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# Transistorverstärkerschaltung

## Transistorschaltungen im Vergleich

| Eigenschaften | Emitterschaltung | Kollektorschaltung | Basisschaltung |
| ------------- | ---------------- | ------------------ | -------------- |
| Eingangswiderstand re| 1kΩ-10kΩ | -1MΩ | 10Ω-500Ω |
| Ausgangswiderstand ra| 1kΩ-30kΩ | 0,1kΩ-1kΩ | 10kΩ-1000kΩ |
| Vu | groß > 100 | keine < 1 | groß > 100 |
| Vp | sehr groß = 10^4 | groß > 100 | groß > 100 |
| Vi | groß > 100 | groß > 100 | keine < 1 |
| ρ (Phasenverschiebung) | 180° | 0° | 0° |
| Anwendung | NF- & HF-Verstärker | Impedanzwadler | HF-Verstärker |

<table>
<th>Eigenschaften</th><th>Emitterschaltung</th><th>Kollektorschaltung</th><th>Basisschaltung</th>
<tr><td>Eingangswiderstand re</td><td>mittel</td><td>hoch</td><td>niedrig</td></tr>
<tr><td>Ausgangswiderstand ra</td><td>mittel</td><td>niedrig</td><td>hoch</td></tr>
<tr><td>Vu</td><td>hoch</td><td> extrem niedrig</td><td>hoch</td></tr>
<tr><td>Vi</td><td>mittel</td><td>mittel</td><td>niedrig </td></tr>
<tr><td>Vp</td><td>hoch</td><td>mittel</td><td>mittel</td></tr>
<tr><td>ρ (Phasenverschiebung) </td><td>sehr hoch</td><td>0</td><td>0</td></tr>
<tr><td>entnehmbare Leistung</td><td>niedrig</td><td>hoch</td><td>sehr niedrig</td></tr>
</table>

## Arbeitspunkteinstellung
### mit einem Basis-Vorwiderstand


1. B (Gleichstromverstärkungsfaktor, $\beta$) aus dem Datenblatt des Transistors entnehmen
2. $U_C = U_{C_E} = \frac{1}{2} U_B$
3. $U_{B_E} = 0,7V$

Formeln:

$I_B = \frac {I_C}{B}$
$I_C = I_B \cdot B$

$R_C = \frac {U_{R_C}}{I_C}$
$R_C = \frac {U_B\;-\;U_{Ce}\;-\;U_{R_E}}{I_C}$

$R_V = \frac {U_B\;-\;U_{BE}}{I_B}$
$R_V = \frac {U_C}{I_B}$
$R_V = \frac {U_{RV}}{I_B}$

$V = \frac {U_a}{U_e} = \frac {R_C}{R_E}$

## Arbeitspunkteinstellung
### mit einem Basis-Spannungsteiler


Der Spannungsteiler aus $R_1$ und $R_2$ muss so dimensioniert werden, dass am Widerstand $R_2$ die Basis-Emitter-Spannung $(U_{BE})$ 0,7V anliegt.

1. B (Gleichstromverstärkungsfaktor, $\beta$) aus dem Datenblatt des Transistors entnehmen
2. $U_C = U_{a_1} = \frac{1}{2}\; U_B$
3. $U_{B_E} = 0,7V$

Formeln:

$R_C = \frac {U_B\;-\;U_{C_E}\;-\;U_{R_E}}{I_C}$
$R_1 = \frac {U_B\;-\;U_{B_E}\;-\;U_{R_E}}{I_q\; + \;I_B}$
$R_2 = \frac {U_{B_E}\;+\;U_{R_E}}{I_q}$
$I_q = 2 \cdot I_B\;\; bis \;10\; \cdot I_B$
$R_E = \frac{U_{R_E}}{I_C\; +\; I_B}$

## Emitterschaltung


Sie besteht im Wesentlichen aus einem Transistor, dem Kollektorwiderstand $R_C$, der Eingangssignalquelle $U_e$ mit dem Basis-Vorwiderstand $R_V$ (oder einem Spannungsteiler) und der Betriebsspannung $+U_B$. Der Kollektoranschluss des Transistors ist der Ausgang für die Ausgangsspannung $U_a$. Die Emitterschaltung ist für die Spannungsverstärkung zuständig.

### Strom- und Spannungsverteilung


Die Wechselspannung $U_e$ wird über $C_K$ angelegt. Über den Spannungsteiler $R_1$ und $R_2$ wird der Arbeitspunkt eingestellt, sodass $U_{B_E}$ auf 0,7V eingestellt ist und $U_a$ im Ruhezustand $\frac{1}{2}\;U_B$.
Der Widerstand $R_C$ ist maßgeblich an der Spannungsverstärkung beteiligt. Und er begrenzt den Kollektorstrom $I_C$ für den Transistor.
Die Koppelkondensatoren $C_K$ trennen das Wechselstromsignal von der Gleichspannung. Das verstärkte Signal wird über einen weiteren Koppelkondensator $C_K$ als Wechselspannung $U_a$ ausgegeben.

> #### Funktion der Koppelkondensatoren $C_K$
> Wird Wechselspannung verstärkt, so muss die Schaltung über die Koppelkondensatoren $C_K$ mit der Signalquelle und der Last verbunden werden. Über die Koppelkondensatoren fließt kein Gleichstrom. Damit hat die Signalquelle bzw. Last keinen Einfluss auf den Arbeitspunkt. Die Spannungen des Arbeitspunktes lassen sich so unabhängig von den Gleichspannungen der Signalquelle und Last wählen.
Der Koppelkondensator $C_K$ am Ausgang bildet mit dem nachfolgendem Lastwiderstand einen Hochpass. Der Koppelkondensator $C_K$ am Eingang bildet mit dem Eingangswiderstand der Verstärkerschaltung, der sich hauptsächlich aus dem Parallelwiderstandswert aus $R_1$ und $R_2$ ergibt, einen Hochpass.
Die Koppelkondensatoren müssen so dimensioniert werden, dass die kleinste Frequenz des zu übertragenden Signals noch durch den Hochpass hindurch kommt. Gleichspannungen (0 Hz) gelangen nicht hindurch.

### Arbeitspunktstabilisierung

Eine einfache Emitterschaltung leidet unter Temperaturabhängigkeit, wenn der Transistor sich im Betrieb erwärmt. Dies hat eine Veränderung des Arbeitspunktes zur Folge. Um dem entgegen zu wirken, gibt es unterschiedliche Methoden:

#### Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung


Die Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung sieht einen Widerstand zwischen Kollektor und Basis vor. Es entsteht ein Basisspannungsteiler durch $R_1$ und $R_2$. Ein Teil der Ausgangsspannung wird am Kollektoranschluss auf die Basis des Transistors zurückgeführt.
Der Grundgedanke ist, den Basis-Spannungsteiler nicht an der Betriebsspannung $U_B$, sondern an der Spannung anzuschließen, die bei steigender Temperatur abnimmt und bei sinkender Temperatur ansteigt. Das hat zur Folge, dass sich die Basis-Emitter-Spannung $U_{B_E}$ mit ändern muss und dabei der Kollektorstrom stabil bleibt.

Aber die Temperaturabhängigkeit der Gleichstromverstärkung B wirkt sich ungünstig auf den Arbeitspunkt aus. Die Stabilisierung mit Spannungsgegenkopplung ist schlechter als bei der Stromgegenkopplung. Deshalb nimmt man bevorzugt die Arbeitspunktstabilisierung mit Stromgegenkopplung.

#### Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung


Die Erwärmung des Transistors führt zu einem Anstieg der Ströme $I_B$, $I_C$ und $I_E$. Durch den Emitterwiderstand $R_E$ fließt also ein größerer Strom, wodurch dort eine größere Spannung $U_{R_E}$ abfällt. Dadurch wird $U_{B_E}$ kleiner. Dadurch werden auch die Ströme $I_B$, $I_C$ und $I_E$ kleiner. An $R_E$ fällt eine kleinere Spannung $U_{R_E}$ ab. $U_{B_E}$ wird dadurch wieder etwas größer. Dem Kollektorstromanstieg wird also entgegengewirkt. Dadurch bleibt der Kollektorstrom weitestgehend konstant und der Arbeitspunkt des Transistors stabil.


> #### Funktion des Emitterkondensators $C_E$
> Wenn der Emitterwiderstand RE einer Kollektorstromänderung durch thermische Einflüsse entgegenwirkt, wirkt er natürlich auch einer Kollektorstromänderung durch das Eingangssignal Ue entgegen. Der Emitterkondensator CE führt zu dem Effekt, dass er alle Wechselspannungen kurzschließt, die das Eingangssignal Ue am Emitter erzeugen würde.
CE ist als Wechselstromwiderstand (kapazitiver Blindwiderstand XC) zu verstehen, der parallel zu RE liegt. Da der Kondensator frequenzabhängig ist, heißt das, je höher die Frequenz ist, desto niedriger ist sein Widerstand. Durch den kleineren XC wird RE wechselstrommäßig kurzgeschlossen. Anders ausgedrückt, für den Wechselstrom ist RE bzw. der Widerstand durch die Parallelschaltung aus RE und CE sehr klein. Die Verstärkung steigt an.
Vereinfacht ausgedrückt führt CE zu einem wechselstrommäßigen Kurzschluss an RE, der den Ausgangswiderstand auf wenige Ohm verringert. Dabei erfolgt eine Verstärkung um ein Vielfaches.
Der Nachteil des Emitterkondensators ist, dass bei sehr tiefen Frequenzen sehr große Kapazitäten notwendig sind. Sein Wert liegt zwischen 10 µF und 1000 µF.

> #### Funktion der Koppelkondensatoren CK
> Wird Wechselspannung verstärkt, so muss die Schaltung jeweils über die Koppelkondensatoren CK mit der Signalquelle und der Last verbunden werden. Über die Koppelkondensatoren fließt kein Gleichstrom. Damit hat die Signalquelle bzw. Last keinen Einfluss auf den Arbeitspunkt. Die Spannungen des Arbeitspunktes lassen sich so unabhängig von den Gleichspannungen der Signalquelle und Last wählen.
Die Koppelkondensatoren müssen so dimensioniert werden, dass die kleinste Frequenz des zu übertragenden Signals noch durch den Hochpass hindurch kommt. Gleichspannungen (0 Hz) gelangen nicht hindurch.

### Formeln Emitterschaltung

Wechselstromeingangswiderstand:

$r_e = r_{BE} \;||\; R_1 \;||\;R_2$

Wechselstromeingangswiderstand ohne CE:

$r_e = (r_{BE} + ß \cdot R_E)\; ||\;R_1\; ||\; R_2$

Wechselstromausgangswiderstand:

$r_a = R_C\;||\;r_{ce}$

Spannungsverstärkung (unbelastet):

$V_u = \frac {ß}{r_{BE}} \cdot \frac{r_{CE}\;\cdot\; R_C}{r_{CE}\;+ \;R_C}$

$V_u = \frac {ß\;\cdot\; R_C}{r_{BE}}$

Spannungsverstärkung ohne CE:

$V_u = \frac {ß\\;cdot \;R_C}{r_{BE}\;+\;ß\;\cdot\; R_E} = \frac {R_C}{R_E}$

Stromverstärkung (unbelastet):

$V_i = \frac {ß\; \cdot\; r_{CE}\;}{R_C \;+\; r_{CE}}$

$V_i = ß$

Leistungsverstärkung (unbelastet):

$V_p = V_u \cdot V_i$

$V_p = ß^2 \cdot \frac {R_C}{r_{BE}}$

## Kollektorschaltung


Eine einfache Kollektorschaltung besteht aus einem Transistor, dem Emitterwiderstand $R_E$, dem Basis-Vorwiderstand $R_V$ und der Betriebsspannung $U_B$. Der Emitter ist der Ausgang. Der Kollektor ist für Eingangs- und Ausgangsspannung über die Betriebsspannung $U_B$ der gemeinsame Bezugspunkt.

Die Spannungsverstärkung ist kleiner als 1, aber die Schaltung hat eine sehr große Stromverstärkung, die vom Stromverstärkungsfaktor ß des Transistors abhängig ist.

### Strom- und Spannungsverteilung


Bei der Kollektorschaltung stellen die Widerstände $R_1$, $R_2$ und $R_E$ den Arbeitspunkt ein. Die Berechnung des Arbeitspunktes erfolgt wie bei der Emitterschaltung, nur ohne Kollektorwiderstand.
Der Emitterwiderstand $R_E$ ist fester Bestandteil der Schaltung. Durch ihn wird der Arbeitspunkt bei der Kollektorschaltung immer durch Stromgegenkopplung stabilisiert.
> Im Gegensatz zur Emitterschaltung kann bei der Kollektorschaltung die Gegenkopplung nicht unterdrückt werden. Die Gegenkopplung wirkt sich sowohl auf die Gleichspannungen als auch auf die Signalspannungen aus.

Wird Wechselspannung verstärkt, so muss die Schaltung über die Koppelkondensatoren $C_K$ mit der Signalquelle und der Last verbunden werden. Über die Koppelkondensatoren fließt kein Gleichstrom. Damit hat die Signalquelle bzw. Last keinen Einfluss auf den Arbeitspunkt. Die Spannungen des Arbeitspunktes lassen sich so unabhängig von den Gleichspannungen der Signalquelle und Last wählen.
Bei der Kollektorschaltung sind die Eingangsspannung $U_e$ und Ausgangsspannung $U_a$ phasengleich.

### Formeln Kollektorschaltung

Wechselstromeingangswiderstand:

$r_e = (r_{BE} + ß \cdot R_E)\; ||\;R_1$

Wechselstromausgangswiderstand:

$r_a = \frac {r_{BE}+R_1}{ß}\;||\;R_E$

Spannungsverstärkung (unbelastet):

$V_u = \frac {ß\;\cdot\; R_E}{r_{BE}\;+\;ß\;\cdot \;R_E} = \frac {R_C}{R_E}$
$V_u = 1$

Stromverstärkung (unbelastet):

$V_i = \frac {(1\;+\;ß)\; \cdot \;r_{CE}}{R_E \;+ \;r_{CE}}$
$V_i = ß$

Leistungsverstärkung (unbelastet):

$V_p = V_u \cdot V_i$
$V_p = ß$

## Basisschaltung


Die Basisschaltung besteht aus einem Transistor, dem Kollektorwiderstand $R_C$, dem Basis-Vorwiderstand $R_V$ und der Betriebsspannung $U_B$. Der Kollektor ist der Ausgang. Der Emitter ist der Eingang. Die Basis ist der gemeinsame Bezugspunkt. Deshalb wird die Schaltung Basisschaltung genannt.

### Strom- und Spannungsverteilung


Diese Art der Darstellung zeigt die Ähnlichkeit zur Emitterschaltung. Gleichstrommäßig entspricht die Basisschaltung einer Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung. Die Basisschaltung hat immer eine Signal-Stromgegenkopplung. Mit allen Vor- und Nachteilen einer Gegenkopplung.
Die Koppelkondensatoren $C_K$ trennen das Signal von der Gleichspannung. Der Spannungsteiler $R_1$ und $R_2$ dient zur Begrenzung des Basisstroms $I_B$ bei Übersteuerung.
Die Arbeitspunkteinstellung entspricht grundsätzlich der Emitterschaltung. Hierbei muss man folgende Besonderheiten beachten: Die Basis muss immer wechselstrommäßig auf Signal-Null-Potential liegen. Über den Kondensator $C_B$ liegt der Basisanschluss des Transistors auf 0 V.
Bei der Basisschaltung sind Eingangsspannung $U_e$ und Ausgangsspannung $U_a$ phasengleich.

### Formeln Basisschaltung

Wechselstrom-Eingangswiderstand des Transistors
$r_{EB}= \frac{r_{BE}}{\beta}$

Wechselstrom-Eingangswiderstand der Stufe
$r_e= \frac{r_{BE}}{\beta}\;||\;R_E$

Wechselstrom-Ausgangswiderstand der Stufe
$r_a=R_C\;||\;r_{CE}$

Spannungsverstärkung (unbelastet)

$V_u=\frac{\beta}{r_{BE}} \cdot \frac{r_{CE}\; \cdot\; R_C}{r_{CE}\;+\;R_C}$

Stromverstärkung (unbelastet)

$V_i=\frac{\beta}{1\;+\;\beta}$

Leistungsverstärkung (unbelastet)

$V_p = V_u \cdot V_i$

## Gegentaktverstärker

Mit Hilfe von verschiedenen Schaltungen oder Bauteile lassen sich Ströme ein-, ausschalten oder auch verstärken. Diese haben aber meist einen großen Nachteil. Sie können nur - oder + durchschalten.

Für diese Probleme gibt es die Gegentaktstufe. So eine Stufe besteht aus zwei Komplementärtransistoren. Das heißt aus einem NPN- und einem PNP-Transistor. Beide Typen sollten, im Idealfall, komplett gleiche technische Daten haben.

### Gegentaktverstärker an positiver Spannung


Der Eingang wird an die Plus-Leitung gelegt. Hier kommt dann ein Stromfluss zur Basis von T1, begrenzt durch den Lastwiderstand R4, zustande und dieser steuert durch. Aus der Basis von T2 kommt aber kein Strom zustande und er sperrt.

R1 und R2 dienen als Temperaturkompensation. Alle Halbleiter haben die Eigenschaft, dass sie bei steigender Temperatur leitfähiger werden, so auch Transistoren. Sollten sich hier die Transistoren erwärmen, würde der Strom steigen. Dies bewirkt eine Spannungssteigerung an den entsprechenden Widerständen. Dadurch sinkt die CE-Spannung und der Strom sinkt wieder etwas. Dies hat zur Folge, dass sich der Transistor wieder abkühlt.


An R3 fallen jetzt ca. 0,7 V ab.


Der Rest fällt über R4 ab. Hier messen wir die 8,3 V.

### Gegentaktverstärker an negativer Spannung


Der Verstärker ist mit dem Null-Potenzial verbunden.
Wie bereits bekannt sein dürfte, steuert ein PNP-Transistor durch, wenn ein Strom aus der Basis fließt (wenn das Potenzial an der Basis negativer ist als das des Kollektors). Dies ist hier bei T2 gegeben. Der Basisstrom muss hier nicht begrenzt werden, er ergibt sich aus dem Lastwiderstand R3.

Bei der Messung an R4 wurde dort auch eine kleine Spannung festgestellt. Diese entsteht durch den Spannungsabfall von R2 und der EC-Strecke des Transistors.

T1 benötigt zum Durchsteuern aber einen Stromzufluss (Das Potenzial an der Basis mit positiver sein als das des Kollektors). Da dieser hier nicht gegeben ist, sperrt der Transistor.


Über R4 misst man tatsächlich ca. 8,3 V.


Über R3 misst man eine Spannung von ca. 0,7 V.

## Differenzverstärker

In der Elektronik kommt es immer wieder vor, dass man eine genaue Messung von einem bestimmten Wert machen muss. Dafür reichen einfache Transistorstufen nicht aus, da diese sehr bauteil- und temperaturabhängig sind. Für genauere Messungen benutzt man so genannte Differenzverstärker. Diese besitzen 2 Eingänge und am Ausgang kann man die genaue Differenz der Eingänge ablesen.


Betrachten wir die Schaltung erst einmal mit der Bedingung, dass beide Potentiometer sich in Mittelstellung befinden, also die beiden Eingangsspannungen gleich sind.
In diesem Fall steuern die beiden Transistoren gleich stark durch und es ist kein Spannungsunterschied an den beiden Kollektoranschlüssen messbar.


Drehen wir nun z.B. den Potentiometer P2 in Richtung der positiven Spannung, leuchtet die Diode D1 auf.
Durch die höhere Spannung an der Basis von T2 steuert er weiter durch. Dementsprechend wird die Kollektorspannung von T2 geringer. Nun ist die Kollektorspannung von T1 positiver als die von T2 und durch die Leuchtdiode D1 kommt es zu einem Stromfluss. Die LED leuchtet auf.


Wird nun an der Basis von T2 eine geringere Spannung angelegt, indem wir den Poti P2 in die negative Richtung drehen, sperrt dieser stärker. Die Kollektorspannung an T2 steigt entsprechend.
Nun haben wir eine höhere Kollektorspannung an T2 als an T1 und es kommt ein Stromfluss durch D2 zustande. Nun leuchtet diese auf.