Steilheit

Steilheit ist das Verhältnis einer Änderung des Ausgangsstroms zu einer Änderung der Eingangsspannung, ausgedrückt in Siemens (S) oder Millisiemens (mS). Eine Elektronenröhre, ein Feldeffekttransistor oder ein Operationsverstärker mit hoher Steilheit erzeugt eine große Stromänderung bei einer kleinen Spannungsverschiebung am Eingang. Niedrige Steilheit bedeutet, dass du einen größeren Spannungsimpuls brauchst, um die gleiche Stromreaktion zu erzielen. Sie tritt in jedem Analogschaltkreis auf, in dem ein Spannungssignal den Stromfluss steuern soll.

Der Begriff setzt sich logisch zusammen: "trans" bedeutet über oder hindurch, "Leitwert" bedeutet die Fähigkeit, Strom zu leiten. Der Leitwert selbst ist der Kehrwert des Widerstands und wird in Siemens gemessen. Steilheit misst daher, wie wirksam ein Eingangssignal in einen Ausgangsstrom umgewandelt wird. Deshalb hat sie die Einheit Strom pro Spannung: Ampere pro Volt oder Siemens.

Bei Elektronenröhren ist die Steilheit, oft mit gm bezeichnet, eine aufgedruckte Spezifikation. Eine typische Kleinsignal-Triode könnte eine Steilheit von 2 bis 8 Millisiemens haben. Feldeffekttransistoren geben Steilheit ebenfalls an, obwohl sie je nach Gate-Source-Spannung und Drainstrom variiert. Die Beziehung ist nicht immer linear über den gesamten Betriebsbereich. Bei bipolaren Transistoren hängt die Steilheit vom Kollektorstrom ab und ist kleiner, typischerweise im Bereich von Dutzenden Millisiemens bei mäßigen Strömen.

Wo Steilheit zählt

Hohe Steilheit macht eine Stufe empfindlicher und ergibt höhere Spannungsverstärkung bei kapazitiven Lasten. Deshalb bevorzugen rauscharme Vorverstärker und HF-Schaltkreise Röhren und FETs mit starker Steilheit. Eine Stufe mit schwacher Steilheit braucht dagegen größere Eingangssignale, um die gleiche Ausgangsauslenkung zu erreichen, was die Rauscheigenschaften verschlechtern kann. Bei Transimpedanzverstärkern (Fotodetektor-Schaltkreisen) beeinflusst die Steilheit der Eingangsstufe direkt die Bandbreite und das Rauschverhalten.

Temperaturänderungen, Versorgungsspannungsschwankungen und Alterung von Bauteilen verändern alle die Steilheit. Röhren altern und verlieren über Tausende von Betriebsstunden an Steilheit. FETs driften mit der Temperatur. Schaltungsentwickler, die sich auf einen festen Steilheitswert verlassen, bauen Kompensationsnetzwerke ein oder nutzen Gegenkopplung, um die Stufe zu stabilisieren. Wenn ein vintage Verstärker an Brillanz verliert oder über den gesamten Frequenzbereich an Verstärkung einzubüßen scheint, ist oft die gesunkene Steilheit der Ausgangsröhren der Grund dafür.