Kapitel 3

Arbeitspunkteinstellung

Bei den bislang erfolgten Analysen wurde der Transistor um einen Arbeitspunkt APherum ausgesteuert. Durch flankierende Schaltungsmaßnahmen wird erst das Einstellendieses Arbeitspunktes moglich.Welchen Arbeitspunkt man wahlt, hangt im Wesentlichen von den Anspruchen an dieSchaltung ab. Dies konnen sein:

• maximal erzielbare Ausgangsgroßen, also Strom, Spannung und Leistung

• Erzielung gewunschter Vierpolkenngroßen y21, h21 usw.

• niedriges Rauschen

• hochste Linearitat

Aber auch außere Randbedingungen beeinflussen die Auswahl:

• die zur Verfugung stehenden Versorgungsspannungen

• die zulassige Erwarmung des Gerates

• die Grenzwerte des Transistors hinsichtlich Strom, Spannung oder Leistung

• der maximal zur Verfugung stehende Speisestrom.

Mit welcher Schaltung der gewahlte Arbeitspunkt dann eingestellt wird, richtet sich nachBetriebsbedingungen wie

• hohe Schwankungen in den Versorgungseinrichtungen

• hohe Betriebstemperaturschwankungen

• Kosten der Bauelemente

• Integrierbarkeit der Bauelemente

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2 KAPITEL 3. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG

3.1 Arbeitspunkteinstellung bip. Transistor

Die im Folgenden behandelten Strome und Spannungen im Arbeitspunkt sollen als solchedurch ein angehangtes a gekennzeichnet werden.Beispiel: Kollektorstrom im Arbeitspunkt ICa

3.1.1 Einfache Schaltungen zur Einstellung des Arbeitspunktes

Abbildung 3.1: Emitterschaltung und Ausgangskennlinienfeld

Ausgangsseitig lasst sich in Bild 3.1 a fur Transistor, Arbeitswiderstand und Spannungs-quelle die Maschengleichung angeben:

UCE = Ub − ICRE (3.1)

Dies ist eine Gerade im Ausgangskennlinienfeld des Transistors. Je nach Wahl eines be-stimmten Basisstroms IBa oder einer bestimmten Basis-Emitterspannung UBEa wird sichnun der Kollektorruhestrom ICa und die dazugehorige Kollektor-Emitter-Spannung ein-stellen.

Abbildung 3.2: Einpragen des Basisstomes a) Prinzip b) Realisierung

3.1. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG BIP. TRANSISTOR 3

Einpragen eines Gleichstromes bedeutet zunachst die Parallelschaltung einer Stromquellezur Basis-Emitterstrecke (und zur Signalstromquelle). Da die sehr kleinen Basis-Ruhe-strome aus der ohnehin vorhandenen Spannungsversorgung durch einen einzigen hochoh-migen Widerstand einfach gewonnen werden konnen, ist die Umsetzung in die Praxis sehreinfach. Die zusatzliche Belastung fur die Signalquelle bleibt gering. Durch den Konden-sator C1 wird die Stufe galvanisch von der Signalquelle getrennt. Der den Arbeitspunktfestlegende Widerstand R1 wird bestimmt durch:

R1 = (Ub − UEAa)/IBa ≈ Ub/IBa (3.2)

Fur Siliziumtransistoren wird meist UBEa ≈ 0,7 V gesetzt.Die zweite Moglichkeit besteht in der Festlegung der Basis-Emitter-Spannung UBEa. For-mal betrachtet erfordert dies die Serienschaltung einer Spannungsquelle UBEa zur Signal-quelle (Bild 3.3 a. Dies wird in dieser Form nur praktiziert, wenn die Signalspannungsquellemassefrei und fur die Gleichspannung tatsachlich ein Kurzschluss ist, also die Sekundarsei-te eines Ubertragers. In den meisten Fallen schaltet man beide Spannungsquellen nachBild 3.3 b parallel. Das Kurzschließen der Gleichspannungsquelle durch die Wechselspan-nungsquelle verhindert C1, einen Kurzschluss der Signalspannungsquelle verhindert derendliche Innenwiderstand (R1||R2) der Gleichspannungsquelle.

Abbildung 3.3: Einpragen der Basis-Emitter-Spannung a) Prinzip b) Realisierung

Hier erkennt man bereits einen Nachteil dieser Schaltung: die Signalquelle wird starkerals notwendig belastet. Meist macht man den Querstrom durch den Spannungsteiler einVielfaches hoher als IBa. Fur die Dimensionierung gilt dann:

R2 = UBEa/IR2 R1 = (Ub − UBEa)/(IR2 + IBa) (3.3)

4 KAPITEL 3. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG

3.1.2 Abweichung der Kennlinien

Bipolartransistoren nutzen den Effekt der Diffusion, d.h. des Ladungstragertransportsdurch Temperaturbewegung aus. Dies lasst eine Temperaturabhangigkeit der Kennlinienerwarten. Man spricht von Drift.

Abbildung 3.4: Temperaturdrift a) Stromverstarkung b) Kollektorstrom uber Basis-Emitter-Spannung

Das Verhaltnis B = ICa/IBa, annahernd durch eine Gerade gegeben, andert seinen Wertmit der Temperatur um ca. 1 % pro Kelvin nach oben. Dies ist im Bild 3.4 a) fur T2 > T1

skizziert. Die einfache Schaltung nach Bild 3.2 b unterliegt diesem Effekt. Eine Erhohungder Temperatur erhoht den Kollektorstrom im Arbeitspunkt um ∆ICa. Dies zieht nichtnur Anderungen der Elemente im Wechselstrom-Ersatzschaltbild nach sich, der Transistorerwarmt sich auch starker dadurch und kann je nach Lage des Arbeitspunktes im Aus-gangskennlinienfeld (siehe abschnitt AP 3) durch den nun folgenden weiteren Anstieg vonICa sogar thermisch zerstort werden.Noch ungunstigere Verhaltnisse liegen bei Festlegung der Basisspannung vor. Eine Tem-peraturzunahme verschiebt die Kennlinie ICa(UBEa) in Bild 3.4 b um ein ganzes Stuck∆UBE nach links, wirkt also wie eine zusatzliche Spannungsquelle (bezeichnet als Tem-peraturdrift der Basis-Emitter-Spannung, ca. 2 bis 3 mV/K). Aufgrund der Kennlinien-Krummung treten hier noch großere Anderungen des Kollektorstromes auf als im vorigenFall. Als eine Große minderer Bedeutung ist heute die Drift des Kollektor-Sperrstromesanzusehen. Lediglich bei Germanium-Transistoren oder bei Silizium-Transistoren in derNahe der zulassigen Hochsttemperatur betrieben spielt sie eine Rolle.Die Veranderungen in den Kennlinien und Daten konnen anstelle von Temperaturver-anderungen aber auch vom Ubergang von einem Transistor T1 auf einen anderen T2 her-stammen, (z.B. Austausch bei Reparatur oder Serienfertigung) also auf Exemplarstreuungberuhen. Durch Verwendung von Schaltungen, die eine zusatzliche Stabilisierung des Ar-beitspunktes im Sinne der Regelungstechnik ermoglichen, kann beiden unerwunschtenEffekten entgegengewirkt werden.

3.1. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG BIP. TRANSISTOR 5

3.1.3 Schaltungen mit Arbeitspunkt-Stabilisierung

Beide bisher betrachteten Schaltungen wurden ihre Nachteile verlieren, wenn man einegesonderte Spannungsquelle zur Versorgung des Widerstandes R1 zur Verfugung hatte,die bei Temperaturerhohung des Transistors oder Anstieg des Kollektorstromes ihre Aus-gangsspannung vermindert. Schließt man R1 direkt an den Kollektor an, dann hat maneine solche Quelle.

Abbildung 3.5: Arbeitspunktstabilisierung a) Bei Basisstrompragung b) bei Pragung derBasis-Emitter-Spannung

Die Dimensionierung erfolgt hierbei fur Bild 3.5 a :

R1 = (UCEa − UBEa)/IBa (3.4)

Und fur Bild 3.5 b :

R2/(R1 + R2) = UBEa/UCEa (3.5)

Man spricht in diesem Fall von Gleichspannungs-Gegenkopplung. Ist die gleichzeitigeWechselspannungs-Gegenkopplung nicht erwunscht, muss die Schaltung nach Bild 3.6 aerweitert werden.Sehr haufig anzutreffen ist die Schaltung nach Bild 3.6 b mit Gleichstrom- Gegenkopplungim Emitter. Fur die Dimensionierung mussen die Gleichungen 3.2 abgewandelt werden.Anstelle von UBEa muss dort nun

UBEa − (ICa + IBa)RE (3.6)

gesetzt werden. Die Wahl von RE richtet sich danach, wie stark die Stabilisierung ausfallensoll bzw. welchen Anteil der Versorgungsspannung man dafur opfern will.

6 KAPITEL 3. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG

Abbildung 3.6: a) Unterbrechung der Signal-Gegenkopplung b) Stabilisierung mit Emit-terwiderstand

3.2 Arbeitspunkteinstellung beim FET

Da unipolare Transistoren nur extrem kleine Gatestrome aufweisen, kommt eine Einstel-lung des Arbeitspunktes durch Festlegung des Gatestromes nicht in Betracht. Von denbeiden Konzepten beim bipolaren Transistor bleibt hier nur die Einstellung uber die Gate-Source- Spannung UGS. Ein Unterschied zum bipolaren Transistor ist, dass nun sowohlselbstsperrende (ID = 0 bei UGS = 0) als auch selbstleitende Typen existieren.

3.2.1 Einfache Schaltungen

Da der bipolare Transistor bei UBE = 0 ebenfalls keinen Kollektorstrom fuhrt, kann diefur ihn taugliche Schaltung direkt fur selbstsperrende FETs ubernommen werden. (Bild3.7a)Beim selbstleitenden FET wird eigentlich eine negative Vorspannungsquelle benotigt.Fuhrt man analog zu Schaltung 3.6 b einen kapazitiv uberbruckten Source-Widerstand RS

ein, dann kann diese eingespart werden. Außerdem hat die Schaltung bereits die Fahigkeitzur Arbeitspunkt-Stabilisierung: Ein Anstieg des Drainstromes verschiebt sofort UGSa insNegative und kompensiert dadurch den Anstieg. Außerdem erlaubt sie im Gegensatz zu3.7 a die Verwendung von nahezu beliebig hohen Widerstanden R2 und macht dadurchden selbstleitenden FET zum geeigneten Bauelement fur Eingangsstufen mit sehr hoch-ohmigem Eingang. Fur die beiden Schaltungen nach Bild 3.7 gilt

UGSa = UbR2/(R1 + R2) UGSa = RSIDa

zur Dimensionierung der Widerstande.

3.2. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG BEIM FET 7

Abbildung 3.7: Arbeitspunkt-Stabilisierung beim FET

3.2.2 Veranderungen in den Kennlinien

Beim Feldeffekttransistor spielen bei Temperaturerhohung zwei z.T. gegeneinander arbei-tende Effekte eine Rolle:

a) der Kanalwiderstand steigt b) die Abschnurspannung fallt

Abbildung 3.8: Kennlinien-Veranderungen a) Temperaturanderung b) Exemplarstreuung

In der Ubertragungskennlinie Bild 3.8 a macht sich der erste Effekt vor allem bei ho-hen Drainstromen bemerkbar, sie gehen zuruck. Der zweite Effekt uberwiegt bei kleinenDrainstromen jenseits des Punktes P, und zwar stromsteigernd. Im Uberschneidungs-punkt P selbst heben sich beide Effekte hinsichtlich der Drainstromerhohung weg. DerVergleich von Bild 3.8 a mit dem entsprechenden Bild 3.4 b beim bipolaren Transistorzeigt, dass beim FET das Temperaturverhalten gunstiger ist. Typische Unterschiede inden Ubertragungskennlinien durch Exemplarstreuung sind in Bild 3.8 b skizziert.

8 KAPITEL 3. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG

3.2.3 Schaltungen mit Stabilisierung des Arbeitspunktes beimselbstsperrenden FET

Die Analogie zum bipolaren Transistor erlaubt hier wieder, dass dessen Schaltungskon-zepte aus Bild 3.5 und 3.6 ubernommen werden.

Abbildung 3.9: Arbeitspunktstabilisierung beim selbstsperrenden FET

Zur Dimensionierung gilt

UGSa = UDSaR2/(R1 + R2 + R3) UGSa = UbR2/(R1 + R2)−RSIDa

3.3 Arbeitspunkt-Einstellung bei den ubrigen Grund-

schaltungen

Bisher wurden nur Emitter- bzw. die Source-Schaltung betrachtet. Die Kollektor- bzw.Drain-Schaltung bringt hinsichtlich der Arbeitspunktbetrachtungen keine wesentlich neu-en Aspekte, ist doch der stabilisierende Emitter- bzw. Source-Widerstand von vornhereinSchaltungsbestandteil. Aber auch die Basis- bzw. Gate-Schaltung kann bei reiner Wech-selspannungskopplung mit den geschilderten Regeln fur den gewunschten Arbeitspunktausgelegt werden (Bild 3.10 a). Sehr oft findet man die beiden Grundschaltungen je-doch gleichspannungsgekoppelt mit weiteren Stufen im Verbund und ihre Arbeitspunkt-Einstellung erfolgt dann mit jenen zusammen. Dies wird im Weiteren am Beispiel desOperationsverstarkers besonders deutlich werden.

3.4. THERMISCHE STABILITAT 9

Abbildung 3.10: a) Arbeitspunkteinstellung bei der Basisschaltung b) Leistungshyperbelnim Ausgangskennlinienfeld

3.4 Thermische Stabilitat

Die bereits in 1.2 angesprochene Selbstzerstorung eines Transistors kann anhand des Aus-gangskennlinienfeldes Bild 3.10 b beurteilt werden, wenn außer der Arbeitsgeraden (Gl.3.1noch die Linien konstanter Verlustleistung IC · UCE = const. als Hyperbeln eingetragenwerden. Fur die drei Arbeitspunkte 1, 2 und 3 ergeben sich beim Anstieg des Kollektor-stromes verschiedene Moglichkeiten

• 1: ein Anstieg von ICa erhoht die Verlustleistung

• 3: ein Anstieg von ICa verringert die Verlustleistung

• 2: offenbar stellt der Arbeitspunkt 2 die Grenze zwischen den oben geschildertenVerhaltensweisen dar.

Im Punkt 2 ist die Steigung der Arbeitsgeraden gleich der Steigung der Hyperbel IC =const./UCE :

dIC

dUCE

=−1

RC

dIC

dUCE

=−const.

UCE

=−IC

UCE

IC

UCE

=1

RC

Einsetzen in Gl. (3.1) liefert

UCE = Ub −UCE ·RC

RC

−→ UCE = Ub/2 (3.7)

die sogenannte Regel der halben Speisespannung: Wahlt man die Spannung im Arbeits-punkt niedriger als die halbe Speisespannung, dann ist die Schaltung thermisch immerstabil.