5 Der Transistor als Verstärker

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5
Der Transistor als Verstärker
5.1 Verstärker mit n-Kanal MOSFET
Aufgabenstellung
Gegeben sei die in Abb. 5.1 (links) dargestellte Verstärkerschaltung mit der
Betriebsspannung UB = 15 V und dem Drainwiderstand RD = 20 kΩ. Der nKanal MOSFET habe folgende Daten: UT h = 1 V, βn = 1 mAV−2 sowie λ =
0, 01 V−1 . Das Ausgangskennlinienfeld des MOSFET ist in Abb. 5.1 (rechts)
gezeigt.
PSpice: 5 NMOS-Ausgangskennlinienfeld
UB
IDS
mA
R2
RD
UGS = 2.4V
1.00
2.2V
0.75
2.0V
0.50
Ue
Ua
1.8V
0.25
1.6V
1.4V
1.2V
R1
0
5
10
15
UDS
V
Abb. 5.1. Verstärkerschaltung mit n-Kanal MOSFET (links) und zugehöriges Ausgangskennlinienfeld (rechts)
a. Konstruieren Sie die Übertragungskennlinie Ua = f (Ue ) des Verstärkers
mit Hilfe des gegebenen Ausgangskennlinienfeldes.
86
5 Der Transistor als Verstärker
b. Es gelte nun zunächst R1 = 130 kΩ und R2 = 680 kΩ. Bestimmen Sie
auf grafischem Wege mit Hilfe des Ausgangskennlinienfeldes den Arbeitspunkt der Schaltung. In welcher Betriebsart arbeitet der MOSFET?
c. Ist der in Teilaufgabe b. bestimmte Arbeitspunkt für den A-Betrieb
geeignet? (Begründung!). Falls nein: Wählen Sie einen geeigneten Arbeitspunkt und dimensionieren Sie den aus den Widerständen R1 und R2
bestehenden Spannungsteiler entsprechend.
d. Bestimmen Sie die Spannungsverstärkung aus der Übertragungskennlinie
für den in Teilaufgabe c. berechneten Arbeitspunkt.
e. Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild der Verstärkerschaltung für
den Arbeitspunkt nach Teilaufgabe c. und berechnen Sie daraus die
Spannungsverstärkung der Schaltung. Vergleichen Sie das Ergebnis mit
dem Resultat aus Teilaufgabe d.
f. Es sei weiterhin der in Teilaufgabe c. berechnete Arbeitspunkt (ABetrieb) eingestellt. An den Eingang der Schaltung werde nun über
einen Koppelkondensator eine Spannungsquelle Ue angeschlossen, die ein
sinusförmiges Signal mit einer Amplitude von 300 mV liefert. Konstruieren Sie grafisch den Zeitverlauf der Ausgangsspannung Ua , wenn diese
ebenfalls über einen Kondensator ausgekoppelt wird. Welchen Zweck
erfüllen die Koppelkondensatoren?
g. Stellen Sie nun den Arbeitspunkt der Schaltung durch geeignete Dimensionierung des Basisspannungsteilers so ein, dass die positive Halbwelle des
Eingangssignals vollständig und die negative Halbwelle nicht übertragen
wird. Wie wird diese Betriebsart genannt? Konstruieren Sie überschlägig
den Verlauf der Ausgangsspannung, wenn die Amplitude des Eingangssignals 1 V beträgt.
Lösung zu a. Konstruktion der Übertragungskennlinie
5.1.1
Bei der gezeigten Verstärkerschaltung ist die Eingangsspannung Ue gleich
der Gate-Source-Spannung UGS und die Ausgangsspannung gleich der DrainSource-Spannung UDS . Die Übertragungskennlinie Ua = f (Ue ) ist in diesem
Fall also durch die Funktion UDS = f (UGS ) gegeben. Zur Konstruktion der
Übertragungskennlinie gehen wir von folgenden Überlegungen aus. Zum einen
ist der Strom IDS durch den Transistor gleich dem Strom durch den Widerstand RD . Zum anderen gilt für den Strom durch den Widerstand RD der Zusammenhang IDS = (UB −UDS )/RD . Diese lineare Beziehung können wir nun
in das Ausgangskennlinienfeld einzeichnen, wobei zwei Punkte ausreichen, um
5.1 Verstärker mit n-Kanal MOSFET
87
die entsprechende Gerade zu konstruieren. Dazu bestimmen wir beispielsweise
den Strom durch den Widerstand RD für den Fall UDS = 0 bzw. UDS = UB ,
was auf die beiden Werte IDS = UB /RD = 0, 75 mA bzw. IDS = 0 führt.
Die dadurch bestimmte Lastgerade ist in Abb. 5.2 (links) dargestellt. Da der
Strom durch den Widerstand und den Transistor gleich groß ist, liefern die
Schnittpunkte der Lastgeraden mit jeder einzelnen der Ausgangskennlinien
für jeden Wert von UGS den entsprechenden Wert des Stromes IDS sowie der
Spannung UDS . Trägt man nun zu jedem Wert von UGS den dazugehörenden
Wert von UDS in einem Diagramm auf, ergibt sich schließlich die gesuchte
Übertragungskennlinie Ua = f (Ue ), wie in Abb. 5.2 (rechts) gezeigt ist.
IDS
mA
UDS
V
UGS = 2.4V
15
G
F
1.00
0.75
2.2V
A B
2.0V
C
0.50
D
5
D
1.8V
E
0.25
0
E
10
10
5
C
1.6V
F
G 1.4V
1.2V
15
B
A
UDS
V
0
5
10
15
UGS
V
Abb. 5.2. Aus dem Ausgangskennlinienfeld und der Lastgeraden (links) kann die
Übertragungskennlinie des Verstärkers konstruiert werden (rechts)
S.m.i.L.E: 5.1 Übertragungskennlinie
PSpice: 5 UebertragungsKL
Lösung zu b. Arbeitspunkt
Zur Arbeitspunktanalyse gehen wir von der in Abb. 5.3 dargestellten Gleichstromersatzschaltung der gegebenen Verstärkerschaltung aus.
Daraus lässt sich unmittelbar die Gate-Source-Spannung des MOSFET
bestimmen, da der aus den Widerständen R1 und R2 bestehende Spannungsteiler unbelastet ist. Wir erhalten
UGS,A = UB
R1
= 2, 4 V .
R1 + R2
(5.1)
Der gesuchte Arbeitspunkt der Schaltung ist also durch den Schnittpunkt
der Lastgeraden mit der Transistorkennlinie für UGS = 2, 4 V gegeben (in
Abb. 5.2, links, mit dem Buchstaben A gekennzeichnet). Aus dem Diagramm
können die zugehörigen Zahlenwerte abgelesen werden. Wir erhalten
88
5 Der Transistor als Verstärker
UB
R2
RD
R1
Abb. 5.3. Gleichstromersatzschaltbild der Verstärkerschaltung nach Abb. 5.1
UDS,A ≈ 0, 7 V
und IDS,A ≈ 0, 7 mA .
(5.2)
Aus der Lage des Arbeitspunktes im Ausgangskennlinienfeld erkennt man,
dass der Transistor für UGS = 2, 4 V im Widerstandsbereich arbeitet. Dies
ergibt sich auch aus der Ungleichung UGS,A − UT h > UDS,A .
S.m.i.L.E: 5.1 BJT-Verstärker
PSpice: 5 Arbeitspunkt
Lösung zu c. Arbeitspunkt für A-Betrieb
5.1.2
Der in Teilaufgabe b. ermittelte Arbeitspunkt (in der Übertragungskennlinie
mit dem Buchstaben A gekennzeichnet) ist für den A-Betrieb ungeeignet, da
er nicht in der Mitte des aussteuerbaren Bereiches der Übertragungskennlinie liegt und daher eine gleichmäßige Aussteuerung mit einem Wechselsignal
nicht möglich ist. Zudem ist die Steigung der Übertragungskennlinie in diesem
Punkt sehr gering, so dass sich nur eine geringe Spannungsverstärkung ergibt.
Bei der Wahl eines geeigneten Arbeitspunktes für den A-Betrieb sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen: Um den Arbeitspunkt herum sollte eine
gleichmäßige und lineare Aussteuerung sowohl für die positive als auch für die
negative Halbwelle des Eingangssignals möglich sein. Weiterhin sollte die Steigung der Übertragungskennlinie im Arbeitspunkt möglichst groß sein, um eine
hohe Verstärkung der Eingangsspannung zu erreichen. Gleichzeitig sollte der
Ruhestrom IDS,A möglichst gering sein, um die Verlustleistung zu minimieren
und somit einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
Unter Berücksichtigung der zuvor genannten Faktoren wählen wir als
Kompromiss den in Abb. 5.2 mit D gekennzeichneten Punkt (UDS,A ≈ 8 V und
IDS,A ≈ 0, 35 mA) als neuen Arbeitspunkt. Dem Ausgangskennlinienfeld kann
entnommen werden, dass für diesen Arbeitspunkt eine Gate-Source-Spannung
von
R1
(5.3)
UGS,A = 1, 8 V = UB
R1 + R2
5.1 Verstärker mit n-Kanal MOSFET
89
erforderlich ist. Durch Umstellen von (5.3) und Einsetzen der gegebenen Zahlenwerte erhalten wir das zur Einstellung dieses Arbeitspunktes erforderliche
Widerstandsverhältnis des Eingangsspannungsteilers. Es ergibt sich ein Wert
von
R1
3
.
(5.4)
=
R2
22
Da diese Beziehung lediglich das Widerstandsverhältnis festlegt, kann das
Widerstandsniveau des Spannungsteilers prinzipiell beliebig gewählt werden.
Allerdings sollten die Widerstände nicht zu klein sein, da ansonsten ein
sehr großer Querstrom durch den Spannungsteiler fließt. Stehen Widerstände
mit Nennwerten aus der Normreihe E24 (s. Tabelle 12.3 im Anhang) zur
Verfügung, so lässt sich das geforderte Widerstandsverhältnis z.B. durch
R1 = 150 kΩ und R2 = 1, 1 MΩ einstellen.
S.m.i.L.E: 5.1 Arbeitspunkt
Lösung zu d. Übertragungskennlinie, Spannungsverstärkung
Die Spannungsverstärkung einer Schaltung ist definiert als die Änderung der
Ausgangsspannung bezogen auf die Änderung der Eingangsspannung und ist
damit gleich der Steigung der Übertragungskennlinie. Da die Spannungsänderungen um den eingestellten Arbeitspunkt herum erfolgen, muss die Steigung
im entsprechenden Arbeitspunkt bestimmt werden. Mit dem im Aufgabenteil c. bestimmten Wert der Gate-Source-Spannung im Arbeitspunkt von
UGS,A = 1, 8 V ergeben sich die in Abb. 5.4 gezeigten Verhältnisse. Ablesen
ergibt eine Verstärkung von
ΔUDS
6V
Au = −
≈−
ΔUGS
0, 4 V
= −15 .
5.1.1
(5.5)
Dabei bedeutet das negative Vorzeichen, dass bei einer Erhöhung der Eingangsspannung die Ausgangsspannung abnimmt; Ein- und Ausgangssignal
haben also eine Phasendrehung von 180◦ zueinander.
Lösung zu e. Kleinsignalersatzschaltbild, Spannungsverstärkung
Zur Bestimmung des Kleinsignalersatzschaltbildes der Verstärkerschaltung
bestimmen wir zunächst deren Wechselstromersatzschaltbild durch Kurzschließen der Kapazitäten und der Gleichspannungsquelle, was auf die in
Abb. 5.5 gezeigte Schaltung führt.
Die Kleinsignalersatzschaltung ergibt sich dann, indem der MOSFET
durch sein Kleinsignalersatzschaltbild (s. Abb. 4.7) ersetzt wird, so dass sich
5.4.1
90
5 Der Transistor als Verstärker
UDS
V
15
Arbeitspunkt
UGS
10
UDS
UDS,A
5
2
1
0
UGS,A
4
3
5
UGS
V
Abb. 5.4. Die Spannungsverstärkung ist gleich der Steigung der Übertragungskennlinie im Arbeitspunkt
Ue
R1
Ua
RD
R2
Abb. 5.5. Wechselstromersatzschaltbild der Verstärkerschaltung nach Abb. 5.1
MOSFET
ue
R1//R2
uGS
gmuGS
r0
RD
ua
Abb. 5.6. Kleinsignalersatzschaltbild der Verstärkerschaltung nach Abb. 5.1
schließlich die in Abb. 5.6 gezeigte Schaltung ergibt. Die parasitären Kapazitäten des MOSFET wurden dabei nicht mit berücksichtigt, weil an dieser
Stelle die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung nicht von Interesse ist.
Für die weitere Berechnung benötigen wir die Netzwerkelemente der Kleinsignalersatzschaltung, die im Folgenden für den gegebenen Arbeitspunkt bestimmt werden.
Der Ausgangswiderstand r0 des MOSFET ist gleich dem Kehrwert der
Steigung der Ausgangskennlinie im Arbeitspunkt. Da jedoch der Parameter λ
gegeben ist, kann r0 auch auf einfache Weise mittels (4.11) berechnet werden.
Mit UDS,A = 8 V, IDS,A = 0, 35 mA und λ = 0, 01 V−1 erhalten wir
r0 =
UDS,A + 1/λ
= 309 kΩ .
IDS,A
(5.6)
5.1 Verstärker mit n-Kanal MOSFET
91
Die Steilheit gm des MOSFET wird mittels (4.10) bestimmt. Mit βn =
1 mAV−2 ergibt sich
(5.7)
gm = 2IDS,A βn (1 + λUDS,A ) = 870 μS .
Die Spannungsverstärkung der Schaltung kann nun durch Analyse der
Schaltung nach Abb. 5.6 bestimmt werden. Im Ausgangskreis erhalten wir
zunächst die Beziehung
ua = −gm uGS (RD //r0 ) ,
(5.8)
wobei das Formelzeichen // zur Kennzeichnung der Parallelschaltung verwendet wurde. Wegen uGS = ue folgt schließlich für die Spannungsverstärkung
der Schaltung
ua
= −gm (RD //r0 ) = −870 μS(20 kΩ//309 kΩ)
ue
= −16, 3 ,
Au =
(5.9)
in guter Übereinstimmung mit dem in Teilaufgabe d. auf grafischem Wege
bestimmten Wert.
Lösung zu f. A-Betrieb, Konstruktion der Spannungsverläufe
Durch das Anschließen einer Signalquelle über einen Kondensator an den Eingang der Verstärkerschaltung überlagert sich die Signalspannung Ue mit der
im Arbeitspunkt eingestellten Spannung UGS,A , so dass
UGS = UGS,A + Ue
(5.10)
gilt. Der Koppelkondensator dient dabei der gleichstrommäßigen Trennung
der Verstärkerschaltung und der Signalquelle, so dass diese gleichspannungsfrei sein kann. Durch die Signalquelle erfolgt also eine Änderung der Spannung
UGS um den Arbeitspunkt herum und damit auch eine entsprechende Änderung der Ausgangsspannung, wobei diese ebenfalls über einen Kondensator
ausgekoppelt wird, so dass auch die Ausgangsspannung gleichspannungsfrei
ist. Die Spannungsänderungen können bei gegebenem Verlauf der Eingangsspannung Ue (t) auf einfache Weise mit Hilfe der Übertragungskennlinie konstruiert werden (Abb. 5.7).
Dazu markieren wir zunächst den Arbeitspunkt (UGS,A ; UDS,A ) auf der
Übertragungskennlinie. Anschließend wird, entsprechend dem Zeitverlauf der
Eingangsspannung, um den Arbeitspunkt herum ausgesteuert. Dabei wird zu
unterschiedlichen Zeitpunkten für den jeweiligen Wert der Eingangsspannung
Ue mittels der Übertragungskennlinie der zugehörige Wert der Ausgangsspannung Ua bestimmt und auf diese Weise der Zeitverlauf der Ausgangsspannung
konstruiert.
5.1.2
92
5 Der Transistor als Verstärker
UDS
V
15
Ua
10
Arbeitspunkt
4V
ti
UDS,A
t
5V
5
Ua(ti)
0
1
UGS,A
4
3
t
ti
5
UGS
V
Ue(ti)
300mV
Ue
Abb. 5.7. Überschlägige Konstruktion des Zeitverlaufes der Ausgangsspannung mit
Hilfe der Übertragungskennlinie (A-Betrieb)
In Abb. 5.7 ist die Phasendrehung von 180◦ zwischen der Eingangs- und der
Ausgangsspannung deutlich zu erkennen, d.h. eine positive Halbwelle am Eingang führt zu einer negativen Halbwelle am Ausgang und umgekehrt. Ebenfalls ist zu erkennen, dass das Ausgangssignal leicht verzerrt ist. So hat die
negative Halbwelle am Ausgang eine größere Amplitude (5 V) als die positive
(4 V), obwohl beide Halbwellen der Eingangsspannung die gleiche Amplitude
(300 mV) besitzen. Dies ist damit zu erklären, dass die Übertragungskennlinie
im unteren Teil des Aussteuerbereiches insgesamt etwas steiler verläuft als im
oberen, wodurch die beiden Halbwellen des Eingangssignals eine unterschiedliche Verstärkung erfahren. Für die positive Halbwelle des Eingangssignals
ergibt sich eine Verstärkung von etwa −5 V/ + 300 mV = −16, 7, für die negative Halbwelle hingegen eine Verstärkung von etwa +4 V/ − 300 mV = −13, 3,
so dass sich im Mittel eine Verstärkung von −15 ergibt (in guter Übereinstimmung mit den Resultaten der vorangegangenen Teilaufgaben).
S.m.i.L.E: 5.1 Arbeitspunkt
PSpice: 5 A-Betrieb
Lösung zu g. AB-Betrieb, Konstruktion der Spannungsverläufe
Wird die Gate-Source-Spannung des MOSFET im Arbeitspunkt gleich der
Einsatzspannung gewählt
UGS,A = UT h = 1, 0 V = UB
R1
,
R1 + R2
(5.11)
5.1 Verstärker mit n-Kanal MOSFET
93
so wird die positive Halbwelle des Eingangssignals wegen UGS > UT h vollständig und die negative Halbwelle wegen UGS < UT h nicht übertragen. Diese
Betriebsart wird AB-Betrieb genannt. Durch Umstellen von (5.11) und Einsetzen der gegebenen Zahlenwerte erhält man das dafür erforderliche Widerstandsverhältnis
R1
1
.
(5.12)
=
R2
14
Stehen Widerstände mit Nennwerten aus der Normreihe E24 zur Verfügung,
so lässt sich das Widerstandsverhältnis z.B. durch R1 = 100 kΩ und R2 =
1, 4 MΩ einstellen.
Da im AB-Betrieb auch in dem stark nichtlinearen Bereich der Übertragungskennlinie ausgesteuert wird, ergibt sich ein stark verzerrtes Ausgangssignal, insbesondere für kleine Eingangsspannungen, wie aus Abb. 5.8 ersichtlich
wird.
UDS
V
Ua
Arbeitspunkt
t
15
10V
10
5
0
2
1
3
t
1V
1V
4
5
UGS
V
Ue
Abb. 5.8. Überschlägige Konstruktion des Zeitverlaufes der Ausgangsspannung mit
Hilfe der Übertragungskennlinie (AB-Betrieb)
PSpice: 5 AB-Betrieb
5.1.2
94
5 Der Transistor als Verstärker
5.2 Arbeitspunkteinstellung mit 4-Widerstandsnetzwerk
Aufgabenstellung
Gegeben sei die in Abb. 5.9 gezeigte Verstärkerschaltung mit 4-Widerstandsnetzwerk. Die Betriebsspannung sei UB = 18 V und die Stromverstärkung des
Transistors betrage BN = 150.
UB
IC,A
I2
R3
R2
C¥
UB’
IB
U3 C
¥
UCE,A
I1
Ue
R1
Ua
R4
U4
Abb. 5.9. Verstärkerschaltung mit 4-Widerstandsnetzwerk
a. Beschreiben Sie die Funktion der vier Widerstände R1 bis R4 .
b. Dimensionieren Sie die Schaltung so, dass sich ein Arbeitspunkt von
IC,A = 4 mA und UCE,A = 8 V einstellt.
c. Ersetzen Sie die berechneten Widerstandswerte durch geeignete Werte aus
der Normreihe E12 (s. Tabelle 12.2 im Anhang). Welcher Arbeitspunkt
stellt sich nun ein?
Lösung zu a. Funktion der Widerstände R1 bis R4
5.2.1
Die Widerstände R1 und R2 bilden den sog. Basisspannungsteiler, mit dem die
Basisspannung UB eingestellt wird. Sind die Ströme durch die Widerstände
R1 und R2 groß gegenüber dem Basisstrom IB , so kann der Basisspannungsteiler als unbelastet und somit die Spannung UB als konstant angenommen
werden.
Der Kollektorwiderstand R3 dient als Lastwiderstand der Schaltung. Wird
am Eingang der Schaltung die Spannung Ue erhöht, so erhöht sich auch die
Basis-Emitter-Spannung des Transistors und damit der Kollektorstrom. Die
Änderung des Kollektorstromes bewirkt dann eine entsprechende Änderung
der Spannung über dem Lastwiderstand R3 und damit der Ausgangsspannung.
5.2 Arbeitspunkteinstellung mit 4-Widerstandsnetzwerk
95
Die Größe des Lastwiderstandes beeinflusst somit gleichzeitig die Ausgangsspannung der Schaltung im Arbeitspunkt und die Spannungsverstärkung.
Die Größe des Widerstandes R4 bestimmt die Größe des Kollektorstromes,
da über R4 die mittels der Widerstände R1 und R2 eingestellte Spannung UB ,
vermindert um die Basis-Emitter-Spannung von etwa 0, 7 V, abfällt. Gleichzeitig wirkt R4 stabilisierend auf den Arbeitspunkt. Erhöht sich beispielsweise der Kollektorstrom IC durch Temperaturerhöhung um den Betrag ΔIC ,
so steigt der Emitterstrom IE näherungsweise um den gleichen Betrag an.
Dadurch kommt es zu einem Anstieg der Spannung U4 über dem Emitterwiderstand. Da die Spannung UB durch den Basisspannungsteiler konstant
gehalten wird, hat der Anstieg von U4 eine Verringerung der Basis-EmitterSpannung des Transistors zur Folge. Dies führt zu einer Verringerung des Basisstromes, was wiederum dem Anstieg des Kollektorstromes entgegenwirkt.
Das Wegdriften des Arbeitspunktes aufgrund der Temperaturerhöhung wird
durch den beschriebenen Gegenkopplungsmechanismus somit verhindert, der
Arbeitspunkt bleibt weitgehend stabil.
Durch die Gegenkopplung mittels R4 wird jedoch auch die Verstärkung der
Schaltung deutlich verringert. Ist dies nicht erwünscht, kann parallel zu R4
ein Kondensator geschaltet werden, so dass der Widerstand nur für sehr niederfrequente Vorgänge (z.B. Temperaturänderungen) wirksam ist, für höhere
Frequenzen (z.B. Audiosignale) hingegen quasi kurzgeschlossen ist.
Lösung zu b. Schaltungsdimensionierung
Bei der Dimensionierung der Schaltung beginnen wir zweckmäßigerweise mit
dem Widerstand R4 . Da in der Aufgabenstellung keine anderen Angaben gemacht sind, wählen wir die über diesem Widerstand abfallende Spannung
gemäß dem Lehrbuch, Abschn. 5.2.1 zu
U4 = 1 V .
(5.13)
Aufgrund der großen Stromverstärkung des Transistors ist −IE ≈ IC und
somit ergibt sich aus dem gegebenen Wert des Kollektorstromes im Arbeitspunkt für den Emitterwiderstand
U4
U4
≈
−IE,A
IC,A
= 250 Ω .
R4 =
(5.14)
Mit dem ebenfalls gegebenen Wert der Kollektor-Emitter-Spannung im Arbeitspunkt ergibt sich damit für die Spannung über dem Kollektorwiderstand
U3 = UB − U4 − UCE,A = 18 V − 1 V − 8 V = 9 V .
Damit können wir den Kollektorwiderstand berechnen und erhalten
(5.15)
5.4.2
96
5 Der Transistor als Verstärker
U3
IC,A
= 2, 25 kΩ .
R3 =
(5.16)
Zur Dimensionierung des Basisspannungsteilers wenden wir die Regel an, dass
die Ströme I1 und I2 etwa um den Faktor 10 größer sein sollen als der
Basisstrom, damit der Spannungsteiler näherungsweise unbelastet ist. Mit
IB,A = IC,A /BN = 26, 7 μA erhalten wir somit für die Ströme durch die
Widerstände R1 und R2
I1 = I2 = 10IB,A = 267 μA .
(5.17)
Der Spannungsabfall über dem Widerstand R1 ergibt sich aus dem bereits
festgelegten Wert von U4 und der Basis-Emitter-Spannung des Transistors,
die wir mit UBE,A ≈ 0, 7 V annähern. Die Masche im Basis-Emitter-Kreis
liefert dann
UBE,A + U4
I1
= 6, 37 kΩ .
R1 =
(5.18)
Für den Widerstand R2 erhalten wir unter Vernachlässigung des Basisstromes
mit I2 = UB /(R1 + R2 )
UB
− R1
I2
= 61 kΩ .
R2 =
(5.19)
Lösung zu c. Arbeitspunktberechnung
Die in Teilaufgabe b. berechneten Widerstandswerte werden durch geeignete
Werte aus der Normreihe E12 ersetzt: R1 = 6, 8 kΩ, R2 = 56 kΩ, R3 = 2, 2 kΩ
und R4 = 270 Ω. Bei Vernachlässigung des Basisstromes gilt dann
UB = UB
R1
6, 8 kΩ
= 1, 95 V .
= 18 V
R1 + R2
6, 8 kΩ + 56 kΩ
(5.20)
Mit UBE,A ≈ 0, 7 V ergibt sich für die Spannung über dem Emitterwiderstand
U4 = UB − UBE,A = 1, 25 V .
(5.21)
Daraus folgt schließlich für den Kollektorstrom im Arbeitspunkt
U4
1, 25 V
=
R4
270 Ω
= 4, 63 mA .
IC,A ≈ IE,A =
Für die Kollektor-Emitter-Spannung erhalten wir
(5.22)
5.3 Stromspiegel mit npn-Bipolartransistoren
UCE,A = UB − IC,A R3 + IE,A R4 ≈ UB − IC,A (R3 + R4 )
= 6, 56 V .
97
(5.23)
Der sich durch die Verwendung von Widerstandswerten aus der Normreihe
E12 ergebende Arbeitspunkt weicht deutlich von den in der Aufgabenstellung
geforderten Werten (IC,A = 4, 0 mA, UCE,A = 8, 0 V) ab.
PSpice: 5 4-Widerstandsnetzwerk
In Tabelle 5.1 sind die Ergebnisse der Arbeitspunktberechnung und der
PSpice-Simulation einander gegenübergestellt. Die Unterschiede sind in erster
Linie darauf zurückzuführen, dass bei der Berechnung von einem unbelasteten
Basisspannungsteiler ausgegangen wurde, während bei der Simulation die Belastung des Spannungsteilers durch den Basisstrom mit berücksichtigt wurde,
was zu geringeren Spannungen UB und U4 , und somit auch zu einem geringeren Kollektorstrom IC,A und zu einer größeren Kollektor-Emitter-Spannung
UCE,A führt.
Tabelle 5.1. Gegenüberstellung der Ergebnisse aus Simulation und Berechnung
UB U4
IC,A
UCE,A
PSpice-Simulation
1, 80 V
1, 10 V
4, 06 mA
7, 98 V
Berechnung
1, 95 V
1, 25 V
4, 63 mA
6, 56 V
5.3 Stromspiegel mit npn-Bipolartransistoren
Aufgabenstellung
Gegeben sei die in Abb. 5.10 gezeigte Stromspiegelschaltung, mit der ein nahezu konstanter Strom I0 durch den Transistor T2 eingestellt werden kann.
Beide Transistoren weisen die gleiche Early-Spannung UAN und die gleiche
Stromverstärkung BN auf. Die Transfersättigungsströme IS1 und IS2 der beiden Transistoren seien zunächst beliebig. Die Spannung UB− sei gleich −10 V.
98
5 Der Transistor als Verstärker
U0
Iref
I0
T1
UBE
T2
UBAbb. 5.10. Stromspiegelschaltung mit npn-Bipolartransistoren
a. Bestimmen Sie aus der Schaltung und den Transistorgleichungen die
Beziehung zwischen dem Strom I0 und dem Referenzstrom Iref in
Abhängigkeit von IS1 und IS2 , BN , UAN sowie der Basis-KollektorSpannung UBC,2 , wenn die Spannung U0 so groß ist, dass der Transistor
T2 im normalen Verstärkerbetrieb arbeitet. Berücksichtigen Sie hierbei,
dass die Basisströme der beiden Transistoren nicht vernachlässigt werden
dürfen und dass für die Basis-Emitter-Spannungen auch nicht die Näherung UBE ≈ 0, 7 V verwendet werden darf.
b. Wie vereinfacht sich die in Teilaufgabe a. gefundene Beziehung für sehr
große Werte von BN ?
c. Stellen Sie mit Hilfe der in Teilaufgabe b. ermittelten Beziehung den
Strom I0 in Abhängigkeit von der Spannung U0 dar. Vernachlässigen Sie
hierbei die Basis-Emitter-Spannung UBE gegenüber der betragsmäßig
großen Spannung UB− .
d. Skizzieren Sie den Verlauf I0 = f (U0 ) für Iref = 1 mA, UAN = 75 V und
IS1 = IS2 .
e. Welche Vorteile bringt die Verwendung eines Stromspiegels bei der Arbeitspunkteinstellung gegenüber einem Widerstandsnetzwerk?
Lösung zu a. Berechnung des Stromes I0
Aus der Schaltung in Abb. 5.10 ergibt sich, dass der Transistor T1 stets im
normalen Verstärkerbetrieb arbeitet, da der Basis-Kollektor-Übergang wegen
UBC = 0 V nicht in Durchlassrichtung gelangen kann. Da der Strom Iref in
den linken Zweig der Schaltung eingeprägt ist, stellt sich damit eine BasisEmitter-Spannung UBE ein, die gleichzeitig an dem Transistor T2 anliegt.
5.3 Stromspiegel mit npn-Bipolartransistoren
99
Dieser arbeitet ebenfalls im normalen Verstärkerbetrieb, da gemäß Aufgabenstellung die Spannung U0 zunächst hinreichend groß ist.
Zur Bestimmung des Stromes in dem rechten Zweig der Schaltung ergibt
sich zunächst aus der Knotengleichung
Iref = IC,1 + IB,1 + IB,2 = IC,1 +
IC,1
IC,2
+
.
BN
BN
(5.24)
Unter Berücksichtigung des Early-Effektes lässt sich der Kollektorstrom von
T2 mit Hilfe von (3.3) berechnen und wir erhalten
q
UBC,2
UBE − 1 1 −
.
(5.25)
IC,2 = IS2 exp
kT
UAN
Durch Umstellen und mit IC,2 = I0 erhält man den Ausdruck
−1
q
I0
UBC,2
exp
UBE − 1 =
.
1−
kT
IS2
UAN
(5.26)
Der Kollektorstrom von T1 berechnet sich auf die gleiche Weise wie IC,2 .
Wegen UBC,1 = 0 tritt der Early-Effekt jedoch nicht auf und wir erhalten den
vereinfachten Ausdruck
q
(5.27)
UBE − 1 .
IC,1 = IS1 exp
kT
Durch Einsetzen von (5.25) und (5.27) in (5.24) ergibt sich
q
1
IS2
UBC,2
Iref = exp
UBE − 1 IS1 1 +
+
1−
. (5.28)
kT
BN
BN
UAN
Mit (5.26) erhalten wir daraus schließlich nach einigen Umformungen die gesuchte Beziehung
UBC,2
IS2 1 −
UAN
.
I0 = Iref
(5.29)
1
IS2
UBC,2
IS1 1 +
+
1−
BN
BN
UAN
Lösung zu b. Näherung für sehr große Werte von BN
Für BN → ∞ vereinfacht sich die abgeleitete Beziehung (5.29) zu
IS2
UBC,2
I0 = Iref
1−
.
IS1
UAN
(5.30)
Sind also die Stromverstärkungen der Transistoren hinreichend groß, so hängt
das Verhältnis der Ströme durch die beiden Zweige der Schaltung lediglich
5.3.1
3.2.5
100
5 Der Transistor als Verstärker
von dem Verhältnis der Transfersättigungsströme der Transistoren und der
am Transistor T2 anliegenden Basis-Kollektor-Spannung ab. Letztere bewirkt
dabei den Early-Effekt, der mit zunehmender Basis-Kollektor Sperrspannung
von T2 zu einem größer werdendem Strom I0 führt. Vernachlässigt man diesen Einfluss, ergibt sich zwischen den Stromen Iref und I0 der sehr einfache
Zusammenhang
IS2
.
(5.31)
I0 = Iref
IS1
Lösung zu c. Abhängigkeit des Stromes I0 von der Spannung U0
Die Abhängigkeit des Stromes I0 von der Spannung U0 erhalten wir, wenn wir
in der abgeleiteten Beziehung (5.30) die Spannung UBC durch U0 ausdrücken.
Der entsprechende Zusammenhang ergibt sich direkt aus der Schaltung in
Abb. 5.10. Wir erhalten
UBC,2 = UBE + UB− − U0 .
(5.32)
Unter der Voraussetzung, dass U0 deutlich größer ist als UB− , können wir die
Basis-Emitter-Spannung in dem Ausdruck vernachlässigen, d.h. es gilt
UBC,2 ≈ UB− − U0 .
Durch Einsetzen von (5.33) in (5.30) erhalten wir schließlich
IS2
U0 − UB−
I0 = Iref
1+
IS1
UAN
(5.33)
(5.34)
in Analogie zu dem Lehrbuch, Abschn. 5.3.1. Diese Beziehung gilt nach den
getroffenen Annahmen unter der Voraussetzung, dass die Spannung U0 groß
genug ist, damit der Transistor T2 im normalen Verstärkerbetrieb arbeitet.
Lösung zu d. Skizze des Verlaufes I0 = f (U0 )
Mit Iref = 1 mA, UAN = 75 V und IS1 = IS2 sowie UB− = −10 V erhalten
wir aus (5.34) die Beziehung
U0 + 10 V
U0
.
(5.35)
I0 = 1 mA 1 +
= 1, 133 mA +
75 V
75 kΩ
Diese Gleichung beschreibt eine Gerade mit der Steigung
dI0
1
1
,
=
=
dU0
r0
75 kΩ
(5.36)
wobei der differentielle Widerstand r0 der Ausgangswiderstand des Transistors
T2 ist. Nähert sich die Spannung U0 jedoch der Spannung UB− = −10 V, so
5.3 Stromspiegel mit npn-Bipolartransistoren
101
gelangt der Basis-Kollektor-Übergang von T2 in Durchlasspolung und T2 geht
in den Sättigungsbetrieb. Dies tritt etwa bei der Spannung U0 = UB− + UBE
auf, d.h. bei einer Spannung von etwa U0 = −9, 3 V. Für kleinere Spannungen
fällt der Strom I0 dann stark ab und die abgeleitete Beziehung (5.35) verliert
ihre Gültigkeit. An der Stelle U0 = −10 V ist die Kollektor-Emitter-Spannung
über dem Transistor T2 dann null und der Strom durch den Transistor verschwindet ganz. Trägt man den Strom I0 über der Spannung U0 auf, so ergibt
sich der in Abb. 5.11 gezeigte Verlauf.
I0
1mA
-10V
Steigung 1/r0
dU0
dI0
0V
U0
Abb. 5.11. Ausgangskennlinie des Stromspiegels nach Abb. 5.10
PSpice: 5 npn-Stromspiegel
Lösung zu e. Stromspiegel vs. Widerstandsnetzwerk
Da Stromspiegel aus Transistoren aufgebaut sind, kann bei der Verwendung
von Stromspiegeln zur Arbeitspunkteinstellung auf Widerstände verzichtet
werden. Dies ist insbesondere bei integrierten Schaltungen von Bedeutung,
da sich Widerstände in integrierten Schaltungen nur ungenau dimensionieren
lassen und zudem viel Platz beanspruchen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich durch den Einsatz von Stromspiegeln
zur Arbeitspunkteinstellung höhere Verstärkungen erreichen lassen als bei der
Verwendung eines Widerstandsnetzwerkes. Dies liegt darin begründet, dass
die Spannungsverstärkung bei einer Emitterschaltung näherungsweise gleich
dem Produkt aus der Steilheit und der Last des Transistors ist (vgl. Lehrbuch, Abschn. 5.4.2). Dieses Produkt kann jedoch nicht beliebig groß werden,
da eine größere Steilheit des Transistors einen höheren Kollektorruhestrom
bedingt und das Produkt aus Kollektorruhestrom und Kollektorwiderstand,
d.h. der Spannungsabfall über dem Kollektorwiderstand, nicht größer werden
kann als die Betriebsspannung. Mit einem Stromspiegel hingegen kann der
Ruhestrom durch eine Verstärkerschaltung praktisch beliebig eingestellt werden; gleichzeitig besitzt der Stromspiegel einen hohen Ausgangswiderstand,
der bei der Schaltung nach Abb. 5.10 allein durch den Ausgangswiderstand
des Transistors T2 gegeben ist.
5.4.4
102
5 Der Transistor als Verstärker
5.4 Verstärker mit npn-Bipolartransistor
Aufgabenstellung
Gegeben sei die in Abb. 5.12 gezeigte Verstärkerschaltung mit den Betriebsspannungen UB+ = 5 V und UB− = −5 V. Folgende Daten seien bekannt:
• Transistor: βN = 130, UAN = 75 V.
• Widerstände: Re = 330 Ω, R1 = 240 kΩ, R2 = 10 kΩ, R3 = 16 kΩ sowie
Ra = 220 kΩ.
• Die Kapazitäten C1 = C2 = C3 seien hinreichend groß, so dass ihre Wirkung auf das Übertragungsverhalten vernachlässigt werden kann.
• Die parasitären Kapazitäten des Transistors seien vernachlässigbar.
UB+
R2 C
2
Re
C1
T1
Ue
C3
Ra
Ua
R1
R3
UB-
Abb. 5.12. Verstärkerschaltung mit npn-Bipolartransistor
a. Zeichnen Sie die Gleichstromersatzschaltung der Verstärkerschaltung
und berechnen Sie den Arbeitspunkt unter Vernachlässigung des EarlyEffektes.
b. Geben Sie das Kleinsignalersatzschaltbild der Verstärkerschaltung an
und berechnen Sie die Spannungsverstärkung.
c. Bestimmen Sie den Ein- und Ausgangswiderstand der Schaltung.
Lösung zu a. Gleichstromersatzschaltung, Arbeitspunkt
Die Gleichstromersatzschaltung ergibt sich aus der Betrachtung der Schaltung
nach Abb. 5.12 für den Gleichstromfall. Die Kapazitäten können in diesem
Fall durch Leerläufe ersetzt werden und wir erhalten die in Abb. 5.13 gezeigte
5.4 Verstärker mit npn-Bipolartransistor
103
UB+
R2
R1
T1
R3
UB-
Abb. 5.13. Gleichstromersatzschaltbild der Verstärkerschaltung nach Abb. 5.12
Schaltung. Aus der Masche im Eingangskreis der Gleichstromersatzschaltung
ergibt sich
(5.37)
IB,A R1 + UBE,A − IE,A R3 + UB− = 0 .
Daraus erhalten wir mit IE = −(BN + 1)IB
IB,A = −
UB− + UBE,A
.
R1 + (BN + 1)R3
(5.38)
Wegen (3.10) ist BN ≈ βN = 130 und mit UBE,A ≈ 0, 7 V ergibt sich schließlich
−5 V + 0, 7 V
240 kΩ + (130 + 1)16 kΩ
= 1, 84 μA
IB,A = −
(5.39)
und
IC,A = BN IB,A
= 239 μA .
(5.40)
Mit dem Emitterstrom IE,A = −(BN +1)IB,A = −241 μA lässt sich schließlich
die Kollektor-Emitter-Spannung der Schaltung im Arbeitspunkt berechnen.
Aus der Masche im Ausgangskreis der Schaltung nach Abb. 5.13 ergibt sich
UCE,A = UB+ − IC,A R2 + IE,A R3 − UB−
= 3, 75 V .
(5.41)
Lösung zu b. Kleinsignalersatzschaltung, Spannungsverstärkung
Die Kleinsignalersatzschaltung erhalten wir, indem wir die Kapazitäten und
die Gleichspannungsquellen kurzschließen und anschließend den Transistor
durch dessen Kleinsignalersatzschaltbild (s. Abb. 3.10) ersetzen. Für die gegebene Schaltung führt dies auf die in Abb. 5.14 dargestellte Ersatzschaltung.
5.4.1
104
5 Der Transistor als Verstärker
Bipolartransistor T1
Re
rp
R1
ue
gm uBE
uBE
r0
R2
Ra
ua
Raus
Rein
Abb. 5.14. Kleinsignalersatzschaltbild der Verstärkerschaltung nach Abb. 5.12
Da bei den hier durchgeführten Betrachtungen das Frequenzverhalten nicht
von Interesse ist, können die parasitären Kapazitäten des Transistors vernachlässigt werden.
Aus dieser Schaltung können nun die Übertragungseigenschaften im Arbeitspunkt, wie z.B. die Spannungsverstärkung, bestimmt werden. Dazu bilden wir zunächst die Masche im Ausgangskreis und erhalten
ua = −gm uBE (r0 //R2 //Ra ) .
Mit
uBE = ue
R1 //rπ
Re + (R1 //rπ )
(5.42)
(5.43)
ergibt sich daraus für die Spannungsverstärkung der Schaltung der Ausdruck
Au =
ua
R1 //rπ
.
= −gm (r0 //R2 //Ra )
ue
Re + (R1 //rπ )
(5.44)
Mit Hilfe von (3.9), (3.11) und (3.12) können wir nun die Kleinsignalparameter
des Transistors bestimmen. Dies führt auf
q
IC,A
239 μA
IC,A =
= 9, 2 mS
=
kT
UT
26 mV
(5.45)
βN
130
= 14, 1 kΩ
=
gm
9, 2 mS
(5.46)
UAN + UCE,A
75 V + 3, 75 V
= 330 kΩ .
=
IC,A
239 μA
(5.47)
gm =
sowie
rπ =
und
r0 =
Einsetzen der Zahlenwerte in (5.44) ergibt schließlich eine Spannungsverstärkung von
Au = −83
(5.48)
in guter Übereinstimmung mit dem Ergebnis der PSpice-Simulation.
PSpice: 5 Verstaerkerschaltung
5.4 Verstärker mit npn-Bipolartransistor
105
Lösung zu c. Ein- und Ausgangswiderstand
Der Ein- und Ausgangswiderstand der Verstärkerschaltung kann direkt aus
dem Kleinsignalersatzschaltbild (Abb. 5.14) abgelesen werden. Wir erhalten
5.4.2
Rein = R1 //rπ
= 13, 3 kΩ
(5.49)
Raus = R2 //r0
= 9, 7 kΩ .
(5.50)
und