CN1040891A - 放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明是关于应用了晶体管三极管的放大电路，在基极上加上输入信号的第一晶体管，与置于负荷侧的第二晶体管串联，由于上述第二晶体管由输入信号驱动，从而可获得超过晶体管的集电极与发射极间击穿电压的输出电压变化。

Description

本发明涉及可获得超过晶体管的集电极与发射极之间击穿电压的输出电压变化的晶体管放大电路。

近年来，半导体集成电路中应用的晶体管向高度集成化、高速化发展，随着晶体管的面积变小，晶体管的集电极与发射极之间的击穿电压也随之而变低，但输出电压的变化幅度多半仍要求与以前一样有宽广的电压变化范围。

图1是先有的放大电路的电路图，

图2是表示图1输入电压与输出电压间关系的特性曲线图，

图3是先有技术另一种放大电路的电路图，

图4是表示图3的输入电压与输出电压间关系的特性曲线图，

图5是本发明的第一实施例放大电路的电路图，

图6是表示图5的输入电压与各部分电压间关系的特性曲线图，

图7是本发明另一实施例放大电路的电路图，

图8是表示图7的输入电压与各部分电压间关系的特性曲线图。

下面对先有技术的放大电路加以说明。

图1是表示先有技术第1例的放大电路。图1中，1是电源端2是输出端，3是接地电位端，4是输入端，5是负载电阻，6是NPN晶体管，7是晶体管6的发射极电阻。图1放大电路的动作是众所周知的，如果晶体管6的发射极电阻7的电阻值设定为R_E，负载电阻5的电阻值设定为R_L，则放大器的增益G近似于（1）式。

G = (R_L)/(R_E) （1）

图2是表示图1电路中对于输入端4的电压V₄的变化，各部分电压所产生的变化特性曲线图。图2中，V₂表示端2的电压变化，V_E6表示晶体管6的发射极电压的变化。从（1）式求得的增益表现为V₂的斜率。又，晶体管6的集电极与发射极之间的电压V_CE6可根据（2）式来求得。

V_CE6＝V₂-V_E6（2）

再者，如果电源端1的电压为V_CC，晶体管6的发射极电流为I₆，晶体管6的直流电流放大率h_FE为无限大，可根据（3）式求得V₂，根据（4）式求得V_E6。

V₂＝V_CC-I_6RL…… （3）

V_E6＝V₄-V_BE6…… （4）

式中V_BE6为晶体管6的基极与发射极之间的电压。

但是，图1的结构存在输出电压变化无法超过晶体管的集电极与发射极之间的击穿电压的问题。例如，图1的电路中，在输入端4的电压与接地电位相等的情况下，晶体管6的V_CE与电源电压（V_CC）变得相等。即，V_CC必须小于晶体管的BV_CE。并且，因为端2是最大电压变化幅度DL明显小于V_CC，所以图1那样的电路结构就具有无法获得超出晶体管的BV_CE的输出电压变化的缺点。

图3是表示先有技术的差动放大器的电路图。图3中，11是电源端，12是输出端，13、14是构成差动放大器的NPN晶体管，15、16分别成为晶体管13、14的负载电阻，17是接地电位端，18是恒流源，19、20是输入端。

图3放大器的动作是众所周知的，如果，恒流源18的电流值设定为Io，负载电阻15、16的电阻设定为R_L，则放大器的增益G可由（5）式来表示。

G＝ (q)/(2KT) ·Io·R_L…… （5）

式中q为电子的电荷量，K为布鲁曼常数，T为绝对温度。

再者，输出端12的最大电压变化幅度D_L可根据（6）式求得。

DL＝IoR_L…… （6）

在这情况下，不用说晶体管13、14的集电极与发射极间取得的V_CE的最大值比上述DL大。

但是，图3的结构在要求输出的最大电压变化幅度DL必须大于晶体管的集电极与发射极间击穿电压BV_CE的情况下，就需要在晶体管13、14的V_CE上附加大于BV_CE的电压。在晶体管的集电极与发射极间附加大于BV_CE的电压时，晶体管的集电极电流急剧增加，就失去了通常所示的晶体管特性。

图4是表示输入端20、19的电压差与输出端12的电压变化关系的特性曲线图。图4中，在BV_CE》DL的情况下，示出的是通常差动放大器的特性，而在BV_CE＜DL的情况下，如图所示，晶体管14的V_CE不仅不能增加到BV_CE以上，而且晶体管还会遭到破坏。也就是说，具有输出端12的最大电压变化幅度无法达到大于BV_CE的缺点。

本发明的目的在于解决上述先有技术的问题，提供可获得超过晶体管的集电极与发射极间击穿电压的输出电压变化的放大电路。

为实现该目的，本发明第一例的放大电路具有如下结构：第一晶体管的发射极通过第一发射极电阻接地，第二晶体管的发射极连接到第一晶体管的集电集上，第二晶体管的集电极通过第一负载电阻引导到第一电源端，另外，第一晶体管的基极被连接到第三晶体管的基极，第三晶体管的发射极则通过第二发射极电阻接地，第三晶体管的集电极在与第二晶体管的基极连接的同时，通过第二负载电阻引导到第二电源端上。

根据这个结构，第一、第三晶体管的集电极电流相对于输入电压的变化是同样变化的，由于第二晶体管将第一晶体管的集电极电流原样地作为第二晶体管的集电极电流传递，所以，如果第二晶体管的集电极电压增加，则第三晶体管的集电极电压也增加，相反，如果第二晶体管的集电极电压减小，则第三晶体管的集电极电压也减小。为此，第二晶体管的集电极与发射极间电压的变化能够比第二晶体管的集电极电压的变化小。也就是说，第二晶体管的集电极电压的变化部分划分成第二晶体管的集电极与发射极间的电压变化部分和第一晶体管的集电极与发射极间电压的变化部分，即使第二晶体管的集电极电压的变化超过晶体管的集电极与发射极间击穿电压BV_CE，各晶体管的集电极与发射极间电压V_CE也能够不超过BV_CE，因此，就可能获得超过晶体管的BV_CE的输出电压变化。

另外，本发明的第二例的放大电路具有如下结构：利用第一和第二晶体管构成第一差动放大器，第三晶体管的发射极连接到第一晶体管的集电极，同时第四晶体管的发射极连接到第三晶体管的集电极，第三、第四晶体管的集电极分别通过第一、第二负载电阻连接到第一电源电压端。又，利用第五、第六晶体管构成第一、第二晶体管以外的第二差动放大器，第五晶体管的基极连接到第一晶体管的基极上，同时第六晶体管的基极连接到第二晶体管的基极上，第五晶体管的集电极在连接到第三晶体管的基极的同时，又通过第三负载电阻连接到第二电源电压端，同样地，第六晶体管的集电极在连接到第四晶体管的基极的同时，又通过第四负载电阻连接到第二电源电压端。

根据这个结构，第一、第二晶体管构成的差动放大器与第五、第六晶体管构成的差动放大器得到同样的输入，其间存在第一晶体管的集电极电流增加时，第五晶体管的集电极电流也增加，同时，第二、第六晶体管的集电极电流减少的关系。另外，由于第三、第四晶体管分别把第一、第二晶体管的集电极电流照原样作为第三、第四晶体管的集电极电流传递，所以，如果第三晶体管的集电极电压增加，则第三晶体管的基极电压也增加，相反，如果集电极电压减小，则基极电压也减小。第四晶体管也与第三晶体管同样动作。为此，第三、第四晶体管的集电极电压的变化部分，划分成第三、第四晶体管的集电极与发射间电压的变化部分和第一、第二晶体管的集电极与发射极间电压的变化部分，即使第三、第四的集电极电压的变化超过晶体管的BV_CE时，各晶体管的集电极与发射极间电压也能够不超过BV_CE，也就是说，可以获得超过晶体管的BV_CE的输出电压变化。

下面参照图对本发明的一个实施例进行说明。图5是表示本发明的第一个实施例的放大电路图。图5中，21是第一电源端，22是输出端，23是接地电位端，24是输入端，25是第一负载电阻，26是NPN晶体三极管，27和28是电阻，29和30是NPN晶体三极管，31是第二负载电阻，32是第二电源端。

图5的晶体管26、29的输入相同，但分别构成独立的放大器。由于晶体管30把晶体管26的集电极电流原样地作为晶体管30的集电极电流传递，所以电阻25成为晶体管26的负载电阻。另外，电阻31是晶体管29的负载电阻，如果设定以晶体管26为中心而构成的放大器的增益为G1，以晶体管29为中心而构成的放大器的增益为G2，电阻25的电阻值为R25，电阻27的电阻值为R27，电阻28的电阻值为R28，电阻31的电阻值为R31，则增益G1、G2可分别由（7）式、（8）式求得。

G1＝ (R25)/(R27) …… （7）

G2＝ (R31)/(R28) …… （8）

图6是表示相对于输入端24的电压变化V24的各部电压变化的特性曲线图。图6中，V22表示输出端22的电压，V_E30是晶体管30的发射极电压，V_E26是晶体管26的发射极电压。

再者，如果设定图5中第一电源端21的电压为V_CC21，第二电源端32的电压为V_CC32，则V₂₂可从（9）式，V_E30可从（10）式，V_E26可从（11）式求得。

V₂₂＝V_CC21- (R25)/(R27) ·V_E26…… （9）

V_E30＝V_CC32- (R31)/(R28) ·V_E26-V_BE30…… （10）

式中V_BE30为晶体管30的基极与发射极间的电压。

V_E26＝V₂₄-V_BE26…… （11）

式中V_BE26为晶体管26的基极与发射极间电压。（7）式、（8）式表示的放大器增益表现为图6中V₂₂、V_E30的斜率，可以由（9）式、（10）式来说明。如上所述的放大器的动作、增益等可与先有例同样方法求得，但在图5的电路中，各晶体管的集电极与发射极间所附加的最大电压，具有可比电源端电压小许多的特征。晶体管30的集电极与发射极间电压V_CE30可由（12）式求得。

V_CE30＝V_CC21-V_CC32+V_BE30-

（ (R25)/(R27) - (R31)/(R28) ）V_E6…… （12）

该V_CE30的取得的最大值V_CE30max可由（13）式得到。

V_CE30max＝V_CC21-V_CC32+V_BE30…… （13）

晶体管26的集电极与发射极间电压V_CE26可由（14）式求得。

V_CE26＝V_CC32-V_BE30-（ (R31)/(R28) -1）V_E26…… （14）

求V_CE26的最大值V_CE26max用（15）式。

V_CE26max＝V_CC32-V_BE30…… （15）

晶体管29的集电极与发射极间电压V_CE29可由（16）求得。

V_CE29＝V_CC32-（ (R31)/(R28) -1）（V₂₄-V_BE29）…… （16）

而求V_CE29的最大值V_CE29max用（17）式

V_CE29max＝V_CC32…… （17）

也就是说，如果（18）式、（19）式、（20）式成立的话，则各晶体管的V_CE不超过晶体管的集电极与发射极间的击穿电压。

(R25)/(R27) ＞ (R31)/(R28) …… （18）

BV_CE≥V_CC32…… （19）

(R25)/(R25+R27) V_CC21＞BV_CE＞V_CC21-V_CC32+V_BE30（20）

又，如忽略不计晶体管的集电极与发射极间饱和电压V_CESAT，则输出端22的最大变化幅度DL约可由（21）式求得。

DL＝ (R25)/(R25+R27) V_CC21…… （21）

例如，设定V_CC21＝9V、V_CC32＝5V、BV_CE＝5V、R27＝R28＝1KΩ、R25＝17KΩ、R31＝9KΩ、V_BE＝0.7V，则（18）式、（19）式、（20）式成立。

晶体管30的V_CE的最大值V_CE30max从（13）式可得出：

V_CE30max＝4.7V，低于BV_CE。

晶体管26的V_CE的最大值V_CE26max从（15）式可得出：

V_CE26max＝4.3V，低于BV_CE。

晶体管29的V_CE的最大值V_CE29max从（17）式可得出：

V_CE29max＝5V，与BV_CE相等。

再，输出端22的最大电压变化幅度DL从（21）式可得出：

DL

8.5V、约为BV_CE的小1.7倍。

如采用上述的本实施例，由于采取晶体管30和26的V_CE对输出电压进行分压的结构，甚至能使输出电压变化幅度达到晶体管的BV_CE约2倍的宽广范围。

还有，在本实施例中，晶体管26、29的发射极上连接有电阻27、28，不用说即使晶体管26、29的发射极直接接地也可以。

又，本实施例中用晶体管26和30两个晶体管的V_CE对输出电压进行了分压，同样，如果用三个或更多的晶体管的V_CE对输出电压分压的话，显然，就可获得BV_CE两倍以上的输出电压变化幅度。

下面参照图7对本发明的第二实施例进行说明。图7中，41是第一电源电压端（V_CC41），42是输出端，43、44是构成第一差动放大器的一对晶体管，45、46是晶体管43、44的负载电阻，47是接地电位端（GND），48是恒流源，49、50是输入端，51、52是对输出端42的电压变化进行分压的晶体管，53、54是构成第二差动放大器的一对晶体管，55是第二电源电压端（V_CC55），56是恒流源，57、58是晶体管53、54的负载电阻。

在上述结构中，首先，第二电源电压端55（V_CC55）的电压设定为不超过晶体管的BV_CE。即，V_CC55≤BV_CE……（22）又，设定第一电源电压端41（V_CC41）的电压超过晶体管的BV_CE，以增大输出端42的电压变化幅度。即

V_CC41＞BV_CE…… （23）

下面，设恒流源48的电流值为I₁，恒流源56的电流值为I₂，晶体管51的集电极电流为I₅₁，晶体管52的集电极电流为I₅₂，同样，设晶体管53的集电极电流为I₅₃，晶体管54的集电极电流为I₅₄，如假定晶体管的电流放大率为无限大，则（24）、（25）式可成立。

I₁＝I₅₁+I₅₂…… （24）

I₂＝I₅₃+I₅₄…… （25）

又，如果设定负载电阻45、46的电阻值为RL₁，负载电阻47、48的电阻值为RL₂，则由晶体管43、44构成的第一差动放大器的增益G1可由（26）式求得。

G1＝ (q)/(2KT) I₁·R_L1…… （26）

同样，第二差动放大器的增益G2可根据（27）式求得。

G2＝ (q)/(2KT) I₂·R_L2…… （27）

再者，输入端50、49的电压差V_50-49与输出端42的电压V₄₂间的关系，以及输入电压V_50-49与晶体管54的集电极电压V_C54间的关系，与先有的差动放大器的计算式相同，可根据（28）式、（29）式求得。

V₄₂=V_CC41-I₅₂R_L1

${\mathrm{=\; V}}_{\mathrm{C\; C\; 41}}\mathrm{-\; I}{}_{1}R{}_{\mathrm{L\; 1}}\frac{\exp \frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50\; －\; 49}}}{\mathrm{KT}}}{\mathrm{1\; +\; exp}\frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50－49}}}{\mathrm{KT}}}\mathrm{\dots \dots }$ (28)

$V_{\mathrm{C\; 54}}\mathrm{=\; V}{}_{\mathrm{CC\; 55}}\mathrm{-\; I}{}_{\mathrm{54}}R{}_{\mathrm{L\; 2}}$

${\mathrm{=\; V}}_{\mathrm{CC\; 55}}\mathrm{-\; I}{}_{2}R{}_{\mathrm{L2}}\frac{\exp \frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50－49}}}{\mathrm{KT}}}{\mathrm{1\; +\; exp}\frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50－49}}}{\mathrm{KT}}}\mathrm{\dots \dots }$ (29)

图8是表示输入电压V_50-49与输出端42的电压V₄₂晶体管44的集电极电压V_C44和晶体管44的发射极电压V_E44之间的特性曲线图。输出电压V₄₂可由上述（28）式求得。为使V_C44的电压低于V_C54，并且只低出晶体管52的基极与发射极间的电压V_BE52的值，可根据（30）式求得V_C44。

$V_{\mathrm{C\; 44}}\mathrm{=\; V}{}_{\mathrm{CC\; 55}}\mathrm{-\; I}{}_{2}R{}_{\mathrm{L2}}\frac{\exp \frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50－49}}}{\mathrm{KT}}}{\mathrm{1\; +\; exp}\frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50－49}}}{\mathrm{KT}}}{\mathrm{-\; V}}_{\mathrm{BE52}}$ (30)

又，V_E44是根据输入端50的电压V₅₀和输入端49的电压V₄₄决定的，大体可根据（31）式、（32）式求得。

在V_50-49≥0的情况下

V_E44＝V₅₀-V_BE44…… （31）

式中，V_BE44为晶体管44的基极与发射极间电压。

在V_50-49＜0的情况下

V_E44＝V₄₉-V_BE43…… （32）

式中，V_BE43为晶体管43的基极与发射极间电压。

这样，放大器的动作与先有例是相同的，放大率也可根据先有的计算式求得。可是，具有图7电路结构的放大电路，即使输出端42的最大电压变化幅度大于晶体管的BV_CE，但仍可能使各晶体管的集电极与发射极间的电压V_CE低于BV_CE。图8中，V₄₂与V_C44的电压差表示出晶体管52的集电极与发射极间的电压V_CE52。V_C44与V_E44的电压差表示出晶体管44的集电极与发射极间的电压V_CE44。又，V₄₂的最大电压变化幅度DL可根据（33）式求得。

DL＝I₁R_L1…… （33）

下面，如果用计算式表示加在各晶体管集电极与发射极间的电压，则晶体管52的V_CE（V_CE52）用（34）式表示为：

V_CE52=V_CC41-V_CC55+V_BE52+I₂R_L2

(1 - (I₁R_L1)/(I₂R_L2) )……（34）

$\mathrm{\alpha \; =}\frac{\exp \frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50－49}}}{\mathrm{KT}}}{\mathrm{1\; +\; exp}\frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{50－49}}}{\mathrm{KT}}}$

晶体管44的V_CE（V_CE44）可用（35）式表示。

V_CE44＝V_CC55-I₂R_L2α-V_BE52-V₅₀+V_BE44…… （35）晶体管54的V_CE（V_CE54）则改为（36）式。

V_CE54＝V_CC55-I₂R_L2α-V₅₀+V_BE54…… （36）

式中，V_BE54为晶体管54的基极与发射极间电压。

此处，假定条件是（37）、（38）、（39）式成立。

I₁R_L1＞I₂R_L2…… （37）

BV_CE≥V_CC55…… （38）

I₁R_L1＞BV_CE＞V_CC41-V_CC55+V_BE…… （39）

这时，晶体管52的V_CE的最大值V_CEmax52可用（40）式表示。

V_CEmax52＝V_CC41-V_CC55+V_BE52…… （40）

晶体管44的V_CE的最大值V_CEmax44改由（41）式表示

V_CEmax＝V_CC55-V₅₀…… （41）

晶体管54的V_CE的最大值V_CEmax54则改由（42）式表示

V_CEmax54＝V_CC55-V₅₀+V_BE54…… （42）

如同样进行计算，可知道晶体管51的V_CE的最大值与V_CEmax52相等，晶体管43的V_CE的最大值与V_CEmax44相等，晶体管53的V_CE的最大值与V_CEmax54相等。

如（38）式成立，则晶体管43、44、53、54的V_CE，由（41）、（42）式可知显然小于BV_CE。同样，如（39）式成立，则晶体管51、52的V_CE也小于BV_CE。也就是说，决定各电路的常数使（37）、（38）、（39）式成立，则各晶体管的V_CE不会超过BV_CE，但可获得大于BV_CE的输出电压变化幅度。

例如，设定V_CC41＝9V，V_CC55＝5V，I₁＝I₂＝1mA，BV_CE＝5V，R_L1＝8KΩ，R_L2＝4.3KΩ，V₄₉＝V₅₀＝1V，则（37）式，（38），（39）式成立。输出端42的最大电压变化的幅度DL由（33）式求得为DL＝I₁R_L1＝8V，是BV_CE的1.6倍。同样各晶体管的V_CE的最大值：

由（40）式求出：

V_CEmax52＝V_CC41-V_CC55+V_BE52

＝4.7V;

由（41）式求出：

V_CEmax44＝V_CC55-V₅₀＝4V;

由（42）求出：

V_CEmax54＝V_CC55-V₅₀+V_BE54＝4.7V;

都处于BV_CE（5V）以下。

如采用上述本实施例，使晶体管51、52各自的集电极电压与基极电压以相同方向变化，由于采用晶体管51、52的V_CE和晶体管43、44的V_CE对晶体管51、52的集电极电压的变化量分压的结构，所以能够使输出端42的最大电压变化幅度扩大到晶体管BV_CE的近二倍。

再者，在本实施例中，不用说恒流源48、56也可采用共同的电阻。

又，本实施例中，用晶体管52与晶体管44，或者，晶体管51与晶体管43两个晶体管的V_CE对输出电压进行了分压，同样，如果用三个或更多的晶体管的V_CE对输出电压分压的话，显然，就可获得BV_CE的大约三倍或三倍以上的输出电压变化幅度。

Claims (2)

1、放大电路其特征在于：

第一晶体管的发射极通过第一发射极电阻接地，第二晶体管的发射极连接到第一晶体管的集电极上，第二晶体管的集电极通过第一负载电阻连接到第一电源端，第一晶体管的基极连接到第三晶体管的基极，第三晶体管的发射极则通过第二发射极电阻接地，第三晶体管的集电极在与第二晶体管的基极连接的同时，通过第二负载电阻连接到第二电源端，输入信号加到第一和第三晶体管的基极，从第二晶体管的集电极可获得输出信号。

2、放大电路其特征在于：

利用第一和第二晶体管构成第一差动放大器，第三晶体管的发射极和第四晶体管的发射极分别连接于第一晶体管的集电极和第二晶体管的集电极，第三晶体管的集电极通过第一负载电阻连接到第一电源电压端，第四晶体管的集电极通过第二负载电阻连接到第一电源电压端上，同时，利用第五和第六晶体管构成第二差动放大器，第五晶体管的基极连接到第一晶体管的基极，第六晶体管的基极连接到第二晶体管的基极，第五晶体管的集电极在连接到第三晶体管的基极的同时，又通过第三负载电阻连接到第二电源电压端，第六晶体管的集电极在连接到第四晶体管的基极的同时，又通过第四负载电阻连接到第二电源电压端。

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