Basisschaltung

Von den drei Grundschaltungen des Bipolartransistors ist die Basisschaltung die unscheinbarste. Ihr Eingang liegt am Emitter, der Ausgang am Kollektor, und die Basis ist für das Signal fest mit Masse verbunden. Das ergibt einen sehr kleinen Eingangswiderstand von einigen zehn Ohm – auf den ersten Blick ein Nachteil. Doch genau das macht sie wertvoll: Eine 50-Ω-Quelle wie ein Antennenkabel, ein Funktionsgenerator oder ein HF-Filter lässt sich direkt und angepasst anschließen. Und weil die geerdete Basis Eingang und Ausgang voneinander abschirmt, bleibt die Stufe bis zu hohen Frequenzen schnell.

Du findest die Basisschaltung in HF-Vorverstärkern, als obere Hälfte der Kaskode, als Stromverstärker für Fotodioden und in Oszillatoren.

Schaltplan

• T1, 2N3904: ein schneller NPN-Transistor mit mindestens 300 MHz Transitfrequenz (bei 10 mA) und höchstens 4 pF Kollektor-Basis-Kapazität.
• R1 33 kΩ und R2 10 kΩ: legen die Basis auf knapp 2,8 V.
• CB 100 nF: verbindet die Basis für das Signal mit Masse. Ohne ihn wäre es keine Basisschaltung mehr.
• RE 3,9 kΩ: stellt den Ruhestrom ein. Für das Signal liegt er parallel zum Eingang und muss deshalb groß gegen 50 Ω sein.
• RC 2,2 kΩ: Arbeitswiderstand am Kollektor; er bestimmt Verstärkung und Bandbreite.
• C1 und C2, je 100 nF: Koppelkondensatoren, Keramik (MLCC) mit X7R, weil sie auch bei 10 MHz noch niederohmig sein müssen.

So funktioniert die Schaltung

Für Gleichstrom ist die Stufe eine gewöhnliche Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung: Der Teiler legt die Basisspannung fest, RE setzt daraus den Emitterstrom von gut 0,5 mA (Arbeitspunkt und Stromgegenkopplung).

Für das Signal ist die Basis dagegen fest. Hebt die Quelle den Emitter um 1 mV, sinkt die Basis-Emitter-Spannung um 1 mV, und der Transistor führt weniger Strom. Senkt sie den Emitter, steigt der Strom. Der Emitter verhält sich wie ein kleiner Widerstand von r_e = U_T / I_C gegen Masse. Fast der ganze Strom, den die Quelle in den Emitter schiebt oder herauszieht, kommt am Kollektor wieder heraus: Die Stromverstärkung ist knapp 1. Weil dieser Strom am Kollektor aber durch einen viel größeren Widerstand fließt, entsteht dort eine viel größere Spannung. Die Spannungsverstärkung ist R_C / r_e, und Ein- und Ausgang sind gleichphasig.

Der eigentliche Vorteil zeigt sich bei hohen Frequenzen. In der Emitterschaltung sitzt die Kollektor-Basis-Kapazität zwischen Ausgang und Eingang. Weil der Ausgang gegenphasig und viel größer schwingt, muss die Quelle diese Kapazität mit dem (1 + v_u)-fachen Strom umladen – sie wirkt am Eingang wie eine (1 + v_u)-fach größere Kapazität. Das ist der Miller-Effekt. In der Basisschaltung hängt dieselbe Kapazität zwischen Kollektor und der geerdeten Basis, also einfach gegen Masse. Sie wird nicht vervielfacht.

Dimensionierung

Vorgabe: Quelle mit 50 Ω, Eingang auf 50 Ω angepasst, Versorgung 12 V, Bereich 100 kHz bis 10 MHz.

1. Ruhestrom aus dem Eingangswiderstand. Der Eingangswiderstand ist praktisch r_e. Für 50 Ω:

2. Emitterwiderstand. Mit etwa 2 V am Emitter: R_E = 2 V / 0,52 mA ≈ 3,85 kΩ, gewählt 3,9 kΩ. Er liegt für das Signal parallel zu r_e, ist aber 80-mal größer und stört kaum.

3. Basisteiler. Die Basis braucht etwa 2 V + 0,63 V. Der 2N3904 garantiert bei 1 mA nur h_FE ≥ 70; der Teiler soll also höchstens 70 · 3,9 kΩ / 10 ≈ 27 kΩ Innenwiderstand haben. Mit 33 kΩ und 10 kΩ:

Mit h_FE = 150 ergibt das r_e = 26 mV / 0,55 mA ≈ 47,5 Ω und einen Eingangswiderstand von 47,5 Ω ‖ 3,9 kΩ ≈ 47 Ω. Die Fehlanpassung gegen 50 Ω ist kleiner als 4 %.

4. Verstärkung. Am Kollektor hängt RC parallel zur Folgestufe (hier 100 kΩ):

Bezogen auf die Leerlaufspannung der 50-Ω-Quelle halbiert sich das, weil Quelle und Eingang einen Teiler bilden: 45 · 47 / 97 ≈ 22, also rund 27 dB (Dezibel).

5. Bandbreite. Am Kollektor liegen die Kollektor-Basis-Kapazität (etwa 2 pF bei 8,6 V) und die Eingangskapazität der Folgestufe (5 pF) gegen Masse. Zusammen mit RC ergibt sich ein Tiefpass:

Unten begrenzt C1, der gegen Quelle und Eingang arbeitet: 1 / (2π · 97 Ω · 100 nF) ≈ 16 kHz.

Bauteilliste

Varianten

Kaskode. Eine Emitterschaltung unten, eine Basisschaltung obendrauf: Der untere Transistor sieht am Kollektor nur den kleinen Eingangswiderstand des oberen, verstärkt selbst also kaum, und der Miller-Effekt verschwindet. Der obere liefert die volle Verstärkung. Die Kaskode verbindet so den hohen Eingangswiderstand der Emitterschaltung mit der Bandbreite der Basisschaltung.

Puffer am Ausgang. Der Ausgangswiderstand ist praktisch RC, also 2,2 kΩ. Für ein 50-Ω-Kabel gehört ein Emitterfolger dahinter.

Stromeingang für Fotodioden. Eine Fotodiode liefert Strom, und ihre Sperrschichtkapazität ist groß. Am niederohmigen Emitter bleibt ihre Spannung fast konstant, die Kapazität wird kaum umgeladen. Der Fotostrom erscheint am Kollektor und fällt an RC als Spannung ab. Mit Operationsverstärker heißt das Prinzip Transimpedanzverstärker.

Oszillator. Eine Basisschaltung mit Rückkopplung vom Kollektor auf den Emitter über einen kapazitiven Teiler schwingt gleichphasig – das ist die Grundform des Colpitts-Oszillators.

Typische Fehler

• CB fehlt oder ist zu weit weg: Ohne niederohmige Basis wird aus der Stufe ein Emitterfolger mit Kollektorwiderstand, die Verstärkung bricht ein. Der Kondensator gehört mit kurzen Wegen direkt an Basis und Masse.
• Die Stufe schwingt im UKW- oder VHF-Bereich: Induktivität in der Basisleitung und Kapazitäten am Kollektor bilden einen Oszillator. Hilfe bringen ein kleiner Widerstand von 22 bis 47 Ω in Reihe zur Basis, eine durchgehende Massefläche und kurze Leitungen (EMV).
• Bandbreite viel kleiner als gerechnet: Ein Tastkopf 1:1 hat 50 bis 100 pF. Damit sinkt die obere Grenze auf 1 MHz. Miss mit einem Tastkopf 10:1 (Oszilloskop bedienen).
• Pegel stimmt nicht: Die Verstärkung hängt direkt am Ruhestrom. Miss die Spannung an RE und rechne I_E nach; 10 % mehr Strom bedeuten 10 % mehr Verstärkung und einen etwas kleineren Eingangswiderstand.

Selbsttest