Elektronik 3 15 Verstärkergrundschaltungen Prof. Dr. Jörg Vollrath 14 Verstärker

Rückblick und Heute

• Verstärker
• Sourceschaltung
• NF-Kleinsignalverhalten, Frequenzgang, Arbeitspunkt


• Heute:
• Grundschaltungen
• Vergleich der Grundschaltungen
• Millerkapazität

Reinhold: 177, 179, 212
Jaeger: 886-890,1160-1161, 1184

Verstärker Grundschaltungen

Durch einen Kondensator wird der Wechselspannunganteil des Eingangssignals zum Gate des Transistor geführt.
Ein Gleichanteil am Gate des Transistors bestimmt den Arbeitspunkt. Dieser wird entweder mit einem Spannungsteiler erzeugt oder durch einen Rückkopplungswiderstand.
Mit einem Widerstand in Serie zum Eingangskondensator kann man die Spannungsverstärkung verkleinern.

Verstärker Grundschaltungen mit Diodenlast

Der PFET M4 ersetzt den Widerstand. Da Gate und Drain verbunden sind, ist im Kleinsignalersatzschaltbild nur der Ausgangsleitwert g_mp wirksam.
1/g_mp ist normalerweise kleiner als R_dp.
Durch das Größenverhältnis (Stromverhältnis, β )der Transistoren lässt sich die Verstärkung festlegen.
Mit dieser Schaltung lässt sich nur eine niedrige Verstärkung realisieren (< 10).

Verstärker Grundschaltungen mit aktiver Last

Der PFET M4 ersetzt den Widerstand. Die Spannung VBIAS bestimmt den Stromverbrauch der Schaltung und den Arbeitspunkt.
Es ist g_dp wirksam. Es werden größere Verstärkungen erzielt.

Analoge Schaltungstechnik

• Aufteilung in Blöcke
• Arbeitspunkt
• Kleinsignalersatzschaltbild
• Reihenschaltung, Parallelschaltung, Kettenschaltung
• Schrittweises Zusammenfassen
• Vierpolparameter
• Quelle, Innenwiderstand, Lastwiderstand
• Verstärkung, Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand

Frequenzeigenschaften und Millerkapazität

Für eine einfacherer Betrachtung möchte man die Kapazität CGD durch eine äquivalente Eingangskapazität Cin und Ausgangskapazität Cout ersetzen. \[ j \omega C_{in} = \frac{\underline{I}_{in}}{\underline{U}_{in}} = \frac{\left( \underline{U}_{in} + \frac{g_m \underline{U}_{in}}{g_D}\right) j \omega C_{GD}}{\underline{U}_{in}} \] \[ C_{in} = \left( 1 + \frac{g_m}{g_D} \right) C_{GD} = \left( 1 + |v_{u}| \right) C_{GD} \] \[ C_{out} = C_{GD} \] Die äquivalente Kapazität \( C_{in} \) ist viel größer als \( C_{GD} \). Millereffekt Diese Kapazität begrenzt die maximale Frequenz bei der noch eine Verstärkung erzielt werden kann.

Drainschaltung, Sourcefollower

Ausgang an der Source Eingang Hochohmig (R1,R2) Ausgang Niederohmig (R3) Spannungsverstärkung 1 Sourcefolger (Emitterfolger) Aussteuerbereich Ausgangsspannung VDD/2 Potenzialverschiebung Ohne Kapazitäten Drain ist der gemeinsame Bezugspunkt von Eingang und Ausgang KESB Ersatzschaltbild Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand Verstärkung Diese Schaltung wird als Spannungsregler eingesetzt.

Drainschaltung Arbeitspunkt

\[ V_{out} = I_{DS} \cdot R_{3} \] \( V_{DS} > V_{GS}-V_{Th} \) Sättigung
\[ I_{DS} = \beta \left( V_{GS} - V_{Th} \right)^{2} \] \[ I_{DS} = \beta \left( V_{G} - V_{out} - V_{Th} \right)^{2} \] \[ V_{out} = \beta \left( V_{G} - V_{out} - V_{Th} \right)^{2} \cdot R_{3} \] \[ V_{out} = \beta \cdot R_{3} \left( \left( V_{G} - V_{Th} \right)^{2} - 2 \left( V_{G} - V_{Th} \right) V_{out} + V_{out}^{2} \right) \] \[ V_{out}^{2} - 2 \cdot V_{out} \left( \left( V_{G} - V_{Th} \right) + \frac{1}{2 \cdot \beta \cdot R_{3}} \right) + \left( V_{G} - V_{Th} \right)^{2} = 0 \]

Drainschaltung Arbeitspunkt

\[ \left( V_{out} - \left( V_{G} - V_{Th} \right) - \frac{1}{2 \cdot \beta \cdot R_{3}} \right)^{2} - \left( \left( V_{G} - V_{Th} \right) + \frac{1}{2 \cdot \beta \cdot R_{3}} \right)^{2} + \left( V_{G} - V_{Th} \right)^{2} = 0 \] \[ \left( V_{out} - \left( V_{G} - V_{Th} \right) - \frac{1}{2 \cdot \beta \cdot R_{3}} \right)^{2} = 2 \frac{V_{G} - V_{Th}}{2 \cdot \beta \cdot R_{3}} + \frac{1}{\left( 2 \cdot \beta \cdot R_{3} \right)^{2} } \] \[ V_{out} = \left( V_{G} - V_{Th} \right) + \frac{1}{2 \cdot \beta \cdot R_{3}} \pm \sqrt{ \frac{V_{G} - V_{Th}}{ \beta \cdot R_{3}} + \frac{1}{\left( 2 \cdot \beta \cdot R_{3} \right)^{2} }} \] Positives Vorzeichen kann nicht sein. \[ V_{out} \approx \left( V_{G} - V_{Th} \right) \]

Drainschaltung KESB

Verstärkung \[ u_{out} = g_{m} \cdot \left( u_{G} - u_{out} \right) \cdot \left( r_{D} || R_{3} \right) \] \[ u_{out} \left( 1 + g_{m} \cdot \left( r_{D} || R_{3} \right) \right) = g_{m} \cdot u_{G} \cdot \left( r_{D} || R_{3} \right) \] \[ \frac{ u_{out}}{u_{G}} = \frac{ g_{m} \cdot \left( r_{D} || R_{3} \right)} { 1 + g_{m} \cdot \left( r_{D} || R_{3} \right) } \]

\[ \frac{ u_{out}}{u_{G}} = \frac{ 1} { \frac{1}{g_{m} \cdot \left( r_{D} || R_{3} \right)} + 1 } \] \[ g_{m} \cdot \left( r_{D} || R_{3} \right) >> 1 \] \[ \frac{ u_{out}}{u_{G}} \approx 1 \]