DE1249348B

DE1249348B - Schaltung zum Verstärken von Signalen mit breitem Frequenzband, die mindestens zwei Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp enthält

Info

Publication number: DE1249348B
Application number: DENDAT1249348D
Authority: DE
Inventors: Johannes Anton Greefkes Karel Riemens Wilhelmus Antonius Joseph Marie Zwijsen Eindhoven Leonard Gerardus Krul (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1965-03-30
Publication date: 1967-09-07
Also published as: NL146668B; DK123680B; SE316208B; GB1111349A; US3450998A; NL6511134A; NL6503996A; CH454957A

Description

LiJNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. Cl.:

H03f

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 a2 -18/08

Nummer: ι

Aktenzeichen: N 28279 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 26. März 1966

Auslegetag: 7. September 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung, die mindestens zwei Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp enthält, wobei der Kollektor des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist und wobei im Emitterkreis des zweiten Transistors eine Impedanz, z. B. ein Widerstand, eingeschaltet ist, die gegenüber der Emittereingangsimpedanz des zweiten Transistors hoch ist. Solche Verstärker werden z. B. zum Verstärken von Signalen mit breitem Frequenzband, wie z. B. Fernsprech- oder Videosignalen, verwendet. Der Frequenzbereich kann sich dabei von sehr niedrigen Frequenzen — gegebenfalls sogar der Frequenz Null, somit Gleichspannung — bis zu verhältnismäßig hohen Frequenzen, z. B. bis zu einigen zehn Megahertz erstrecken.

Es ist dabei von wesentlicher Bedeutung, daß der Verstärker möglichst wenig Verzerrungen aufweist. Wie bekannt, können Verzerrungen durch Gegenkopplung unterdrückt werden. Diese Gegenkopplung geht jedoch in den meisten Fällen mit Herabsetzung der Verstärkung einher, so daß eine größere Anzahl von Verstärkerelementen zum Erzielen der erforderlichen Verstärkung verwendet werden müssen. Auch ist die Gefahr des Auftretens unerwünschter Instabilitätserscheinungen, wie eines spontanen Generierens (Selbsterregung), größer, wodurch zum Erhalten einer zuverlässig arbeitenden Verstärkervorrichtung weitere Vorkehrungen erforderlich sind.

Vor allem bei Transistorverstärkern schaffen Verzerrungen ein großes Problem wegen der Nichtlinearitäten, die die unterschiedlichen kennzeichnenden Größen der Transistoren aufweisen. Zum Beispiel bildet der Emitter-Basis-Eingang des Transistors eine mehr oder weniger exponentielle Strom-Spannungs-Kennlinie, deren Einfluß dadurch herabgesetzt werden kann, daß der Transistor auf einen verhältnismäßig hohen Ruhestrom eingestellt wird und/oder daß eine starke Gegenkopplung angewandt wird. Die beiden Maßnahmen weisen Nachteile auf, und die Erfindung bezweckt, diesen entgegenzukommen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkreis des ersten Transistors eine zweite Impedanz enthält und daß der Kollektorkreis dieses Transistors die Reihenschaltung mehrerer in der Vorwärtsrichtung polarisierter Halbleiterdioden und einer dritten Impedanz enthält, die größer als die erwähnte zweite Impedanz ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Verstärkerteil zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung;

Schaltung zum Verstärken von Signalen
mit breitem Frequenzband, die mindestens zwei
Transistoren vom entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp enthält

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Leonard Gerardus Krul,

Johannes Anton Greefkes,

Karel Riemens,

Wilhelmus Antonius Joseph Marie Zwijsen,

Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 30. März 1965 (03 996),

vom 26. August 1965 (11134)

zeigt ein Prinzipschaltbild nach der Er-

Fig. 2
findung;

F i g. 3 veranschaulicht ein weiter ausgearbeitetes Ausführungsbeispiel;

F i g. 4 zeigt eine Abart der Fig. 3.

F i g. 1 zeigt einen Grenzschichttransistor 1 in Emitterschaltung. Das Eingangssignal Vi wird seiner. Basis zugeführt. Im Emitterkreis des Transistors 1 liegt einen Widerstand R, während sein Kollektorkreis die Reihenschaltung einer Anzahl vom Kollektorgleichstrom des Transistors 1 in der Vorwärtsrichtung polarisierter Halbleiterdioden 2 und eines Widerstandes η R enthält. Der Widerstand R kann, aber braucht nicht notwendigerweise groß gegenüber der Emittereingangsimpedanz des Transistors 1 zu sein. Der Widerstand«-/? ist «-mal größer als der Widerstand R gewählt, wobei « die Anzahl von Dioden 2 darstellt. Die über dem Widerstand R erzeugte Spannung ist gleich der Spannung F_f abzüglich der Emitter-Basis-Steuerspannung des Transistors 1. Wenn der Basisstrom des Transistors 1 vernachlässigt wird, ist der Strom durch den Widerstand R gleich dem Strom

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durch die Reihenschaltung 2, η R. Über letzterer Reihenschaltung wird daher eine Ausgangsspannung V_n erzeugt, die «-mal größer als die Spannung F₁ ist, da der Gleichstrom durch die Dioden 2 gleich dem durch den Transistor 1 ist, so daß der Spannungsabfall für jede Diode, ungeachtet der Speise- oder Temperaturänderungen, nahezu gleich dem über der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 1 ist. Dabei werden vorzugsweise der Transistor 1 und die Dioden 2 als integrierte Schaltung, d. h. auf einem gemeinsamen Kristalltragkörper (einer Unterlage), angebracht.

Obgleich nun der Basis-Emitter-Eingang des Transistors 1 eine mehr oder weniger exponentiell Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, wird dennoch eine sehr geringe Verzerrung in der Spannung V_n gemessen, da die Krümmung dieser Kennlinie nahezu gleich der der Dioden 2 ist, so daß auch für jeden Augenblickswert der Eingangsspannung der Spannungsabfall über der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 1 gleich dem über jeder der Dioden 2 ist. Soll dieser Effekt jedoch ausgenutzt werden, so darf die Ausgangsspannung V_n nur von einem sehr hohen Widerstand oder einer sehr hohen Impedanz belastet werden, was in der Praxis Nachteile mit sich bringt.

Im Prinzipschaltbild der Erfindung nach F i g. 2 ist dieses Problem dadurch gelöst, daß der Kollektor des Transistors 1 an die Basis eines zweiten Grenzschichttransistors 3 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angeschlossen ist (der gegebenenfalls einen Teil derselben integrierten Schaltung bilden kann), in dessen Emitterkreis ein Widerstand oder im allgemeinen eine Impedanz 4 eingeschaltet ist, die groß gegenüber der Emittereingangsimpedanz des Transistors 3 ist. Der Transistor 3 wirkt dann als Emitterfolger, und die Ausgangsspannung kann z. B. einer Ausgangsklemme 5 entnommen werden. Auch kann erwünschtenfalls ein Widerstand oder eine Impedanz in den Kollektorkreis des Transistors 3 eingeschaltet und die Ausgangsspannung diesem Widerstand entnommen werden. Die Schaltung wird weiter mit dem dem Widerstand R in F i g. 1 entsprechenden Widerstand 6 im Emitterkreis des Transistors 1 und mit dem dem Widerstand η R in Fig. 1 entsprechenden Widerstand 7 im Kollektorkreis des erwähnten Transistors ergänzt. In Abweichung von F i g. 1 ist jedoch die Anzahl von Dioden 2 um eine größer als in F i g. 1, somit («+1) Dioden 2 gewählt. Dieser Tatsache liegen folgende Erwägungen zugrunde:

Wenn der Transistor 3 auf denselben Gleichstrom wie der Transistor 1 eingestellt ist, ist der Spannungsfall über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 3 wieder gleich dem Spannungsfall über jeder der . Dioden 2. Nicht nur ist der Spannungsfall dann gleich, sondern auch die Krümmung der Kennlinie des Basis-Emitter-Eingangs des Transistors 3 und die einer solchen Diode sind dann nahezu einander gleich, so daß — ungeachtet der Steuerspannungs- und Temperaturänderungen — die Spannung am Emitter des Transistors 3 gerade gleich der über der Reihenschaltung des Widerstandes 7 und η der Dioden 2 erzeugten Spannung ist. Der Transistor 3 führt dann somit keine Verzerrung herbei, im Gegensatz zu dem Fall, in dem der Leitfähigkeitstyp des Transistors 3 gleich dem des Transistors 1 gewählt wurde.

Die gewählte Schaltungsanordnung ermöglicht die Anwendung verhältnismäßig niederohmiger Widerstände 4, 6 und 7, ohne daß bei niedriger Gleichstromeinstellung der Transistoren 1 und 3 eine unzulässig große Verzerrung befürchtet zu werden braucht. Dadurch können Signale mit sehr großer Bandbreite' verstärkt werden. Selbstverständlich kann die übrigbleibende Verzerrung noch durch Gegenkopplung, z. B. durch das Anbringen eines Widerstandes zwischen dem Emitter des Transistors 3 und der Basis des Transistors 1, herabgesetzt werden, aber es hat sich herausgestellt, daß dies in der Praxis kaum erforderlich ist: in einer Bandbreite von 0 Hz bis zu einigen Megahertz kann bei 20% Aussteuerung des Transistors (Verhältnis zwischen Wechselstromamplitude und Gleichstrom des Transistors) leicht ein Verzerrungswert von weniger als 60 db erzielt werden. F i g. 3 zeigt die dabei verwendete Schaltungsanordnung, in der wieder die gleichen Schaltelemente wie in F i g. 2 angewandt werden, mit der Maßgabe, daß ein für die Signalschwingungen entkoppelter Widerstand 8 mit dem Widerstand 4 und ein für die Signalschwingungen entkoppelter Widerstand 9 mit dem Widerstand 6 in Reihe geschaltet ist. Die Widerstände 4, 6, 7, 8 und 9 betrugen dabei 150, 22, 130, 120 bzw. 100 Ω. Die gewählte Anzahl von Dioden 2 betrug sieben, und der Spannungsverstärkungsfaktor war gerade 6.

Es versteht sich, daß grundsätzlich die Widerstände 4, 6 und 7 durch Impedanzen ersetzt werden können. Im Fall des Widerstandes 4 gilt nur die Bedingung, daß seine Impedanz groß gegenüber der Emittereingangsimpedanz des Transistors 3 ist, während das Verhältnis zwischen den Impedanzen 7 und 6 bei derselben Gleichstromeinstellung der Transistoren 1 und 3 um eins niedriger. als die Anzahl von Dioden 2 sein muß. Ist hingegen der Transistor 3 z. B. auf einen höheren Strom als der Transistor 1 eingestellt, so wird mit der einen zusätzlichen Diode 2 die Verzerrung nicht völlig ausgeglichen, so daß das Verhältnis zwischen den Widerständen oder Impedanzen 7 und 6 niedriger gewählt werden muß. Erforderlichenfalls können auch im Kreis zwischen dem Kollektor des Transistors 1 und der Basis des Transistors 3 Impedanzen oder z. B. ein Trennkondensator angebracht werden. Die dargestellte Gleichstromverbindung ermöglicht es, dadurch eine einfache, an sich bekannte Arbeitspunktstabilisierung der Transistoren zu erhalten, daß der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 4 und 8 über einen Widerstand mit der Basis des Transistors 1 verbunden wird. Dieser (nicht dargestellte) Widerstand kann gegebenenfalls den Widerstand 10 zwischen der Basis des Transistors 1 und der Speisequelle ersetzen.

F i g. 4 zeigt eine Abart der Schaltungsanordnung nach Fig. 3, bei der die Reihenschaltung der Dioden 2 durch eine dieser Schaltung äquivalente Transistorschaltung ersetzt ist, die einen Hilfstransistor 12 enthält, dessen Basis an einen zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor eingeschalteten Spannungsteiler 13, 14 angeschlossen ist, dessen Teilungsfaktor gerade gleich der Anzahl benötigter Dioden ist. Der Kondensator 15 ist dabei ein Trennkondensator, und der Widerstand 16 dient zum Einstellen des richtigen Basisvorstromes des Transistors 12. Die Widerstände 13 und 14 sind vorzugsweise so groß, daß der durch diese Widerstände fließende Strom in bezug auf den durch den Transistor 12 fließenden Strom klein ist, aber daß der Widerstand 14 auch in bezug auf den Basiseingangswiderstand des Transistors 12 klein ist.

Eine solche Schaltung verhält sich auf völlig gleiche Weise wie die betreffende Reihenschaltung der Dioden2. Wenn nämlich der Strom als Funktion der Spannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Tran-

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sistors 12 gemessen und das Verhältnis zwischen den Widerständen 13 und 14 gleich η gewählt wird, überschreitet die Spannung, die das Potentiometer zwischen dem Emitter und der Basis wirksam macht, wenn die Emitter-Kollektor-Spannung höher als («+l)-mal die innere Emitter-Basis-Schwellenspannung wird, gerade diese Schwellenspannung, so daß der Transistor anfängt, Strom zu führen. Wenn nun die Emitter-Kollektor-Spannung auf höhere Werte ansteigt, findet eine entsprechende Stromzunahme statt, die völlig der Strom-Spannungs-Kennlinie der Emitter-Basis-Diode folgt. Steigt nämlich die Emitter-Kollektor-Spannung um einen Betrag Δ V_ec an, so steigt die Spannung an dem zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 12 eingeschalteten Potentiometerteil um einen Δ V

Betrag " an; dadurch steigt der Basisstrom entsprechend der Emitter-Basis-Dioden-Kennlinie an, so daß, wenn angenommen wird, daß der Kollektor-Basis-Stromverstärkungsfaktor des Transistors einen sehr hohen Wert hat (somit der Kollektor-Emitter-Stromverstärkungsfaktor des Transistors gerade unter 1 liegt), der Kollektorstrom schließlich ebenfalls entsprechend dieser Diodenkennlinie ansteigt. Der Kollektorstrom weist dann die gleiche exponentiell Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung auf, wie am Emitter-Basis-Eingang des Transistors gemessen wird, mit der Maßgabe, daß für die Emitter-Kollektor-Spannung ein («+l)-mal größerer Wert gewählt werden muß, um einen dem für die Emitter-Basis-Diode geltenden Strom gleichen Kollektorstrom zu erzielen. Dies entspricht somit tatsächlich dem Fall, in dem («+1) solcher Dioden in Reihe geschaltet wären.

Bei näherer Betrachtung stellt es sich heraus, daß die Wiederstände 13 und 14 wie ein niedriger Widerstand in Reihe mit der Hilfsschaltung 12,1314 wirken, so daß der Wert des Widerstandes 7 entsprechend erniedrigt werden muß. Dies bedeutet eine kleine Korrektur in der Weise, daß das Verhältnis zwischen den Widerständen 13 und 14 etwas höher als η sein muß, wenn das Verhältnis zwischen den Widerständen und 6 gleich η ist. Dieses Verhältnis braucht nicht mehr wie in den Schaltungen nach den Fig. 1 bis 3 eine ganze Zahl zu betragen, kann aber beliebig gewählt werden. Der Ausgleich für die nichtlineare Basiseingangskennlinie des Transistors 3 kann nun, wenn die Vorstromeinstellung dieses Transistors höher als die des Transistors 1 ist, durch eine an diese Einstellung angepaßte Wahl der Widerstände 6, 7, 13 und 14 sehr ίο hohe Anforderungen erfüllen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltung die zwei Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp enthält, wobei der Kollektor des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist und wobei im Emitterkreis des zweiten Transistors eine Impedanz eingeschaltet ist, die groß gegenüber der

ao Emittereingangsimpedanz des zweiten Transistors ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkreis des ersten Transistors eine zweite Impedanz enthält und daß der Kollektorkreis dieses ersten Transistors die Reihenschaltung mehrerer in der Vorwärtsrichtung polarisierter Halbleiterdioden und einer dritten Impedanz enthält, die größer als die erwähnte zweite Impedanz ist.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der dritten und der zweiten Impedanz um eins niedriger als die Anzahl von Dioden ist und daß die beiden Transistoren auf nahezu den gleichen Gleichstrom eingestellt sind.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung von Dioden durch die Emitter-Kollektor-Strecke einer dieser Schaltung äquivalenten Transistorschaltung ersetzt ist, deren Basis an einen zwischen dem Emitter und dem Kollektor eingeschalteten Spannungsteiler angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen