BJT-Biasing-Techniken: Klassen A, B, AB, C und D Verstärker meistern

Im Common-Emitter-Abschnitt dieses Kapitels zeigte eine SPICE-Simulation einen halbwellengleichgerichteten Ausgang: Der Transistor blieb nicht während des halben Eingangszyklus im aktiven Bereich. Um den vollständigen Wellenformverlauf zu erhalten, wurde eine kleine Vorspannspannung eingeführt, die den Transistor während des gesamten Zyklus im aktiven Modus hält. Diese Bias-Spannung ist für viele Verstärkerklassen essenziell.

In manchen Szenarien ist ein halbwelliger Ausgang beabsichtigt. Bestimmte Anwendungen erfordern eine spezifische Betriebsart – bezeichnet mit den Buchstaben A, B, C oder AB – bei der der Verstärker nur einen Teil der Eingangswelle reproduziert. Im Folgenden ein knapper Überblick über jede Klasse.

Überblick der Verstärkerklassen

Klasse A

In Klasse A leitet der Transistor während des gesamten Eingangszyklus, ohne Sperr- oder Sättigungsbereich zu erreichen. Eine DC-Vorspannung platziert den Transistor genau in der Mitte zwischen Sperrung und Sättigung, sodass das AC-Signal zwischen den oberen und unteren Grenzen des Verstärkers zentriert ist. Dies ergibt eine getreue Wiedergabe der Eingangswelle.

Klasse B

Klasse-B-Verstärker waren die ersten, die eine Common-Emitter-Konfiguration ohne DC-Vorspannung nutzten. Der Transistor leitet nur für einen halben Zyklus, was einen halbwelligen Ausgang erzeugt. Zwar ist eine einzelne Klasse-B-Stufe selten nützlich, aber ein Push-Pull-Paar – zwei komplementäre Transistoren – behandelt positive und negative Halbwellen getrennt. Zusammen rekonstruieren sie die volle Welle bei höherer Ausgangsleistung und geringerer Wärmeentwicklung im Vergleich zu Klasse A.

Klasse AB

Klasse AB liegt zwischen Klasse A und B. Der Transistor leitet für mehr als 50 %, aber weniger als 100 % des Zyklus, was Linearität und Effizienz ausbalanciert. Durch eine leicht negativere Basisspannung relativ zu Klasse A verbringt der Transistor weniger Zeit in Sperrung, vermeidet aber die starke Verzerrung reiner Klasse B.

Klasse C

Klasse-C-Betrieb leitet für weniger als einen halben Zyklus (<180°). Obwohl der Ausgang stark beschnitten ist, ermöglicht die Kopplung mit einem Resonanzschwingkreis (Parallel-LC) die Aufrechterhaltung einer hochfrequenten Schwingung durch die „Stöße“ des Verstärkers. Diese Konfiguration eignet sich ideal für festfrequente RF-Sender wie UKW-Radio, wo hohe Leistungs-effizienz im Vordergrund steht.

Klasse D

Klasse-D-Verstärker unterscheiden sich grundlegend: Der Ausgangstransistor wird nur in Sperrung oder Sättigung getrieben und erzeugt eine hochfrequente Rechteckwelle, deren Tastverhältnis der Eingangsamplitude entspricht. Nach Tiefpassfilterung approximiert der Ausgang die ursprüngliche Welle sehr genau. Diese Topologie minimiert die Wärmeentwicklung und erreicht sehr hohe Effizienz, weshalb sie in Hochleistungs-Audio- und Industrieinvertern verbreitet ist.

Ruhe- (Quieszent-) Strom und Lastlinien

Der Ruhestrom ist der stationäre Strom bei Nullsignal. In Klasse A beträgt er die Hälfte des Sättigungsstroms; Klasse B und C haben null Ruhestrom; Klasse AB liegt knapp über Sperrung. Eine Lastlinie – Darstellung der Kollektor-Emitter-Spannung gegen Kollektorstrom – veranschaulicht den Arbeitspunkt des Transistors für einen gegebenen Lastwiderstand. Für Klasse A liegt der Ruhepunkt in der Mitte der Lastlinie, was linearen Betrieb sicherstellt und Sättigung vermeidet.

Praktisches Biasing mit Spannungsteilern

Die Verwendung einer separaten Batterie zur Bias-Erzeugung ist unpraktisch, da die Batteriespannung im Zeitverlauf driftet. Stattdessen kann ein Spannungsteiler an der Hauptversorgung die benötigte Vorspannung erzeugen. Beispiel: Bei 15 V Versorgung ergeben R₂ = 8,466 kΩ und R₃ = 1,533 kΩ 2,3 V an R₃. Würde das AC-Signal direkt an R₃ angelegt, würde die Bias-Spannung kurzgeschlossen. Ein Koppelkondensator zwischen Signalquelle und Teiler blockiert DC und lässt AC passieren, was korrektes Biasing ermöglicht.

Superpositionsanalyse zeigt, dass die AC-Komponente durch den Kondensator an R₃ gelangt, während der DC-Teiler beim Biasing isoliert bleibt. Die resultierende Bias-Spannung beträgt ca. 2,3 V DC plus 1,5 V AC-Signal, wie gewünscht.

SPICE-Simulation des teilervorgespannten Verstärkers:

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 8466 r3 5 0 1533 q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Die initiale Simulation zeigt Verzerrungen durch Belastung des Spannungsteilers durch den Transistor-Basisstrom. Anpassung von R₂ und R₃ (z. B. R₂ = 6 kΩ, R₃ = 4 kΩ) stellt die 2,3 V Bias wieder her und beseitigt die Verzerrung.

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 6k <--- R2 verringert auf 6 k r3 5 0 4k <--- R3 erhöht auf 4 k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Kernaussagen

• Klasse A – Volle Zyklus-Leitung; getreue Wellenformwiedergabe; hohe Wärmeentwicklung.
• Klasse B – Halbzyklus-Leitung; effizient als Push-Pull; geeignet für Hochleistungs-Audio.
• Klasse AB – Hybrid; balanciert Linearität und Effizienz.
• Klasse C – Ultraeffizient für festfrequentes RF; benötigt Resonanzschwingkreis.
• Klasse D – Hochfrequentes PWM; minimales aktives Verlustleistungsverhalten; exzellente Effizienz für Audio und industrielle Inverter.
• Biasing über Spannungsteiler mit Koppelkondensatoren ist gegenüber externen Batterien für Stabilität vorzuziehen.

Verwandte Arbeitsblätter

• Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet
• Class A BJT Amplifiers Worksheet
• Class B BJT Amplifiers Worksheet
• Bipolar Junction Transistor (BJT) Theory Worksheet