DE1487396B2

DE1487396B2 - Spannungsteilerschaltung

Info

Publication number: DE1487396B2
Application number: DE19661487396
Authority: DE
Inventors: Leopold Albert Somerville N.J. Harwood (V.St.A.). H04m
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-11-29
Filing date: 1966-11-29
Publication date: 1970-08-13
Also published as: GB1169521A; BE690353A; NL6616714A; SE338070B; FR1502390A; US3383612A; NL150632B; DE1487396A1

Description

Die Erfindung betrifft, cine Spannungsleilerschakung mit zwei an eine Spannungsquellc anzuschließenden Eingangsklemmcn und zwei an einen Verbraucher anzuschließenden Ausgangsklemmen, vorzugsweise zum Erzeugen einer Steuer- oder Kompensationsspannung, insbesondere einer Spannung zum Kompensieren von Einflüssen von Speisespannungs- und Temperatur-Schwankungen auf gleichspannungsgekoppelte Transistorverstärker. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung eignet sich besonders für integrierte Schaltungen.

Unter »integrierter Schaltung« soll hier wie üblich eine einstückige oder monolithische Halbleitereinrichtung verstanden werden, die eine Anzahl von miteinander verbundenen aktiven und passiven Schaltungselementen enthält, die in einem kristallischen Halbleiterkörper gebildet sind.

Die Konstruktion integrierter Schaltungen wirft eine ganze Reihe von Problemen auf. So ist es beispielsweise ziemlich schwierig, .RC-gekoppelte Verstärker herzustellen, da ein Kondensator bei einer integrierten Schaltung eine relativ große Fläche des Halbleiterkörpers einnimmt, auch wenn es sich um relativ kleine Kapazitätswerte handelt.

Die Abmessungen des die integrierte Schaltung enthaltenden, gewöhnlich plattenförmigen Halbleiterkörpers sind jedoch begrenzt. Dementsprechend sind auch die Abmessungen der Kondensatoren und die zur Kopplung zweier Stufen zur Verfügung stehende Kapazität Beschränkungen unterworfen. Beschränkungen bezüglich der Abmessung von Kondensatoren beeinträchtigen den Frequenzgang eines Verstärkers aber nicht nur bei niedrigen, sondern auch bei hohen Frequenzen, und der bei einer bestimmten Signalfrequenz erreichbare Verstärkungsgrad ist dann meist unerwünscht niedrig. Die Hochfrequenzeigenschaften des Verstärkers werden ferner noch durch Streukapazitäten beeinträchtigt, die zwischen den Kondensatoren einer integrierten Schaltung und Masse vorhanden sind.

Bei dem derzeitigen Stand der Technik zur Herstellung von Kondensatoren in integrierten Schaltungen führen die Größenbeschränkungen außerdem sehr häufig zu Kurzschlüssen zwischen den Kondensatorbelägen. Aus allen diesen Gründen wäre es wünschenswert, wo immer möglich zwischen den Verstärkerstufen einer integrierten Schaltung eine galvanische oder Gleichspannungskopplung zu verwenden.

Die Gleichspannungskopplung von Verstärkerstufen ist jedoch ein Problem für sich. So müssen im allgemeinen relativ komplizierte Vorspannungsschaltungen verwendet werden, um die gewünschten Arbeitspunkte von hintereinandergeschalteten, gleichspannungsgekoppelten Stufen zu gewährleisten, da ja die an der Ausgangselektrode der einen Stufe auftretende Gleichspannung an der nächstfolgenden Stufe als Eingangsspannung erscheint. Zur Stabilisierung der verschiedenen Arbeitspunkte ist außerdem eine Gleichspannungsgegenkopplung erforderlich. Wenn mit einer einzigen integrierten Schaltung eine hohe Verstärkung erzielt werden soll, besteht dann die Gefahr, daß die Schaltung durch Phasenverschiebungen in der Gegenkopplungsschleife instabil wird. Sowohl die Verstärkerstufe selbst als auch ihr Arbeitspimkt dürfen außerdem durch Schwankungen der Speisespannung und der Umgebungstemperatur nicht beeinträchtigt werden, da sonst keine Gleichspannungskopplung von Verstärkerstufen möglich ist.

Ein gleichspannungsgekoppelter Transistorverstärker, der sich besonders gut als integrierte Schaltung herstellen läßt, ist in der deutschen Auslegeschrift 1 289 122 vorgeschlagen worden.

Dieser Verstärker enthält zwei mit ihren Emittern gekoppelte Transistoren, von denen der erste, an dessen Basiselektrode ein zu verstärkendes Eingangssignal liegt, in Kollektorschaltung arbeitet, während beim zweiten Transistor, der in Basisschaltung arbeitet, die Emitterelektrode als Eingangselektrode und die KoI-lektorelektrode als Ausgangselektrode dienen. Mit der¹' Kollektorelektrode des zweiten Transistors ist ein als Emitterverstärker geschalteter dritter Transistor direkt verbunden. Mit den Emitterelektroden der ersten beiden Transistoren ist ein Widerstand verbunden, dessen Widerstandswert wenigstens annähernd die Hälfte des Widerstandswertes eines mit der Kollektorelektrode des zweiten Transistors verbundenen Arbeitswiderstandes ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsteilerschaltung anzugeben, die sich insbesondere für die Erzeugung von Vor- und Kompensationsspannungen in integrierten Schaltungen eignet und die bei geringem Querstrom trotzdem eine niedrige dynamische Impedanz hat.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Spannungsteilerschaltung mit zwei an eine Spannungsquelle anzuschließenden Eingangsklemmen und zwei an einen Verbraucher anzuschließenden Ausgangsklemmen dadurch gelöst, daß die eine Eingangsklemme mit der Kollektorelektrode eines als gegengekoppelter Verstärker arbeitenden ersten Transistors über einen ersten Widerstand und mit der Kollektorelektrode eines in Kollektorschaltung arbeitenden zweiten Transistors direkt verbunden ist; daß zwischen die mit der Elektrode des ersten Transistors und die zweite Eingangsklemme ein zweiter Widerstand geschaltet ist, der

den ( 1-fachen Wert des ersten Widerstandes hat,

;v+ ι

wobei N = O oder eine positive ganze Zahl ist, daß die Kollektorelektrode des ersten Transistors außerdem mit der Basiselektrode des zweiten Transistors gekoppelt ist, daß die Basiselektrode des ersten Transistors über eine N weitere Transistoren enthaltende Kopplungsschaltung mit der Emitterelektrode des zweiten Transistors gekoppelt ist, daß die eine Ausgangsklemme an die Emitterelektrode des letzten Transistors angeschlossen ist und daß die andere Ausgangsklemme an eine der Eingangsklemmen angeschlossen ist. Für das Teilungsverhältnis .

ist die zweite Ausgangsklemme mit der an den zweiten Widerstand angeschlossenen Eingangsklemme ver-

bunden, während für das Teilungsverhältnis -_Kj-j--~-

die zweite Ausgangsklemme an die mit dem ersten Widerstand verbundene Eingangsklemme angeschlossen ist.

Vorzugsweise ist ein dritter Widerstand zwischen die Emitterelektrode des letzten Transistors und die zweite Eingangsklemme geschaltet.

Vorzugsweise sind weiterhin die Kollektorelektroden aller TV Transistoren der Kopplungsschaltung mit der ersten Eingangsklemme verbunden, die Basiselektrode des zweiten Transistors ist mit der Kollektorelektrode des ersten Transistors verbunden, dia Emitterelektrode jedes Transistors der Kopplungsschaltung ist mit der Basiselektrode des nachfolgenden Transistors der

Kopplungsschaltung verbunden mit Ausnahme der Emitterelektrode des letzten Transistors der Kopplungsschaltung, die mit der Basiselektrode des ersten Transistors verbunden ist, und der Widerstandswert des ersten Widerstandes gleich dem (TV -f l)-fachen des Widerstandswertes des zweiten Widerstandes.

Eine bevorzugte Anwendung der Spannungsteilerschaltung gemäß der Erfindung ist die Stabilisierung einer Verstärkerstufe, die zwei emittergekoppelte Transistoren enthält, von denen der erste in Kollektorschaltung arbeitet und mit seinem Kollektor an die erste Eingangsklemme angeschlossen ist, während der zweite mit seiner Kollektorelektrode über einen Kollektorwiderstand mit der ersten Eingangsklemme und mit seiner Emitterelektrode über den gemeinsamen Emitterwiderstand mit der zweiten Eingangsklemme verbunden ist, wobei die erste Ausgangsklemme der Spannungsteilerschaltung über je einen Widerstand, die wenigstens annähernd gleiche Widerstandswerte haben, mit den Basiselektroden der beiden emittergekoppelten Transistoren des Verstärkers verbunden ist.

Vorzugsweise sind alle Transistoren und Widerstände als integrierte Schaltung in einer einzigen monolithischen Halbleitereinrichtung gebildet.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausf ührungsbeispieles der Erfindung und

F i g. 3 ein Schaltbild eines Verstärkers, der durch eine Steuer- oder Kompensationsspannung von einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung stabilisiert ist.

Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält zwei Transistoren 10, 12. Der erste Transistor 10 arbeitet als degenerierter Verstärker in Emitterschaltung, seine Kollektorelektrode ist über einen ersten Widerstand mit einer Speisespannungsklemme 14 und seine Emitterelektrode über einen zweiten Widerstand 20 mit einer Bezugsspannungsklemme 18 verbunden.

Der zweite Transistor 12 arbeitet in Kollektorschaltung, seine Kollektorelektrode ist direkt mit der Speisespannungsklemme 14 verbunden, während seine Emitterelektrode über einen dritten Widerstand 22 mit der Bezugsspannungsklemme 18 verbunden ist. Die Emitterelektrode des Transistors 12 ist außerdem mit der Basiselektrode des Transistors 10 und mit einer Ausgangsklemme 24 verbunden, während die Kollektorelektrode des Transistors 10 außerdem mit der Basiselektrode des Transistors 12 verbunden ist.

Zwischen die Ausgangsklemme 24 und die Bezugsspannungsklemme 18 ist ein Verbraucher 26 geschaltet. Die Klemmen 14, 18 sind im Betrieb mit einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle verbunden. Bei dem vorliegenden Ausführuhgsbeispiel hat der Widerstand 16 etwa den gleichen Widerstandswert wie der Widerstand 20.

Wenn der vom Verbraucher 26 aiigenommeneStrom zur Ausbildung des normalen Kfie-Spannungsabialles am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 12 ausreicht, kann der Widerstand 22 entfallen. Unter »Bespannung« soll hier die mittlere Basis-Emitter-Spannung eines Transistors verstanden werden, der als aktives Bauelement in einem Verstärker od. dgl. arbeitet. Bei Siliciumtransistoren ist V_be etwa 0,7 Volt, was innerhalb des Bereiches einer für Klasse-A-Verstärkung geeigneten (-'(,«-Spannung liegt.

Für die folgenden Erläuterungen wird vorausgesetzt, daß die Transistoren 10, 12 aus dem gleichen Halbleiterwerkstoff bestehen, wie es beispielsweise bei integrierten Schaltungen der Fall ist, so daß ihre Kfte-Spannungen gleich sind.

Wenn im Betrieb an den Klemmen 14, 18 eine Speisespannung-richtiger Polarität und Größe liegt, liefert die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zwischen den Klemmen 18, 24 eine Ausgangsspannung, die gleich der Hälfte der angelegten Speisespannung ist. Dies kann wie folgt erklärt werden:

Im Gleichgewichtszustand ist die zwischen den Klemmen 18, 24 auftretende Ausgangsspannung V_a gleich der angelegten Speisespannung V_s abzüglich des Spannungsabfalles Vr₁₆ am Widerstand 16 und der g des Transistors 12, d. h.:

a = V_s - V_Rl

V,

be 12 ·

(1)

Der Spannungsabfall F^₂₀ am Widerstand 20 ist im Gleichgewichtszustand gleich der Ausgangsspannung Va zwischen den Klemmen 18, 24 abzüglich der Vu-Spannung des Transistors 10, es gilt also:

1^2O=Fa-K₆₄₁₀. (2)

Da die Widerstände 16, 20 gleiche Widerstandswerte haben und von gleichen Strömen durchflossen werden, ist der Spannungsabfall Kr₂₀ am Widerstand 20 gleich dem Spannungsabfall Vr₁₆ am Widerstand 16, und FiJ₁₆ kann in Gleichung (1) durch die Gleichung (2) ersetzt werden:

Va = V_s - Va + V_bei0 - V_bei2. (3)

Wenn die Kse-Spannungen der Transistoren 10, 12 gleich sind, wie vorausgesetzt wurde, reduziert sich die Gleichung (3) zu:

Va = -^, (4)

die zeigt, daß die durch die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung an den Verbraucher 26 gelieferte Spannung gleich der Hälfte der zwischen den Klemmen 14, 18 angelegten Speisespannung V₈ ist.

F i g. 2 zeigt eine Schaltung einer gegenüber F i g. 1 etwas abgewandelten Ausführungsform der Erfindung. Diese Schaltung enthält wie F i g. 1 einen ersten Transistor 30, der als degenerierter Verstärker in Emitterschaltung arbeitet, und einen weiteren Transistor 32, der in Kollektorschaltung arbeitet. Die Ausgangselektrode des ersten Transistors ist über Transistoren 34, 36, 38, 40 mit der Eingangselektrode des weiteren Transistors gekoppelt.

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltung enthält beispielsweise sechs Transistoren. Die Kollektorelektrode des in degenerierter Emitterschaltung arbeitenden ersten Transistors 30 ist über einen ersten Widerstand 44 mit einer Speisespannungsklemme 42 verbunden, während die Emitterelektrode dieses Transistors 30 mit einer Bezugsspannungsklemme 46 über einen zweiten Widerstand 48 verbunden ist. Der in Kollektorschaltung arbeitende Transistor 32 ist mit seiner Kollektorelektrode direkt mit der Klemme 42 verbunden, während seine Emitterelektrode über einen dritten Widerstand 50 mit einer Bezugsspannungsklemme 46 verbunden ist. Die Emitterelektrode des Transistors 32 ist außerdem mit der Basiselektrode des

48 7 3 96

Transistors 30 und einer Ausgangsklemme 52 verbunden, an die ein nicht dargestellter Verbraucher angeschlossen werden kann.

nie Kollektorelektrode des Transistors 30 ist außerdem mit der Basiselektrode des Transistors 32 über die Transistoren 34, 36, 38, 40 verbunden, die mit dem Transistor 32 eine als »Darlington-Schaltung« bekannte Art von Kollektorschaltung bilden. Es ist insbesondere die Kollektorelektrode des Transistors 30 mit der Basiselektrode des Transistors 34 verbunden, die Emitterelektrode des Transistors 34 ist mit der Basiselektrode des Transistors 36 verbunden, die Emitterelektrode des Transistors 36 ist mit der Basiselektrode des Transistors 38 verbunden, die Emitterelektrode des Transistors 38 ist mit der Basiselektrode des Transistors 40 verbunden, die Emitterelektrode des Transistors 40 ist mit der Basiselektrode des Transistors 32 verbunden, und die Kollektorelektroden der Transistoren 34, 36, 38, 40 sind an die Speisespannungsklemme 42 angeschlossen.
Bei dieser Transistorkopplung ist der mit der Kollektorelektrode des Transistors 30 verbundene Widerstand fünfmal so groß wie der mit der Emitterelektrode dieses Transistors verbundene Widerstand 48.
Im Betrieb, also wenn zwischen den Klemmen 42,

ίο 46 eine Speisespannung geeigneter Größe und Polarität herrscht, stellt ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem die zwischen den;;Klemmen 46, 52 auftretende Ausgangsspannung V_a gleich der angelegten Speisespannung V_s abzüglich des Spannungsabfalles V_Rli am Widerstand 44 und der F^-Spannungen der Transistoren 32, 34, 36, 40 ist:

Va = V_s —

— V_be36 — V_besa —

Der Spannungsabfall J⁷^₄₈ am Widerstand 48 ist im Gleichgewichtszustand gleich der Ausgangsspannung V_a zwischen den Klemmen 46, 52 abzüglich der Vbe-Spannung des Transistors 30:

Vn_i8=V_a-Vbe_ao. (6)

Da der Widerstand 44 den fünffachen Widerstandswert wie der Widerstand 48 hat und da beide Widerstände vom gleichen Strom durchflossen werden, ist der Spannungsabfall am Widerstand 44 fünfmal so groß wie der Spannungsabfall am Widerstand 48, so daß die Gleichung (6) mit 5 multipliziert und für F^₄₄ in Gleichung (5) substituiert werden kann:

Va = V₈ — 5 Va + 5 I⁷Sc₃₀ — Vbe32 — Vbesi — Vi_esi — F^₃₈ — Vb.

'«40 ·

Wenn die Transistoren 30, 32, 34, 36, 38, 40 aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen, wie es bei monolithischen integrierten Schaltungen aus Silicium der Fäll ist, sind die F;,_e-Spannungen aller Transistoren gleich und die Gleichung (7) reduziert zu:

F₀ =

Vs

6"

Die Gleichung (8) zeigt also, daß die durch die Schaltung der F i g. 2 an den nicht dargestellten Verbraucher gelieferte Spannung an der Ausgangsklemme 52 gleich dem sechsten Teil der zugeführten Speisespannung ist.

Andere Bruchteile (entsprechend einem Bruch mit ganzzahligem Nenner) der angelegten Speisespannung können als Ausgangsspannung erhalten werden, wenn man die Tränsistorkopplung zwischen der in Emitterschaltung arbeitenden Stufe und der in Kollektorschaltung arbeitenden Ausgangsstufe entsprechend wählt und das Verhältnis der Widerstandswerte des Kollektor- und Emitterwiderstandes in der in Emitterschaltung arbeitenden Stufe entsprechend wählt. Genauer gesagt kann eine Ausgangsspannung gleich dem

(■ Wachen der angelegten Speisespannung erzeugt

werden, wenn man für die Kopplung zwischen den Transistoren 30, 32 N Kopplungstransistoren verwendet und den Widerstandswert des Kollektorwiderstandes des Transistors 30 gleich dem (N + l)-fachen des Widerstandwertes des Emitterwiderstandes dieser Stufe wählt. Um als Ausgangsspannung ein Drittel der Speisespannung zu erzeugen, verwendet man also in der Kopplungsschaltung einen Transistor und ein Widerstandsverhältnis von 2:1, eine Spannungsteilung von 1: 4 erfordert zwei Kopplungstransistoren und ein Widerstandsverhältnis von 3 :1 usw.

Bisher war angenommen worden, daß die Ausgangsspannung bei der in F i g. 2 dargestellten Schaltung zwischen den Klemmen 46, 52 abgenommen wird. Wenn man die Ausgangsspannung statt dessen zwischen den Klemmen 42 und 52 abnimmt, ist, sie das

( J-fache der zugeführten Speisespannung. Wenn

also N wie bei F i g. 2 den Wert 4 hat, ist die Ausgangsspannung Va zwischen den Klemmen 42, 52 gleich:

*ν = -Φ- (9)

Selbstverständlich gelten die allgemeinen Ausdrücke 1 \ ., (N+l

\N+2

und

JV+2

für das Verhältnis von Speisespannung zur Ausgangsspannung ebenfalls für die in F i g. 1 dargestellte Schaltung, bei der N gleich Null ist.

F i g. 3 zeigt einen Transistorverstärker der obenerwähnten, bereits vorgeschlagenen Art, dessen Arbeitspunkt durch eine Kompensationsspannung stabilisiert ist, die von einer Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 geliefert wird. Im folgenden soll angenommen werden, daß sowohl der Verstärker als auch die die Kompensationsspannung liefernde Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in einem einzigen HaIbleiterkörper gebildet sind und zu der gleichen integrierten Schaltung gehören oder diese bilden. Bei F i g. 3 wird die der Klemme 18 in F i g. 1 entsprechende Klemme durch Masse gebildet.
Der in dem Schaltbild der F i g. 3 enthaltene Verstärker enthält drei Transistoren 60, 62, 64. Der erste dieser Transistoren arbeitet in Kollektorschaltung, seine Kollektorelektrode ist direkt an die Speisespannungsklemme 14 angeschlossen, während seine

Emitterelektrode über einen Widerstand 66 mit Masse verbunden ist. Der zweite Transistor 62 arbeitet in Basisschaltung, seine Kollektorelektrode ist über einen Widerstand 68 mit der Speisespannungsklemme 14 gekoppelt, während seine Emitterelektrode über den Widerstand 66 mit Masse verbunden ist.

Der dritte Transistor 64 arbeitet in Kollektorschaltung, seine Kollektorelektrode ist direkt an die Klemme 14 angeschlossen, und seine Emitterelektrode ist über einen Widerstand 70 mit Masse verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 60 ist über einen Leiter 72 mit einer Eingangsklemme 74 verbunden, während die Basiselektrode des Transistors 62 durch einen Kondensator 76 für Signalfrequenzen mit Masse verbunden ist. Der Kondensator 76 bildet normalerweise keinen Teil der integrierten Schaltung.

Die Kollektorelektrode des Transistors 62 ist mit der Basiselektrode des Transistors 64 verbunden, dessen Emitterelektrode über einen Leiter 78 mit einer Ausgangsklemme 80 verbunden ist, an die ein nicht dargestellter Verbraucher angeschlossen werden kann. Gemäß dem erwähnten Vorschlag hat der Widerstand 68 den doppelten Widerstandswert wie der Widerstand 66, um den Verstärker möglichst unempfindlich gegen Speisespannungs- und Temperaturschwankungen zu machen.

Der oben beschriebene Verstärker besteht im wesentlichen aus einer emittergekoppelten Verstärkerstufe, die eine Kollektorschaltung arbeitende Stufe steuert. Im Betrieb werden also Eingangssignale an der Klemme 74 zuerst durch die Kombination der Transistoren 60, 62 und dann durch den Transistor 64 verstärkt, die verstärkten Signale erscheinen am Arbeitswiderstand 70 der in Kollektorschaltung arbeitenden Stufe und damit an der Ausgangsklemme 80. Um ein symmetrisches Arbeiten des Verstärkers zu gewährleisten, wird den Basiselektroden der Transistoren 60, 62 über Widerstände 82 bzw. 84, die gleiche Widerstandswerte haben, die an der Ausgangsklemme 24 erscheinende Ausgangsspannung der die Transistoren 10, 12 enthaltenden Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zugeführt.

Die die Transistoren 10, 12 enthaltende Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung stabilisiert den Arbeitspunkt des Verstärkers gegen die Einflüsse von Speisespannung- und Temperaturschwankungen wie folgt:

Es sei zuerst angenommen, daß die Größe der zwischen der Klemme 14 und Masse liegenden Speisespannung schwankt. Wenn die Vorspannung, die den Basiselektroden der Transistoren 60, 62 zugeführt wird, bei Schwankungen der Speisespannung konstant gehalten würde, > träte eine Änderung der Ausgangsgleichspannung an der Kollektorelektrode des Transistors 62 auf, da der Strom durch den Transistor 62 praktisch konstant bliebe.

. Wenn also die Spannung an der Klemme 14 um einen Betrag Je absinkt (also weniger positiv wird), sinkt die Ausgangsspannung an der Kollektorelektrode des Transistors 62 entsprechend. Die Vorspannung an der Basiselektrode des Transistors 62 bleibt nicht kon-

Δ e
stant, sie fällt hingegen um einen Betrag -.—. Der

Grund hierfür liegt darin, daß die Vorspannung, die durch die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung an der Klemme 24 erzeugt wird, gemäß den obigen Gleichungen (1) bis (4) auf der Hälfte der zugeführten Speisespannung gehalten wird.

Als Ergebnis fällt der Emitterstrom des Transistors

Δ e
62 um γ-β— und seine Kollektorspannung steigt um

AeR_6S

Dieresultierende Spannungsänderung an der Kollektorelektrode des Transistors 62 ist dementsprechend

Ae-, ■

AeR₁

68

2R

66

dies ist gleichzeitig die resultierende Spannungsänderung an der Emitterelektrode des Transistors 64. Da der Widerstand 68 den doppelten Widerstandswert des Widerstandes 66 hat, ist die resultierende Spannungsänderung an der Emitterelektrode des Transistors 64 gleich Null. Mit R₆₆ und R₆₈ sind hier und im folgenden die Widerstandswerte der Widerstände 66, 68 bezeichnet.

Ähnliche Überlegungen zeigen, daß die resultierende Spannungsänderung an der Emitterelektrode des Transistors 64 auch dann Null ist, wenn die Spannung an der Klemme 14 steigt. In beiden Fällen wird also die bei Schwankungen der Speisespannung auftretende Änderung der Spannung an der Kollektorelektrode des Transistors 62 durch eine entsprechende Änderung der Basisvorspannung dieses Transistors kompensiert. Der Verstärker arbeitet weiter symmetrisch, da dieselbe Vorspannungsänderung an der Basiselektrode des Transistors 60 auftritt.

Es sei nun auf die Einflüsse von Temperaturschwankungen eingegangen. Eine Temperaturänderung·'be* einfiußt die ^«-Spannung zwischen den Emitterelektroden und Basiselektroden der Transistoren 10, 12, 60, 62, 64. Da diese fünf Transistoren aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen sollen, wie es bei einer monolithischen integrierten Schaltung der Fall ist, werden die K^-Spannungen im gleichen Sinne und im gleichen Maße beeinflußt. Die Gleichungen (3) und (4) zeigen, daß die durch die Schaltungsanordnung an der Klemme 24 erzeugte Ausgangsspannung und damit die den Basiselektroden der Transistoren 60, 62 zugeführte Vorspannung praktisch gleich der Hälfte der Speisespannung zwischen der Klemme 24 und Masse bleibt und praktisch temperaturunabhängig ist. Angenommen durch eine Temperaturänderung werde die Kfce-Spannung der Transistoren 60, 62 um A Vbe geändert, und der diese Transistoren durchfließende Strom ändert sich dadurch um Ai. Dann gilt:

oder

AVbe = 2AiR₆

dVbe

2R_R

(10) (11)

Die Änderung der Kollektorspannung des Transistors 62 ist dann:

	man (11)	A	Vo =	so	3 ·	man:	(12)
Setzt		in	(12)	V_be	erhält
		A	V₀ =	2R	*68	009	(13)
				66	533/185
	= Δ\
	ein,
Δ

-4- O / D Ö Ü

Die Spannungsänderung an der Emitterelektrode des Transistors 64 ist Δ V₀ — zl V_be oder:

__Δ

- 1

(14)

Da y?_6S = 2R₆₆ ist, ist die resultierende Spannungsänderung an der Emitterelektrode des Transistors 64 gleich Null. Dies gilt offensichtlich sowohl für einen Temperaturanstieg als auch für einen Temperaturabfall.

Ein wichtiges Merkmal der in den F i g. 1, 2 und 3 dargestellten Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Genauigkeit, mit der die Ausgangsspannung auf dem (-τττττ- J-fachen bzw.

N-

N+l

N+2

^- -fachen Wert der Speisespannung gehalten wird und dementsprechend die Stabilität und Symmetrie der Schaltungsanordnungen, die durch diese Ausgangsspannungen kompensiert werden, in erster Linie vom Verhältnis des Kollektorwiderstandes und des Emitterwiderstandes des als degenerierter Verstärker in Emitterschaltung arbeitenden Transistors ist und praktisch nicht von den Absolutwerten dieser Widerstände abhängt. Dies ist besonders für die Herstellung integrierter Schaltungen von Bedeutung, da das Verhältnis dieser beiden Widerstände, die zugleich hergestellt werden, leicht eingehalten werden kann, während es wesentlich schwieriger ist, bestimmte Absolutwerte zu erreichen. Ein bestimmtes Herstellungsverfahren liefert also weniger Ausschuß, wenn es nur auf das Verhältnis von Bauelementen als auf deren Absolutwerte ankommt.

Es sei abschließend darauf hingewiesen, daß die Schaltungen gemäß der Erfindung nicht durch einen gewöhnlichen Widerstandsspannungsteiler ersetzt werden können. Bei dem in F i g. 1 dargestellten typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ausgangsimpedanz Za der Schaltung durch die folgende Gleichung gegeben:

Za =

(15)

wobei g_m die Steilheit des Transistors 12 ist. Die Ausgangsimpedanz Za liegt hier in der Größenordnung von 20 Ohm, und ein Widerstandsspannungsteiler mit einer so niedrigen Ausgangsimpedanz würde einen Querstrom erfordern, der für die bei integrierten Schaltungen verwendeten Spannungsquellen und Verlustleistungen indiskutabel hoch wäre.

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungsteilerschaltung mit zwei an eine Spannungsquelle anzuschließenden Eingangsklemmen und zwei an einen Verbraucher anzuschließenden Ausgangsklemmen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Eingangsklemme (14, 42) mit der Kollektorelektrode eines als gegengekoppelter Verstärker arbeitenden ersten Transistors (10, 30) über einen ersten Widerstand (16, 44) und mit der Kollektorelektrode eines in Kollektorschaltung arbeitenden zweiten Transistors (12, 34) direkt verbunden ist, daß zwischen die Emitterelektrode des ersten Transistors und die zweite Eingangsklemme (18, 46) ein zweiter Wider-

Wert des ersten Widerstandes (16, 44) hat, wobei TV = 0 oder eine positive ganze Zahl ist, daß die Kollektorelektrode des ersten Transistors (10, 30) außerdem mit der Basiselektrode des zweiten Transistors (12, 34) gekoppelt ist, daß die Basiselektrode des ersten Transistors (10, 30) über eine N weitere Transistoren (36, 38, 40, 42) enthaltende Kopplungsschaltung mit der Emitterelektrode des zweiten Transistors (12, 34) gekoppelt ist, daß die eine Ausgangsklemme (24, 52) an die Emitterelektrode des letzten Transistors (12, 32) a'nge-: schlossen ist und daß die andere Ausgangsklemme an eine der Eingangsklemmen angeschlossen ist.

2. Spannungsteilerschaltung nach Anspruch 1 mit dem Teilungsverhältnis

l/l·-:

N + 2

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ausgangsklemme mit der an den zweiten Widerstand (20, 48) angeschlossenen Eingangsklemme (18, 46) verbunden ist.

3. Spannungsteilerschaltung nach Anspruch 1 mit dem Teilungsverhältnis

TV+ 1

stand (20, 48) geschaltet ist, der den

N + 1

-fachen N+ 2

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ausgangsklemme an die mit dem ersten Widerstand (16, 44) verbundene Eingangsklemme (14,42) angeschlossen ist.

4. Spannungsteilerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (22, 50) zwischen die Emitterelektrode des letzten Transistors (12, 32) und die zweite Eingangsklemme (18, 46) geschaltet ist.

5. Süannungsteilerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden aller N Transistoren (36, 38, 40, 32) der Kopplungsschaltung mit der ersten Eingangsklemme (42) verbunden sind, daß die Basiselektrode des zweiten Transistors (34) mit der Kollektorelektrode des ersten Transistors (30) verbunden ist, daß die Emitterelektrode jedes Transistors der Kopplungsschaltung mit der Basiselektrode des nachfolgenden Transistors der Kopplungsschaltung verbunden ist, mit der Ausnahme der Emitterelektrode des letzten Transistors (32) der Kopplungsschaltung, die mit der Basiselektrode des ersten Transistors (30) verbunden ist, und daß der Widerstandswert des ersten Widerstandes (44) gleich dem (TV + l)-fachen des Widerstandswertes des zweiten Widerstandes (48) ist.

6. Spannungsteilerschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Stabilisierung einer Verstärkerstufe, die zwei emittergekoppelte Transistoren (60, 62) enthält, von denen der erste in Kollektorschaltung arbeitet und mit seinem Kollektor an die erste Eingangsklemme (14) angeschlossen ist, während der zweite mit seiner Kollektorelektrode über einen Kollektorwiderstand (68) mit der ersten Eingangsklemme (14) und mit seiner Emitterelektrode über den gemeinsamen Emitterwiderstand (66) mit der zweiten Eingangsklemme (Masse) verbunden ist und wobei die erste Ausgangsklemme (24) der Spannungsteilerschal-

ii

tung über je einen Widerstand (82, 84), die wenigstens annähernd gleiche Widerstandswerte haben, mit den Basiselektroden der beiden emittergekoppelten Transistoren (60, 62) des Verstärkers verbunden ist (F i g. 3).

7. Spannungsteilerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren und Widerstände als integrierte Schaltung in einer einzigen monolithischen Halbleitereinrichtung gebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen