imported>Hybridrix: /* Übersicht */Link Tietze

2025-09-27T12:53:45Z

Übersicht: Link Tietze

Neue Seite

Die '''Grundschaltungen''' einer [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärkerstufe]] sind nach der [[Elektrode]] benannt, welche auf einem fest definierten [[Elektrostatik#Potential und Spannung|elektrischen Potential]] liegt. Das ist jene Elektrode, die Eingangs- und Ausgangskreis gemein ist. Im Falle eines [[Bipolartransistor]]s mit seinen drei Elektroden ''Emitter, Kollektor'' und ''Basis'' ergeben sich so die '''Emitterschaltung''', die '''Kollektorschaltung''' und die '''Basisschaltung'''. Aufgrund ihrer Eigenschaften wird die Kollektorschaltung meistens '''Emitterfolger''' genannt. Die Transistor-Grundschaltungen unterscheiden sich prinzipiell in ihren elektrischen Eigenschaften und daher im Verwendungszweck.

== Übersicht ==
[[Datei:Transistor configurations.svg|upright=2.63|mini|Transistorgrundschaltungen (Emitter-, Kollektor-, Basis-Grundschaltung)]]

{| class="wikitable float-right" style="font-size:90%"
|+ Entsprechung der Grundschaltungen inkl. englischsprachige Entsprechungen
|-
! style="background:#E0E0E0" | Bipolar- Transistor
| Emitterschaltung {{lang|en|''common emitter''}}
| Kollektorschaltung (Emitterfolger) {{lang|en|''common collector (emitter follower)''}}
| Basisschaltung {{lang|en|''common base''}}
|-
! style="background:#E0E0E0" | Feldeffekt- Transistor
| Sourceschaltung {{lang|en|''common source''}}
| Drainschaltung (Sourcefolger) {{lang|en|''common drain (source follower)''}}
| Gateschaltung {{lang|en|''common gate''}}
|-
! style="background:#E0E0E0" | Elektronen- röhre
| Kathodenbasisschaltung {{lang|en|''common cathode''}}
| Anodenbasisschaltung ([[Kathodenfolger]]) {{lang|en|''common plate (cathode follower)''}}
| [[Gitterbasisschaltung]] {{lang|en|''common grid''}}
|}

Die in einem Gerät wie etwa einem [[Audioverstärker]] enthaltene Anordnung einer Vielzahl von elektronischen Grundbausteinen lässt sich (zumindest gedanklich) in Dutzende der hier beschriebenen Grundschaltungen unterteilen. Die Gesamtfunktion ergibt sich aus der Kombination und dem Zusammenspiel der einzelnen Grundschaltungen.

Im Folgenden werden die Grundschaltungen mit Bipolartransistoren ausführlicher beschrieben. Statt mit Bipolartransistoren können die beschriebenen analogen Schaltungen auch mit [[Feldeffekttransistor]]en (FET) bzw. [[Elektronenröhre]]n realisiert werden. Die Eigenschaften der entsprechenden Schaltungen sind zwar nicht identisch, ähneln sich jedoch wegen der gleichen zugrundeliegenden Prinzipien in ihrem Verhalten. Die entsprechenden FET-Schaltungen werden ''Sourceschaltung, Drainschaltung/Sourcefolger und Gateschaltung'' genannt, während die dazu analogen Röhrenschaltungen Kathodenbasisschaltung, [[Kathodenfolger]]/Anodenbasisschaltung und [[Gitterbasisschaltung]] heißen.

Die Schaltungen werden üblicherweise wie im nachfolgenden Bild in der oberen Reihe dargestellt, um die jeweils gemeinsame Elektrode zu verdeutlichen. Die Funktionsweise wird allerdings deutlicher, wenn man die Schaltungen gemäß der unteren Reihe umzeichnet.

Die oben genannte Methode zur Ermittlung der jeweiligen Grundschaltung ist nicht immer streng erfüllt, so dass ein weiteres Kriterium angewendet werden muss: Die Bezeichnung der Grundschaltung erfolgt entsprechend der Elektrode des Transistors, an welcher das gemeinsame Bezugspotential von Ein- und Ausgang liegt.<ref>{{Literatur |Autor=[[Ulrich Tietze]], Christoph Schenk |Titel=Halbleiterschaltungstechnik |Verlag=Springer |Datum=2002 |ISBN=978-3-540-42849-7 |Seiten=98}}</ref> Oder: Die Bezeichnung erfolgt entsprechend dem Anschluss des Transistors, der weder als Eingang noch als Ausgang der Schaltung dient.<ref>{{Literatur |Autor=Christoph Schenk, Eberhard Gamm| Verlag = Springer |Hrsg= |Titel=Halbleiter-Schaltungstechnik |Auflage=15., überarb. und erw.|Ort=Berlin |Datum=2016 |ISBN=978-3-662-48354-1 |Seiten=101}}</ref>

== Emitterschaltung {{Anker|Sourceschaltung|Emitterschaltung}} ==
Die Emitterschaltung basiert auf der Grundfunktion des Bipolartransistors: Ein in die Basis fließender Signalwechselstrom ruft einen um den Wechselstromverstärkungsfaktor <math>\beta</math> größeren Wechselstrom in dem Kollektor hervor.
<div id="AbbGleichstromgegenkopplung">
[[Datei:Common emitter amplifier.svg|mini|Verstärkerstufe in Emitterschaltung mit Arbeitspunktstabilisierung durch Gleichstromgegenkopplung]]
</div>
[[Datei:Rauscharme Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung.svg|mini|Rauscharme Emitterschaltung mit [[Spannungsgegenkopplung]] ([[Stromspiegel]] als Stromquelle)]]
Die nebenstehende Abbildung zeigt eine Verstärkerstufe für Wechselspannung in Emitterschaltung mit kapazitiv überbrücktem Emitterwiderstand. Mit den Widerständen <math>R_1</math>, <math>R_2</math> und <math>R_4</math> wird der [[Arbeitspunkt]] festgelegt. Dabei dient der Widerstand <math>R_4</math> zur [[#Stabilisierung des Arbeitspunktes|Arbeitspunktstabilisierung (siehe Abschnitt weiter unten)]] durch eine Gleichstromgegenkopplung. Die Kondensatoren legen die untere [[Grenzfrequenz]] der Schaltung fest. Sie sind dabei so groß, dass sie oberhalb dieser Grenzfrequenz (im Vergleich zu den jeweiligen parallelen Widerständen) für das zu verstärkende Wechselstrom-Nutzsignal als Kurzschluss angesehen werden können. Hierbei ist insbesondere die Parallelschaltung von <math>C_3</math> und <math>R_4</math> von Relevanz, die den Emitter wechselstrommäßig an Masse legt. <math>C_1</math> und <math>C_2</math> blockieren die Gleichspannungsanteile an Ein- und Ausgang. Der Basisstrom steuert den um den Wechselstromverstärkungsfaktor <math>\beta</math> größeren Kollektor-Emitter-Strom.

Der [[Eingangswiderstand]] ist relativ klein und entspricht der Parallelschaltung aus <math>R_1</math>, <math>R_2</math> und (bei sehr großem <math>C_3</math>) dem Basis-Emitter-Widerstand <math>r_\mathrm{BE}</math>. Wird <math>C_3</math> weggelassen, erhöht sich der Eingangswiderstand, weil dann statt <math>r_\mathrm{BE}</math> der Widerstand <math>r_\mathrm{BE} + \beta \cdot R_4</math> in die Rechnung eingeht. Der [[Ausgangswiderstand]] ist die Parallelschaltung aus dem Arbeitswiderstand <math>R_3</math> und dem Kollektor-Emitter-Widerstand <math>r_\mathrm{CE}</math> (dieser ist in der Regel sehr groß gegenüber <math>R_3</math>). Die Spannungsverstärkung ist bei fehlendem <math>C_3</math> das Verhältnis von <math>R_3</math> zu <math>R_4</math>, ansonsten ist sie vom Transistortyp und der Temperatur abhängig. Der Emitterstrom ist gleich dem Kollektorstrom plus dem Basisstrom.

Nachteilig ist die Reduzierung der oberen [[Grenzfrequenz]] durch den [[Millereffekt]]. Dieser kann durch eine [[Kaskode]] aus zwei Transistoren vermieden werden.

Die zur Emitterschaltung analoge Grundschaltung mit [[Feldeffekttransistor]]en wird als ''Sourceschaltung'' bezeichnet; die entsprechende Grundschaltung mit [[Elektronenröhre]]n heißt ''Kathodenbasisschaltung.''

=== Dimensionierung der Bauelemente ===
Die Spannung an <math>R_4</math> ist näherungsweise der Wert, der sich aus dem Spannungsteiler <math>R_1</math> und <math>R_2</math> ergibt abzüglich der Durchlassspannung von ca. 0,5 bis 0,7 V (bei Silizium-Transistoren). <math>R_3</math> sollte so dimensioniert werden, dass der Spannungsabfall an <math>R_3</math> ungefähr halb so groß ist wie die Betriebsspannung <math>U_\mathrm{cc}</math> abzüglich des Spannungsabfalls an <math>R_4</math>, weil dann beide Halbwellen ihren maximalen Wert erreichen können.
Die Schaltung im Bild besitzt ''keine'' Wechselstrom-[[Gegenkopplung]] und verzerrt deshalb das Signal. Das lässt sich durch einen Widerstand <math>R_{GK}</math> in Reihe zu <math>C_3</math> deutlich verbessern. Allerdings sinkt dadurch auch die Verstärkung auf näherungsweise <math>\frac{R_3}{R_{GK}}</math>.

=== Eigenschaften ===
* invertierend
* Stromverstärkung: hoch (101...103)
* Spannungsverstärkung: hoch (101...103)
* Leistungsverstärkung: sehr hoch (102...106), etwa Spannungsverstärkung × Stromverstärkung
* Eingangswiderstand: mittel (500 Ω–2 kΩ)
* Ausgangswiderstand: mittel (50 Ω–100 kΩ, etwas kleiner als der Arbeitswiderstand R3)
* verzerrungsarme Verstärkung nur für sehr kleine Eingangsspannungen: wenn C3 vorhanden in der Größenordnung von µV bis max. einige mV, ansonsten abhängig vom Verhältnis <math>\tfrac{R_3}{R_4}</math>

=== Einsatzgebiete ===
Die Emitterschaltung wird in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt, zum Beispiel in Kleinsignal-Verstärkern und elektronischen Schaltern. Sie ist die mit Abstand am häufigsten anzutreffende der drei Grundschaltungen.

=== Stabilisierung des Arbeitspunktes ===
[[Datei:Gleichspannungsgegenkopplung.svg|mini|Gleichspannungsgegenkopplung]]
{{Hauptartikel|Arbeitspunkt}}
Die Art der Stabilisierung des Arbeitspunktes ist von der Transistorgrundschaltung prinzipiell unabhängig. Man unterscheidet folgende Stabilisierungsschaltungen:
* Stabilisierung durch Emitterwiderstand beziehungsweise Gleichstromgegenkopplung (siehe Abbildung „[[#AbbGleichstromgegenkopplung|Gleichstromgegenkopplung]]“)
*: Der Transistor erwärmt sich im Betrieb, dadurch wird er leitender und es fließt ein größerer Kollektorstrom. Der größere Kollektorstrom bewirkt einen größeren [[Spannungsabfall]] am Emitterwiderstand <math>R_4</math>. Die Basis-Emitterspannung nimmt ab und der Transistor sperrt mehr.
* Gleichspannungsgegenkopplung (siehe nebenstehende Abbildung)
*: Bei Zunahme des Kollektorstromes durch Eigenerwärmung des Transistors fällt mehr Spannung am Widerstand <math>R_\mathrm{c}</math> ab. Dadurch werden die Basis-Emitterspannung und die Kollektor-Emitterspannung kleiner. Der Transistor sperrt mehr und der Kollektorstrom wird kleiner.

== {{Anker|Emitterfolger|Sourcefolger}} Kollektorschaltung (Emitterfolger) ==
[[Datei:Common collector amplifier.svg|mini|Verstärker in Kollektorschaltung]]

''Für die vergleichbare Common-Drain-Schaltung des Feldeffekttransistors siehe'' [[Feldeffekttransistor#Grundschaltungen]]

Die versorgende Spannungsquelle soll für das Signal keinen Widerstand besitzen (gegebenenfalls einen [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]] parallel schalten), daher ist der Kollektor auf einem konstanten Spannungsniveau. In der Schaltung fließt ein kleiner Basis-Emitter-Strom und steuert einen größeren Kollektor-Emitter-Strom. Dieser wird vom Arbeitswiderstand <math>R_3</math> bestimmt; an ihm liegt eine Spannung <math>U_\mathrm{a} = U_\mathrm{e} - U_\mathrm{be}</math> mit der Eingangsspannung <math>U_\mathrm{e}</math> und der Basis-Emitter-Spannung <math>U_\mathrm{be}</math> von circa 0,7 V.
[[Datei:Voltage follwer boosted 4clamp II.svg|mini|Kollektorschaltung als ''idealer Transistor'' durch Impedanzwandler per [[Operationsverstärker]], kann ebenso als ''verstärkter [[Spannungsfolger]] (Emitterfolger)'' gesehen werden und ist die Grundschaltung linearer [[Spannungsregler]]: Ue=Ua]]
Die Ausgangsspannung am Emitter folgt daher annähernd der Eingangsspannung, weshalb man auch von einer ''Emitterfolgerschaltung'' spricht. Da der Strom durch den Arbeitswiderstand am Eingang um den Faktor der Stromverstärkung verringert erscheint, ist die Eingangsimpedanz einer Emitterfolgerschaltung sehr hoch, die Spannungsverstärkung ist etwa 1. Das macht die Schaltung zu einem [[Impedanzwandler]].

Die dazu analoge Grundschaltung mit [[Feldeffekttransistor]]en wird als ''Drainschaltung'' bzw. ''Sourcefolger'' bezeichnet; die entsprechende Grundschaltung mit [[Elektronenröhre]]n heißt [[Kathodenfolger]] oder Anodenbasisschaltung.

=== Dimensionierung der Bauelemente ===
Die Spannung an <math>R_3</math> sollte recht genau halb so groß sein wie die Betriebsspannung <math>U_\mathrm{cc}</math>, weil dann beide Halbwellen ihren maximalen Wert erreichen können. Das erreicht man, wenn <math>R_1</math> und <math>R_2</math> gleich groß sind.

=== Eigenschaften ===
* nicht-invertierend
* Spannungsverstärkung: knapp unter 1
* Stromverstärkung: hoch (101...103)
* Leistungsverstärkung: knapp gleich der Stromverstärkung
* Eingangswiderstand: hoch (Lastwiderstand × Stromverstärkung)
* Ausgangswiderstand: klein (Quellwiderstand / Stromverstärkung)
* verzerrungsarme Übertragung für Eingangsspannungen bis zur Versorgungsspannung

=== Einsatzgebiete ===
[[Impedanzwandler]], z. B. für Kristall-Tonabnehmer und Piezo-Schallaufnehmer, in Kondensator- und Elektret-Mikrofonen, als Vorstufe der [[Darlington-Schaltung]] (hier ist die Last die Basis der Ausgangsstufe) und vieler Audioverstärker-Endstufen.
<div style="clear:both;"></div>

== Basisschaltung {{Anker|Gateschaltung|Basisschaltung}} ==
Sie entspricht der Emitterschaltung, jedoch liegt die Basis auf Masse oder einer konstanten Spannung und der Emitter-Strom muss auch durch die Signalquelle fließen. Das führt zu einer Stromverstärkung von 1. Der Eingangswiderstand ist sehr klein, da der gesamte Laststrom sowie der Basisstrom von der Quelle aufgebracht werden muss. Der Ausgangswiderstand und die Spannungsverstärkung entsprechen jeweils denen der Emitterschaltung.

Die dazu analoge Grundschaltung mit [[Feldeffekttransistor]]en wird als ''Gateschaltung'' bezeichnet; die entsprechende Grundschaltung mit [[Elektronenröhre]]n heißt [[Gitterbasisschaltung]].

=== Eigenschaften ===
[[Datei:Common base amplifier.svg|mini|Verstärker in Basisschaltung]]
* nicht-invertierend
* Stromverstärkung: knapp unter 1
* Spannungsverstärkung: hoch (101...103)
* Leistungsverstärkung: etwa Spannungsverstärkung
* Spannungsverstärkung: 5 % bis 10 % größer als bei der Emitterschaltung
* Eingangswiderstand: klein (1–100 Ω)
* Ausgangswiderstand: hoch (entspricht etwa dem Kollektorwiderstand)
* hohe Grenzfrequenz durch geringere Rückwirkung der Ausgangsspannung auf die Steuerelektrode (Basis liegt auf Masse!)
* verzerrungsarme Verstärkung für Eingangsspannungen bis zu etwa 10 % der Versorgungsspannung

=== Einsatzgebiete ===
* HF-Stufen
* HF-Oszillatoren ab ca. 50 MHz

== Kombinationen ==
Durch Kombinationen der Grundschaltungen ergeben sich folgende Schaltungen:
* Parallelschaltung: mehrere Transistoren sind parallelgeschaltet, bei Bipolartransistoren benötigt jedoch jeder einen eigenen Emitterwiderstand, um die gleichmäßige Stromaufteilung sicherzustellen (nicht erforderlich bei [[MOSFET]] und [[Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode|IGBT]])
* Kaskadenschaltung; Reihenschaltung mehrerer Transistoren in Emitterschaltung, die Sperrspannungen addieren sich, jeder Transistor benötigt eine eigene, potentialgetrennte Basisansteuerung
* [[Kaskode]]: Eine Emitterschaltung (unten) mit darüberliegender Basisschaltung ergibt einen Kaskodenverstärker, bei dem der Eingangswiderstand niedrig und der Ausgangswiderstand sehr hoch ist. Diese Schaltung hat besonders geringe Rückwirkungen und ist deshalb für HF-Anwendungen geeignet.
* [[Transistor-Transistor-Logik]]-Inverter: Basisschaltung mit darauffolgender Emitterschaltung.
* [[Darlington-Schaltung]]: Zwei Transistoren in Kollektorschaltung hintereinander; die Basis des zweiten ist die Last des ersten, sie teilen sich die Spannung zwischen Basis 1 und Emitter 2. Die Darlington-Schaltung kann wie ein einziger Transistor mit hoher Stromverstärkung angesehen werden, es werden auch integrierte Darlington-Schaltungen, Darlington-Transistoren genannt, gefertigt.
* [[Thyristor]]-Schaltung, [[Multivibrator]]: Zwei Emitterschaltungen mit Rückkopplung.
* [[Schmitt-Trigger]]: Zwei Transistoren in Kollektorschaltung, aber mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand.

In den Ausgangsstufen der [[Transistor-Transistor-Logik|TTL]]-Technik werden zwei Transistoren in einer Halbbrückenanordnung betrieben, der untere in Emitter-, der obere in Kollektorschaltung.

Beim [[Stromspiegel]] arbeitet der zweite Transistor in Emitterschaltung, der erste stellt die Spannung an der Basis des zweiten bereit, so dass dessen Kollektorstrom dem Eingangsstrom gleicht; Einsatz als steuerbare Stromquelle.

Beim [[Differenzverstärker|Differenz-Eingang]], z. B. eines [[Operationsverstärker]]s, wirkt jeder der beiden Eingänge als Emitterschaltung (invertierend) auf die ihm zugeordnete nächste Stufe, jedoch als Folge aus Kollektorschaltung und Basisschaltung auf den anderen Ausgang.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=Hans-Joachim Fischer, Wolfgang E. Schlegel
|Titel=Transistor- und Schaltkreistechnik
|Verlag=Militärverlag der DDR
|Ort=Berlin
|Datum=1988
|ISBN=3-327-00362-9}}
* {{Literatur
|Autor=Rainer Funke, Siegfried Liebscher
|Titel=Grundschaltungen der Elektronik
|Verlag=Verl. Technik
|Ort=Berlin
|Datum=1975}}
* {{Literatur
|Autor=Johann Siegl
|Titel=Schaltungstechnik – Analog und gemischt analog/digital: Entwicklungsmethodik, Verstärkertechnik, Funktionsprimitive von Schaltkreisen
|Verlag=Springer-Verlag
|Ort=Berlin/Heidelberg
|Datum=2005
|ISBN=978-3-540-27515-2
|DOI=10.1007/3-540-27515-0}}
* {{Literatur
|Autor=[[Stefan Goßner]]
|Titel=Grundlagen der Elektronik (Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen)
|Verlag=Shaker
|Auflage = 11.
|Ort=Aachen
|Datum=2019
|ISBN=978-3-8440-6784-2}}

== Weblinks ==
* {{Internetquelle |autor=Hanspeter Hochreutener |url=http://www.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TransistorVerstaerker/TransistorVerstaerker.pdf |titel=Transistor-Verstärkerschaltungen |hrsg=Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik |datum=2011-01-14 |format=PDF; 871 kB |archiv-url=https://web.archive.org/web/20180417192057/https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TransistorVerstaerker/TransistorVerstaerker.pdf |abruf=2013-01-08}}

== Einzelnachweise ==
<references />
[[Kategorie:Transistor|Grundschaltungen]]
[[Kategorie:Verstärkertechnik]]
[[Kategorie:Elektronische Schaltungstechnik]]

Transistorgrundschaltungen - Versionsgeschichte

imported>Hybridrix: /* Übersicht */Link Tietze