Emitterwiderstand
Ziel einer Wechselstrom-(AC)-Signalverstärkerschaltung ist es, die DC-vorgespannte Eingangsspannung zum Verstärker zu stabilisieren und damit nur das benötigte AC-Signal zu verstärken.
Diese Stabilisierung wird durch den Einsatz eines Emitterwiderstands erreicht, der die erforderliche automatische Vorspannung für den Common Emitterverstärker bereitstellt. Um dies etwas näher zu erläutern, schauen Sie sich bitte die folgende einfache Verstärkerschaltung.
Basis Common Emitter-Verstärkerschaltung
Die gezeigte Emitter-Verstärkerschaltung verwendet ein Spannungsteiler-Netzwerk, um die Transistorbasis vorzuspannen, und die Common Emitter-Konfiguration ist sehr beliebt für die Entwicklung von bipolaren Transistor-Verstärkerschaltungen. Ein wichtiges Merkmal dieser Schaltung ist, dass ein beträchtlicher Teil des Stroms in die Basis des Transistors fließt.
Die Spannung am Übergang der beiden Vorspannwiderstände R1 und R2 ist die Basisspannung der Transistoren, VB bei konstanter Spannung und proportional zur Versorgungsspannung, Vcc. Beachten Sie, dass VB die von der Basis zur Erde gemessene Spannung ist, der tatsächliche Spannungsabfall über R2.
Diese Verstärkerschaltung vom Typ „Class-A“ ist immer so ausgelegt, dass der Basisstrom ( Ib ) weniger als 10% des durch den Vorspannungswiderstand R2 fließenden Stroms beträgt. Wenn wir zum Beispiel einen Ruhestrom von 1mΑ benötigen, ist der Basisstrom, IB etwa ein Hundertstel davon, oder 10μΑ. Daher muss der Strom, der durch den Widerstand R2 des Potentialteilernetzes fließt, mindestens das 10-fache dieses Wertes betragen, oder 100μΑ.
Der Vorteil eines Spannungsteilers liegt in seiner Stabilität. Da der von R1 und R2 gebildete Spannungsteiler leicht belastet ist, lässt sich die Basisspannung Vb leicht mit Hilfe der einfachen Spannungsteilerformel wie dargestellt berechnen.
Spannungsteilergleichung
Bei dieser Art der Vorspannung wird das Spannungsteilernetz jedoch nicht durch den Basisstrom belastet, da dieser zu klein ist, so dass sich bei Änderungen der Versorgungsspannung Vcc auch der Spannungspegel an der Basis proportional ändert. Also ist eine Form der Spannungsstabilisierung der Transistoren-Basisvorspannung oder des Q-Punktes erforderlich.
Emitterwiderstand Stabilisierung
Die Vorspannung des Verstärkers kann stabilisiert werden, wenn ein einzelner Widerstand in die Emitter-Schaltung des Transistors gelegt wird. Dieser Widerstand wird als Emitterwiderstand, RE, bezeichnet. Das Hinzufügen des Emitterwiderstands bedeutet, dass der Emitteranschluss der Transistoren nicht mehr geerdet ist oder auf Null-Volt-Potential liegt, sondern auf einem kleinen Potential, das durch die Ohmsche Gleichung gegeben ist: VE = IE x RE. Wobei: IE der aktuelle Emitterstrom ist.
Steigt nun die Versorgungsspannung Vcc, so steigt auch der Kollektorstrom Ic der Transistoren bei gegebenem Lastwiderstand. Steigt der Kollektorstrom, muss auch der entsprechende Emitterstrom ansteigen, wodurch der Spannungsabfall über RE größer wird und die Basisspannung steigt, da VB = VE + VBE
Da die Basis durch die Teilerwiderstände R1 und R2 konstant gehalten wird, wird die Gleichspannung an der Basis relativ zum Emitter Vbe gesenkt, wodurch der Basisstrom reduziert wird und der Kollektorstrom nicht ansteigt. Eine ähnliche Reaktion tritt in, wenn die Versorgungsspannung und der Kollektorstrom sinken.
Mit anderen Worten, die Addition dieses Emitterwiderstands hilft, die Basisvorspannung der Transistoren mittels negativer Rückkopplung zu steuern, wodurch jeder Versuch den Kollektorstrom zu ändern mit einer gegenläufigen Änderung der Basisvorspannung aufgehoben wird und die Schaltung tendenziell auf einem festen Pegel stabilisiert wird.
Da ein Teil der Versorgung über RE abfällt, sollte ihr Wert so klein wie möglich sein, damit die größtmögliche Spannung über den Lastwiderstand, RL und damit den Ausgang entwickelt werden kann. Der Wert darf jedoch nicht zu klein sein, da sonst die Instabilität der Schaltung wieder einmal leidet.
Der durch den Emitterwiderstand fließende Strom berechnet sich als:
Emitter Widerstandsstrom
Als Faustregel gilt in der Regel, dass der Spannungsabfall über diesen Emitterwiderstand: VB - VBE, oder ein Zehntel (1/10) des Wertes der Versorgungsspannung, Vcc, ist. Ein gemeinsamer Wert für die Emitterwiderstandsspannung liegt zwischen 1 und 2 Volt, je nachdem, welcher Wert niedriger ist. Der Wert des Emitterwiderstandes, RE kann auch aus der Verstärkung ermittelt werden, da nun die Wechselspannungsverstärkung gleich RL / RE ist.
Emitterwiderstand Beispiel Nr.1
Ein Common Emitterverstärker hat folgende Eigenschaften, β = 100, Vcc = 30V und RL = 1kΩ. Wenn die Verstärkerschaltung einen Emitterwiderstand verwendet, um ihre Stabilität zu verbessern, berechnen Sie diesen Widerstand.
Der Ruhestrom des Verstärkers, ICQ ist:
Der Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand liegt in der Regel zwischen 1 und 2 Volt, so dass ein Spannungsabfall VE von 1,5 Volt angenommen werden kann.
Damit wird der Wert des für die Verstärkerschaltung erforderlichen Emitterwiderstandes: 100Ω, und die endgültige Common Emitter-Schaltung sieht folgendermaßen aus:
Finaler Common Emitter Verstärker
Die Verstärkung der Verstärkerstufe kann bei Bedarf ebenfalls ermittelt werden und ist:
Emitter-Bypass-Kondensator
Im obigen Basis-Rückführkreis, erfüllt der Emitterwiderstand, RE zwei Funktionen: negative DC Rückkopplung für stabile Vorspannung und negative AC Rückkopplung für Signaltranskonduktanz und Spannungsverstärkung. Da der Emitterwiderstand jedoch ein Rückkopplungswiderstand ist, reduziert er auch die Verstärkung des Verstärkers aufgrund von Schwankungen des Emitterstroms IE aufgrund des AC-Eingangssignals.
Um dieses Problem zu lösen, wird ein Kondensator, „Emitter Bypass-Kondensator“ CE genannt, über den Emitterwiderstand wie abgebildet angeschlossen. Dieser Bypass-Kondensator bewirkt, dass der Frequenzgang des Verstärkers bei einer bestimmten Grenzfrequenz, ƒc, abbricht und die Signalströme (daher der Name) gegen Masse leitet.
Da es sich um einen Kondensator handelt, erscheint er als ein offener Stromkreis für die Gleichstromvorspannung, so dass die vorgespannten Ströme und Spannungen durch die Zugabe des Bypass-Kondensators nicht beeinflusst werden. Über den Frequenzbereich des Verstärkers, wird die Reaktanz der Kondensatoren, XC bei niedrigen Frequenzen extrem hoch sein und einen negativen Rückkopplungseffekt erzeugen, der die Verstärkung des Verstärkers reduziert.
Der Wert dieses Bypass-Kondensators CE wird in der Regel so gewählt, dass er eine kapazitive Reaktanz von höchstens einem Zehntel (1/10) des Wertes des Emitterwiderstandes RE am niedrigsten Grenzfrequenzpunkt liefert. Angenommen, die niedrigste zu verstärkende Signalfrequenz ist 100 Hz. Der Wert des Bypass-Kondensators CE wird berechnet als:
Emitter-Bypass-Kondensator
Für ist unseren einfachen Common Emitterverstärker der Wert des Emitter-Bypass-Kondensators, der parallel zum Emitterwiderstand geschaltet ist: 160μF
Split-Emitter-Verstärker
Während das Hinzufügen des Bypass-Kondensators, CE hilft, die Verstärkung des Verstärkers zu kontrollieren, indem sie den Auswirkungen der Unsicherheit von Beta entgegenwirkt, ( β ), ist einer seiner Hauptnachteile, dass bei hohen Frequenzen die Reaktanz der Kondensatoren so niedrig wird, dass sie den Emitterwiderstand, RE, mit zunehmender Frequenz effektiv kurzschließt.
Das Ergebnis ist, dass bei hohen Frequenzen die Reaktanz des Kondensators eine sehr geringe AC-Rückkopplungskontrolle erlaubt, da RE kurzgeschlossen ist, was auch bedeutet, dass die AC-Spannungsverstärkung des Transistors stark erhöht wird und den Verstärker in die Sättigung treibt.
Eine einfache Möglichkeit, die Verstärkung des Verstärkers über den gesamten Betriebsfrequenzbereich zu steuern, ist die Aufteilung des Emitterwiderstandes in zwei Teile, wie dargestellt.
Split-Emitter-Widerstände
Der Widerstand im Emitterschenkel ist in zwei Teile geteilt: RE1 und RE2 bilden ein Spannungsteiler-Netzwerk innerhalb des Emitter-Schenkels, wobei der Bypass-Kondensator über den unteren Widerstand parallelgeschaltet ist.
Der obere Widerstand RE1 ist der gleiche Wert wie zuvor, wird aber vom Kondensator nicht überbrückt und muss daher bei der Berechnung der Signalparameter berücksichtigt werden. Der untere Widerstand RE2 wird parallel zum Kondensator geschaltet und gilt bei der Berechnung der Signalparameter als Null-Ohm, da er bei hohen Frequenzen kurzgeschlossen wird.
Der Vorteil hierbei ist, dass wir die AC-Verstärkung des Verstärkers über den gesamten Eingangsfrequenzbereich steuern können. Bei DC ist der Gesamtwert des Emitterwiderstandes gleich RE1 + RE2, während bei höheren AC-Frequenzen der Emitterwiderstand nur RE1, ist, das gleiche wie in der ursprünglichen Schaltung oben ohne Bypass.
Welchen Wert hat also der Widerstand, RE2? Das hängt von der erforderlichen Gleichspannungsverstärkung an der unteren Grenzfrequenz ab. Wir haben vorhin gesagt, die Verstärkung der obigen Schaltung ist gleich: RL / RE, die für unsere Common Emitter-Schaltung oben mit 10 berechnet wurde (1kΩ/100Ω). Aber jetzt bei Gleichstrom ist die Verstärkung gleich: RL / (RE1 + RE2)
Wenn wir also eine DC-Verstärkung von z.B. 1 (eins) wählen, wird der Wert des Emitterwiderstandes, RE2:
Split-Emitter-Widerstand, RE2
Es folgt für eine DC-Verstärkung von 1 (eins), RE1 = 100Ω und RE2 = 900Ω. Beachten Sie, dass die AC-Verstärkung bei 10 dieselbe ist.
Ein Split-Emitter-Verstärker hat also je nach Betriebsfrequenz Werte für Spannungsverstärkung und Eingangsimpedanz zwischen denen eines vollständig überbrückten und denen eines unüberbrückten Emitter-Verstärkers.
Emitterwiderstand Zusammenfassung
Zusammenfassend kann der Stromverstärkungsparameter β eines Transistors aufgrund von Fertigungstoleranzen, aber auch aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung und der Betriebstemperatur von einem Gerät zum anderen erheblich variieren.
Für eine Common Emitter-Klasse-A-Verstärkerschaltung ist es daher notwendig, eine Vorspannungsschaltung zu verwenden, die den Betriebs-Q-Punkt stabilisiert und den DC-Kollektorstrom unabhängig von Beta macht. Der Einfluss von β auf den Emitterstrom kann durch einen zusätzlichen Emitterwiderstand, RE im Emitterschenkel reduziert und stabilisiert werden.
Der Spannungsabfall über diesen Emitterwiderstand istüblicherweise zwischen 1 und 2 Volt. Der Emitterwiderstand kann durch einen geeigneten, parallel zum Emitterwiderstand geschalteten Bypass-Kondensator, CE, vollständig überbrückt werden, um eine höhere AC-Verstärkung zu erzielen, oder teilweise überbrückt werden, indem ein Split-Emitter-Spannungsteiler-Netzwerk verwendet wird, das die DC-Verstärkung und -Verzerrung reduziert. Der Wert dieses Kondensators wird aus seinem kapazitiven Blindwert (XC-Wert) bei der niedrigsten Signalfrequenz ermittelt.