Bootstrap-Schaltung für Emitterverstärker
Die stabile Einstellung eines statischen Arbeitspunkts für Transistorverstärker in Emittergrundschaltung erfolgt mithilfe eines Basisspannungsteilers und niederohmigen Emitterwiderstands. Beide beeinflussen den Eingangswiderstand (Eingangsimpedanz) der Schaltung. Soll die Transistorschaltung Wechselstromsignale verarbeiten, dann zeigt die Wechselstromersatzschaltung, dass am Transistoreingang die Widerstände des Basisspannungsteilers und der dynamische Eingangswiderstands der Basis-Emitter-Strecke parallel liegen. Nachteilig wirkt sich ein hoher Querstromfaktor des Basisspannungsteilers aus, der für eine gute Stabilisierung des Arbeitspunkts bestimmend ist. Er kann nur mit einem relativ niederohmigen Wert des unteren Teilerwiderstands erreicht werden.
Bleibt für die Signalverstärkung die Stromgegenkopplung des Emitterwiderstands bestehen, dann wirkt in der Parallelschaltung die Reihenschaltung aus dem dynamischen Eingangswiderstand mit dem Wert Emitterwiderstands, der mit dem Stromverstärkungsfaktor zu multiplizieren ist. Diese Tatsache wäre für den Stufeneingangswiderstand eher positiv. Wird die Stromgegenkopplung durch einen Emitterkondensator verringert oder ganz unterdrückt, dann bestimmt der niedrige dynamische Basis-Emitter-Bahnwiderstand den Stufeneingangswiderstand.
Soll mit diesem Schaltungskonzept das Signal einer hochohmigen Quelle wie zum Beispiel eines Parallelschwingkreises verstärkt werden, so wird die Quelle durch die niedrige Eingangs- oder Anschlussimpedanz des Verstärkers stark belastet. Die Klemmenspannung und nutzbare Signalamplitude der Quelle wird sehr klein. Bei Schwingkreisen verschlechtert sich zudem die Kreisgüte und die Bandbreite nimmt zu. Sollen in Pass-Schaltungen Signale verstärkt werden, dann würden zu niedrige Eingangswiderstände die Grenzfrequenzen ungünstig beeinflussen. Abhilfe schafft die Bootstrap-Schaltung als spezielle Eingangsschaltung des Verstärkers. Sie vergrößert den Eingangswiderstand für das Signal und verringert so die Belastung der Signalquelle. (Bootstrap, engl. Stiefelschlaufe, dient als Anziehhilfe und wird hier sinngemäß als Ansteuerhilfe übersetzt).
In der Beispielschaltung eines Emitterverstärkers wird der statische Arbeitspunkt vom Basisgleichstrom IB bestimmt. Er gelangt nicht mehr direkt vom Spannungsteiler R1, R2, sondern über einen weiteren Widerstand R3 an die Basis. Der zu verstärkende Signalstrom ie teilt sich am Knotenpunkt (1) auf. Ein AC-Teilstrom fließt als i3 durch R3 und R2 nach Masse. Der Differenzstrom fließt zur Basis und wird vom Transistor verstärkt. Die Schaltung wurde mittels Simulationssoftware untersucht. Ohne Bootstrap-Kondensator wurde mit einer AC-Spannungs- und Strommessung der Eingangswiderstand zu 25 kΩ ermittelt.
Der Bootstrap-Kondensator C koppelt die AC-Emitterspannung uE zum Punkt (2). Am Widerstand R3 wäre ohne Bootstrap-C ein vom AC-Teilstrom i3 verursachter Spannungsfall u3 vorhanden. Die zum Punkt (2) eingekoppelte Emitterspannung ist dazu phasengleich. Bei richtiger Dimensionierung des Bootstrap-Kondensators wird die resultierende Signalspannung zwischen den Punkten (1) und (2) sehr klein und folglich wird auch der Strom i3 sehr klein. Bei unveränderter Eingangsspannung konnte mit der AC-Spannungs- und Strommessung die Eingangsimpedanz zu 75 kΩ bestimmt werden. Der Stufeneingangswiderstand wird durch den Bootstrap-C deutlich vergrößert.
Der Emitterwiderstand verringert die maximal erreichbare Spannungsverstärkung. Für die Beispielschaltung wurden 20 dB ermittelt. Der RE ist für die Funktion der Bootstrapschaltung unbedingt notwendig. Für die untersuchte Schaltung wurden optimale Oszillogramme für Kapazitätswerte um 1 μF erhalten. Der Kondensator beeinflusst die untere Grenzfrequenz für die 1 Hz ermittelt wurde. Die Bootstrapschaltung kann auch in der Kollektorschaltung eingesetzt werden, wo der Emitterwiderstand gleichzeitig der Arbeitswiderstand ist.