Analyse der Ein- und Ausgangsimpedanz von Verstärkern

Der Eingangs-widerstand von Transistorverstärkern variiert stark mit Schaltungstopologie und Biasing. Während die wahre Impedanz komplex und frequenzabhängig ist, geben praktische Näherungen klare Hinweise für die drei Grundkonfigurationen.

Für den Common-Collector (Emitterfolger) ist der Eingangs-widerstand einfach der Emitterwiderstand multipliziert mit der Stromverstärkung:

Rin = \beta RE

Bei einer Common-Emitter-Stufe ist die Situation etwas komplexer, da der interne Emitterwiderstand r_ee berücksichtigt werden muss:

Der interne Emitterwiderstand berechnet sich als:

ree = \dfrac{KT}{IE}\quad \text{wobei}\quad K = 1,38\times10^{-23}\,\text{W·s/K},\;T \approx 300\,\text{K}

Für Siliziumtransistoren vereinfacht sich die Konstante auf etwa 26 mV pro Milliampere Emitterstrom:

ree \approx \dfrac{26\,\text{mV}}{IE\,(\text{A})}

Damit beträgt der Eingangs-widerstand einer Common-Emitter-Stufe:

Rin = \beta\,ree

Beispiel: Mit β = 100 und einer Emittervorspannung von 1 mA,

ree = \dfrac{26\,\text{mV}}{1\,\text{mA}} = 0,26\,\Omega
Rin = 100 \times 0,26\,\Omega = 26\,\Omega

Für eine genauere Schätzung bei einer Common-Collector-Stufe mit externem Emitterwiderstand R_E wird der Eingangs-widerstand:

Rin = \beta\,(RE + ree)

Dieser gleiche Ausdruck gilt auch für eine Common-Emitter-Konfiguration, die einen Emitterwiderstand enthält.

Die Common-Base-Konfiguration hat einen deutlich niedrigeren Eingangs-widerstand, der im Wesentlichen dem internen Emitterwiderstand entspricht:

Rin = ree

Hoher Eingangs-widerstand macht den Common-Collector ideal für das Ansteuern hochohmiger Quellen wie Kristall- oder Keramikmikrofone. Der niedrige Eingangs-widerstand der Common-Base ist in RF-Anwendungen nützlich, wo ein 50-Ω-Koaxialkabel angepasst werden muss. Die Common-Emitter-Stufe bietet einen moderaten Eingangs-widerstand, geeignet für mittelohmige Quellen wie dynamische Mikrofone.

Die Ausgangs-impedanzen der drei Grundkonfigurationen sind in der untenstehenden Abbildung zusammengefasst. Der moderate Ausgangs-widerstand der Common-Emitter-Stufe erklärt ihre Beliebtheit für allgemeine Verstärkungsaufgaben. Der sehr niedrige Ausgangs-widerstand der Common-Collector-Stufe wird für Impedanzanpassung ausgenutzt, beispielsweise bei transformatorlosen Anschlüssen an einen 4-Ω-Lautsprecher. Geschlossene Formeln für den Ausgangswiderstand existieren, sind aber komplexer; siehe Ableitungen von R. Victor Jones (Referenz [RVJ]).

Verstärkerkennwerte adaptiert aus dem GE Transistor Manual, Abbildung 1.21.

Wiederholung

• Siehe obenstehende Abbildung für einen visuellen Vergleich der Ein- und Ausgangs-impedanzen.

Verwandte Arbeitsblätter

• Class A BJT Amplifiers