Anwendungen der Gegenkopplung - Mein Hobby ist der Amateurfunk

Bild 1
einfacher Transistorverstärker in Emitterschaltung mit Basisvorwiderstand

Eine Emitterschaltung ohne Gegenkopplung im Arbeitspunkt A. Simuliert wurden die Werte für die 3 dB Bandbreite, notwendige Eingangsspannung für 1V Ausgangsspannung, Verstärkung und der Klirrgrad.

3 dB Bandbeite                               2 Hz bis 40 MHz
Erforderliche Eingangsspannung        5,8 mVs für 1 Vs Ausgangsspannung
Verstärkung                                   44,8 dB ( 172 fache Verstärkung )
Klirrgrad                                        4,35 %

Bild 2
einfache Emitterschaltung mit Gegenkopplung

eine einfache Emitterschaltung mit Spannung - Stromgegenkopplung im Arbeitspunkt A. Der Basiswiderstand R1 ist jetzt direkt mit dem Kolletor verbunden. Die Ausgangsspannung wird über den Basiswiderstand R1 dem Eingang direkt gegengekoppelt. Folgende Werte wurden simuliert.

3 dB Bandbreite                             4 Hz bis 40 MHz
Erforderliche Eingangsspannung       5,4 mVs für 1 Vs Ausgangsspannung
Verstärkung                                   45,5 dB (ca. 186 fache Verstärkung)
Klirrgrad                                        3,94 %

Gegenüber der Emitterschaltung ohne Gegenkopplung hat sich kaum etwas geändert.
Das Wesentliche dieser Schaltung ist eine Temperaturgegenkopplung. Transistoren haben einen positiven Temperaturkoeffizient. Bei steigender Temperatur steigt auch der Kollektorstrom. Dabei wird der eingestellte Arbeitspunkt verändert. Durch den steigenden Kollektorstrom entsteht ein größerer Spannungsabfall an R2 und verringert die Spannung am Kollektor. Damit verringert sich auch der Basisstrom über R1 , der wiederum den Kollektorstrom verringert. Damit wird eine gewisse  Stabilisierung des Arbeitspunktes erreicht.

Bild 3
einfache Emitterschaltung mit Gegenkopplung

Eine einfache Emitterschaltung mit Strom - Spannunggegenkopplung im Arbeitspunkt A. In die Emitterleitung wurde der Emitterwiderstand R3 eingefügt. Der Spannungsabfall an R3 ist proportional dem Laststrom. Dieser Spannungsabfall liegt in Reihe mit der Eingangsspannung und bewirkt eine Gegenkopplung. Es wurden folgende Werte simuliert.

3 dB Bandbreite                              0,1 Hz bis 40 MHz
erforderliche Eingangsspannung        106 mVs für 1 Vs Ausgangsspannung
Verstärkung                                   19,4 dB (ca. 9,4 fache Verstärkung)
Klirrgrad                                        0,262 %

Im Vergleich zu der einfachen Emitterschaltung in Bild 1 kann man folgendes feststellen.
1. Die Bandbreite ist gestiegen. Man erhält eine wesentlich niedere Grenzfrequenz.
2. Der Klirrgrad hat sich erheblich verbessert.
3. Die Verstärkung ist, wie zu erwarten, erheblich gesunken.
Es ist eine höhere Eingangsspannung erforderlich, um die gleiche Ausgangsspannung von 1Vs zu erreichen.

Bild 4
einfache Emitterschaltung mit Basisspannungsteiler

Eine einfacher Emitterschaltung ohne Gegenkopplung im Arbeitspunkt A. Die Simulation der Schaltung ergab folgende Werte.

3 dB Bandbreite                              3 Hz bis 40 MHz
erforderliche Eingangsspannung        5 mVs für 1 Vs Ausgangsspannung
Verstärkung                                   46,1 dB  (ca. 201 fache Verstärkung)
Klirrgrad                                        3,563 %

Bild 5
einfache Emitterschaltung mit Gegenkopplung

Eine einfache Emitterschaltung mit Strom - Spannunggegenkopplung im Arbeitspunkt A. In die Emitterleitung wurde der Emitterwiderstand R4 eingefügt. Der Spannungsabfall an R4 ist proportional dem Laststrom. Dieser Spannungsabfall liegt in Reihe mit der Eingangsspannung und bewirkt eine Gegenkopplung. Es wurden folgende Werte simuliert.

3 dB Bandbreite                              0,5 Hz bis 40 MHz
erforderliche Eingangsspannung        107 mVs für 1 Vs Ausgangsspannung
Verstärkung                                   19,5 dB ( ca. 9,4 fache Verstärkung )
Klirrgrad                                        0,243 %    

Im Vergleich zu der einfachen Emitterschaltung in Bild 4  kann man folgendes feststellen.
1. Die Bandbreite ist gestiegen. Man erhält eine wesentlich niedere Grenzfrequenz.
2. Der Klirrgrad hat sich erhebilch verbessert
3. Die Verstärkung ist, wie zu erwarten, erheblich gesunken.
Es ist eine höhere Eingangsspannung erforderlich, um die gleiche Ausgangsspannung von 1 Vs zu erreichen.

Bild 6
zweistufiger Transistorverstärker in Emitterschaltung mit Gegenkopplung in jeder Stufe

Der zweisufige Verstärker besteht aus 2 gleichen Stufen mit Strom - Spannungsgegenkopplung im Arbeitspunkt A. Die Simulation dieser Schaltung ergab folgende Werte.

3 dB Bandbreite                              0,5Hz bis 3,5 MHz
erforderliche Eingangsspannung        13 mVs für 1 Vs Ausgangsspannung
Verstärkung                                   37,6 dB ( ca 77 fache Verstärkung )
Klirrgrad                                        0,189 %

Die Strom - Spannunggegenkopplung hat die Vertärkung wesentlich herabgesetzt. Mit der 2. Stufe wurde die Verstärkung wieder anhoben.
Der gute Klirrgrad und eine ausreichende Bandbreite wurden erhalten.

Bild 7
Vorverstärker mit Gegenkopplungen

Auch hier ein zweistufiger Verstärker mit Gegenkopplungen. Mit sehr wenigen Bauteilen ist hier ein Vorverstärker mit überraschend guten Eigenschaften entstanden.  R2 bewirkt in der 1. Stufe eine Strom - Spannung-Gegenkopplung . Das gleiche gilt für R5 in der 2. Stufe. Über R3 entsteht eine Strom - Strom-Gegenkopplung von der 2. Stufe zur 1. Stufe. Somit hat dieser einfache zweistufige Vorverstärker 3 Gegenkopplungen und erreicht damit hervorragende Werte, die mit dem Simulationsprogramm ermittelt wurden.

3 dB Bandbreite                            1 Hz - 375 kHz
Notwendige Eingangsspannung        8 mVs für 1 Vs Ausgangsspannung
Vertärkung                                   41,9 dB  (ca.125 fache Verstärkung)
Klirrgrad                                       0,025 %

Bild 8
Entzerrer-Vorverstärker   

Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen Entzerrer-Vorverstärker für magnetische Tonabnehmersysteme. Vom Grundaufbau entspricht sie der Schaltung aus Bild 7. Durch zufügen von 7 Bauteilen in die entprechenden Gegenkopplungszweige wurde dieser absinkende Frequenzgang erreicht. Physikalisch bedingt steigt bei magnetichen Tonabnehmersystemen die Signalstärke mit der Tonfrequenzhöhe. Der Klang wirkt dadurch unnatürlich. Zum Ausgleich verwendet man Entzerrer-Vorverstärker. Sie haben einen entgegengesetzten Frequenzgang, der die hohen Tonfrequenzen wieder absenkt. Man erhält dadurch einen linearen Frequenzgang.
Dieser nichtlinearen Frequenzgang der Schaltung wird durch frequenzabhängige Gegenkopplung erreicht.
1. Die Kombination aus R2, R8 und C4 bilden eine frequenzabhängige Strom - Spannunggegenkopplung für die erste Verstärkerstufe.
2. Die Kombination aus R6, R7, C2 und C3 führt vom Ausgang der 2. Verstärkerstufe zurück zur 1. Verstärkerstufe und ist eine frequenzabhängige Spannung - Spannunggegenkopplung.