DE1107282B - Mehrstufiger galvanisch gekoppelter Transistorverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärkerschaltungen mit einer Anzahl galvanisch gekoppelter Transistoren, die in Reihe mit der Last an die Speisespannungsquelle angeschlossen sind.

Bei manchen Anwendungen, bei denen verhältnismäßig hohe Signalausgangsspannungen erforderlich sind, beispielsweise beim Betrieb von Kathodenstrahlröhren, können in den üblichen Verstärkeranordnungen infolge der Beschränkung der zulässigen Spannungen keine bisher vorliegenden Transistoren Anwendung finden. Dies gilt insbesondere für sogenannte Hochfrequenztransistoren.

Es ist zwar bereits bekannt, eine Anzahl von Transistoren in Emitterschaltung in Reihe an die Speisequelle anzuschalten und dadurch eine höhere Ausgangsspannung am letzten Transistor zu erhalten. Die Emittervorspannungen hat man dabei durch feste Spannungsteiler von der Speisespannungsquelle abgeleitet. Dabei können jedoch die Spannungen an den einzelnen Transistoren stark voneinander abweichen, so daß die Gefahr besteht, daß der eine oder andere der Transistoren in unzulässiger Weise übersteuert wird. Es ist daher erforderlich, daß jeder Transistor einen richtig bemessenen Bruchteil der Ausgangsspannung erhält und sich somit eine gleichmäßige Verteilung der Belastung ergibt; dies soll nicht nur für Speisegleichspannungen, sondern auch für Signalwechselspannungen gelten.

Bei einem Verstärker mit einem Eingangstransistor in Basis- oder vorzugsweise in Emitterschaltung, dessen Kollektor über die Emitter-Kollektor-Strecke(n) eines oder mehrerer weiterer Transistoren in Reihe an die Speisespannungsquelle angeschlossen ist, wird dies erreicht, wenn gemäß der Erfindung zwischen dem Kollektor des letzten und der Grundelektrode des ersten Transistors ein Potentiometer wirkungsmäßig parallel geschaltet ist, dessen Anzapfungen mit den Basiselektroden der Transistoren, den ersten ausgenommen, verbunden sind, so daß die Emitter-Kollektor-Potentialdifferenz jedes so gesteuerten Transistors ungeachtet der Größe des Eingangssignals einen zulässigen Teil der Speisespannung nicht überschreiten kann.

Wenn es neben dem Eingangstransistor mehrere weitere Transistoren gibt, sind die mit den Basiselektroden verbundenen Anzapfungen in der gleichen Reihenfolge wie die Zusatztransistoren über das Potentiometer verteilt. Wenn sämtliche Zusatztransistoren gleich bemessen sind und die Anzapfungen in gleichen Abständen voneinander angebracht sind, so ergibt sich, wenn man zunächst von der Wirkung der Basisströme auf das Potentiometer absieht, im Betrieb Mehrstufiger galvanisch gekoppelter
Transistorverstärker

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 2. August 1957

Leonhard Eric Jansson, Southampton, Hampshire

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

nahezu die gleiche Potentialdifferenz zwischen dem Emitter und dem Kollektor jedes Zusatztransistors. Diese Aufgabe kann vom Potentiometer erfüllt werden, sogar mit einer verhältnismäßig einfachen Anordnung, bei der die einzigen Verbindungen zwischen den Zusatztransistoren und dem Potentiometer die Verbindungen zwischen den Basiselektroden und den Anzapfungen sind. Eine solche Anordnung erfordert jedoch, daß ein Endglied des Potentiometers eine Stromkomponente führt, die gleich der Summe der Basisströme sämtlicher Zusatztransistoren ist, so daß die gleichmäßige Spannungsverteilung nicht bei allen Strömen erhalten bleibt.

Dies kann dadurch vermieden werden, daß weitere Verbindungen zwischen den Emittern der Zusatztransistoren und dem Potentiometer vorgesehen werden: auf diese Weise ergibt sich eine weitere Verteilung des Stromes bei den zuletzt erwähnten Verbindungen, so daß in Gliedern an den beiden Enden des Potentiometers der Strom der gleiche ist. Bei einer solchen Schaltung verhält sich jeder Zusatztransistor als ein Emitterverstärker (ähnlich wie ein Kathodenverstärker), wobei die Emitterspannung der Basisspannung sehr gut folgt. Weil die einzelnen Basis-

109 608/301

elektroden der Zusatztransistoren nahezu auf Spannungen gehalten werden, die bestimmte Teile der gesamten Potentialdifferenz sind, die sich über der Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Kreise als Ganzes ergibt, ist der Verlauf der Emitterspannung auch nahezu der gleiche, so daß die geforderte Wirkung erzielt wird. Im übrigen sei bemerkt, daß die Emitterverstärkerwirkung nicht erfolgen kann, wenn die Basis- und Emitterelektroden eines Zusatztransistors mit dem gleichen Potentiometer verbunden sind; deshalb wird im betreffenden Beispiel unten ein Potentiometer beschrieben, das zur Vermeidung dieser Schwierigkeit eine Anzahl effektiv parallel geschalteter Zweige enthält.

Der erste Transistors kann am der Belastungsimpedanz abgewendeten Ende der Reihenschaltung liegen, in welchem Falle dieser Transistor mit geerdeter Basis oder mit geerdetem Emitter geschaltet sein kann. Die Lastimpedanz kann jedoch auch unmittelbar mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden sein.

Anordnungen nach der Erfindung sind für Wechselstromsignalverstärkung oder für Gleichstromverstärkung verwendbar. Bei Verstärkerschaltungen nach der Erfindung können Flächentransistoren oder auch andere Transistorarten, wie Spitzenkontakttransistoren oder Feldeffekttransistoren, Anwendung finden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen Flächentransistoren Verwendung finden, werden nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist das Schaltbild eines einfachen Verstärkers mit einem Eingangstransistor in Basisschaltung und einem weiteren Transistor;

Fig. 2 ist eine ähnliche Schaltung, bei der der erste Transistor in Emitterschaltung betrieben wird;

Fig. 3 und 4 stellen Verstärker dar, die außer dem Eingangstransistor vier weitere Transistoren enthalten;

Fig. 5 zeigt eine Pseudogegentaktschaltung mit zwei Kreisen, die jeweils der Anordnung nach Fig. 2 entsprechen;

Fig. 6 zeigt einen Verstärker mit Emitterausgang;

Fig. 7 stellt die Anwendung eines zusätzlichen Emitterverstärkers im Ausgangskreis dar, und

Fig. 8 zeigt eine Schaltung, bei der sowohl p-n-pals auch n-p-n-Flächentransistoren Anwendung finden.

In Fig. 1 ist die Last R₁ in Reihe mit den Emitter-Kollektor-Strecken des Eingangstransistors TR₁ und eines weiteren Transistors TR₂ geschaltet. Die Transistoren sind p-n-p-Flächentransistoren, und der erste Transistor arbeitet in Basisschaltung. Das Potentiometer enthält Widerstände R₂ und .R₃ und ist wirkungsmäßig parallel zur Reihenschaltung der Emitter-Kollektor- bzw. Basis-Kollektor-Strecken geschaltet, wobei die Basis des zweiten Transistors mit einer Anzapfung des Potentiometers verbunden ist. Das Potentiometer R₂, R₃ ist derart mit den Transistoren verbunden, daß es die Potentialdifferenz über der Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors auf einem Wert halten kann, der etwa die Hälfte der sich über der Reihenschaltung ergebenden Potentialdifferenz ist. Der Emitter des Transistors TR₂ folgt dessen Basis infolge der Emitterverstärkerwirkung, undi?₂ undi?₃ bilden einen Spannungsteiler, der die Basis des Transistors TR₂ auf einer Spannung hält, die etwa in der Mitte zwischen der Spannung des Kollektors von TR₂ und Erde liegt. Auf diese Weise ist die über den beiden Transistoren zulässige Gesamtspannung etwa gleich dem Zweifachen der über einem Transistor zulässigen Spannung.

Beispielsweise kann der Transistorbasisstrom l°/o des Emitterstromes betragen, so daß, wenn der Strom im Spannungsteiler R₂ undi?₃ gleich 10°/o des Emitterstromes gemacht wird, die Basisspannung von TR₂ nahezu nicht vom in R₂ und R₃ fließenden Basisstrom beeinflußt wird. Wenn R₂ und R_s gleiche Widerstände sind, ist die Basis-Kollektor-Spannung für die beiden Transistoren etwa die gleiche.

Die Eingangsklemmen I₁ und/₂ dienen zur Verbindung mit einer Signalquelle. In Sem Maße, wie der Eingangsstrom Z₁ geändert wird, ändert sich der Spannungsabfall über R₁, wodurch die Gesamtspannung über den beiden Transistoren geändert wird. Weil jedoch die Basis des TR₂ auf einer Spannung gehalten wird, die etwa halbwegs zwischen der Kollektorspannung des TR₂ und Erde liegt, bleiben, ungeachtet des Wertes von I₁, die Spannungen über den beiden Transistoren etwa die gleichen.

Die Schaltung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß der erste Transistor TR₁ in Emitterschaltung arbeitet. Eine Impedanz kann in Reihe mit dem Emitter von TR₁ geschaltet werden, um auf bekannte Weise den Arbeitspunkt zu stabilisieren und/oder um die Frequenzcharakteristik des Verstärkers zu verbessern.

Der Verstärker nach Fig. 3 enthält einen ersten Transistor TR₁ und weitere Transistoren TR₂ bis TR. in einer verhältnismäßig einfachen Schaltung, bei der die einzigen Verbindungen zwischen den Transistoren und dem Potentiometer die Verbindungen zwischen den Basiselektroden und den Anzapfungen U bis t₃ sind. Wenn sämtliche Transistoren gleich bemessen und die Anzapfungen in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind, ergeben sich, wenn man zunächst von der Wirkung der Basisströme auf das Potentiometer absieht, im Betrieb nahezu gleich große Potentialdifferenzen zwischen Emitter und Kollektor jedes Transistors. Diese Anordnung erfordert jedoch, daß der Widerstand R₂ des Potentiometers eine Stromkomponente führt, die gleich der halben Summe der Basisströme sämtlicher Transistoren ist, so daß die gleichmäßige Spannungsverteilung nicht bei jedem möglichen Strom aufrechterhalten werden würde.

Wie bereits erwähnt, kann dies dadurch vermieden werden, daß weitere Verbindungen zwischen den Emittern der Transistoren TR₂ bis TR₅ und dem Potentiometer vorgesehen werden, so daß sich eine Schaltung ergibt, bei der jeder dieser Transistoren sich als Emitterverstärker verhält. Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt.

In Fig. 4 ist wieder der erste Transistor TR₁ in Emitterschaltung in Reihe mit vier Transistoren TR₂ bis TR₅ geschaltet, obgleich noch weitere Transistoren Verwendung finden können, wenn größere Ausgangsspannungen erforderlich sind. Zusätzlich sind nun zwischen den Transistoren und dem Potentiometer Verbindungen mit den Emittern angebracht. Bei diesen Verbindungen wird der Strom aufs neue verteilt, so daß die Ströme in Gliedern an beiden Enden des Potentiometers die gleichen sind. Das ursprüngliche Potentiometer besteht hierbei aus einer Anzahl νση Potentiometern R₂, R₃, /?₄ und R₅, R₆, die so angeschlossen sind, daß jedes Teilpotentiometer jeweils die Emitter-Kollektor-Strecken zweier hintereinanderliegender Transistoren umfaßt mit wechselseitigen Basisverbindungen. Die Schaltung ermöglicht eine

Emitterverstärkerwirkung bei sämtlichen Zusatztransistoren; diese Wirkung wäre unmöglich, wenn nicht nur die Basis- sondern auch die Emitterelektroden jeweils mit dem gleichen Potentiometer verbunden wären.

Da der erste Transistor sich an seinem Kollektor nahezu wie eine Stufe mit konstantem Strom und hohem Innenwiderstand verhält und weil die weiteren Transistoren sich an ihren Emittern als Elemente mit niedriger Impedanz und an ihren Kollektoren als Elemente mit hoher Impedanz verhalten, verursacht der Strom, der die Emitter-Kollektor-Strecke des ersten Transistors durchfließt, daß nahezu der gleiche Strom zum Emitter des folgenden Transistors fließt. Der Kollektor dieses Transistors bewirkt seinerseits, daß nahezu der gleiche Strom zum Emitter des nächsten Transistors fließt usw. bis zur Last. Auf diese Weise wird der Laststrom nahezu völlig vom ersten Transistor bestimmt.

In der Anordnung nach Fig. 4 gibt es kein geschlossenes Potentiometer, das die gesamte Reihenschaltung der Transistoren umfaßt; nunmehr bilden die Widerstände R₂ bis R_e das Potentiometer, das aus den beiden Zweigen R₂, R₄ und i?₃, R₅, R₈ besteht, die für die Emitter-Basis-Strecken der Transistoren effektiv parallel geschaltet sind. Dieses Potentiometer ist als Ganzes effektiv parallel zur Reihenschaltung der Transistoren geschaltet, derart, daß die Potentialdifferenz über der Emitter-Kollektor-Strecke jedes Transistors auf einem Wert gehalten wird, der etwa ein Fünftel der Gesamtpotentialdifferenz ist, die sich über dieser Reihenschaltung ergibt.

Zwei Verstärker von der in Fig. 2 oder Fig. 4 dargestellten Art können in einer üblichen Pseudogegentaktschaltung angeordnet werden zum Erzielen einer Ausgangsspannung, die symmetrisch gegenüber der Erde ist. Fig. 5 zeigt eine solche Anordnung, bei der je zwei Transistoren TR₁, TR₂ bzw. TR₁₀, TR_2a Anwendung finden, die je der Schaltung nach Fig. 2 entsprechen, und bei der die ersten Transistoren TR₁ und TR₁₁₁ einen hohen gemeinsamen Emitterwiderstand aufweisen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist die Last R₁ am entgegengesetzten Ende der Transistorreihenschaltung wie bei den Verstärkern nach Fig. 1 bis 5 angeordnet. Auf diese Weise wirkt diese Anordnung als eine Art Emitterverstärker. TR₁ ist der Eingangstransistor, während TR₂ der Zusatztransistor ist; erwünschtenfalls können mehrere Zusatztransistoren Verwendung finden.

In den Fig. 1 und 2 entspricht der Widerstand in der Basisleitung von TR₂ der Parallelschaltung der Widerstände R₂ und R₃ "(angenommen, R₂ sei viel größer als A₁)." Dieser Widerstand beschränkt den Basisstrom, den R₂ führen kann, und erhöht den Eingangswiderstand von TR₂ an dessen Emitter. Dieser Widerstand läßt sich dadurch herabsetzen, daß die Werte von R₂ und R₃ verringert werden, indem diese über einen Emitterverstärker TR₃ nach Fig. 7 gespeist werden. Grundsätzlich kann der Kollektor des Emitterverstärkers TR₃ mit der Gleichstromzuleitung zum oberen Ende des Lastwiderstandes ^₁ verbunden werden, wobei TR₃ sich als eine der Verbindungen verhalten würde, durch die das Potentiometer effektiv parallel zur Reihenschaltung der Transistoren geschaltet ist. Wenn sämtliche Transistoren etwa gleich bemessen sind, liegt die Gefahr vor, daß übermäßig hohe Spitzenspannungen über dem Transistor TR₃ auftreten, weil diese Spannungen mit den Spannungen vergleichbar sind, die sich über der Reihenschaltung der Transistoren TR₁ und TR₂ ergeben. Diese Schwierigkeit läßt sich dadurch beseitigen, daß der Kollektor von TR₃ mit einer Anzapfung der Belastung R₁ verbunden wird oder daß die Emitter-Kollektor-Strecke von TR₃ in Reihe mit derjenigen eines weiteren Transistors TR₄ verbunden wird, dessen Basiselektrode mit einer Anzapfung t₄ der Belastung R₁ verbunden ist. Die so erzielte Verstärkerschaltung kann als eine Kombination einer Schaltung nach Fig. 2 mit einer Schaltung nach Fig. 6 betrachtet werden. Wenn die Impedanz der Basiselektrode von TR₂ weiter herabgesetzt werden soll, können diese Basiselektrode und die Anzapfung t₂ über einen weiteren Transistoremitterverstärker TR₅ verbunden werden, wie dies gestrichelt angegeben ist.

Der Verstärker nach Fig. 8 benutzt eine symmetrische Anordnung von n-p-n- und p-n-p-Transistoren. Die Schaltung der Transistoren TR₁, TR₂ (mit Widerständen R₁, R₃) entspricht im wesentlichen der Schaltung nach Fig. 2. Die Schaltung der Transistoren TR_la, TR_2a (mit Widerständen R_la, R₃₁₁) ist ein Spiegelbild des ri?j-ri?₂-Kreises durch Anwendung von n-p-n-Transistoren. Diese Verstärkerschaltung kann verschieden verwendet werden. Der Punkt C kann z. B. mit einer Mittelanzapfung der Batterie verbunden werden; in diesem Falle kann eine symmetrische Steuerspannung zwischen die Punkte A und B gelegt werden. Wenn jedoch nicht der Punkt C, sondern einer der beiden Punkte A und B mit der Mittelanzapfung der Batterie verbunden wird, wird der Punkt C durch Emitterverstärkerwirkung auf der gewünschten Spannung gehalten. Die Eingangsspannung kann dann zwischen den Punkten A und B angelegt werden.

Es kann aber auch die Mittelanzapfung der Batterie völlig fortgelassen und entweder der Punkt A oder der Punkt B mit der Mitte eines nicht dargestellten Potentiometers verbunden werden, das über den Punkten D und E geschaltet ist. Dieses Potentiometer sorgt dann dafür, daß die Spannungen über den zwei mittleren Transistoren nahezu gleich sind. Die Signalspannung wird zwischen den Punkten A und B angelegt. Wenn der Eingang auf diese Weise gegen die Mittelanzapfung der Batterie isoliert ist, können die beiden Belastungen R₁ und R_la an einem Ende des Kreises angebracht und ein beliebiger Punkt des Systems kann mit Erde verbunden werden.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verstärker mit einem Eingangstransistor in Basis- oder vorzugsweise in Emitterschaltung, dessen Kollektor über die Emitter-Kollektor-Strecke(n) eines oder mehrerer weiterer Transistoren und über die Last in Reihe an die Speisespannungsquelle angeschlossen ist, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor des letzten und der Grundelektrode des ersten Transistors ein Potentiometer wirkungsmäßig parallel geschaltet ist, dessen Anzapfungen mit den Basiselektroden der Transistoren außer dem ersten verbunden sind, so daß die Emitter-Kollektor-Potentialdifferenz jedes Transistors ungeachtet der Größe des Eingangssignals einen zulässigen Teil der Speisespannung nicht überschreitet (Fig. 1, 2 und 3).

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer aus einer Anzahl in Reihe geschalteter Widerstände (i?₂ ... R₆) besteht, deren erster den Kollektor des letzten Transistors mit dessen Basis und deren letzter die Basis des zweiten Transistors mit einer Klemme der Speisespannungsquelle verbindet.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch jeweils eine weitere Verbindung zwischen dem Potentiometer und den Emittern des oder der weiteren Transistoren, derart, daß diese durch Mitsteuerung ihrer Emitter als Emitterverstärker wirken (Fig. 4).

4. Verstärker nach Anspruch 3 mit mehr als zwei Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer aus zwei Zweigen (R₂, R_i und R₃, R₅, R₆) besteht, die über die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren wirkungsmäßig parallel zueinander geschaltet sind, wobei die Basiselektroden der Transistoren abwechselnd mit Anzapfungen des einen und des anderen Potentiometerzweiges verbunden sind.

5. Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Flächentransistoren sind.

6. Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Transistoren durch einen Feldeffekttransistor ersetzt wird, dessen Quellen-, Ableitungsund Torelektroden in einer Weise geschaltet sind, die dem Emitter, dem Kollektor bzw. der Basis- S. elektrode des ersetzten Transistors entspricht.

7. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Endglied des Potentiometers einen Strom führt, der gleich der Summe der Basisströme sämtlicher weiterer Transistoren ist.

8. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler einen Querstrom führt, der etwa 10^fl/o des Emitterstromes beträgt, wenn der Basisstrom eines Transistors etwa 1% des Emitterstromes beträgt.

9. Weiterbildung der Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche zu einer grundsätzlich bekannten Pseudogegentaktschaltung (Fig. 5).

10. Anordnung mit zwei Verstärkerschaltungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit Transistoren jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in Reihe an der Speisespannungsquelle liegen (Fig. 8).

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der beiden Verstärkerschaltungen an die Mittelanzapfung der Speisespannungsquelle angeschlossen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme einer der Verstärkerschaltungen mit der Mittelanzapfung der Speisespannungsquelle verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Electronics, 1955, Juniheft, S. 132 bis 136;
IRE Transact-Circuit Theory, 1956, Märzheft. bis 51.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 021 926.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 608/301 5.61