Emitterfolger (Common-Collector-Verstärker): Grundlagen und Anwendungen

Im Transistorverstärker-Design bietet die Common-Collector-Schaltung – oft als Emitterfolger bezeichnet – eine einfache, aber leistungsfähige Lösung für Spannungspufferung und Stromverstärkung. Im Folgenden werden Funktionsweise, wesentliche Eigenschaften und praktische Einsatzmöglichkeiten erläutert.

Was ist die Common-Collector-Konfiguration?

Im Gegensatz zur Common-Emitter-Topologie wird der Kollektor in einer Common-Collector-Schaltung zwischen Ein- und Ausgang geteilt. Die schematische Darstellung unten zeigt die wesentlichen Anschlüsse:

Hier sind sowohl die Signalquelle als auch die Last an den Kollektoranschluss gebunden, während der Emitter als Ausgangsknoten dient. Da der Emitter den gesamten durch den Transistor fließenden Strom – Basisstrom plus Kollektorstrom – führen muss, bietet die Schaltung von Natur aus eine große Stromverstärkung.

Stromverstärkung im Common-Collector-Verstärker

Der der Last zugeführte Strom entspricht dem Emitterstrom, der die Summe aus Basis- und Kollektorstrom ist. Die Stromverstärkung (A_I) beträgt daher:

$$A_I = \beta + 1$$

wobei β der Stromverstärkungsfaktor des Transistors ist. Dies ist die höchste Stromverstärkung, die mit einem Eintransistor-Verstärker erreicht werden kann.

Spannungsverstärkung: Nahezu Eins

Eines der prägenden Merkmale dieser Topologie ist ihr Spannungsverhalten. Da die Emitterspeisespannung der Basisspannung minus einem ~0,7 V V_BE-Abfall (bei Silizium) folgt, ist die Ausgangsspannung im Wesentlichen die Eingangsspannung abzüglich dieses konstanten Diodenabfalls. Folglich liegt die Spannungsverstärkung (A_V) nahe bei 1 (0 dB) und der Verstärker ist nicht invertierend.

In SPICE lässt sich das Verhalten mit folgendem Netlist überprüfen:

common-collector amplifier vin 1 0 q1 2 1 3 mod1 v1 2 0 dc 15 rload 3 0 5k .model mod1 npn .dc vin 0 5 0.2 .plot dc v(3,0) .end

Simulationsergebnisse bestätigen, dass der Ausgang den Eingang mit nur dem ~0,7 V Offset nachzeichnet, unabhängig von β oder Lastwiderstand.

Wechselstrom-Signalverstärkung

Für Wechselstromsignale wird dem Eingang eine DC-Vorspannung hinzugefügt, um den Transistor über den gesamten Signalverlauf im aktiven Bereich zu halten. Die Schaltung und ihre Transientensimulation sind unten dargestellt:

common-collector amplifier vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0) vbias 4 0 dc 2.3 q1 2 1 3 mod1 v1 2 0 dc 15 rload 3 0 5k .model mod1 npn .tran .02m .78m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end

Der Ausgang folgt der Eingangsform mit derselben Spitzen-Spitzen-Amplitude, lediglich um den V_BE-Abfall verschoben.

PNP-Transistoren funktionieren genauso gut

Ein PNP-Transistor in Common-Collector-Schaltung zeigt das gleiche Spannungsfolger-Verhalten, nur mit umgekehrter Polarität von Spannungen und Strömen. Schaltbild und Funktionsweise bleiben analog zum NPN-Fall.

Praktische Anwendungen

• Spannungsregelung: Ein Common-Collector-Transistor kann die Stromtreibfähigkeit eines Zenerdioden-Reglers erhöhen, sodass schwerere Lasten getrieben werden, während die Zenerdiode nur den Basisstrom liefert. Die Lastspannung liegt etwa 0,7 V unter der Zener-Spannung.
• Darlington-Paar: Für noch höhere Stromverstärkung können zwei Transistoren als Darlington-Schaltung kaskadiert werden, wodurch sich ihre individuellen (β + 1)-Verstärkungen multiplizieren. Die Ausgangsspannung verliert dann zwei V_BE-Abfälle relativ zum Eingang.

Abbildungen eines einzelnen Transistors, einer PNP-Version und eines Darlington-Paares veranschaulichen diese Konzepte.

Kernaussagen

• Der Common-Collector (Emitterfolger) teilt seinen Kollektoranschluss zwischen Ein- und Ausgang.
• Er liefert einen nicht invertierenden Ausgang mit Spannungsverstärkung ≈ 1 und Stromverstärkung β + 1.
• Ideal für Pufferung, Spannungsregelung und das Treiben hoher Ströme.
• Darlington-Paare erweitern die Stromverstärkung bei Beibehaltung der Spannungsfolger-Eigenschaft.

Weiterführende Ressourcen

• Class A BJT Amplifiers