<Desc/Clms Page number 1>
Spanning-stroomomzetter
De uitvinding heeft betrekking op een spanning-stroomomzetter voor omzetting van een ingangsspanning naar een uitgangsstroom omvattend : een eerste en een tweede ingangsklem voor ontvangst van de ingangsspanning ; een eerste en een tweede uitgangsklem voor afname van de uitgangsstroom ;
een eerste, een tweede, een derde en een vierde transistor, elk voorzien van een stuurelectrode, een eerste hoofdelectrode en een tweede hoofdelectrode, waarbij de stuurelectrode van de eerste transistor met de eerste ingangsklem, de stuurelectrode van de tweede transistor met de tweede ingangsklem, de eerste hoofdelectrode van de eerste transistor met de tweede hoofdelectrode van de derde transistor, de eerste hoofdelectrode van de tweede transistor met de tweede hoofdelectrode van de vierde transistor, de stuurelectrode van de derde transistor met de eerste hoofdelectrode van de tweede transistor en de stuurelectrode van de vierde transistor met de eerste hoofdelectrode van de eerste transistor is gekoppeld ; een eerste weerstand welke is aangesloten tussen de eerste hoofdelectrode van de derde transistor en de eerste hoofdelectrode van de vierde transistor ;
en ten minste één eerste stroombron, welke is gekoppeld met de eerste hoofdelectrodes van de derde transistor en de vierde transistor.
Een dergelijke spanning-stroomomzetter is bekend uit Electronics Letters, 22nd March 1973, Vol. 9, No. 6, pp. 147-148 en staat ook bekend als"Caprio's Quad". Dank zij de kruislings gekoppelde derde en vierde transistors in serie met de eerste en tweede transistors ontstaat over de eerste weerstand een kopie van de ingang- spanning. Door de eerste weerstand vloeit een verschilstroom die wordt afgenomen aan de tweede hoofdelectrodes van de eerste en tweede transistor. De verschilstroom is in hoge mate lineair afhankelijk van de ingangsspanning. Omdat in serie met de eerste en tweede transistor de derde, respectievelijk vierde transistor zijn opgenomen, is de uitstuurruimte op de tweede hoofdelectrodes van de eerste en tweede transistor beperkt.
De uitvinding heeft onder meer tot doel de uitstuurruimte van de bekende spanning-stroomomzetter te vergroten. De spanning-stroomomzetter van de in de aanhef
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
genoemde soort is daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de spanningstroomomzetter verder omvat een vijfde en een zesde transistor, elk voorzien van een stuurelectrode, een eerste hoofdelectrode en een tweede hoofdelectrode, waarbij de stuurelectrode van de vijfde transistor met de eerste hoofdelectrode van de eerste transistor, de stuurelectrode van de zesde transistor met de eerste hoofdelectrode van de tweede transistor,
de tweede hoofdelectrode van de vijfde transistor met de eerste uitgangsklem en de tweede hoofdelectrode van de zesde transistor met de tweede uitgangsklem is gekoppeld een tweede weerstand welke is aangesloten tussen de eerste hoofdelectrode van de vijfde transistor en de eerste hoofdelectrode van de zesde transistor en ten minste een tweede stroombron, welke is gekoppeld met de eerste hoofdelectrodes van de vijfde transistor en de zesde transistor.
Het spanningsverschil over de tweede weerstand is een kopie van het spanningsverschil over de eerste weerstand. De verschilstroom door de vijfde en zesde transistors is daarom gelijk aan en net zo lineair als de verschilstroom door de eerste en tweede transistors. Echter, in serie met de vijfde en zesde transistor zijn geen andere transistors opgenomen, zodat de uitstuurruimte op de tweede hoofdelectrodes van de vijfde en zesde transistor groter is dan op de tweede hoofdelectrode van de eerste en tweede transistor.
Bij een toenemend spanningsverschil over de eerste en tweede ingangsklemmen wordt de derde of vierde transistor steeds verder in geleiding gebracht, waardoor uiteindelijk de lineariteit van de spanning-stroomomzetting verstoord wordt.
Teneinde een grotere uitstuurruimte aan de ingangsklemmen te bereiken is de spanningstroomomzetter volgens de uitvinding verder gekenmerkt, doordat de spanning-stroomomzetter verder omvat een zevende en een achtste transistor, elk voorzien van een stuurelectrode, een eerste hoofdelectrode en een tweede hoofdelectrode, waarbij de stuurelectrode van de zevende transistor met de eerste hoofdelectrode van de eerste transistor, de stuurelectrode van de achtste transistor met de eerste hoofdelectrode van de tweede transistor, de eerste hoofdelectrode van de zevende transistor met de stuurelectrode van de vierde transistor en de eerste hoofdelectrode van de achtste transistor met de stuurelectrode van de derde transistor is gekoppeld.
De zevende en achtste transistors fungeren als niveauverschuiver voor de signaalspanningen op de eerste hoofdelectroden van de eerste en tweede transistor en vergroten het spanningsverschil
<Desc/Clms Page number 3>
over de ingangsklemmen waarbij de derde of vierde transistor geheel in geleiding zijn.
Bij toenemende frekwentie van het ingangssignaal is de uitgangsstroom, geleverd door de tweede hoofdelectrodes van de vijfde en zesde transistors, steeds minder gelijk aan de stroom door de eerste hoofdelectrodes van die transistors, waardoor de lineariteit van de spanning-stroomomzetting afneemt. Om de hoogfrekwent lineariteit te vergroten is de spanning-stroomomzetter volgens de uitvinding nog verder gekenmerkt, doordat de tweede hoofdelectrode van de zevende transistor met de eerste uitgangsklem en de tweede hoofdelectrode van de achtste transistor met de tweede uitgangsklem is gekoppeld.
Door de zevende en achtste transistor vloeit het stuursignaal voor de vierde, respectievelijk derde transistor. Door de vierde en derde transistor vloeit een verschilstroom die een kopie is van de verschilstroom door de vijfde en zesde transistor. Door nu de tweede hoofdelectrode van de zevende transistor met de eerste uitgangsklem en de tweede hoofdelectrode van de achtste transistor met de tweede uitgangsklem te koppelen vindt er een compensatie plaats van de ontbrekende hoogfrekwente component in de collectorstromen van de vijfde en zesde transistor.
Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen worden beschreven en toegelicht onder verwijzing naar bijgaande tekening, waarin :
Figuur 1 een uitvoeringsvorm toont van een spanning-stroomomzetter volgens de uitvinding met bipolaire transistors,
Figuur 2 een uitvoeringsvorm toont van een spanning-stroomomzetter volgens de uitvinding met bipolaire transistors,
Figuur 3 een uitvoeringsvorm toont van een spanning-stroomomzetter volgens de uitvinding met bipolaire transistors,
Figuur 4 een uitvoeringsvorm toont van een spanning-stroomomzetter volgens de uitvinding met bipolaire transistors, en
Figuur 5 een uitvoeringsvorm toont van een spanning-stroomomzetter volgens de uitvinding met unipolaire transistors.
In de figuren zijn onderdelen met dezelfde functie of betekenis aangeduid met dezelfde verwijzingstekens.
Figuur 1 toont een spanning-stroomomzetter volgens de uitvinding met
<Desc/Clms Page number 4>
bipolaire transistors waarvan de stuurelectrode, de eerste hoofdelectrode en de tweede hoofdelectrode overeen komen met respectievelijk de basis, de emitter en de collector.
De spanning-stroomomzetter zet een ingangsspanning op een eerste ingangsklem 2 en een tweede ingangsklem 4 om in een uitgangsstroom die afneembaar is aan een eerste uitgangsklem 6 en een tweede uitgangsklem 8. De basis van een eerste transistor Tl is met de eerste ingangsklem 2 en de basis van een tweede transistor T2 is met de tweede ingangsklem 4 verbonden. De emitter van de transistor Tl is met de collector van een derde transistor T3 en de emitter van de transistor T2 is met de collector van een vierde transistor T4 verbonden. De basis van de transistor T3 is met de emitter van de transistor T2 en de basis van de transistor T4 is met de emitter van de transistor Tl is gekoppeid. Een in twee gelijke weerstanden 10,12 gesplitste eerste weerstand is aangesloten tussen de emitters van de transistors T3 en T4.
Een eerste stroombron 14 is via de weerstanden 10 en 12 gekoppeld met de emitters van de transistors T3 en T4 voor levering van emitterstroom aan de transistors T3 en T4. De basis van een vijfde transistor T5 is op de emitter van de transistor Tl en de basis van een zesde transistor T6 is op de emitter van de transistor T2 aangesloten. Net als bij de transistors T3 en T4, is een in twee gelijke weerstanden 16,18 gespitste tweede weerstand aangesloten tussen de emitters van de transistors T5 en T6 en is een tweede stroombron 20 gekoppeld via de weerstanden 16 en 18 gekoppeld met de emitters van de transistors T5 en T6 voor levering van emitterstroom aan de transistors T5 en T5. De collector van de transistor T5 is verbonden met de eerste uitgangsklem 6, welke bij wijze van voorbeeld via een belastingsweerstand 22 met een voedingsspanningsklem 26 is verbonden.
De collector van de transistor T6 is verbonden met de tweede uitgangsklem 8, die eveneens met een weerstand 26 met de voedingsspanningsklem 24 is verbonden.
De som van de spanning V2 op de ingangsklem 2, de basis-emitterspan- ning VBET1 van de transistor Tl, de basis-emitterspanning VBET4 van de transistor 4 en de spanning V12 over de weerstand 12 is gelijk aan de som van de spanning V4 op de ingangsklem 4, de basis-emitterspanning VBET2 van de transistor T2, de basisemitterspanning VBET3 van de transistor T3 en de spanning V10 over de weerstand 10 :
EMI4.1
Bij gelijke transistors Tl en T3 is VBET1 = VBET3, omdat door de transistors Tl en
<Desc/Clms Page number 5>
T3 een gelijke stroom vloeit. Hetzelfde is het geval met de transistors T2 en T4, zodat VBET2 = VBET4.
Vergelijking (1) kan dan herleid worden tot :
EMI5.1
Het spanningsverschil over de ingangsklemmen 2,4 verschijnt dus over de weerstanden 10 en 12 en veroorzaakt over die weerstanden een verschilstroom die onafhankelijk van basis-emitterspanningen en dus zeer lineair is. Bij gelijke weerstanden 10 en 12 en gelijke transistors T1-T4 zal de stroom van de stroombron 14 zieh gelijkelijk verdelen en de offsetspanning tussen de ingangsklemmen 2 en 4 minimaal zijn. De verschilstroom vloeit door de transistors Tl en T2, waarvan de collectors als uitgang kunnen dienen voor afname van de uitgangstroom. De maximaal beschikbare signaalspanning op de collectors van de transistors Tl en T2 wordt beperkt door de transistors T3 en T4.
Aan de collectors van de transistors T5 en T6 is echter een grotere signaalamplitude mogelijk, omdat in serie met die transistors geen verdere transistors zijn opgenomen.
De toegenomen collector-basisspanning van de transistors T5 en T6 verlaagt bovendien met voordeel de collector-basiscapaciteit van die transistors.
De transistors T5 en T4 ontvangen aan hun bases eenzelfde stuursignaal.
Hetzelfde is het geval met de transistors T6 en T3. Door nu de stromen van de stroombronnen 20 en 14, de weerstandswaarden van de weerstanden 10,12, 16 en 18 en de afmetingen van de transistors T3, T4, T5 en T6 gelijk te kiezen wordt bereikt dat de verschilstroom door de transistors T5 en T6 gelijk en even lineair is als de verschilstroom door de transistors T1/T3 en T2/T4. Hetzelfde effect kan overigens ook verkregen door de afmetingen van de transistors T5 en T6 en de stroom van de stroombron 20 met een schaalfactor te vergroten en de weerstanden 16 en 18 met dezelfde schaalfactor te verkleinen.
Figuur 2 toont een alternative schakeling waarin de weerstanden 10 en 12 tot een enkele weerstand 28 en de weerstanden 16 en 18 tot een enkele weerstand 30 zijn verenigd en waarbij de emitters van de transistors T3, T4, T5 en T6 elk met een individuele stroombron 32,34, 36, respectievelijk 38 zijn verbonden.
Figuur 3 toont weer de spanning-stroomomzetter van figuur 1, maar de basis van de transistor T4 is nu via de basis-emitterovergang van een als emittervolger geschakelde zevende transistor T7 verbonden met de emitter van de transistor Tl en de
<Desc/Clms Page number 6>
basis van de basis van de transistor T3 is via de basis-emitterovergang van een als emittervolger geschakelde achtste transistor T8 verbonden met de emitter van de transistor T2. De emitters van de transistors T7 en T8 worden van stroom voorzien met stroombronnen 40 en 42. Bij grote spanningsexcursies op de ingangsklemmen 2 en 4 gaat een van de transistors T3 en T4 in verzadiging en verstoort daarmee de lineariteit van de spanning-stroomoverdracht.
De extra spanningsval over de basis-emitterovergangen van de transistors T7 en T8 verruimt de toegestane ingangsspanningsexcursie met
EMI6.1
een basis-emitterjunctiespanning.
Bij hoge frekwenties wordt de lineariteit begrensd doordat de collectorstromen van de transistors T5 en T6 niet meer gelijk zijn aan de emitterstromen van de transistors T5 en T6. Omdat de emitterstromen van de transistors T5 en T4 gelijk zijn en de emitterstromen van de transistors T6 en T3 gelijk zijn, vloeit door de transistor T7 een stroom die een kopie is van de basisstroom van de transistor T5 en vloeit door de transistor T8 een stroom die een kopie is van de basisstroom van de transistor T6.
Door nu, zoals getoond in figuur 4, de collector van de transistor T7 te verbinden met de collector van de transistor T5, wordt de collectorstroom van de transistor T5 aangevuld met de ontbrekende basisstroom. Hetzelfde is gedaan met de collector van de transistor T8. Hierdoor is de uitgangstroom aan de uitgangsklemmen 6 en 8 ook bij hoge frekwenties lineair. Bovendien wordt op deze wijze gecompenseerd voor de nietlineaire capacitieve basis-collectorstromen van de transistors T5 en T6. Immers, kopie n van die stromen vloeien ook door de transistors T7 en T8 en worden afgetrokken van de uitgangsstroom. De resterende niet-lineariteit in de uitgangsstromen wordt veroorzaakt door de capacitieve basis-emitterstromen van de transistors T7 en T8 zelf.
Omdat de stromen van de transistors T7 en T8 maar een fractie zijn van de stromen door de transistors T3-T6, kunnen de afmetingen van de transistors T7 en T8 relatief klein gekozen worden met navenant kleine basis-collectorcapaciteit.
Alle tot nu toe getoonde uitvoeringsvormen kunnen desgewenst ook met unipolaire transistors worden uitgevoerd, zoals getoond in de spanning-stroomomzetter van figuur 5, die verder gelijk is aan de spanning-stroomomzetter van figuur 3. Bij unipolaire transistors komen de stuurelectrode, de eerste hoofdelectrode en de tweede hoofdelectrode overeen met respectievelijk de gate, source en drain.
De alternative schakeling met twee stroombronnen en een weerstand uit figuur 2 kan uiteraard ook worden toegepast in de spanning-stroomzetters in de figuren
<Desc/Clms Page number 7>
3,4 en 5. De getoonde NPN bipolaire en N-kanaal unipolaire transistors kunnen vervangen worden door PNP transistors en P-kanaal transistors.