II. Schaltungstechnik · II. Schaltungstechnik Alle am Beispiel von bipolaren Transi-storen beschriebenen Anordnungen lassen sich ebenso mit Feldeffekttran-sistoren realisieren

II. Schaltungstechnik

Alle am Beispiel von bipolaren Transi-storen beschriebenen Anordnungenlassen sich ebenso mit Feldeffekttran-sistoren realisieren. Dabei entsprichtdem Emitter die Source, der Basisdas Gate und dem Kollektor dasDrain.

II.1 Der Transistor als Verstärker

Von den 3 Anschlüssen des Transi-stors fungiert im allgemeinen je einerals Ein- und Ausgang, während derdritte signalmäßig an Masse liegt. Ge-meinsam ist allen Anordnungen, daßdie Eingangsspannung die Basis-Emitter Spannung und damit den Kol-lektorstrom steuert. DerKollektorstrom fließt durch einen Ar-beitswiderstand und erzeugt hier ei-nen Spannungsabfall. Der mit demKollektorstrom schwankende Span-nungsabfall stellt die Ausgangsspan-nung der Verstärkerstufe dar. Es zeigtsich, daß nur die 3 in Bild 2-1 gezeig-ten Anordnungen sinnvoll sind:

a) EmitterschaltungIn Emitterschaltung wird die Basisdes Transistors von der Eingangs-spannung angesteuert, der Emitterliegt wechselspannungsmäßig fest.Der Kollektor ist über einen Arbeitswi-

derstand mit der Versorgungsspan-nung verbunden. An ihm wird dasAusgangssignal abgenommen.

b) BasisschaltungIn Basisschaltung liegt die Basiswechselspannungsmäßig fest und derEmitter dient als Eingang. Der Ar-beitswiderstand liegt ebenfalls zwi-schen Kollektor und positiverVersorgungsspannung und der Kol-lektor ist Ausgang.

c) KollektorschaltungHier wird die Basis angesteuert undder Arbeitswiderstand liegt zwischenEmitter und negativer Versorgungs-spannung. Der Emitter ist Ausgang,während der Kollektor wechselspan-nungsmäßig festliegt.

II.2 Einstellung des Arbeitspunkts

Die 3 Grundschaltungen des Transi-stors werden erst durch zusätzlicheBauelemente und eine Stromversor-gung funktionsfähig. Jede lineare Ver-stärkerschaltung hat ihren Arbeits-punkt, bei dem im Transistor ein Ru-hestrom fließt und eine CE-Spannunganliegt. Die variable Eingangsspan-nung prägt beiden Änderungen auf,

Abb. 2-1: Transistor-Grundschaltungen

Praktische Elektronik 2-1 Hans-Hellmuth Cuno

die letztlich das Ausgangssignal dar-stellen. Als einfachste Möglichkeit zurEinstellung des Arbeitspunkts kannein Spannungsteiler dienen, der dieBasis-Emitter Spannung für den ge-wünschten Ruhestrom abgibt. Am Ar-beitswiderstand Ra stellt sich vonselber die entsprechenden CE-Span-nung ein. Das funktioniert gut bei kon-stanter Temperatur und konstanterVersorgungsspannung, ergibt aberunzumutbare Änderungen des Ruhe-stroms mit der Temperatur. EineTemperaturzunahme um 1°C erhöhtden Kollektorstrom eines bipolarenTransistors um ca. 10 %, 25°C ver-zehnfachen ihn annähernd. Das istfür ein der Außentemperatur ausge-setztes Gerät völlig unzumutbar. Füreinen konstanten Ruhestrom müßteman die Basis-Emitter Spannung miteiner mehr oder minder aufwendigenKompensationsschaltung pro °C umetwa 2,5 mV verkleinern.

Zum Glück geht es auch einfacher,den Ruhestrom gegenüber Tempera-tur- und Spannungsschwankungen zustabilisieren: Man legt zwischen Emit-ter und Masse einen Widerstand, andem beim Ruhestrom eine Spannungvon etwa 1 Volt abfällt und dimensio-niert den Spannungsteiler für die Ba-sis entsprechend um. Wenn jetzt dieTemperatur um 1°C zunimmt, sinktdie erforderliche Basis-Emitter Span-nung um 2,5 mV. Um diesen Wert er-

höht sich die Spannung am Emitterwi-derstand, so daß der Ruhestrom nurnoch um 0,25% zunimmt, eine Ver-besserung um den Faktor 40 bei mini-malem Aufwand. Temperaturschwan-kungen um ± 40°C lassen den Ruhe-strom um ±10% schwanken, was füreinen Verstärker vollkommen akzep-tabel ist.

Als Konstantstromquelle eingesetzt,hat die Schaltung einen sehr hohenInnenwiderstand, so daß Änderungender Spannung am Kollektor denfließenden Strom nur ganz minimalbeeinflussen.

In Emitterschaltung liegt der Arbeits-widerstand zwischen Kollektor undpositiver Versorgungsspannung. EineZunahme der Eingangsspannung er-höht den Kollektorstrom und denSpannungsabfall am Arbeitswider-stand. Die Spannung am Kollektorsinkt dadurch ab und die Ausgangs-spannung ist gegenphasig zur Ein-gangsspannung. Eine Verstärker-stufe in Emitterschaltung invertiert da-her das Eingangssignal.

Für die Basisschaltung gelten die Be-trachtungen über den Ruhestrom ingleicher Weise. Eine Zunahme derEingangsspannung verringert hieraber die Basis-Emitter Spannung unddamit den Kollektorstrom. Der sinken-de Spannungsabfall am Arbeitswider-stand läßt die Spannung am Kollektoransteigen, so daß eine Verstärkerstu-fe in Basisschaltung das Eingangssi-gnal nicht invertiert.

Völlig unkritisch in Bezug auf den Ru-hestrom ist die Kollektorschaltung mitdem Arbeitswiderstand zwischenEmitter und negativer Versorgungs-spannung. Der Emitter folgt der Basismit der Basis-Emitter Spannung als

Abb. 2-2: Ruhestrom Stabilisierung


Differenz, der Emitterfolger invertiertnicht.

II.3 Schaltungsanordnungen

Eine Durchsicht von Schaltungenelektronischer Geräte und des "Innen-lebens" von IC’s zeigt, daß Transisto-ren immer wieder in den gleichenGrundanordnungen verschaltet sind.Eine Kenntnis dieser Grundanordnun-gen und ihrer Eigenschaften ist eineVoraussetzung für das Verständnisder Arbeitsweise dieser Schaltungen.Wenn man die Schaltungs- technikals Sprache ansieht, dann sind die 8besprochenen Grundanordnungenihre Vokabeln. Die 3 AnordnungenEmitter-, Basis und Kollektorschal-tung wurden bereits in Abschnitt II.1besprochen.

Die Bezeichnungen KomplementärDarlington und Komplementär Emit-terfolger sind nicht standardisiert. Siewerden ab hier konsistent verwendet.

a) DarlingtonschaltungSie besteht aus einem Transistor mitvorgeschaltetem Emitterfolger undhat daher die doppelte Basis-EmitterSpannung wie ein einfacher Transi-stor und das Produkt der beidenStromverstärkungen als Ge-samtstromverstärkung. Ein "Darling-

ton" kann in jeder der 3 Grundschal-tungen eingesetzt werden. Nachteiligist die hohe Sättigungsspannung (sie-he II.8), die gleich der Summe derSättigungsspannung des ersten Tran-sistors und der Basis-Emitter Span-nung des zweiten Transistors ist.Typische Werte liegen um 1 Volt.Wird der Kollektor des ersten Transi-stors mit der positiven Betriebsspan-nung verbunden, so ist das Verhaltenaußerhalb der Sättigung dem Darling-ton fast gleich. Ganz genau genom-men ist das aber kein Darlingtonmehr.

b) Komplementär DarlingtonEr entsteht, indem man an Stelle desersten npn-Transistors im Darlingtoneinen pnp-Transistor setzt. Die Ge-samtschaltung verhält sich wie einpnp Transistor mit dem Produkt derbeiden Stromverstärkungen und einerBasis-Emitterspannung von ca.0,65V. Sie wird häufig an Stelle einespnp-Leistungstransistors verwendet.Wegen der deutlich geringeren Lö-cherbeweglichkeit in Silizium müssendie Chips von pnp-Leistungstransisto-ren für den gleichen Kollektorstrometwa die doppelte Fläche haben. Siesind deshalb teurer als npn-Typenund werden gerne durch diese Schal-tung substituiert. Bei der Sättigungs-spannung gleicht die Komplementär

Abb. 2-3: Kombinationen von 2 Transistoren


Darlingtonschaltung dem normalenDarlington.

c) Komplementär EmitterfolgerDie Hintereinanderschaltung von 2Emitterfolgern mit komplementärenTransistoren hat eine ähnlich hoheStromverstärkung wie die beiden Dar-lington-Schaltungen. Ihre wichtigsteEigenschaft resultiert daraus, daß diebeiden Basis-Emitter Spannungenumgekehrte Vorzeichen haben undsich damit gegenseitig aufheben. DieAusgangsspannung ist dadurch mitguter Genauigkeit gleich der Ein-gangsspannung. Der KomplementärEmitterfolger benötigt einen Wider-stand oder eine Stromquelle am Emit-ter des ersten Transistors, da derEmitterstrom dieses Transistors dasgleiche Vorzeichen hat, wie der Ba-sisstrom des zweiten Transistors. Inder Ausgangsstufe hochwertiger Ope-rationsverstärker findet man häufigzwei Komplementär Emitterfolger mitumgekehrter Polarität, z.B. in Abb. 2-7. Jeder der beiden Ausgangstransi-storen kann Strom in einer Richtungliefern. Der fehlende Spannungsver-satz ergibt einen lückenlosen Über-gang bei Vorzeichenwechsel desAusgangsstroms.

d) DifferenzverstärkerDer Differenzverstärker besteht aus 2Transistoren, deren Emitter miteinan-der verbunden sind. Der Emitterstromfür beide Transistoren wird von einerKonstantstromquelle geliefert, dieSumme der beiden Ströme ist alsokonstant. Verbindet man die Basisan-schlüsse der beiden Transistoren, sohaben beide exakt die gleiche Basis-Emitter Spannung und lassen dahergenau den gleichen Kollektorstromfließen. Dieser Strom ist unabhängigvom Wert der Basisspannung, solan-

ge man im Arbeitsbereich der Strom-quelle bleibt. Die Ausgangsspannun-gen ändern sich dabei nicht. DieseEigenschaft des Differenzverstärkersnennt man Gleichtaktunterdrückung.Eine Spannungsdifferenz zwischenden beiden Basisanschlüssen erhöhtdie Basis-Emitter Spannung und da-mit auch den Strom des Transistorsmit der positiveren Basis (bei npn),beides auf Kosten des anderen Tran-sistors. Die Stromquelle erzwingt einekonstante Summe beider Ströme, sodaß der eine Kollektorstrom geradeum den Betrag zunimmt, um den derandere zurückgeht. Die Spannung aneinem Arbeitswiderstand nimmt daherum den gleichen Betrag zu, um dendie andere abnimmt. Der Differenz-verstärker hat dadurch einen exaktenGegentaktausgang, dem keine Ände-rungen der Gleichtaktspannung über-lagert sind. Beide Eigenschaftenprädestinieren den Differenzverstär-ker für Eingangsstufen von Operati-onsverstärkern. Die gleichzeitigeHerstellung der Transistoren auf ei-nem IC-Chip sorgt für exzellenteÜbereinstimmung aller Eigenschaf-ten.

Abb. 2-4: Differenzverstärker


e) pnp-Darlington-Differenzverstärker

Der Gleichtaktbereich des pnp-Dar-lington-Differenzverstärkers in Abb.2-5 reicht bis zur negativen Versor-gungsspannung. Die Schaltung wirdals Eingangsstufe in vielen bipolarenOperationsverstärkern eingesetzt.

Die Schaltung nutzt aus, daß Silizi-um-Transistoren eine Basis-Emitter-Spannung von 0,65V haben, mit ca.0,15V zwischen Kollektor und Emitteraber schon linear arbeiten. In Abb. 2-5 sind die Spannungen bei 0V Ein-gangsspannung eingezeichnet. Mansieht, daß jeder Transistor ein UCEvon 0,65V hat und im linearen Be-reich arbeitet. Der Kollektorstrom vonT2 wird im Stromspiegel T3/T4 ge-spiegelt, die Differenz zum Kollektor-strom von T5 fließt in die Basis vonTransistor T7, dessen Kollektor dieweiteren Stufen der Schaltung an-steuert.

f) StromspiegelFür das Verständnis des Stromspie-gels muß man sich erst einmal überden Unterschied zwischen einerStromquelle und einer Stromsenkeklar werden. Praktisch alle elektroni-schen (Konstant-) Stromquellen be-stehen aus einem irgendwiegesteuerten Vorwiderstand, der miteiner der beiden Versorgungsspan-nungen verbunden ist. Bei einerStromquelle ist dies die positive Ver-sorgungsspannung, bei einer Strom-senke die negative. Der Konstant-strom kann also nur aus der Richtungder anderen Versorgungsspannungher zu der jeweiligen Versorgungs-spannung hin fließen.

Die Funktion des Stromspiegels istleicht zu verstehen: In den linkenTransistor fließt Strom aus irgendei-ner Quelle aus Richtung der positivenVersorgung her. Er teilt sich entspre-chend der Stromverstärkung auf Ba-sis und Kollektor auf und es stellensich automatisch der zum Kollektor-strom gehörende Basisstrom und diezugehörige Basis-Emitter Spannungein. Diese Spannung liegt auch ander Basis des rechten Transistors, sodaß dieser exakt den gleichen Kollek-torstrom fließen läßt. Der rechte Tran-sistor wirkt so als Stromsenke für(fast) genau den Strom, der aus einerStromquelle in den linken Transistor

Abb. 2-5: Darlington-Differenzverst.

Abb. 2-6: Stromspiegel


hineinfließt. Mit umgekehrten Vorzei-chen gilt dies für Stromspiegel auspnp-Transistoren. Die klassische An-wendung eines Stromspiegels in IC’szeigt Abb. 2-7.

Die Basisströme der beiden Transi-storen fließen nicht als Kollektorstromdurch den linken Transistor und feh-len dem gespiegelten Strom. Für bes-sere Genauigkeit kann man einenEmitterfolger einsetzen, der den Kol-lektor des linken Transistors nur mitseinem Basisstrom belastet und soden Fehler um seine Gleichstromver-stärkung verringert.

Auch der Stromspiegel profitiert vonder guten Übereinstimmung vonTransistoren auf einem IC-Chip. BeimAufbau mit diskreten Transistorensetzt man zur Symmetrierung je einenAusgleichswiderstand zwischen Emit-ter und Masse, an dem beim Nenn-strom etwa 0,2 Volt Spannungabfallen.

Ein Emitterwiderstand am Aus-gangstransistor setzt dessen Basis-Emitter Spannung und damit denAusgangsstrom stark herab. Schonmit relativ kleinen Widerständen istder gespiegelte Strom sehr viel klei-ner als der Eingangsstrom.

g) Analogschalter

Analogschalter in CMOS-Technik ha-ben hervorragende Eigenschaften.Sie kommen denen von Relais naheund übertreffen sie in mancher Hin-sicht. Ein CMOS-Analogschalter be-steht aus je einem n-Kanal undp-Kanal MOSFET, deren Substratean Vss und Vdd liegen, siehe Abb. 2-6. Der Eingang C steuert das Gatedes n-Kanal MOSFET direkt und dasGate des p-Kanal MOSFET über ei-nen Inverter an.

Im ausgeschalteten (C=Vss) Zustandsperren beide Transistoren. Im einge-schalteten Zustand (C=Vdd) leiten sieund verbinden die Anschlüsse A1 undA2 wie der Kontakt eines Relais. Liegtdie Analogspannung nahe an Vss, soleitet vor allem der p-Kanal Transi-stor, entsprechend bei einer Analog-spannung nahe an Vdd der n-KanalTransistor. Der Ein-Widerstand liegtbei modernen Schaltern im Bereichvon 5 - 20 Ω..Der Bereich der Analogspannungenist naturgemäß auf den Bereich zwi-schen den beiden Versorgsspannun-gen beschränkt. Das Schalten selbsterfolgt sehr schnell und ist natürlichvöllig verschleißfrei.

Abb. 2-6: CMOS-Analogschalter


II.4 Aufbau einfacher SchaltungenDas Vorkommen der besprochenenSchaltungsanordnungen soll anhandeiniger Analogschaltungen untersuchtwerden.

Der Operationsverstärker P55AU

Die erste Schaltung stammt von ei-nem der ersten transistorbestücktenOperationsverstärker, dem P55AUder Firma Philbrick (USA, ca. 1960).Von George A. Philbrick stammt dieIdee des Operationsverstärkers, dieer sich patentieren ließ. Seine Firmastellte lange Zeit Operationsverstär-ker und analoge Baugruppen her.Entsprechend dem damals hohenPreis für Halbleiter wurden nur 6Transistoren eingesetzt. Zum Aus-gleich trieb man mit 17 Widerständenund 9 Kondensatoren einen großenAufwand an passiven Bauelementen.Die Eingangsstufe mit T1 und T2 istein Differenzverstärker mit R4, R7,R8 und R10 als Arbeitswiderständen.

Zur Frequenzkompensation dient dasRC-Glied R5/C1 sowie die Kondensa-toren C2 und C4. R10 ist gleichzeitigArbeitswiderstand von T3. Dies isteine Mitkopplung zur Anhebung derVerstärkung.

Der Differenzverstärker T1/T2 hat als"Konstantstromquelle" nur den Wider-stand R6. Das ergibt keine besondersgute Gleichtaktunterdrückung. ZumAusgleich folgt ein zweiter Differenz-verstärker T3/T4. Dessen Gleichtak-tunterdrückung mit R11 als Kon-stantstromquelle hält sich ebenfalls inGrenzen, offensichtlich reicht diekombinierte Gleichtaktunterdrückungbeider Verstärker aber aus. TransistorT4 steuert direkt den pnp-TransistorT5 an, dessen Kollektor über R15 undC5 zum Ausgang führt. Der "Arbeits-widerstand" besteht aus T6 als Kon-stantstromquelle (-senke) in Emitter-schaltung. Wieder findet man Fre-quenzkompensationsglieder nämlich

Abb. 2-7: Operationsverstärker Philbrick P55AU


C3, C5 und R17/C7 am Ausgang. DieVerwendung einer Konstantstrom-quelle als Arbeitswider- stand bewirkt,daß die Differenz der Kollektorströmevon T5 und T6 zum Ausgang fließtund das Ausgangssignal des Verstär-kers darstellt.

Der IC-Operationsverstärker OP-22

Abb. 2-7 zeigt das Innenleben desOperationsverstärkers OP-22. SeinBetriebsstrom ist in einem weiten Be-reich einstellbar. Seiner Schaltungliegt die Einsicht zugrunde, daß einTransistor auf einem IC-Chip weitausweniger Fläche einnimmt als ein Wi-derstand. Somit enthält diese Schal-tung bei 28 Transistoren nur noch 3Widerstände und 2 Kondensatoren.

In der Eingangsstufe steuern die bei-den Emitterfolger T2 und T9 den pnp-Differenzverstärker T3/T7 an, der T5als Konstantstromquelle hat. Als Ar-beitswiderstände dienen die Strom-quellen T4 und T6, die von T22gesteuert werden. T4 und T6 sindMultiemitter-Transistoren, in derenBasis zwei Emitter eindiffundiert sind.Der eine Emitter liegt an -U, der an-

dere über einen Vorwiderstand amNull-Eingang. Legt man an die beidenNull-Eingänge die Enden eines Trim-mers, dessen Schleifer an -U liegt, sokann man kleine Asymmetrien derEingangsstufe ausgleichen.

Die Ausgänge des ersten Differenz-verstärkers gehen über die beidenEmitterfolger T13 und T20 zum 2. Dif-ferenzverstärker T14/T18 mit T16 alsKonstantstromquelle. Dessen Aus-gänge arbeiten auf einen Stromspie-gel T15/T17. Diese Anordnungversteht man am einfachsten durchBetrachtung der Strombilanz: DerKollektorstrom von T14 wird gespie-gelt und fließt dann als Kollektorstromvon T17. Als Stromsenke fungiert derKollektor von T18. Die Differenz derbeiden Ströme fließt zur Ausgangs-stufe, die aus 2 Komplementär-Emit-terfolgern besteht. Der eine davon(T26/T27) liefert positive, der andere(T23/T28) negative Ströme zum Aus-gang. Wegen des minimalen Span-nungsversatzes der KomplementärEmitterfolger geschieht der Wechsel

Abb. 2-8: IC-Operationsverstärker OP-22


der Stromrichtung vollkommen stetig.

Die beiden Kondensatoren C1 undC2 stellen den für Stabilität erforderli-chen Frequenzgangs der Leerlaufver-stärkung ein. Die vielen Stufen habenausreichend Verstärkung, so daßman sie durch die Kondensatoren aufden korrekten Frequenzgang herun-terdrücken kann.

Der in den Iset Eingang fließendeStrom steuert die Stromspiegel an der+ und -Versorgung im Verstärker anund gibt so alle Ströme vor. Dazuwird dieser Eingang über einen Wi-derstand mit -U verbunden. Der Ver-stärker ist bei 20 µA Gesamtstrom-aufnahme zwar langsam, aber bereitsvoll arbeitsfähig.

Der Universal Timer-IC 555Als letzte Schaltung soll der ZeitgeberIC 555 besprochen werden. DieSchaltung enthält 2 Komparatoren,die beide als Darlington-Differenzver-

stärker aufgebaut sind. Diese verglei-chen ihre Eingangsspannung mit denSpannungen an den Abgriffen desSpannungsteilers aus den 3 gleich-großen Widerständen R8-R10. DieSchaltschwelle des Trigger-Eingangsbeträgt dadurch 1/3, diejenige desSchwelle-Eingangs 2/3 der Versor-gungsspannung Ub. Der Abgriff bei2/3 ⋅ Ub (Kontrollspannung) ist her-ausgeführt, um ihn mit einem Kon-densator abblocken zu können.

Die beiden Komparatoren des 555steuern das Flipflop aus den Transi-storen T18 und T20. Leitet T18 (Flipf-lop rückgesetzt), so sperrt T20 undüber R12 fließt Basisstrom zu T18.Leitet T20 (Flipflop gesetzt), so kannüber R12 kein Basisstrom zu T18fließen. Dieser sperrt und über R11und D1 fließt Basisstrom zu T20.

Das Flipflop wird gesetzt, wenn dieSpannung am Trigger Eingang unter1/3 ⋅ Ub absinkt. Der linke Darlington

Abb. 2-9: Universal Timer-IC 555


T9/T12 des Differenzverstärkers ziehtStrom, der in die Basis von T16 fließtund diesen einschaltet. Dadurch wirdder Basisstrom von T18 abgeleitetund dieser sperrt.

Rückgesetzt wird das Flipflop in je-dem Fall, wenn der Reset-Eingangnach Masse gezogen wird. Über D1kann kein Basisstrom mehr in T20fließen, so daß dieser sperrt. DerDarlington-Differenzverstärker amSchwelle- Eingang aus T2/T6/T8/T11hat als Arbeitswiderstände die beidenStromspiegel T1/T5 und T7/T10. Diebeiden Ausgangstransistoren T5 undT7 der Stromspiegel sind als Diffe-renzverstärker verschaltet, so daß derKollektorstrom von T5 in die Basisvon T18 fließt. Steigt die Spannungam Schwelle- Eingang auf 2/3 ⋅ Ub,so werden T2/T6 leitend und steuernT1/T5 an. Dessen Kollektorstromschaltet T18 durch, dieser sperrt T20und setzt das Flipflop zurück.

Der Flipfloptransistor T20 steuert überT21 die Ausgangstransistoren T22-T24 und den Entladungstransistor T4an. Sperrt T20 (Flipflop rückgesetzt)so wird der Ausgang nach M gezogenund der Entladetransistor T4 leitet.Priorität am Flipflop haben in dieserReihenfolge Reset-, Trigger- undSchwelle- Eingang. Der Einsatz des555 als Zeitgeber wird in AbschnittVIII.2 beschrieben.

II.5 Betriebsweisen vonTransistorena) Inverser Betrieb

Die Schichtenfolge npn eines Transi-stors "stimmt" auch beim Vertau-schen von Kollektor oder Emitter.Man nennt dies inversen Betrieb. Einfür normalen Betrieb aufgebauterTransistor hat invers nur sehr geringeWerte von Stromverstärkung (3 - 5),CE-Sperrspannung (um 5 V) undGrenzfrequenz. Die Sättigungsspan-nung aber erreicht extrem kleine Wer-te bis zu wenigen mV. Dies kann fürspezielle Analogschaltungen interes-sant sein.

b) Sättigung und SchaltzeitenWill man die Kollektor-Emitter Span-nung eines Schalttransistors so kleinwie möglich machen, so führt manihm deutlich mehr Basisstrom zu, alser benötigt. Diese Betriebsweisenennt man Sättigung, in der die CE-Spannung je nach Grad der Über-steuerung, Kollektorstrom undTransistortyp bis unter 0,1 V zurück-geht. Die Energieersparnis durch denkleineren Spannungsabfall macht dengrößeren Basisstrom meist mehr alswett. Üblich sind Übersteuerungenum den Faktor 2 (doppelter Ba-sisstrom), bei Leistungsschaltern fürein B von 10, der Basisstrom beträgtalso 1/10 des Kollektorstroms.Nachteilig bei der Sättigung ist diedeutliche Verzögerung des Abschal-tens. Dies kommt von der Über-schwemmung der Basiszone mit

Abb. 2-10: Inverser Betrieb


Ladungsträgern, welche bis zu ihrerAufzehrung den Basisstrom liefernund die Speicherzeit stark verlängern.Dieser Effekt tritt bei allen bipolarenBauelementen auf, auch bei Dioden,nicht aber bei allen Arten von Feldef-fekttransistoren.

Abb. 2-11 zeigt die international übli-che Definition der Schaltzeiten elek-tronischer Bauelemente. Alle Zeitensind auf die Zeiten des Steuerimpul-ses und die Zeiten beim Erreichenvon 10% und 90% der Maximalampli-tude bezogen. Die Anstiegszeit tr (ri-setime) und die Abfallzeit tf (falltime)sind die Zeiten zwischen 10% und90% der Maximalamplitude. Die Ver-zögerungszeit td (delaytime) ver-streicht zwischen der Ein-Flanke desSteuerimpulses und dem Erreichender 10% Schwelle, die Speicherzeit ts(storage time) zwischen der Aus-Flanke des Steuerimpulses und demErreichen der 90% Schwelle.

Während man bei Leistungsanwen-dungen die Sättigung meist in Kaufnimmt, setzt man in digitalen Schal-tungen zwei Methoden zu ihrer Ver-meidung ein:Man leitet entweder den überschüssi-gen Basisstrom durch eine Schottky-Diode ab (Schottky-TTL) oderverhindert bei ECL (Emitter CoupledLogic) die Sättigung durch Schal-tungsauslegung.

c) Schottky-LogikSchottky-TTL-IC’s enthalten eine

Schottky-Diode (UF = 0,45 V) zwi-schen Kollektor und Basis der in Sät-tigung kommenden Transistoren.Sinkt bei UBE = 0,65 V die Spannungam Kollektor auf 0,2 V ab, so wird dieDiode leitend und führt den über-schüssigen Basisstrom über den Kol-lektor nach Masse ab, genau wie imSteuertransistor eines Stromspiegels.Der Transistor schaltet bis auf etwa0,2 V durch, ohne in Sättigung zu ge-hen. Beim Abschalten des Stroms trittdaher keine verlängerte Speicherzeitauf.

d). Emittergekoppelte Logik ECLECL setzt als Basisgatter einen Diffe-renzverstärker ein, dessen Strom-quelle und dessen Arbeitswider-stände so bemessen sind, daß keinTransistor in Sättigung kommen kann.Die Arbeitsgeschwindigkeit ist enormhoch durch hohe Ströme und kleinenSpannungshub. Die ECL-Pegel für Hund L betragen:

H = -1,48 V (< -1,4V)L = -0,85 V ( > -1 V)

ECL-Gatter findet man in Supercom-putern, extrem schnellen Zählern undder optischen Übertragungstechnik.

Abb. 2-11: Die Schaltzeiten

Abb. 2-12: Schottky-Transistor


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