Transistor als Verstärker

Das Wesen von Verstärkern

(Bild 1)
Allgemein sind Verstärker elektronische Baugruppen, die ein schwaches elektrisches Signal in ein stärkeres elektrisches Signal umwandeln. Die wesentliche physikalische Größe ist dabei die Leistung des Signals, die erhöht werden soll. Dies kann durch Spannungsverstärkung und Stromverstärkung geschehen. Verstärker benötigen Hilfsenergie für ihren Betrieb, da sie nach dem Energieerhaltungssatz die Leistungserhöhung nur durch Zufuhr einer äußeren Energie bewirken können.

Aufbau und Wirkungsweise einer Emitterschaltung als Verstärkerschaltung

Bild 2 zeigt eine Verstärkerschaltung, bei der ein Transistor in Emitterschaltung genutzt wird. Um die statische (gleichstrommäßige) Einstellung des Arbeitspunktes nicht zu beeinflussen, führt man das zu verstärkende Wechselspannungssignal über einen Kondensator an die Basis heran. Ebenso wird das verstärkte Ausgangssignal über einen Kondensator abgegriffen. Diese Kondensatoren stellen Wechselstromwiderstände dar, an denen Spannungsabfälle der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung auftreten. Damit diese für die verschiedenen Frequenzen nicht zu unterschiedlich hohen Spannungsverstärkungen führen, setzt man große Kapazitäten ein. Das verstärkte Signal wird dann einem Lastwiderstand $R_{\text{L}}$zugeführt.

In elementarer Weise ergibt sich die Verstärkerwirkung von Bipolartransistoren aus der in Bild 3 dargestellten Kennlinie: Eine kleine Änderung der Basisstromstärke ruft eine große Änderung der Kollektorstromstärke hervor. Der Quotient aus der Änderung der Kollektorstromstärke und der Änderung der zugehörigen Basisstromstärke wird als Stromverstärkung B bezeichnet:
$\begin{array}{l}B=\frac{\Delta I_{\text{C}}}{\Delta I_{\text{B}}}\\ I_{\text{C}}\text{Kollektorstromstärke}\\ I_{\text{B}}\text{Basisstromstärke}\end{array}$
Bei dem Transistor, dessen Kennlinie in Bild 3 dargestellt ist, beträgt die Stromverstärkung B = 100. Das ist ein durchschnittlicher Wert.

Klarer und vollständiger ergeben sich die Verhältnisse, wenn man das gesamte Kennlinienfeld betrachtet und dort den zeitlichen Verlauf der Signale darstellt (Bild 4).
Aus dem Kennlinienfeld des verwendeten Transistors lassen sich alle Werte zur Berechnung der Spannungsverstärkung $V_U$ entnehmen. Für diese Spannungsverstärkung gilt:
$V_{\text{U}}=-R_{\text{C}}\cdot B\cdot \frac{1}{r_{\text{be}}}$
Aus dem Ausgangskennlinienfeld lässt sich aus der Betriebsspannung (32 V) und dem gewählten Arbeitspunkt (16 V / 25 mA) die Steigung der Widerstandsgeraden, also $R_{\text{C}}$ ermitteln. Es ergibt sich der Wert $R_{\text{C}}=640\Omega$.
Aus der Übertragungskennlinie entnimmt man B = 125 und aus der Eingangskennlinie erhält man für den differenziellen Eingangswiderstand $r_{\text{be}}={(\frac{\Delta U_{\text{BE}}}{\Delta I_{\text{B}}})}_{\text{A}}=\frac{\mathrm{12,5}\text{mV}}{150\text{μA}}\approx 83\Omega$.
Dieser Wert ist natürlich vom Eingangsgleichstromwiderstand $R_{\text{BE}}=\frac{\mathrm{0,7}\text{V}}{200\text{μA}}=\mathrm{3,5}\text{kΩ}$
wesentlich verschieden. Berechnet man mit diesen Werten die Spannungsverstärkung, erhält man
$V_U\approx -680\Omega \cdot 125\cdot \frac{1}{83\Omega }\approx -\mathrm{1024,}$
also eine gute Übereinstimmung mit dem aus der Grafik ermittelten Wert. Der Hauptanteil der Abweichung wird durch den Wert des Kollektorwiderstandes ausgelöst, da man in einer Schaltung nur tatsächlich verfügbare Widerstände (nach E-Reihen) einsetzen kann.
Ein weiterer triftiger Grund für die Abweichung liegt in der Annahme, dass die für die Berechnung der Verstärkung als linear angenommenen Teile der Eingangs- und Übertragungskennlinie in Wahrheit z.T. erhebliche Abweichungen von der Linearität besitzen.

Die Verstärkungen beim Transistor lassen sich mithilfe folgender Gleichungen berechnen:
$\begin{array}{l}\text{Stromverstärkung}:B=\frac{\Delta I_{\text{C}}}{\Delta I_{\text{B}}}\\ I_{\text{C}}\text{Kollektorstromstärke}\\ I_{\text{B}}\text{Basisstromstärke}\\ \text{Spannungsverstärkung:}{V}_U=\frac{\Delta U_{\text{C}}}{\Delta U_{\text{BE}}}\\ U_{\text{C}}\text{Kollektorspannung}\\ U_{\text{BE}}\text{Basis-Emitter-Spannung}\\ \text{Leistungsverstärkung:}V=B\cdot V_U\end{array}$

Ein einfacher Mikrofonverstärker

Ein einfacher Mikrofonverstärker kann den in Bild 5 gezeigten Aufbau haben. Durch die Wahl der Widerstände $R_1\text{und}{R}_2$ wird die Basis-Emitter-Spannung $U_{\text{BE}}$ und damit die Basisstromstärke $I_{\text{B}}$ so eingestellt, dass ein mittlerer Kollektorstrom $I_{\text{C}}$ durch den Lautsprecher fließt. Dieser hält die Membran des Lautsprechers zunächst in Ruhestellung.
Gelangt Schall auf das Mikrofon, so ändert sich der Widerstand des Mikrofons und damit die Basisstromstärke. Mit der Basisstromstärke ändert sich im Transistor auch die Kollektorstromstärke. Bei einem Transistor führt eine kleine Änderung der Basisstromstärke zu einer großen Änderung der Kollektorstromstärke. Somit kann ein schwaches elektrisches Signal in ein starkes umgewandelt werden.
Damit der Verstärker nicht verzerrt, müssen die Widerstände $R_1\text{und}{R}_2$ so gewählt werden, dass die Basis-Emitter-Spannung nicht kleiner als die Schwellenspannung wird. Dann nämlich würden Teile des Eingangssignals nicht zu einer Änderung der Kollektorstromstärke führen.

Mehrstufige Verstärker

Das Grundprinzip mehrstufiger Verstärker besteht darin, das bereits verstärkte Signal als Eingangssignal auf eine weitere Verstärkerstufe zu nehmen und nochmals zu verstärken.
Die grundsätzlichen Probleme lassen sich bereits an einem zweistufigen Verstärker erläutern, so wie er in Bild 6 dargestellt ist.
Die Signalquelle wird durch den Eingangswiderstand der 1. Verstärkerstufe belastet. Wie man von Spannungsquellen mit Innenwiderstand weiß, geben sie an den Lastwiderstand eine maximale Leistung ab, wenn sein Wert so groß wie der des Innenwiderstandes der Quelle ist (Widerstandsanpassung).
Eine weitere zu beachtende Forderung ist die, alle Frequenzen der Signalquelle in gleicher Weise zu übertragen. Das ist wegen der sogenannten Bandbreite b ( = Differenz aus der höchsten und tiefsten Frequenz, für die die Spannungsverstärkung den gleichen Wert hat) nicht ohne Weiteres möglich.
Es gilt die Beziehung, dass das Produkt aus Bandbreite und Spannungsverstärkung konstant ist. Eine hohe Bandbreite ergibt nur eine geringe Spannungsverstärkung.

Hinzu kommt die Tatsache, dass der Ausgangswiderstand eines Verstärkers im Allgemeinen einen völlig anderen Wert als dessen Eingangswiderstand hat. Aus diesen Gründen müssen in den aufeinanderfolgenden Stufen Kompromisse eingegangen werden.

In den ersten Stufen einer Verstärkerkette kommt es vor allem auf eine insgesamt hohe Spannungsverstärkung an. Da hier nur kleine Leistungen auftreten, ist der Wirkungsgrad unerheblich.
Dagegen hat die Endstufe einer Verstärkerkette die Aufgabe, eine möglichst hohe Ausgangsleistung zu erzeugen. Hier ist natürlich ein möglichst hoher Wirkungsgrad anzustreben. Die Spannungsverstärkung dieser Stufe kann klein bleiben, denn die Vorstufen haben bereits ein genügend großes Eingangssignal bereitgestellt.

Wie man erkennt, haben die Kopplungsstufen also die wichtige Aufgabe zu lösen, die richtige Anpassung und Übertragungsbandbreite zu sichern. Wegen der Vielfalt der Anforderungen gibt es deshalb auch eine größere Zahl von Problemlösungen, welche diesen Bedingungen angepasst sind:

• galvanische Kopplung (vor allem in integrierten Schaltkreisen)
• kapazitive Kopplung
• induktive Kopplung
• Optokopplung.