DE1293230B

DE1293230B - Verstaerkerschaltung mit Feldeffekt-Bauelementen

Info

Publication number: DE1293230B
Application number: DER44071A
Authority: DE
Inventors: Burns Joseph Richard
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-09-10
Filing date: 1966-09-06
Publication date: 1969-04-24
Also published as: US3392341A; NL6612648A; BE686507A; GB1163942A; FR1491931A; SE338067B; GB1163941A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit dies mit lediglich einem einzigen zusätzlichen Feld-Feldeffekt-Bauelementen, deren Eingangs-Ausgangs- effekttransistor erreicht wird, der sich in integrierter Spannungskennlinie zwei durch einen hochverstärken- Form gemeinsam mit dem aktiven Transistor und dem den Bereich getrennte niederverstärkende Bereiche Lastimpedanzelement nahezu ebenso einfach, nämlich ausweist und bei der ein im stromerregenden Betrieb 5 durch Aufdampfen herstellen läßt wie der ohmsche arbeitender steuerelektrodenisolierter Feldeffekttran- Widerstand im Rückkopplungszweig der bekannten sistor mit seiner Steuerelektrode an den Verstärker- Anordnung.

eingang angekoppelt, ein Lastimpedanzelement für den In Weiterbildung der Erfindung kann im RückTransistor zwischen dessen Quellen-Abfiußstrecke und kopplungszweig der Quellen-Abflußstrecke des zweiten eine Betriebsspannungsquelle geschaltet, der Ver- io Transistors die Quellen-Abflußstrecke eines zusätzstärkerausgang an den Verbindungspunkt des Last- liehen steuerelektrodenisolierten Feldeffekttransistors impedanzelements und der Quellen-Abflußstrecke des vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der zweite Transistors angeschlossen und zwischen Verstärker- Transistor parallel geschaltet sein, so daß man eine ausgang und -eingang ein Rückkopplungszweig vor- zusätzliche Steuerungsmöglichkeit erhält, gesehen ist. 15 Weitere bevorzugte Merkmale und Weiterbildungen

Verstärkerschaltungen mit Feldeffekt-Bauelementen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen sind bekannt. Sie haben unter anderem den Vorteil, gekennzeichnet. Nachstehend wird die Erfindung an daß sie ganz besonders gut in integrierter Form Hand von Ausführungsbeispielen im einzelnen errealisiert und mit anderen Schaltungsstufen zu größeren läutert. In den Zeichnungen zeigen integrierten Schaltungsanordnungen vereinigt werden 20 F i g. 1 und 9 Schaltschemata stabilisierter Verkönnen. Bei einer bekannten Verstärkerschaltung stärker gemäß der Erfindung,

dieser Art, die einen steuerelektrodenisolierten Feld- F i g. 2 und 10 graphische Darstellungen der Eineffekttransistor enthält, mit dessen Quellen-Abfluß- gangs-Ausgangs-Übertragungscharakteristiken der Verstrecke ein ohmscher Widerstand als Lastimpedanz- stärker nach F i g. 1 bzw. F i g. 9, element in Reihe geschaltet ist, bildet der Verbindungs- 25 F i g. 3 bis 6 Darstellungen von Signalverläufen, die punkt dieses Lastimpedanzelements und der Quellen- an verschiedenen Stellen der Verstärker nach F i g. 1 Abflußstrecke des Transistors den Verstärkerausgang, und 9 auftreten,

während die Steuerelektrode des Transistors den Ver- F i g. 7 das Schaltschema einer anderen Ausf üh-

stärkereingang bildet, wobei zwischen Ausgang und rungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und

Eingang des Verstärkers ein Rückkopplungszweig mit 30 F i g. 8 ein Blockschaltbild mehrerer in Kaskade

einem ohmschen Widerstand vorgesehen ist, um den geschalteter Verstärkerstufen.

Verstärker zu stabilisieren. Als aktive Bauelemente für die erfindungsgemäße

Weiter sind Verstärkerschaltungen, allerdings ohne Schaltungsanordnung kommen sogenannte isolierte stabilisierenden Rückkopplungszweig, bekannt, bei Feldeffekttransistoren in Frage. Unter einem isolierten denen in Reihe mit der Quellen-Abflußstrecke eines 35 Feldeffekttransistor versteht man allgemein ein FeIddas aktive Verstärkerelement bildenden steuerelek- effekt-Bauelement mit Majoritätsträgerleitung, bei trodenisolierten Feldeffekttransistors als Lastimpe- dem in einem Körper aus Halbleitermaterial ein stromdanzelement die Quellen-Abflußstrecke eines zweiten führender Kanal vorgesehen ist, an den einerseits ein steuerelektrodenisolierten Feldeffekttransistors ge- Quellengebiet und andererseits ein Abflußgebiet anschaltet ist. Bei einer solchen bekannten Schaltung 40 grenzt. Eine Gitter- oder Steuerelektrode überlagert sind die beiden Transistoren vom komplementären mindestens teilweise den stromführenden Kanal und Leitungstyp und mit ihren Steuerelektroden zusammen- ist von diesem durch eine Zone oder Schicht aus geschaltet. Bei einer anderen solchen bekannten Schal- Isoliermaterial getrennt. Wegen der Isolation zwischen tung sind die beiden Transistoren vom gleichen Steuerelektrode und Kanal ist der Eingangswiderstand Leitungstyp, wobei die Steuerelektrode des zweiten 45 des isolierten Feldeffekttransistors sehr groß, und zwar Transistors gemäß einer Ausführungsform mit dem in der Größenordnung von 10¹⁴ Ohm oder mehr, so einen Ende der Quellen-Abflußstrecke dieses Tran- daß im Steuerelektrodenkreis praktisch kein Strom sistors und gemäß einer anderen Ausführungsform fließt. Der isolierte Feldeffekttransistor ist somit ein mit dem von diesem Transistor entfernten Ende der spannungsgesteuertes Bauelement. Durch der Steuer-Quellen-Abflußstrecke des anderen Transistors ver- 50 elektrode zugeführte Signale oder Spannungen wird bunden ist. auf Grund von Feldeffektwirkung die Konduktanz

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine oder der Leitwert des Kanals gesteuert,

durch Rückkopplung stabilisierte Verstärkerschaltung Zwei bekannte Arten des isolierten Feldeffekttran-

mit Feldeffekt-Bauelementen so auszugestalten, daß sistors sind der sogenannte Dünnschichttransistor

ihr Verstärkungsgrad steuerbar ist. 55 (TFT) und der sogenannte Metall-Oxyd-Transistor

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Verstärker- (MOS).

schaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß Derartige Transistoren können entweder vom sogevorgesehen, daß der Rückkopplungszweig die Quellen- nannten stromerregenden oder vom sogenannten Abflußstrecke eines zweiten steuerelektrodenisolierten stromdrosselnden Typ sein. Im vorliegenden Falle ist Feldeffekttransistors enthält, dessen Steuerelektrode 60 der stromerregende Typ von besonderem Interesse, ein Steuersignal zugeführt ist. Bei einem isolierten Feldeffekttransistor vom strom-

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß dem erregenden Typ ist der Widerstand des stromführenden

Verstärker zwei gegebenenfalls unabhängig voneinan- Kanals sehr hoch, wenn die Steuerelektrodenspannung

der veränderliche Eingangs- oder Steuersignale züge- den gleichen Wert hat wie die Quellenspannung. Durch

führt werden können, so daß ein stabilisierter Ver- 65 ein zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode

stärker mit steuerbarem Verstärkungsgrad erhalten gelegtes Signal von entsprechender Polarität wird der

wird, der auch andere Funktionen, beispielsweise als Widerstand des stromführenden Kanals erniedrigt.

Zerhacker oder als Modulator erfüllen kann, wobei Bei einem isolierten Feldeffekttransistor vom strom-

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drosselnden Typ ist der Widerstand des stromführen- Verbindungsleitung 18 angeschlossen. Die Verstärkerden Kanals verhältnismäßig niedrig, wenn Quellen- anordnungen, soweit bisher beschrieben, können in elektrode und Steuerelektrode die gleiche Spannung Form integrierter Schaltungen oder Schaltungsmoführen. Durch zwischen Quellenelektrode und Steuer- duln ausgeführt werden.

elektrode gelegte Eingangssignale entsprechender PoIa- 5 Für den Betrieb in einer entsprechenden Schaltungs-

rität wird der Widerstand des stromführenden Kanals einrichtung wird die Eingangsklemme 4 sowohl bei

in diesem Falle erhöht. der Anordnung nach F i g. 1 als auch bei der Anord-

Man kann allerdings einen Transistor vom strom- nung nach F i g. 9 an die eine Klemme 7 einer Signaldrosselnden Typ so vorspannen, daß er als Transistor quelle oder eines Signalgenerators 6 angeschlossen, vom stromerregenden Typ arbeitet. Schaltet man io Die Steuerelektrode 3 g des Rückkopplungstransistors 3 beispielsweise in Reihe mit der Steuerelektrode eines wird über die Leitung 18 an die zweite Klemme 8 des Transistors vom stromdrosselnden Typ eine Span- Signalgenerators 6 angeschlossen. Der Signalgeneranungsquelle geeigneten Wertes und geeigneter Polari- tor 6 bildet diejenige Schaltungseinrichtung, zu der die tat, so kann man damit den Transistor so vorspannen, Verstärkeranordnung gehört. Eine geeignete Betriebsdaß der Widerstand seines stromführenden Kanals 15 Spannungsquelle, dargestellt als Batterie Vb, ist mit normalerweise hoch ist. Durch Eingangsspannungen ihrem positiven Pol an die Quellenelektrode 2s des entsprechender Polarität, die zwischen die Quellen- Transistors 2 und mit ihrem negativen Pol an einen elektrode und die von der Steuerelektrode abgewandte Punkt festen Bezugspotentials, dargestellt durch das Seite der Spannungsquelle gelegt werden, wird dann übliche Massesymbol, angeschlossen. Die Quellender Widerstand des stromführenden Kanals wie bei 20 elektrode Ij des Transistors 1 liegt ebenfalls an Masse, einem Transistor vom stromerregenden Typ ent- dargestellt durch das übliche Symbol in F i g. 1 sprechend erniedrigt. Wenn daher im folgenden von und 9.
einem Feldeffekt-Bauelement oder Feldeffekttransistor

vom stromerregenden Typ die Rede ist, so ist damit Gleichstrommäßige Betriebsbedingungen

nicht nur ein eigentlicher Transistor vom stromerregen- 25

den Typ, sondern auch ein Transistor vom strom- Die Gleichspannungs-Übertragungskennlinien für drosselnden Typ, der so vorgespannt ist, daß er wie die Verstärker nach F i g. 1 und 9 sind in F i g. 2 bzw. ein Transistor vom stromerregenden Typ arbeitet, 10, wo jeweils das Ausgangssignal oder die Ausgangsgemeint, spannung e₀ in Abhängigkeit vom Eingangssignal oder

Ein isolierter Feldeffekttransistor kann entweder 30 der Eingangsspannung e_x graphisch aufgetragen ist, vom p-Typ oder vom η-Typ sein, je nach der Art der wiedergegeben. Die Übertragungskennlinien in sowohl den Abflußstrom bildenden Majoritätsladungsträger. F i g. 2 als auch F i g. 10 haben einen Hochverstär-Bei einem Transistor vom p-Typ sind die Majoritäts- kungsbereich 10 und zwei Grenz- oder Niederverträger Löcher oder Defektelektronen, während bei Stärkungsbereiche 11 und 12. Es wird vorausgesetzt, einem Transistor vom η-Typ die Majoritätsträger 35 daß jedes der Signale e_u e₂ und e₀ eine statische Gleich-Elektronen sind. Spannungskomponente und eine dynamische Kompo-

In F i g. 1 und 9, in denen gleichartige Elemente nente enthält. Für die Betrachtung der gleichspan-

jeweils mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, nungsmäßigen Betriebseigenschaften des Verstärkers

sind zwei ähnlich angelegte Ausführungsformen der soll angenommen werden, daß die dynamischen Kom-

erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung gezeigt. Bei 40 ponenten gleich Null seien.

beiden Ausführungsformen hat der Verstärker eine Hinsichtlich des Verstärkers nach F i g. 1 und des

Eingangsklemme 4, die an die Steuerelektrode Ig eines dazugehörigen Diagramms nach F i g. 2 sei zunächst

isolierten Feldeffekttransistors 1 vom η-Typ ange- angenommen, daß der Rückkopplungstransistor 3

schlossen ist. Die Abflußelektrode Ic? des Transistors 1 zwischen Eingangsklemme 4 und Ausgangsklemme 5

ist an die Ausgangsklemme 5 des Verstärkers ange- 45 nicht vorhanden sei. Wenn die Gleichspannungskom-

schlossen. ponente des Eingangssignals e_x den Wert 0 oder an-

Ein Arbeitswiderstand, im vorliegenden Falle der nähernd OVoIt hat, beträgt die Steuerelektrodenstromführende Kanal eines isolierten Feldeffekttran- Quellenspannung des p-Transistors 2 annähernd sistors 2, ist ebenfalls an die Ausgangsklemme 5 ange- — Vb Volt und die Steuerelektroden-Quellenspannung schlossen. In F i g. 1 ist der Transistor 2 vom p-Typ 50 des n-Transistors 1 annähernd 0 Volt. Es ist somit der und mit seiner Abflußelektrode 2d an die Ausgangs- p-Transistor 2 in den voll geöffneten oder leitenden klemme 5, mit seiner Quellenelektrode 2s an eine Zustand und der Transistor 1 in den gesperrten oder Verbindungsleitung 16 und mit seiner Steuerelek- nichtleitenden Zustand gespannt. Die Gleichspantrode 2g an die Eingangsklemme 4 angeschlossen. nungskomponente des Ausgangssignals e₀ hat im In F i g. 9 ist der Transistor 2 vom η-Typ und mit 55 wesentlichen den Wert der Betriebsspannung Vt, da seiner Quellenelektrode 2 s an die Ausgangsklemme 5 der Widerstand des Kanals des p-Transistors 2 nahezu sowie mit seiner Steuerelektrode 2g und seiner Ab- Null und der Widerstand des Kanals des n-Transistors flußelektrode 2d gemeinsam an die Verbindungs- nahezu unendlich groß ist. Unter diesen Vorausleitung 16 angeschlossen. Setzungen arbeitet der Verstärker im Niederverstär-

Ein zwischen der Eingangsklemme 4 und der Aus- 60 kungsbereich 11 seiner Übertragungskennlinie,

gangsklemme 5 des Verstärkers vorgesehener Rück- Wenn die Eingangssignalspannung e_x ansteigt, steigt

kopplungszweig enthält eine Rückkopplungsimpedanz, die Steuerelektroden-Quellenspannung des p-Tran-

im verwiegenden Falle in Form eines isolierten Feld- sistors in positiver Richtung an, so daß der Leitwert

effekttransistors 3 vom p-Typ in F i g. 1 bzw. vom des Kanals dieses Transistors sich entsprechend er-

n-Typ in F i g. 9. Und zwar sind bei diesem Transistor 65 niedrigt. Die Steuerelektroden-Quellenspannung des

die Quellenelektrode 3 s an die Ausgangsklemme 5 und n-Transistors steigt in dem Maße, wie die Eingangs-

die Abflußelektrode 3d an die Eingangsklemme 4 signalspannung e_x den Schwellenwert Vtν des n-Tran-

angeschlossen. Die Steuerelektrode 3g ist an die sistors 1 übersteigt, ebenfalls in positiver Richtung an.

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Bei ansteigender Eingangssignalspannung e_t wird so- gesetzt, daß die Transistoren 1,2 und 3 in den leitenden mit der n-Transistor 1 leitend, so daß beide Transisto- Zustand gespannt werden. Der Transistor 3 kann statt ren 1 und 2 leitend sind. Unter diesen Voraussetzungen vom p-Typ auch vom η-Typ wie in F i g. 9 sein, in arbeitet der Verstärker im Hochverstärkungsbereich 10 welchem Falle die Gleichspannungskomponente von seiner Übertragungskennlinie und hat die Ausgangs- 5 e₂ entsprechend einen solchen Wert haben muß, daß signalspannung e₀ einen Gleichspannungswert, der der Transistor 2 in den leitenden Zustand gespannt kleiner ist als Vb. wird.

Wenn die Eingangssignalspannung e_x weiter in Der Verstärker wird bei e₀ = e_x stets im Hochpositiver Richtung ansteigt, nähert sich die Steuer- Verstärkungsbereich 10 stabilisiert, und zwar unabelektroden-Quellenspannung des p-Transistors 2 dem io hängig von etwaigen Unterschieden oder Abweichun-Schwellenwert Vtp dieses Transistors, so daß der gen in den Kennlinienformen der p- und n-Tran-Transistor gesperrt wird. Die Steuerelektroden-Quel- sistoren. Das heißt, die 45 "-Gerade 13 schneidet lenspannung des η-Transistors steigt in positiver die Gleichspannungs-Übertragungskennlinie stets im Richtung an, so daß dieser Transistor in den voll Hochverstärkungsbereich 10, gleichgültig ob die Kennleitenden Zustand gespannt wird. Die Ausgangs- 15 linien der p- und η-Transistoren I und 2 symmetrisch signalspannung e₀ fällt ab und nähert sich einem Wert sind oder nicht.

von im wesentlichen 0 Volt. Unter diesen Voraus- Obwohl der stromführende Kanal des Transistors 2

Setzungen arbeitet der Verstärker im Niederverstär- als Last- oder Arbeitswiderstand für den Transistor 1 kungsbereich 12 seiner Übertragungskennlinie. Zu- beschrieben wurde, bildet selbstverständlich der stromsammenfassend ist also festzustellen, daß der Ver- 20 führende Kanal des Transistors 1 im Verstärker nach stärker, wenn beide Transistoren 1 und 2 leiten, im F i g. 1 auf Grund der Symmetrie der Schaltung zu-Hochverstärkungsbereich 10, wenn dagegen nur einer gleich auch einen Last- oder Arbeitswiderstand für den der Transistoren 1 und 2 leitet, im Niederverstärkungs- Transistor 2. Dies gilt jedoch nicht für den Verstärker bereich 11 bzw. 12 arbeitet. nach F i g. 9. In F i g. 9 ist die Hauptfunktion des

Der Rückkopplungstransistor 3 stabilisiert den Ver- 25 Transistors 2 die eines Arbeitswiderstandes für den stärker im Hochverstärkungsbereich 10 seiner Über- Transistor 1. Dies kann dadurch erreicht werden, daß tragungskennlinie. Es sei wiederum angenommen, daß man den Transistor 1 in seinen Abmessungen erhebdie dynamischen Komponenten der Signale e_1; e₂ lieh größer ausbildet als den Transistor 2. Dadurch und e₀ Null seien. Es sei ferner angenommen, daß die wird der Widerstand des stromführenden Kanals des statische Gleichspannungskomponente des Signals e₂ 30 Transistors 2 erheblich größer als der des stromden Wert 0 Volt hat, so daß der p-Transistor 3 leitet. führenden Kanals des Transistors 1. Wegen des An-Unter diesen Voraussetzungen werden die statischen Schlusses der Steuerelektrode 2g an die Abschluß-Gleichspannungskomponenten der Signale e₀ und e_x elektrode 2 d ist der n-Transistor 2 ständig in den einander gleich. Sowohl die beiden p-Transistoren 2 leitenden Zustand gespannt. Der Pegel oder Betrag und 3 als auch der n-Transistor 1 sind in leitende 35 der Stromleitung hängt jedoch von den Gleichspan-Bereiche ihrer Arbeitskennlinien gespannt. Die im nungszuständen an der Quellenelektrode 2s und folg-Winkel von 45° verlaufende Gerade 13 in F i g. 2 lieh an der Ausgangsklemme 5 ab. stellt die Kennlinie für e₀ = e_x dar. Der Schnittpunktl4 Das in Fig. 10 wiedergegebene Gleichspannungs-

der Geraden 13 mit dem Hochverstärkungsbereich 10 Übertragungskennliniendiagramm der Schaltung nach der Übertragungskennlinie des Verstärkers stellt den 40 F i g. 9 veranschaulicht diese Verhältnisse sowohl bei gleichspannungsmäßigen Arbeitspunkt des Verstärkers vorhandenem als auch bei nichtvorhandenem Rückdar. kopplungstransistor 3. Es soll zuerst der Fall betrachtei

Es ist zweckmäßig, diese Gleichspannungsstabili- werden, daß der Rückkopplungstransistor 3 nicht vorsierung im Hinblick auf die Eingangskapazität Q_n handen sei. Es sei ferner angenommen, daß die Tran- und die Ausgangskapazität C₀ zu beschreiben. Die 45 sistoren 1 und 2 Schwellenspannungen Vt_x bzw. Vt. Eingangskapazität Cm ist die eingangsseitig zwischen haben. Wenn die Gleichspannungskomponente des der Eingangsklemme 4 des Verstärkers und Masse Eingangssignals e_x kleiner als Vt₁ Volt ist, ist dei auftretende Kapazität, während die Ausgangskapazi- Transistor 1 gesperrt, so daß der Widerstand seines tat C₀ die ausgangsseitig zwischen der Ausgangs- Kanals verhältnismäßig hoch ist. Der Widerstand des klemme 5 des Verstärkers und Masse auftretende 50 Kanals des leitenden Transistors 2 ist sehr viel kleiner. Kapazität ist. Diese Kapazitäten werden durch die so daß die Ausgangskapazität C₀ auf eine Spannung Elektrodenkapazitäten, die Substrat- oder Block- von Vb — Vt₂. aufgeladen wird. Mithin reicht die kapazitäten sowie anderweitige Streukapazitäten bzw. Stromleitung des Transistors 2 gerade aus, um dif schaltungseigene Kapazitäten gebildet. Spannung an C₀ aufrechtzuerhalten. Unter dieser

Nimmt man an, daß der Ausgangswiderstand der 55 Voraussetzungen arbeitet der Verstärker im Nieder-Signalgeneratoren 6 unendlich ist, so werden die Verstärkungsbereich 11 seiner Übertragungskennlinie Eingangskapazität Ct_n und die Ausgangskapazität C₀ Wenn die Gleichspannungskomponente des Ein·

auf den gleichen Gleichspannungswert aufgeladen, so gangssignals e_x positiver als Vt₁ wird, leitet der n· daß der Kanal des p-Transistors 3 keinen Strom führt. Transistor 1, so daß der Widerstand seines strom Für den Fall, daß der Ausgangswiderstand des Signal- 60 führenden Kanals kleiner wird. Die Ausgangsspan· generators einen endlichen Wert hat, ist ein Koppel- nung e₀ oder die Spannung an der Kapazität C₀ ha kondensator C_c erforderlich, um die Ladung der jetzt einen Wert, der von der Spannungsteilerwirkunj Eingangskapazität Ct_n aufrechtzuerhalten. der Kanalwiderstände der Transistoren 1 und 2 ab

Die vorerwähnte Annahme, daß die statische Gleich- hängt. Unter diesen Voraussetzungen arbeitet dei Spannungskomponente des Signals e₂ Null ist, dient 65 Verstärker im Hochverstärkungsbereich 10 seiner Über Erläuterungszwecken. Diese statische Gleichspan- tragungskennlinie.

nungskomponente kann an sich irgendeinen geeigneten Wenn die Gleichspannungskomponente des Ein

Wert relativ zur Betriebsspannung Vb haben, voraus- gangssignals e_x weiter in positiver Richtung ansteigt

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wird der Transistor 1 stärker leitend, so daß der Abfluß 3d. Das heißt, der stromführende Kanal des Widerstand seines Kanals weiter absinkt. Bei ab- Rückkopplungstransistors 3 wirkt als Widerstand, sinkendem Kanalwiderstand des Transistors 1 fällt und die Steuerelektrode 3g wirkt als spannungsdas Ausgangssignal e₀ ab und nähert sich dem Wert steuerndes Element, das den Wert dieses Widervon annähernd 0 Volt. Wenn das Ausgangssignal e₀ 5 Standes steuert.

den Wert von 0 Volt erreicht, sind beide Transistoren 1 Der Verstärkungsgrad Gf eines beliebigen Ver-

und 2 voll leitend und fällt am Kanal des Transistors 2 stärkers mit Rückkopplung ist durch die Gleichung im wesentlichen die gesamte Spannung Vb ab. Dies

ergibt sich aus dem höheren Widerstand des Kanals gy _ °

des Transistors 2 gegenüber dem des Kanals des io 1 + β G₀

Transistors 1. Unter diesen Voraussetzungen arbeitet

der Verstärker im Niederverstärkungsbereich 12 seiner gegeben, wobei G₀ der Verstärkungsgrad ohne Rück-

Übertragungskennlinie. kopplung und β der zum Eingang rückgekoppelte

Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 dient der Betrag des Ausgangssignals bedeutet. Widerstands-Rückkopplungstransistor 3 ebenfalls dazu, den Ver- 15 änderungen des Kanalsdes Rückkopplungstranistors 3 stärker nach F i g. 9 im Punkt 14 des Hochverstär- haben entsprechende Änderungen des zum Eingang kungsbereiches 10 der Übertragungskennlinie zu stabi- rückgekoppelten Betrages des Ausgangssignals und lisieren, wie in F i g. 10 gezeigt. Die Gleichspannungs- folglich entsprechende Änderungen des Wertes von komponente des Signals e₂ ist ausreichend positiv, um β zur Folge. Die Verstärkerausführungen nach F i g. 1 den n-Transistor 3 in den leitenden Zustand zu span- ao und 9 arbeiten daher mit konstanter Verstärkung, nen. Da die statischen Gleichspannungskomponenten wenn der Steuerelektrode 3g kein dynamisches Signal der Signale e_x und e₀ gleich werden, wird der Ver- zugeführt ist, und mit veränderlicher Verstärkung, stärker im Schnittpunkt 14 der Gleichspannungs- wenn der Steuerelektrode 3g ein dynamisches Signal Rückkopplungsgeraden 13 mit dem Hochverstärkungs- zugeführt ist.

gebiet 10 der Gleichspannungs-Übertragungskennlinie 25 Während eines bestimmten Zeitintervalls können des Verstärkers gleichspannungsstabilisiert. die dynamischen Komponenten der Signale e_x und e₂

Obwohl in der Ausführungsform nach F i g. 9 samt- analog bzw. stetig oder aber intermittierend, derart, liehe Transistoren vom η-Typ sind, können die Tran- daß sie nur während bestimmter diskreter Abschnitte sistoren auch vom p-Typ sein, vorausgesetzt, daß man des betreffenden Zeitintervalls auftreten, sein. In der die jeweiligen Spannungswerte entsprechend ändert. 30 folgenden Beschreibung werden der Fall I, daß beide Ferner besteht das einzige Erfordernis für den Rück- Signale e_x und e₂ stetige Funktionen der Zeit sind, kopplungstransistor 3 darin, daß dieser Transistor in der Fall II, daß e_x intermittierend und e₂ stetig ist, den leitenden Zustand vorgespannt wird, so daß sein der Fall III, daß e_x stetig und e₂ intermittierend ist, Leitungstyp im wesentlichen keinen Einfluß auf die und der Fall IV, daß sowohl e_x als auch e₂ intermit-Stabilisierung des Verstärkers hat. Man kann also auch 35 tierend sind, erläutert,
einen Rückkopplungstransistor 3 vom p-Typ zusam- ρ jj τ

men mit Transistoren 1 und 2 vom η-Typ verwenden
und umgekehrt. Der Fall, daß beide Signale e_x und e_a während des

Die Verstärkerausführung nach F i g. 9 eignet sich betrachteten Zeitabschnitts analog oder stetig sind, besonders für lineare Verstärkung, da der Absolutwert 40 ist in F i g. 3 veranschaulicht. Um die Erläuterung des Verstärkungsgrades lediglich vom Verhältnis der zu erleichtern, sind beide Signale e_x und e₂ ^als periolinearen Abmessungen der Transistoren 1 und 2 ab- dische Signale mit jeweils nur einer einzigen Frequenzhängt. Beide gezeigten Verstärkerausführungen sind komponente dargestellt. Das Signal e₂ hat eine Gleichbesonders für integrierte Schaltungen geeignet, da sie Spannungskomponente edc_z, dargestellt durch den jeweils nur aus aktiven Transistorelementen aufgebaut 45 Signalverlauf (b) in Fig. 3. Wenn die Frequenz des sind. Die Prinzipien der Ausführungsformen nach Signals e_x höher ist als die des Signals e₂, arbeitet F i g. 1 und 9 lassen sich jedoch in vollem Umfang der Verstärker als Modulator. In diesem Fall ist auch auf Anordnungen anwenden, bei denen als das Signal (a) der Träger e_x, das Signal (b) das Modu-Arbeitsimpedanz und/oder als Rückkopplungsimpe- lationssignal e₂ ^UQd das Signal (c) das modulierte danz passive Bauelemente verwendet werden. 50 Ausgangssignal e₀. Ein solcher Modulator läßt sich

typischerweise z. B. in einer Rundfunksendeanlage

Dynamische Arbeitsweise anwenden. In diesem Falle ist das Signal e₂ ein Ton

signal mit unterschiedlichen NF-Komponenten, wäh-

Für eine gegebene Frequenz der dynamischen Korn- rend das Signal e_t der hochfrequente Träger ist.
ponente des Signals e_x haben die Verstärkerausführun- 55 Entsprechend der bereits erläuterten statischen, gen nach F i g. 1 und 9, je nach der Beschaffenheit des gleichspannungsmäßigen Arbeitsweise sind die Gleichder Steuerelektrode 3g· des Transistors 3 zugeführten Spannungskomponenten des Trägersignals e_x und des Signals e_a, entweder einen konstanten oder einen ver- modulierten Ausgangssignals e₀ identisch. Außerdem änderlichen Verstärkungsgrad. Wenn die dynamische sind die einstufigen Verstärkerausführungen nach Komponente des Signals e₂ Null ist, hält die Gleich- 60 F i g. 1 und 9 Inverter- oder Umkehrverstärker, wie Spannungskomponente dieses Signals den Widerstand durch den in der Polarität umgekehrten modulierten des Kanals zwischen der Quelle 3s und dem Abfluß 3d Träger gemäß dem Signalverlauf (c) in F i g. 3 angekonstant. Solange dieser Widerstand konstant bleibt, deutet.

bleibt auch der Verstärkungsgrad des Verstärkers p_ajj ττ

konstant. 65

Wenn andererseits die dynamische Komponente Der Fall, daß während des betrachteten Zeitinter-

des Signals e₂ sich zeitlich ändert, ändert sich auch valls das Signal e_x intermittierend, d. h. nur zeitweilig der Widerstand des Kanals zwischen Quelle 3 s und anwesend, dagegen das Signal e₂ stetig ist, ist in

9 10

F ί g. 4 veranschaulicht. Wiederum ist, um die Er- tretende Ausgangssignal e₀ ein Produkt des erhöhten läuterung zu erleichtern, das Signal e₂ als Sinus- Verstärkungsgrades ist.

signal (b) mit nur einer einzigen Frequenzkomponente Eine typische Anwendungsmöglichkeit ist die Ver-

und einer Gleichspannungskomponente edc₂ dar- Wendung als Leseverstärker für das Speicherwerk gestellt. Das Signal e_x ist im Signalverlauf (α) als 5 eines Ziffernrechners oder einer Datenverarbeitungs-Impulsfolge mit einer Folgefrequenz, die größer ist anlage, wobei das Signal e_x das herausgelesene Signal als die Frequenz des Signals e₂, dargestellt. Der Ver- und das Signal e₂ ein Uhr- oder Taktsignal sind. Es stärker arbeitet wiederum als Modulator und liefert ist klar, daß das Taktsignal e₂ das Lesesignal e_x ein impulsmoduliertes Ausgangssignal e₀, dargestellt nicht überlappen muß, sondern lediglich während im Signalverlauf (c). Die Anordnung kann typischer- io eines Teils der zeitlichen Dauer des Lesesignals anweise z. B. in Nachrichtenübertragungs- oder Fern- wesend zu sein braucht.

meldeanlagen Verwendung finden, wo das Signal e₂ In der Schaltung nach F i g. 7 sind zwei Rück-

im allgemeinen ein mehrfrequentes Informationssignal kopplungstransistoren 3 und 9 entgegengesetzten und das Signal e_x der Träger sind. Leitungstyps zwischen die Eingangsklemme 4 und

is die Ausgangsklemme 5 geschaltet. Schaltungskomponenten in Fig. 7, die gleichen Komponenten in

F i g. 5 veranschaulicht den Fall, daß während F i g. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugsdes betrachteten Zeitintervalls das Signal e_x analog zeichen bezeichnet. Der zusätzliche Rückkopplungsoder stetig, dagegen das Signal e₂ intermittierend transistor 9 ist vom η-Typ und mit seinem stromist. Um die Erläuterung zu erleichtern, ist wiederum ao führenden Kanal parallel zum stromführenden Kanal das Signal e_x im Signalverlauf (a) als einfrequentes des Rückkopplungstransistors 3 geschaltet. Und zwar Sinussignal dargestellt. Das Signal e_z ist im Signal- sind der Abfluß 9 d an die Eingangsklemme 4 und verlauf φ) als Impuls dargestellt, der während des die Quelle 9 s an die Ausgangsklemme 5 angeschaltet, betrachteten Zeitabschnitts lediglich in einem dis- Die Steuerelektroden-Quellenkapazitäten C₃ bzw. C₁ kreten Intervall oder in diskreten Intervallen auftritt, as der beiden Rückkopplungstransistoren 3 bzw. 9 sind Die dargestellte Polarität dieses Impulses gilt für den durch die gestrichelten Symbole angedeutet. Dei Fall, daß der Transistor 2 vom p-Typ ist (F i g. 1). Steuerelektrode 9g· des zusätzlichen Rückkopplungs-Wenn der Transistor 2 vom η-Typ ist (F i g. 9), transistors 9 ist ein Signal e₃ zugeführt, muß die Polarität des Impulses umgekehrt werden. Es sei angenommen, daß die statischen oder Gleich-

Vor dem Zeitpunkt Z₁ des Auftretens der Vorder- 30 Spannungskomponenten der Signale e₂ und e₃ se flanke des Impulses e₂ verstärkt der Verstärker das bemessen sind, daß beide Transistoren 3 und 9 leiten Eingangssignal e_x mit konstantem Verstärkungsgrad. Beispielsweise habe eaca den Wert 0 Volt und eaa Wenn während des Zeitintervalls von t_x bis t_z der den Wert +Vb Volt. In dem zuvor beschriebener Impuls e₂ an der Steuerelektrode 3g des Rück- Fall IV eines Tasi- oder Auswerteverstärkers hat das kopplungstransistors liegt, erhöht sich der Widerstand 35 Signal e₂ die Form eines während des Tastintervalls des Rückkopplungszweiges, so daß ein entsprechend auftretenden positiven Impulses 20. Wegen der Steuergeringerer Anteil des Ausgangssignals zum Eingang elektroden-Quellenkapazität C₃ erscheint zum Zeitrückgekoppelt wird. Der Verstärkungsgrad des Ver- punkt der Vorderflanke und der Hinterflanke de; stärkers steigt an, so daß vom Zeitpunkt t_x bis zum Impulses 20 jeweils ein Zackenimpuls oder eine Zeitpunkt t_% das Ausgangssignal e₀ in seiner Am- 40 Impulsspitze 21 bzw. 22 mit den in F i g. 7 darge plitude erheblich größer ist als vor dem Zeitpunkt J₁ stellten Polaritäten. Diese Zackenimpulse 21 und 2i oder nach dem Zeitpunkt t_z. sind offenbar unerwünscht, weil sie das verstärkt«

Die Anordnung läßt sich typischerweise z. B. als Signal e_± verzerren.

Tast- oder Auswerteverstärker anwenden, wobei das Der zusätzliche Rückkopplungstransistor 9 von

Ausgangssignal e₀ einer Schwellenwerteinrichtung zu- 45 η-Typ dient dazu, die Zackenimpulse 21 und 2\ geleitet wird. In diesem Falle spricht die Schwellen- weitgehend zu eliminieren. Zu diesem Zweck wire Werteinrichtung lediglich auf die erhöhte Amplitude das Signal e_z in Form eines negativen Impulses 2'. des Ausgangssignal e₀ während der Anwesenheit des zugeführt, dessen Vorderflanke und Hinterflanfo Auswerteimpulses e_a an. zeitlich mit der Vorderflanke bzw. der Hinterflanki

P ~ _TV 50 des Impulses 20 zusammenfällt. Wegen des Vorhanden

seins der Kapazität C₉ fallen die Zackenimpulse 2·

F i g. 6 veranschaulicht den Fall, daß beide Signale e_x und 25 zeitlich mit der Vorderflanke bzw. der Hinter und e₂ während des betrachteten Zeitabschnittes nur flanke des Impulses 23 zusammen, wobei die Polari in diskreten Intervallen auftreten. Dieser Fall ist täten dieser Zackenimpulse denen der Zackenimpuls insofern dem Fall III ähnlich, als das Signal e₂ 55 21 und 22 entgegengesetzt sind. Die Impulse 24 und 2 während eines Tast- oder Auswerteintervalls den einerseits und die Impulse 21 und 22 andererseit Verstärkungsgrad des Verstärkers erhöht. Wiederum heben sich daher weitgehend gegenseitig auf, so da gilt die gezeigte Polarität des Impulses e₂ für den das an der Ausgangsklemme 5 erscheinende vei Fall, daß der Transistor 3 vom p-Typ ist. Bei einem stärkte Signal durch das Vorhandensein der Kapa Transistor 3 vom η-Typ muß die Polarität des Im- 60 zitäten C₃ und C₉ praktisch keine Verzerrung erfähr: pulses umgekehrt werden. Während im Signalver- Bei einer integrierten Schaltung können die At

lauf (α) das Signal e_x als Rechteckimpuls dargestellt flüsse Id und 2d der Transistoren 1 und 2 und di ist, kann dieses Signal beliebige Form haben, voraus- Quellen 3s und 9s der Transistoren 3 und 9 durch ei gesetzt, daß es lediglich während des diskreten Zeit- Gebiet im Halbleitermaterial untereinander verbünde Intervalls zwischen den Zeitpunkten t_x und t₂ an- 55 sein, das dem stromführenden Kanal aller vier Trar wesend ist. Das Signal e₂ erhöht den Verstärkungs- sistoren gemeinsam ist. Ferner können bei eine grad des Verstärkers während des Intervalls von integrierten Anordnung die Steuerelektroden 1 t₀ bis t₃, so daß das während dieses Intervalls auf- und 2g als eine einzige Steuerelektrode ausgefühi

sein, die dem stromführenden Kanal beider Transistoren 1 und 2 gemeinsam und von diesem isoliert ist.

Die Verstärkerausführungen nach F i g. 1 und 9 stellen einstufige Inverterverstärker dar. Dabei dient der Rückkopplungstransistor 3 dazu, den Verstärker im Hochverstärkungsbereich seiner Übertragungskennlinie gleichspannungsmäßig zu stabilisieren. Schaltet man eine ungerade Anzahl von solchen Inverterverstärkerstufen mit isolierten Feldeffekttransistoren in Kaskade, so kann man durch Einschalten einer einzigen Rückkopplungsimpedanz oder eines einzigen isolierten Feldeffekttransistors zwischen Ausgang und Eingang nicht nur eine Gleichspannungsstabilisierung erhalten, sondern auch ein Schwingen des Verstärkers verhindern, d. h. eine Wechselspannungsstabilisierung erreichen.

In F i g. 8 sind eine Anzahl η von Inverterverstärkerstufen A₁, A₂ ... A_n mit isolierten Feldeffekttransistoren mittels Koppelgliedern CL₁, CL₂ ... CL_n-^ ao in Kaskade geschaltet. Die Koppelglieder können als galvanische Verbindung vom Ausgang der betreffenden Stufe zum Eingang der nächstfolgenden Stufe ohne Beeinträchtigung der Betriebsgleichspannung ausgebildet sein, vorausgesetzt, daß der Ausgangswiderstand des Signalgenerators 6 unendlich groß oder aber ein Koppelkondensator C₀ zwischen die Signalgeneratorklemme 7 und die Eingangsklemme 4_± der ersten Verstärkerstufe A₁ geschaltet ist. In den einzelnen Verstärkerstufen A₁, A₂ ... A_n kann gewünschtenfalls jeweils der Rückkopplungstransistor 3 zwischen der Eingangsklemme 4 und der Ausgangsklemme 5 vorgesehen sein. Für den Fall, daß in jeder Verstärkerstufe dieser Rückkopplungstransistor 3 vorhanden ist, sind die Steuerelektroden 3_gi, 3_g2... 3_gn sämtlich an die Klemme 8 des Signalgenerators 6 angeschaltet. Die Ausgangsklemme 5_n der letzten Stufe A_n ist über einen Rückkopplungszweig 15 mit der Eingangsklemme A₁ der ersten Verstärkerstufe A₁ verbunden.

Wie bereits erwähnt, kann die Verstärkerkaskade mittels einer einzigen Rückkopplungsimpedanz stabilisiert werden, wenn η eine ungerade Zahl ist. Das Rückkopplungsnetzwerk 15 kann somit eine Impedanz, beispielsweise den stromführenden Kanal eines isolierten Feldeffekttransistors, der zwischen den Ausgang 5_n und den Eingang 4_X geschaltet ist, enthalten. Obwohl jede Verstärkerstufe einen in den leitenden Zustand gespannten Rückkopplungstransistor 3 enthalten kann, sind diese Rückkopplungstransistoren 3 an sich nicht notwendig; sie können vielmehr entweder entfallen oder über die Signalgeneratorklemme 8 in den gesperrten Zustand gespannt werden. Es dient somit die Rückkopplungsimpedanz 15 dazu, den gesamten Verstärker sogar dann, wenn die Koppelglieder CL galvanische Verbindungen sind, gleichspannungsmäßig zu stabilisieren und außerdem den Verstärker durch entsprechende Gegenkopplung über den in Frage kommenden Frequenzbereich wechselspannungsmäßig zu stabilisieren.

Die Kaskadenverstärkeranordnung nach F i g. 8 kann mit konstanter oder mit veränderlicher Verstärkung arbeiten. Für den Betrieb mit konstanter Verstärkung wird die Rückkopplungsimpedanz 15 konstant gehalten. Eine veränderliche Verstärkung erhält man dadurch, daß man eine oder mehrere der Stufen A₁, A₂ ... A_n, mit Rückkopplungstransistoren 3 ausrüstet und deren Steuerelektroden entsprechende Steuersignale zuleitet. Beispielsweise kann die erste Stufe A₁ mit einem Rückkopplungstransistor 3 ausgerüstet sein und das Steuersignal e₂ (Fig. 1 oder 9) diesem Transistor zugeführt werden. Die restlichen Verstärkerstufen A₂ ... A_n, die keine Rückkopplungstransistoren zu enthalten brauchen, verstärken dann d*as Ausgangssignal der ersten Stufe.

Wenn der Verstärker nach F i g. 8 mit konstantem Verstärkungsgrad betrieben wird, kann der Rückkopplungszweig 15 auch ein beliebiges übliches Netzwerk, das in der normalen Weise für die erforderliche Stabilisierung sorgt, enthalten.

Die Verstärkerausführungen nach F i g. 1, 7, 8 und 9 eignen sich besonders für die Verwendung in integrierten Schaltungen, da sämtliche Schaltungskomponenten einschließlich der Rückkopplungsimpedanz 15 (F i g. 8) isolierte Feldeffekttransistoren sein können. Die vorstehendeBeschreibung der dynamischen Arbeitsweise des Verstärkers geht davon aus, daß das dynamische Signal e_x ein kleines Signal, d. h. ein Signal geringer Amplitude ist, so daß der Verstärker ausschließlich im linearen Bereich oder im Bereich 10 nach F i g. 2 und 10 arbeitet. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Das dynamische Signal e_x kann vielmehr so groß sein, daß entweder der Transistor 1 oder der Transistor 2 (im Falle der Ausführung nach Fig. 1) bei Anwesenheit dieses Signals verriegelt wird. Dies entspricht einem Betrieb in sowohl dem Bereich 10 als auch einem der Bereiche und 12 in F i g. 2 und 10.

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltung mit Feldeffekt-Bauelementen, deren Eingangs-Ausgangs-Spannungskennlinie zwei durch einen hochverstärkenden Bereich getrennte niederverstärkende Bereiche ausweist und bei der ein im stromerregenden Betrieb arbeitender steuerelektrodenisolierter Feldeffekttransistor mit seiner Steuerelektrode an den Verstärkereingang angekoppelt, ein Lastimpedanzelement für den Transistor zwischen dessen Quellen-Abflußstrecke und eine Betriebsspannungsquelle geschaltet, der Verstärkerausgang an den Verbindungspunkt des Lastimpedanzelements und der Quellen-Abflußstrecke des Transistors angeschlossen und- zwischen Verstärkerausgang und -eingang ein Rückkopplungszweig vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruckkopplungszweig die Quellen-Abflußstrecke eines zweiten steuerelektrodenisolierten Feldeffekttransistors (3) enthält, dessen Steuerelektrode ein Steuersignal zugeführt ist.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastimpedanzelement durch die Quellen-Abflußstrecke eines dritten steuerelektrodenisolierten Feldeffekttransistors (2), dessen Steuerelektrode mit dem einen Ende seiner Quellen-Abflußstrecke verbunden ist, gebildet wird.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Feldeffekttransistoren (1, 3, 2) vom gleichen Leitungstyp (η-Typ) sind (F i g. 9).

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (1) in seinen Abmessungen größer ist als der dritte Transistor (2).

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, da-

durch gekennzeichnet, daß das Lastimpedanzelement durch die Quellen-Abflußstrecke eines dritten steuerelektrodenisolierten Feldeffekttransistors (2) vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der erste Transistor gebildet wird und dieser dritte Transistor mit seiner Steuerelektrode an den Verstärkereingang angekoppelt ist. °

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (1) und der zweite Transistor (3) vom entgegengesetzten Leitungstyp (η-Typ bzw. p-Typ) sind (F i g. 1).

7. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärkereingang und der Steuerelektrode des zweiten Transistors (3) zwei getrennte, unabhängig voneinander veränderliche Signale zugeführt sind.

8. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß im Rückkopplungszweig der Quellen-Abflußstrecke des zweiten Transistors (3) die Quellen-Abflußstrecke eines zusätzlichen steuerelektrodenisolierten Feldeffekttransistors (9) vom entgegengesetzten Leitungstyp (η-Typ) wie der zweite Transistor (3) parallel geschaltet ist (F i g. 7).

9. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als integrierte Schaltung ausgebildet ist.

10. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verstärkerstufen der spezifizierten Art in Kaskade geschaltet sind.

11. Verstärkerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Verstärkerstufen ungerade ist und zwischen dem Ausgang der letzten Verstärkerstufe und dem Eingang der ersten Verstärkerstufe ein Rückkopplungszweig vorgesehen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen