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Applikationen über AC-Vorverstärker mit bipolaren Transistoren

"Schon wieder eine Seite mit NF-Vorverstärkern!" werden Sie fragen? Ja, aber nur mit solchen Verstärkern die nicht nur für den NF/Audio-Bereich einsetzbar sind, sondern die auch im industriellen Umfeld zur Auswertung und Ansteuerung von Sensor-Aktorsystemen einsetzbar sind.

Die Anfordrungen an NF-Vorverstärkern in der Industrie sind z.T. andere, als im heimischen Audiobereich. So sind niedrige Klirrfaktoren nicht immer ein Muss. Wichtiger sind z.B. ein Frequenzbereich von kleiner 10 Hz bis weit
üner 100 kHz. Auch die Amplitudendynamk kann sehr viel größer sein, als im eng genormten Audiobereich. Die Forderuhg nach sicherer Funktion im industriellen Temperaturbereich von 0°C bis 70°C ist ein weiteres Merkmal von industrieller Elektronik.

Vorverstärker mit großen Eingangswiderstand Vorverstärker als Impedanzwandler:
Die Schaltung dieses Impedanz-
wandlers besteht aus den zwei Stufen mit den Transistoren T1 und T2.
Der Transistor T1 arbeitet in Emitter-
schaltung und ist wegen R3 = R4 sehr stark gegengekoppelt. Die Stufe mit T2 ist in Kollektorschaltung aufgebaut und arbeitet als Emitterfolger.
Die Besonderheit der Stufe mit T1 ist die Art der Ankopplung des Basis-
spannungsteilers. Die Basis von T1 liegt nicht direkt am Knotenpunkt von R1 und R2, sondern wird über R5 an diesen Knoten angekoppelt.
Zusätzlich wird das AC-Signal vom Emitter von T1 über den Kondensator C2 auf diesen Knotenpunkt rück-
gekoppelt. Diese Schaltungstechnik nennt sich Bootstrapschaltung und dient hier zur Vergrößerung der Eingangs-
impedanz.
Doch, wie funktioniert diese Technik der Impedanzvergrößerung?
Aus der E-Technik ist bekannt, dass, wenn zwei Spannungen die in Amplitude und Phase identisch und gegeneinander geschaltet sind, es keinen Ausgleichsstrom zwischen diesen beiden Spannungsquellen fließen wird.
Um nun zu verhindern, dass ein AC-Eingangsstrom über den Knoten C1/R5 in den Basisspannungsteiler fließt und damit die AC-Quelle belastet, wird über den Kondensator C2 ein gleichwertiges Signal dem Knoten R1/R2/R5 zugeführt. Dieses gleichwertige Signal steht am Emitter von T1 zur Verfügung. Auf Grund des fehlenden bzw. sehr geringen Ausgleichsstromes durch R5 ist die Belastung der AC-Quelle sehr gering. Als Last tritt jetzt nur der Emitterwiderstand R4 auf, der, multipliziert mit dem Gleichstromverstärkungsfaktor B von T1 einen sehr hohen Ersatzwiderstand darstellt. Bei R4=18 kOhm und B=200 besitzt diese Eingangsimpedanz einen Wert von 3,6 MOhm. Die Versorgung der Basis von T1 mit Gleichstrom zur Arbeitspunkteinstellung ist von dieser Technik unberührt.

Die Ausgangsstufe mit T2 als Emitterfolger dient zur niederohmigen Auskopplung des Nutzsignals. Die Ausgangs-
impedanz liegt bei etwa 250 Ohm.

Die technischen Daten für die Schaltung nach Bild 1 in der Zusammenfassung:

Spannungsverstärkung: ~ 1
Eingangsimpedanz: 3,3 MOhm
Ausgangsimpedanz: 250 Ohm
Frequenzgang: 10 Hz bis >> 100 kHz, abhängig vom Aufbau
Maximale Eingangsspannung: 1,4 Vss beim Klirrfaktor von 0,5% am Ausgang
Stromaufnahme: 0,7 mA



Vorverstärker mit wählbarer Verstärkung Vorverstärker mit wählbarer Verstärkung:
Die in Bild 2 gezeigte Schaltung zeigt einen zweistufigen NF-Verstärker.
Das besondere an dieser Schaltungstechnik ist die direkt Kopplung der beiden Transistorstufen. Hier wurde eine zweifache Gleichstromgegenkopplung realisiert die zum einen durch R5 eine Arbeitspunkt-
stabilisierung bewirkt und zum anderen durch R3 - in Verbindung mit R4 - den Verstärkungsfaktor einstellt. Durch diese beiden Gegenkopplungen ist der Arbeitspunkt dieses Verstärkers sehr unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung, der Umgebungstemperatur und den Exemplarstreuungen der Transistoren.
Wird für R3 ein Netzwerk aus frequenz-
bestimmenden Bauteilen (R, L, C) gewählt, so kann man den Frequenzgang dieses Verstärkers den Erfordenissen anpassen.
Ist R3 ein ohmscher Widerstand, so wird die Gesammtverstärkung berechnet aus V = R3 / R4.

Die technischen Daten für die Schaltung nach Bild 2 in der Zusammenfassung:

Vu -fach Vu dB R3 R4 Zin Vin eff max Frequenzbereich
10 20 39 kOhm 3,9 kOhm 2 MOhm 230 mV 10 Hz...120 kHz
20 26 47 kOhm 2,2 kOhm 1 MOhm 135 mV 10 Hz...100 kHz
50 34 100 kOhm 1,8 kOhm 350 kOhm 40 mV 10 Hz...60 kHz
100 40 100 kOhm 910 Ohm 200 kOhm 20 mV 10 Hz...50 kHz

Die Ausgangsimpedanz ist mit ca. 900 Ohm relativ niederohmig.

Wird eine größere Amplitudendynamik gewünscht, so muss dieser Verstärker an einer größeren Versorgungsspannung betrieben werden.
Für eine Versorgungsspannung von 24V...30V ändern sich einige Widerstandswerte wie folgt:
R2 = 220k; R5 = 100k; R6 = 3,9k; R7,R8,R9 = 330 Ohm.




Vorverstärker in Basisschaltung Vorverstärker in Basisschaltung mit niederohmigen Eingang:
Die in Bild 3 gezeigte Verstärkerstufe ist als Basisschaltung ausgeführt. Merkmal einer solchen Stufe ist der geringe Eingangswiderstand - genauer: Eingangsimpedanz.
In der Hochfrequenztechnik, in der die Kabel- und Leitungsimpedanzen genormt sind, müssen auch die Anschlußstufen einer dieser Normen entsprechen, um HF-Reflexionen an den Anschlußstellen zu vermeiden. Die bekanntesten Impedanznormen sind 50 Ohm, 60 Ohm
und 75 Ohm.
Vielfach wird fälschlicherweise angenommen, dass der Emitterwiderstand - hier R4 - der Abschlusswiderstand für das Eingangssignal ist. Dies ist aber nicht so. Das Signal wird vielmehr durch den Weg C1-re-C2-Masse abgeschlossen. Der transistorinterne Emitterwiderstand re ist direkt abhängig vom Emitterstrom. Wenn man Xc von C1 und C2 mit Null Ohm ansetzt, dann berechnet man die Eingangsimpedanz
mit Zin = re = 25 / Emitterstrom Ie(mA). Für einen 50-Ohm-Abschluss muss also ein Emitterstrom
von Ie = 25 / 50 = 0,5mA fließen. Der Emitterstrom wird hier mit dem Widerstand R1 eingestellt. Im Bild 3 ist die Dimensionierung für Zin = 50 Ohm gewählt. Bei einer Widerstandsanpassung von 50 Ohm am Eingang beträgt die Leerlaufverstärkung ca. das 32-fache. Der Ausgangswiderstand dieser Schaltung ist ca. 1,3 kOhm. Die Kondensatoren C1 und C2 müssen so dimensioniert werden, dass deren Blindwiderstände Xc, bei der kleinsten zu übertragenden Frequenz, nach 0 Ohm gehen.




Vorverstärker mit sehr großer Bandbreite Vorverstärker mit sehr großer Bandbreite:
Der in Bild 4 gezeigt Vor-
verstärker zeichnet sich durch eine sehr große Bandbreite von 8 Hz bis ~ 15 MHz aus. Der Verstärkungsfaktor liegt bei etwa 10-fach, und wird im Wesentlichen durch das Verhältnis von R7 zu R3 bestimmt. Eine Anpassung der Verstärkung ist durch geringe Änderungen an diesen Werten möglich. Will man die Band-
breite von 15 MHz ausnutzen, so muss der Aufbau mit möglichst geringen parasitären Kapazitäten erfolgen.

Die technischen Daten dieses Verstärkers sind:

Spannungsverstärkung: ~ 10 fach
Eingangsimpedanz: 10 kOhm
Ausgangsimpedanz: 500 Ohm bei Klirrfaktor von 0,5%
Frequenzgang: 8 Hz bis - 15 MHz
Maximale Eingangsspannung: 300 mVeff
Ruhestromaufnahme: 10 mA