist als der<br />
Gleichstromwiderstand R BE = U BE /I B .<br />
Die differentielle oder Wechselstromverstärkung β ist definiert zu<br />
β = ∆I C<br />
∆I B<br />
∣ ∣∣∣UCE<br />
=const<br />
Somit kann man β und r BE auch ausdrücken durch S:<br />
β = r BE S und r BE = β S = β U T<br />
I C<br />
wobei U T die Temperaturspannung ist: U T = kT<br />
e 0<br />
, mit k = 1, 38 · 10 −23 J/K und<br />
e 0 = 1, 6 · 10 −19 C. Bei Zimmertemperatur ist U T ≈ 26mV .<br />
1.4 Parameter in den Transistorgleichungen<br />
Die schon beschriebenen Größen ∆I C , ∆I B , ∆U CE , ∆U BE , aber auch die nachfolgenden Differentiale<br />
dI C , dI B , dU CE , dU BE sind sämtlich kleine Änderungen von Wechselgrößen, die man auch<br />
durch kleine Amplituden der Wechselspannungen und -Ströme darstellen kann<br />
Wir drücken die Transistorströme durch die Spannungen aus (Leitwertform):<br />
I B = f(U BE , U CE )<br />
I C = f(U BE , U CE )<br />
Daraus erhält man die vollständigen Differentiale:
dI B = ∂I B<br />
∂U BE<br />
dU BE + ∂I B<br />
∂U CE<br />
dU CE<br />
dI C = ∂I C<br />
∂U BE<br />
dU BE + ∂I C<br />
∂U CE<br />
dU CE<br />
Somit sind die Gleichungen des Transistors (in Leitwertform, da die Koeffizienten der Spannungen<br />
Leitwerte sind):<br />
∆I B = 1<br />
r BE<br />
∆U BE + S r ∆U CE<br />
∆I C = S∆U BE + 1<br />
r CE<br />
∆U CE<br />
S r ist die Rückwärtssteilheit. Sie beschreibt die im Transistor wirksame Rückwirkung der Ausgangsspannung<br />
auf den Eingangsstrom und wird bei Niederfrequenz, ihrer Kleinheit wegen, oft<br />
vernachlässigt.<br />
1.5 Eigenschaften einfacher Schaltungen<br />
1.5.1 Emitterschaltung ohne Gegenkopplung<br />
Bild 10: Emitterschaltung<br />
Spannungsverstärkung:<br />
v u = ∆U CE<br />
∆U BE<br />
= −S(R C ‖ r CE ) für R C ≪ r CE : v u ≈ −SR C .<br />
Da S = I C /U T ist, gilt ebenfalls für R C ≪ r CE : v u ≈ −I CR C<br />
U T<br />
Klein geschriebene Widerstände wie r CE oder r BE sind differentielle oder Wechselstromwiderstände.<br />
Man kann die Spannungsverstärkung auch mit den Eingangsgrößen ausdrücken:<br />
∆U CE = −∆I C R C = −∆I B βR C<br />
(Die Gleichspannungsquelle habe den Innenwiderstand null, daher ist ∆U CE = ∆I C R C )<br />
∆U BE = ∆I B r BE
so daß<br />
v u = ∆U CE<br />
∆U BE<br />
= −∆I BβR C<br />
∆I B r BE<br />
= −βR C<br />
r BE<br />
= −S R C<br />
Eingangswiderstand der Schaltung nach Abbildung 10:<br />
r in = r BE = ∆U BE<br />
∆I B<br />
= ∆U BE<br />
∆I C /β = β S<br />
Zugehöriger Ausgangswiderstand:<br />
r ex = R C ‖ r CE =<br />
R Cr CE<br />
R C + r CE<br />
≈ R C<br />
fürR C ≪ r CE<br />
1.5.2 Emitterschaltung mit Gegenkopplung<br />
Bild 11: Stromgegenkopplung der Emitterschaltung<br />
Spannungsverstärkung:<br />
v u = ∆U ex<br />
∆U in<br />
=<br />
−S R C<br />
S R E + 1 + R C /r CE<br />
Näherung für starke Gegenkopplung, d.h. für<br />
R C /R E ≪ S(R C ‖ r CE ):<br />
v u ≈ − R C<br />
R E<br />
Geht R E gegen null, so strebt v u gegen den Wert ohne Gegenkopplun<br />
Eingangswiderstand: r in ≈ r BE + βR E meist ≫ R E .<br />
Die vollständige Schaltung enthält in der Regel auch den Eingangs-Spannungsteiler R v , R BO<br />
siehe Abbildung 6 oder Abbildung 7, so daß der damit resultierende Eingangswiderstand für<br />
Wechselgrößen:<br />
r in = (R v ‖ R BO ) ‖ (r BE + βR E )meist ≪ βR E<br />
ist.<br />
(R v ‖ R B deswegen, weil das obere Ende von R B wechselspannungsmäßig an Nullpotential<br />
liegt)<br />
Ausgangswiderstand: r ex ≈ R C
1.5.3 Kollektorschaltung (Emitterfolger, Impedanzwandler)<br />
Bild 12: Emitterfolger, Spannungsverstärkung: v u ≈ 1<br />
exakt:<br />
v u =<br />
1<br />
1 + 1/{S(R E ‖ r CE )}<br />
Eingangswiderstand für Wechselgrößen: r in = β S + βR E ≈ βR E<br />
Ausgangswiderstand für Wechselgrößen: r ex ≈ R E ‖ ( 1 S + R G<br />
β<br />
)<br />
R G ist der Generator- (Innen-) Widerstand der vorausgehenden Schaltung.<br />
Wirkungsweise der Schaltung:<br />
Ist U in > ∼ 0, 6V , dann fließt ein Emitterstrom I E ≈ I C , der an R E die Spannung U in − U BE =<br />
U ex entstehen läßt. Man beachte, daß U BE im Durchlaßbereich der Basis-Emitterdiode (siehe<br />
Abbildung 9) fast konstant bleibt!<br />
Der um βR E vergrößerte Eingangswiderstand r in ergibt sich wie folgt:<br />
Beispiel:<br />
û in = û BE + î E R E ≈ û BE + βî B R E daher<br />
r in = ûin<br />
î B<br />
≈ r BE + βR E<br />
I C ≈ I E = 10mA; β = 300; R E = 1kΩ,<br />
R G = 10kΩ; S = 0, 4 mA<br />
V .<br />
Damit erhält man:<br />
r in ≈ 300kΩ<br />
r ex ≈ 34Ω<br />
}<br />
rin<br />
≈ 8800<br />
r ex 1<br />
Der Quotient zeigt deutlich, daß die Kollektorstufe ein Impedanzwandler ist, also einen hochohmigen<br />
Eingangswiderstand in einen niederohmigen Ausgangswiderstand dieser Schaltung<br />
transformiert.
1.5.4 Darlington-Schaltung<br />
Bild 13: Darlington–Schaltung<br />
Reichen Stromverstärkung oder Impedanzumsetzung eines Transistors in Kollektorschaltung<br />
nicht aus, so kann eine Schaltung nach Abbildung 13 mit zwei <strong>Transistoren</strong> und den Ersatzanschlüssen<br />
B’, E’, C’ verwendet werden.<br />
Stromverstärkung β = β 1 β 2<br />
Eingangswiderstand r B ′ E ′ ≈ 2r U<br />
BE1 = 2β 1 β T<br />
⎫⎪ ⎬ 2 I C ′<br />
Ausgangswiderstand r C ′ E ′ ≈ 2r siehe Abbildung 13<br />
3 CE2<br />
Steilheit S ′ ⎪<br />
= I C ′/2U ⎭ T<br />
Es gibt auch eine Komplementär-Darlingtonstufe bestehend aus einem pnp- und einem npn-<br />
Transistor:<br />
Bild 14: Darlingtonstufe mit npn– und pnp–Transistor<br />
Ersatzkennwerte dafür sind:<br />
Stromverstärkung β ′ = β 1 β 2<br />
⎫⎪<br />
Eingangswiderstand r in ≈ r BE1 = β ′ U T /I C ′. ⎬<br />
Ausgangswiderstand r C ′ E ′ ≈ 1r siehe Abbildung 14<br />
2 CE2<br />
Steilheit S ′ ⎪ ⎭<br />
= I C ′/U T<br />
1.5.5 Basisschaltung<br />
Bild 15: Prinzip der Basisschaltung
Kennwerte:<br />
Spannungsverstärkung v u = S(R C ‖ r CE )<br />
Eingangswiderstand r in ≈ 1 S<br />
Ausgangswiderstand r ex ≈ R C<br />
Stromverstärkung v i ≈ 1<br />
Wirkungsweise der Basisschaltung: Die Eingangsspannung liegt wie bei der Emitterschaltung<br />
zwischen Basis und Emitter, daher haben wir hier die gleiche Spannungsverstärkung wie bei der<br />
Emitterschaltung, aber ohne deren Phasenumkehr. Hier aber liegt die Basis an Nullpotential,<br />
bei der Emitterschaltung jedoch der Emitter. Daher wird die vorausgehende Schaltung (hier<br />
der Generator) mit dem gesamten Emitterstrom belastet. Somit ist der Eingangswiderstand<br />
um den Faktor β geringer als bei der Emitterschaltung. Betrachtet man den Transistor alleine,<br />
ohne Zusatzbeschaltung, so hat er nicht nur den niedrigsten Eingangswiderstand, sondern auch<br />
den höchsten Ausgangswiderstand aller drei Grundschaltungen:<br />
r CB = β r CE<br />
Die Basisschaltung hat ihre Vorteile im Hochfrequenzbereich, wo sie meist verwendet wird.<br />
Schaltungsbeispiel einer Basisschaltung<br />
Bild 16: Durch C B muß die Basis wechselspannungsmäßig auf Nullpotential liegen.<br />
————————————————————————————————————————-<br />
Literaturangabe: Auszug aus dem ”Elektrotechnischen Grundlagen-Praktikum” der Universität<br />
Karlsruhe, Institut für Theoretische Elektrotechnik und Messtechnik, Verfasser: Dr.-Ing.<br />
Gottlieb <strong>Strassacker</strong>