DE1487340B2 - Als inverter wirkender transistorverstaerker mit von temperatur und versorgungsspannungsschwankungen weitgehend unabhaengigem verstaerkungsgrad - Google Patents

Description

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geben; die Lehren der vorliegenden Erfindung der Verstärker weitere Verstärkerstufen aussteuert

können jedoch auch noch angewendet werden, wenn und am Ausgang der genannten Folgestufen eine

der Arbeitspunkt im nichtlinearen Teil der Kenn- negative Rückkopplungsspannung zur Sicherstellung

linie einjustiert ist. einer linearen Arbeitsweise erzeugt wird, wird die

Der die Vorspannung erzeugende Strom verteilt 5 Rückkopplungsschaltung außerdem dazu benutzt, sich in gleicher Weise auf jeden der dem Eingangs- den die Vorspannung erzeugenden Strom innerhalb kreis angehörenden Transistoren. Der Anteil des der Transistoren der Eingangsstufe zu regeln. Dieser Stromes, welcher in die Basis-Elektroden des eigent- Strom wird durch den Wert des Arbeitswiderstandes liehen Verstärkerteils fließt, ist vernachlässigbar, da innerhalb des Verstärkers beeinflußt werden; da dessen Wert im wesentlichen dem Wert des durch io jedoch die Änderung der Ströme durch die Traneinen der der Eingangsschaltung angehörenden Tran- sistoren der Eingangsstufe und durch diejenigen des sistoren fließenden Stromes dividiert durch deji Ver- eigentlichen Verstärkers ..nach." der vorliegenden Stärkungsfaktor β dieses Transistors entspricht. Unter Erfindung in sehr ähnlicher Weise sich ändern, wird der genannten Voraussetzung ist der im Kollektor im Endeffekt die Stufenverstärkung nicht beeinentstehende Ausgangsstrom des eigentlichen Ver- 15 trächtigt werden.

Stärkerteiles gleich dem Strom, welcher durch jeden Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung

der zusätzlichen der Vorstufe der Eingangsschaltung gehen aus den Zeichnungen zur Erläuterung von

angehörenden Transistoren fließt, unabhängig von speziellen Ausführungsbeispielen der Erfindung im

Änderungen der Temperatur oder der Versorgungs- einzelnen hervor. In den Zeichnungen bedeutet

spannungen. Wie bereits erwähnt, arbeiten die Tran- 20 F i g. 1 eine schematische Darstellung eines bevor-

sistoren vorzugsweise im linearen Bereich ihrer Kenn- zugten Ausführungsbeispieles für einen Verstärker

linie, und die auftretende Eingangsimpedanz kann nach der Lehre der Erfindung,

von einem relativ hohen Wert bis zu einem sehr ge- F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Modifikation des

ringen Wert dadurch verändert werden, daß man den Verstärkers nach der Lehre der vorliegenden Erfin-

die Vorspannung erzeugenden Strom ändert. 25 dung.

Außerdem kann man die Eingangsimpedanz da- Der Verstärker nach F i g. 1 umfaßt eine Vielzahl durch weiter herabsetzen, daß man so viele Tran- von Transistoren 2-1 bis 2-/7, die in Emitter-Basissistoren in Parallelschaltung in die Eingangsschaltung Schaltung angeordnet sind und deren Kollektoreinfügt, wie es dem einzujustierenden, die Vorspan- Elektroden gemeinsam an die Ausgangsklemme 3 nung erzeugenden Strom durch diese Transistoren 30 sowie über einen Lastwiderstand 5 an die positive in Parallelanordnung entspricht. Klemme einer Stromquelle führen. Die Basis-Elek-

Wird im Grenzfall ein Transistor in Emitter- troden der dem eigentlichen Verstärker angehören-Basis-Schaltung im Verstärkerteil und einer in der den Transistoren 2-1 bis 2-n sind untereinander Eingangsschaltung benutzt, so erreicht, man einen sowie mit den Basis-und Kollektor-Elektroden einer Verstärkungsfaktor von 1 innerhalb einer Stufe. 35 Mehrzahl von weiteren, einer Vorstufe angehörenden Wird eine Verstärkung verlangt, die größer als 1 ist, Transistoren 6-1 bis 6-n verbunden. Die Emitterso muß man die Anzahl der dem eigentlichen Ver- Elektroden sämtlicher sowohl dem eigentlichen Verstärker angehörenden und zueinander parallel- stärker als auch der Vorstufe angehörenden Trangeschalteten Transistoren größer machen, als es der sistoren liegen an Erdpotential,
im Eingangskreis vorhandenen Zahl der Transistoren 40 Die Klemme 7 für das Eingangspotential ist mit entspricht. Einen Verstärkungsfaktor, der kleiner als den Basis-Elektroden der Transistoren des eigentdie Einheit ist, erreicht man dadurch, daß eine liehen Verstärkerteils 2-1 bis 2-n und ebenfalls mit größere Anzahl von Transistoren in der Eingangs- den Basis- und den Kollektor-Elektroden der der stufe vorgesehen wird, als dies für den eigentlichen Vorschaltung angehörigen Transistoren 6-1 bis 6-n Verstärkerteil der Fall ist. 45 verbunden. Eine weitere Verbindung führt außerdem

Man wird bemerken, daß für den Fall, daß die von der Eingangsklemme für das Steuersignal zu

Vorspannung durch eine einen ausreichenden Strom der Stromquelle 8, welche einen Strom /,, zur Erzeu-

liefernde Stromquelle erzeugt wird, der über einen gung der Vorspannung über die Klemme 11 liefert.

Vorwiderstand an die Transistoren der Vorschaltung In dem Ausführungsbeispiel von F i g. 1 ist diese

geliefert wird, dieser Widerstand nicht genau tole- 5° Stromquelle 8 als positive Klemme 9 in Verbindung

riert sein muß. Verändert dieser. Widerstand nämlich _υ mit dem Widerstand 10 dargestellt,

seinen Wert mit der Temperatur, so wird in der Tat Es sei angenommen, daß die Basis-Emitter-

der Arbeitspunkt der Transistoren ebenfalls ge- Charakteristik der Transistoren 2-1 bis 2-n sowie

ändert. Da aber die Arbeitspunkte der der Vor- 6-1 bis 6-n weitgehend die gleichen sind bzw. vor-

schaltung angehörenden Transistoren und diejenigen 55 zugsweise die Voraussetzung gemacht, daß es sich

der Transistoren, die dem eigentlichen Verstärker bei den Transistoren urn, .Halbleiterverstärkerelemente

angehören, in der gleichen Weise geändert werden, handelt, die als monolithische Elemente auf dem

wird die Verstärkung selbst konstant bleiben. gleichen Chip hergestellt wurden. In dem bevorzug-

Außerdem wird der Arbeitswiderstand auf der ten Ausführungsbeispiel ist der Strom/,, derart ge-

Kollektorseite des eigentlichen Verstärkers ebenfalls ^6o wählt, daß die Transistoren 6-1 bis 6-n in einem

in Abhängigkeit von der Temperatur sich ändern; linearen Gebiet ihrer Kennlinie arbeiten und die

jedoch wird dies keinen nennenswerten Einfluß auf Spannung an den Basis-Elektroden etwa 0,7 Volt

den Verstärkungsgrad des Verstärkers nach sich beträgt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß

ziehen, weil der Strom am Ausgang des Verstärkers die Transistoren derart ausgelegt sind, daß der

gleich den Vorspannungsströmen innerhalb der ⁶5 Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter höher

Transistoren in der Eingangsschaltung ist, unabhän- ist als die Spannung, die zwischen den Emitter- und

gig vom Wert des Lastwiderstandes selbst. Kollektor-Elektroden der Transistoren 6-1 bis 6-n

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel, bei dem liegt, wenn diese in Sättigungszustand betrieben

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werden. Die Spannung an den Basis-Elektroden der dem eigentlichen Verstärker angehörenden Transistoren 2-1 bis 2-/1 liegen ebenfalls in der Gegend von 0,7VoIt.

Der Kollektorstrom I₀ eines jeden Verstärkertransistors 2-1 bis 2-/7 ist im wesentlichen einem jeden der Kollektorströme I₁, I₂ gleich, da die an den Basis-Elektroden anliegenden Spannungen identisch sind. Diese Beziehungen zwischen den Strömen werden in einem weiten Variationsbereich bezüglich der Temperatur und der Versorgungsspannungen konstant bleiben.

Die Stromverstärkung einer derartigen Verstärkerstufe ist im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Zahl der innerhalb des Verstärkers benutzten Transistoren 2-1 bis 2-n zu der Zahl der in der Vorschaltung benutzten Transistoren 6-1 bis 6-n. Beispielsweise ist in dem in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Verstärkertransistor 2-1 und fünf der Vorschaltung angehörigen Transistoren 6-1 bis 6-n I₀ = I₁= I₂ = I_s = /₄ = I₅; und das Verhältnis des für die Vorspannung maßgeblichen Stromes am Eingang zu dem am Ausgang abgegebenen Strom I₀ beträgt 5:1. Der Strom I_in, welcher dem Eingangs-Signal entspricht, wird zu gleichen Teilen unter den Transistoren 6-1 bis 6-/2 aufgeteilt. Daher beträgt die Stromverstärkung der Verstärkerstufe 0,2.

Die Eingangsimpedanz der Stufe 1 ist im wesentlichen äquivalent der individuellen Impedanz der Transistoren 6-1 bis 6-/;, die miteinander parallel geschaltet sind. Für den Fall, daß eine niedrigere oder höhere Eingangsimpedanz gewünscht wird, kann-die Anzahl der Transistoren 6-1 bis 6-n erhöht bzw. erniedrigt werden. Jedoch wird die Verstärkung der Verstärkerstufe in proportionaler Weise verkleinert bzw. vergrößert.

Unter der Annahme, daß die Stromentnahme aus der Energieversorgung keine Schwierigkeiten bereitet, kann die Eingangsimpedanz erhöht oder erniedrigt werden, ohne daß gleichzeitig eine Änderung des Verstärkungsfaktors eintritt, was in diesem Falle dadurch geschehen kann, daß man den die Vorspannung erzeugenden Strom erniedrigt bzw. erhöht.

Der Gesamtausgangsstrom des als Inverter wirkenden Verstärkers 1 wird gleich sein der Summe der Kollektorströme I₀ durch einen jeden der dem Verstärker angehörigen Transistoren 2-1 bis 2-n. Mit einem Vorstufentransistor 6-1 und zwei Verstärkertransistoren 2-1 und 2-n wird bei einem Verstärkungsfaktor von 2 der Ausgangsstrom gleich dem doppelten Wert von Z₁ sein.

Die F i g. 2 zeigt einen Verstärker 1, dessen Ausgangsklemme 3 mit einem Gleichstromverstärker 20 verbunden ist, der eine bekannte Schaltung aufweisen kann. Die Ausgangsklemme 21 dieses Verstärkers 20 ist über ein geeignetes negatives Rückkopplungsnetzwerk 22 mit der Klemme 11 verbunden, welche zur Versorgung mit dem die Vorspannung liefernden Strom dient. Das Rückkopplungsnetzwerk 22 kann eine bekannte Schaltung sein und besitzt hauptsächlich die Aufgabe, eine lineare Arbeitsweise der auf den Verstärkern 1 und 20 bestehenden Gesamtschaltung zu gewährleisten. Dieses Rückkopplungsnetzwerk wird außerdem in wohlbekannter Weise den Wert des die Vorspannung erzeugenden Stromes I₁, festlegen. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Widerstand 5 (Fig. 1) bei Änderung seines Wertes, hervorgerufen durch Temperaturänderungen, den genauen Wert des Stromes I₁, beeinflussen.

jo Jedoch verursachen Änderungen des Stromes I_b keine Änderungen des Verstärkungsgrades.

Wie bereits oben bemerkt, werden die Transistoren des eigentlichen Verstärkers 2-1 bis 2-n und ebenfalls die Transistoren der Vorschaltung 6-1 bis 6-n bevorzugt so vorgespannt, daß die Arbeitspunkte in den linearen Bereich der Kennlinien zu liegen kommen. Infolgedessen werden die Eingangssignale, welche an die Klemme 7 angelegt werden, innerhalb der Verstärkertransistoren 2-1 bis 2-n eine lineare Verstärkung erfahren, und diese werden daher unter Erhaltung ihrer Gestalt an der Aiisgangsklemme 3 abgenommen werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 braucht, in denen eine verhältnismäßig hohe EinPatentansprüche: gangsimpedanz der ansteuernden Quelle vorliegt. Die typischen einstufigen Verstärker mit geringem Ein-

1. Als Inverter wirkender Transistorverstärker gangswiderstand haben keine signalumkehrende Wirmit von Temperatur- und Versorgungsspannungs- 5 kung und gehören in der Regel der Schaltvariante Schwankungen weitgehend unabhängigem Ver- mit geerdeter Basis an, bei denen Schwingungsprostärkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, bleme auftreten können.

daß eine Vielzahl von den eigentlichen Verstär- Die bisher bekannten in Emitter-Basis-Schaltung

kerteil bildenden Transistoren (2-1 bis 2-n) be- arbeitenden Verstärker mit niedrigem Eingangswi-

züglich ihrer Elektroden parallel geschaltet und io derstand waren großen Instabilitäten bezüglich der

in Emitterbasisschaltung betrieben sind und daß Verstärkung ausgesetzt, die hervorgerufen wurden

zwischen den am Steuersignal liegenden Basis- durch Änderungen hinsichtlich der Temperatur, der

elektroden und den auf gemeinsamem Erdpoten- Versorgungsspannung, der Widerstandswerte sowie

tial liegenden Emittern mindestens zwei weitere der Transistorparameter.

zueinander parallelgeschaltete Transistoren (6-1 15 Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Auf- und 6-λι) als Eingangssehaltung so angeordnet gäbe zugrunde, eine neuartige Verstärkerschaltung sind, daß deren Emitter-Elektroden am Erdpo- mit Inverterwirkung aufzuzeigen, welche bei geringen tential und deren jeweils miteinander verbun- Eingangswiderständen einen hohen Ausgangswiderdenen Kollektor- und Basis-Elektroden an den stand aufweist und deren Verstärkungsgrad innerauszusteuernden Basis-Elektroden des Verstär- 20 halb eines weiten Bereiches eingestellt und konstant kerteils (2-1 bis 2-n) sowie an der die Vorspan- gehalten werden kann, ohne daß eine störende Abnung für die Eingangsschaltung liefernden Strom- hängigkeit von Temperatur- oder Versorgungsspanquelle (8) anliegen. nungen auftritt.

2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, da- Die genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch gekennzeichnet, daß die Eingangsschal- 25 eine Vielzahl von den eigentlichen Verstärkerteil biltung nur aus einem Transistor (6-1) besteht. denden Transistoren bezüglich ihrer Elektroden

3. Transistorverstärker nach Anspruch 1, da- parallel geschaltet und in Emitter-Basis-Schaltung bedurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerteil nur trieben sind und daß zwischen den am Steuersignal aus einem Transistor (2-1) besteht. liegenden Basis-Elektroden und den auf gemein-

4. Transistorverstärker nach Anspruch 1, da- 3° samem Erdpotential liegenden Emitter-Elektroden durch gekennzeichnet, daß mindestens die Tran- mindestens zwei weitere zueinander parallelgeschalsistoren als monolithische Schaltelemente auf tete Transistoren als Eingangsschaltung so angeordeinem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. net sind, daß deren Emitter-Elektroden am Erd-

5. Transistorverstärker nach Anspruch 1, da- potential und deren jeweils miteinander verbundenen durch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfak- 35 Kollektor- und Basis-Elektroden an den auszusteutor (ß — 1, /i<l, /?>1) durch das Verhältnis ernden Basis-Elektroden des Verstärkerteils sowie an der Anzahl der in der Eingangs- und der Ver- der die Vorspannung des der Eingangsschaltung Stärkerschaltung angeordneten Transistoren fest- liefernden Stromquelle anliegen.

gelegt ist. Die für diese Schaltungen benutzten Transistoren

6. Transistorverstärker nach Anspruch 1, da- 40 werden so ausgewählt, daß sie weitgehend die gleidurch gekennzeichnet, daß die Arbeitspunkte der chen Emitter-Basis-Charakteristiken aufweisen. Dies Transistoren im geradlinigen Teil der Kennlinien geschieht bei Schaltungen mit diskreten Bauelemenfestgelegt sind, daß an den Ausgang des Ver- ten durch sorgfältige Auswahl der zu benutzenden stärkers/l) ein Gleichstromverstärker (20) ange- Einzeltransistoren bezüglich ihrer Charakteristik, koppelt ist und daß der die Vorspannung der 45 Im Rahmen der neuerdings immer mehr benutzten Verstärker erzeugende Strom vom Ausgang monolithischen Schaltungen ist es möglich, innerhalb dieses Gleichstromverstärkers über ein negatives von integrierten Schaltungen unter geringem Kosten-Rückkopplungsnetzwerk geliefert wird. aufwand Transistoren herzustellen, die im wesentlichen identische Charakteristiken aufweisen und die

50 auf das gleiche Halbleiterausgangsplättchen aufge-

bracht werden. Infolgedessen ist die vorliegende Erfindung besonders günstig in Verbindung mit monolithischen Schaltungen zu realisieren.

In einem Ausführungsbeispiel wird eine Gleich-

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transi- 55 stromquelle zur Vorspannungsversorgung mit den storverstärker mit von Temperatur- und Versor- Basis- und Kollektor-Elektroden der die Vorstufe gungsspannungsschwankungen weitgehend unabhän- bildenden Transistoren verbunden, wobei die den gigem Verstärkungsgrad. Bei Schaltungen zur Si- eigentlichen Verstärkerteil bildenden Transistoren in"" gnalverstärkung ist oft eine stabile Verstärkungs- einem Arbeitspunkt innerhalb ihres linearen Kenncharakteristik von außerordentlicher Wichtigkeit. Es 6° linienteils einjustiert sind. Um eine lineare Arbeitssind verschiedene typische Wege bekannt, das Pro- weise sicherzustellen, besitzen die Transistoren einen blem der Verstärkungsstabilität zu lösen, jedoch be- höheren Spannungsabfall über ihre Basis-Emitterdarf es meistens ziemlich komplizierter Schaltun- Strecke, als es dem Spannungsabfall über ihre Kollekgen, um eine ausreichend gute Stabilität sicherzu- tor-Emitter-Strecke während des Betriebes in der stellen. 65 Sättigung entspricht. Es sei hierzu bemerkt, daß in

Transistorverstärker des Invertertyps sind gewöhn- dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Transilich als Verstärker mit gemeinsamen Emittern ge- stören im linearen Teil ihrer Charakteristik betrieben schaltet und werden meist in Schaltanordnungen se- werden und daher auch lineare Ausaanessianale ab-