DE1537583B2 - Transistorgleichspannungsverstärker mit in Kaskade geschalteten Transistoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Transistorgleichspan- sistors sehr gering ist. Bei dem dem Eingangsver-

nungsverstärker mit in Kaskade geschalteten Tran- stärker nachgeschalteten Transistor wird der Miller-

sistoren, bei dem der Eingangstransistor in Emitter- Effekt dadurch ausgeschaltet, daß an der Basis des

schaltung und dem Eingangstransistor nachgeschal- nachgeschalteten Transistors keine Wechselspannung

tete Transistor in Basisschaltung betrieben wird, die 5 anliegt, sondern lediglich eine feste Gleichspannung.

Basis des nachgeschalteten Transistors an festem Das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite weist

Gleichspannungspotential liegt, der Kollektor des daher bei einem Verstärker nach der Erfindung

Eingangstransistors und der Emitter des nach- einen ausgezeichneten Wert auf. Darüber hinaus

geschalteten Transistors über eine gemeinsame Im- zeichnet sich der Verstärker nach der Erfindung

pedanz an einem festen Gleichspannungspotential io durch geringe Leistungsaufnahme sowie einfachen

liegen und das Ausgangssignal vom Kollektor des Aufbau aus. Der Verstärker nach der Erfindung läßt

nachgeschalteten Transistors abgenommen wird. sich daher in einfacher Weise in integrierter Bau-

Zur Erzielung einer hohen Spannungsverstärkung weise mit Hilfe der Dünnfilmtechnik oder in Form ist es bekannt, mehrere Transistoren in Kaskade zu eines monolithischen Blocks herstellen,
schalten. Insbesondere ist bereits ein Transistorver- 15 Die Erfindung wird nun näher an Hand von stärker für Wechselspannungssignale bekannt, bei Zeichnungen erläutert; in denen zeigt
dem Eingangstransistor in Emitterschaltung und der F i g. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung der Erfindern Eingangstransistor hachgeschaltete Transistor in dung,

Basisschaltung betrieben wird, die Basis des nach- F i g. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform der

geschalteten Transistors an festem Gleichspannungs- 20 Erfindung,

potential liegt und der Kollektor des Eingangstran- F i g. 3 ein Schaltbild einer anderen Ausführungssistors und der Emitter des nachgeschalteten Tran- form der Erfindung,

sistors über eine gemeinsame Impedanz an einem F i g. 4 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausfüh-

festen Gleichspannungspotential liegen. Zur Verrin- rungsform der Erfindung.

gerung der Ausgangsimpedanz wird das vom Kollek- 25 F i g. 1 zeigt einen Gleichspannungsverstärker 10 tor des nachgeschalteten Transistors abgenommene mit einer Eingangssignalquelle 12 und einem Ververstärkte Signal einer als Emitterfolger ausgebilde- braucher 14. Der Verstärker 10 enthält einen Einten Ausgangsstufe zugeführt. gangstransistor β1 vom NPN-Typ, dessen Emitter

Es ist auch bereits ein mehrstufiger galvanisch ge- geerdet ist und dessen Basis mit der Eingangssignalkoppelter Transistorverstärker mit einem Eingangs- 30 quelle in Verbindung steht. Der Kollektor des Trantransistor in Emitterschaltung bekannt, bei dem die sistors β1 ist mit dem Emitter eines NPN-Trandem Eingangstransistor nachgeschalteten Transistoren sistors β 2 verbunden, d. h., die Transistoren ßl und als Emitterverstärker arbeiten, wobei die Emitter- β 2 sind in Kaskade geschaltet. Der Kollektor des spannung der Basisspannung sehrt gut folgt. Transistors β 2 ist an eine Konstantstromquelle an-

Li der Technik besteht ein steigender Bedarf nach 35 geschlossen, die von einem NPN-Transistor β 3 gesogenannten Operationsverstärkern, die sich sowohl bildet ist, dessen Emitter über einen Widerstand Rl zur im wesentlichen verzögerungsfreien Verstärkung an einer positiven Spannung von +18V liegt und von HF-Signalen als auch zur Verstärkung von dessen Basis an einer positiven Spannung von 12 V Gleichspannungssignalen eignen und die einen mög- liegt. Der Verbraucher 14 steht mit den Kollektoren liehst hohen Verstärkungsfaktor sowie eine möglichst 40 der Transistoren Q 2 und β 3 in Verbindung. Da für geringe Leistungsaufnahme aufweisen sollen. den Transistor β 1 der Emitter des Transistors β 2

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines eine sehr niedrige Impedanz darstellt, ist die Span-Verstärkers der vorgenannten Art. nungsverstärkung des Transistors β 1 sehr niedrig,

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Transistor- wodurch der Transistor β 1 kaum merklich durch gleichspannungsverstärker der eingangs genannten 45 den Miller-Effekt beeinflußt wird. Auch der Tran-Art, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet sistor Q 2 wird durch den Miller-Effekt nicht beeinist, daß der dem Eingangstransistor nachgeschaltete flußt, da an der Basis des Transistors β 2 ja eine Transistor vom komplementären Leitfähigkeitstyp Gleichspannung liegt. Der Transistor β 2 arbeitet als ist und der Kollektor des nachgeschalteten Transi- Strom-Spannungs-Umsetzer, d.h., er setzt in seinem stors an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist. 50 Emitter auftretende Stromänderungen in Spannungsinsbesondere ist die Konstantstromquelle von einem änderungen um. Da der Transistor β 2 an eine Kon-Transistor gebildet, der vom gleichen Leitfähigkeits- stantstromquelle angeschlossen ist, bewirkt er eine typ wie der Eingangstransistor ist und dessen KoI- extrem hohe Verstärkung. Die Kollektorimpedanz lektor mit dem Kollektor des dem Eingangstransi- des Transistors β 2 sowie des die Konstantstromstor nachgeschalteten Transistors und dessen Basis mit 55 quelle bildenden Transistors β 3 kann nämlich sehr einem festen Gleichspannungspotential verbunden ist. groß sein, beispielsweise im Megohm-Bereich liegen,

Beim Verstärker nach der Erfindung sind die ein- da der an der Basis der Transistoren β 2 und β 3 zelnen Transistoren derart geschaltet, daß die Ein- eine feste Gleichspannung liegt. Beim Transistor β 3 gangskapazität der Transistoren durch den Miller- tritt ebenfalls kein Miller-Effekt auf, da an seiner Effekt nicht vergrößert wird. Der Miller-Effekt be- 60 Basis ein festes Gleichspannungspotential liegt,
ruht bekanntlich darauf, daß eine an der Basis eines Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung Transistors sowie an dem Kollektor dieses Tran- nach F i g. 1 sei angenommen, daß die Eingangssistors liegende Wechselspannung einen Anstieg der signalquelle 12 zunächst ein Ruhepegelsignal liefert, Eingangskapazität verursacht, wobei dieser Anstieg bei dem der durch die Transistoren ßl und β 2 um so größer ist, je höher die Spannungsverstärkung 65 fließende Strom gleich dem vom Transistor β 3 geist. Beim Verstärker nach der Erfindung weist der zogenen Konstantstrom ist, so daß der Verbraucher Eingangstransistor keinen merklichen Miller-Effekt 14 stromlos ist. Falls das Eingangssignal positiv wird, auf, da die Spannungsverstärkung des Eingangstran- steigt der Stromfluß durch die Transistoren β 1 und

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β 2 über den vom Transistor β 3 gezogenen Kon- In einem Beispiel sei angenommen, daß sich der stantstrom an, so daß aus dem Verbaucher 14 Strom Kollektorstrom des Transistors β 4 bei einer Basisgezogen und die Spannung an den Kollektoren der Signaländerung von 1 Millivolt etwa um 3 % ändert. Transistoren Q 2 und β 3 negativ wird. Falls anderer- Charakteristischerweise betrage die Kollektorimpeseits das Eingangssignal negativ wird, nimmt der 5 danz jedes der Transistoren β 5 und β 6 etwa durch die Transistoren β 1 und β 2 fließende Strom 3 Megohm. Beläuft sich der Ruhestrom im Transiab, so daß aus dem Verbraucher 14 Strom gezogen stör β 4 auf 0,5 mA, so bewirkt eine Änderung von und die Spannung an den Kollektoren der Transi- 1,0 Millivolt eine Kollektorstromänderung von 15 μΑ. stören β 2 und β 3 positiv wird. Wegen der hohen Der Transistor β 4 überträgt diese Änderung auf Impedanz der miteinander verbundenen Kollektoren io dem Verbindungspunkt der eine hohe Impedanz aufder Transistoren β 2 und β 3 kann die Spannungs- weisenden Kollektoren der Transistoren β 5 und β 6, verstärkung sehr hoch sein, beispielsweise können wobei die der Parallelschaltung entsprechende Impedie Spannungsschwankungen am Verbraucher 14 um danz gleich 3,0, 2 oder 1,5 Megohm ist. Dadurch den Faktor 10 000 oder mehr größer sein als die wird eine Spannungsänderung von
Spannungsschwankungen des Eingangssignals. 15

Mit der in F i g. 1 dargestellten Schaltung wird 1,5 · 10⁶ · (15 · ΙΟ"⁶) = 22,5 V
zwar eine sehr hohe Spannungsverstärkung bei Aus- .. .. .
schaltung des Miller-Effekts erzielt, jedoch treten oder eine Verstärkung von 22 500 hervorgerufen,
bei Gleichspannungseingangssignalen Pegelverschie- Aus der Erläuterung der in Fi g. 2. gezeigten bungen zwischen Eingang und Ausgang auf. Diese 20 Schaltung geht hervor, daß diese Schaltung einen Pegelverschiebungen sind bei der in Fig. 2 darge- Gleichstromverstärker mit hoher Verstärkung darstellten Ausführungsform der Erfindung dadurch aus- stellt, der nicht dem Miller-Effekt unterliegt, aus geschaltet, daß Transistoren von unterschiedlichem diesem Grund ein großes Gewinn-Bandbreite-Pro- · Leitfähigkeitstyp in Kaskade geschaltet werden. dukt besitzt und nur eine geringere Leistungsauf-

Bei der Schaltung nach F i g. 2 sind die in der 25 nähme hat. Die verbesserten Eigenschaften des VerSchaltung nach F i g. 1 mit Q1, Q 2 und β 3 bezeich- stärkers von F i g. 2 sind im wesentlichen der Kasneten Transistoren entsprechend als Transistoren kadenschaltung in Verbindung mit einer Konstantß4, β 5 und β 6 bezeichnet. Der Transistor β 4 ist stromquelle zuzuschreiben. . .
ein NPN-Transistor, dessen Kollektor über einen Die F i g. 3 zeigt einen Gleichspannungsdifferenz-Widerstand i? 2 mit einer positiven Spannungsquelle, 30 verstärker, der die Eigenschaften der in Fig. 2 gevon +12V verbunden und dessen Emitter geerdet zeigten Schaltung besitzt. Die Transistoren Q 7, β 8 ist. Die Basis des Transistors β4 ist mit dem Ein- und β9 von Fig. 3 entsprechen den Transistoren gang 16 verbunden. Der Kollektor des Transistors β4, β5 und β6 von Fig. 2. Ebenso entsprechen β4 ist mit dem Emitter des PNP-Transistors β5 die Widerstände R4 und RS in Fig. 3 den Widerverbunden, dessen Kollektor mit dem Kollektor des 35 ständeni?2 und R3 in Fig. 2. Die Schaltung von NPN-Transistorsß6 verbunden ist. Die Basis des F i g. 3 unterscheidet sich von der in F i g. 2 dadurch, Transistors β 5 und die Basis des Transistors β 6 sind daß die Konstantstromquelle von einem Transistor mit Gleichspannungsquellen von +6V bzw. — 6 V β 10 gebildet ist. Der Emitter des Transistors β 7 ist verbunden. Der Widerstand R 3 verbindet den Emit- mit dem Kollektor des NPN-Transistors β 10 verter des Transistors β 6 mit einer Quelle negativer 40 bunden. Der Emitter des Transistors β 10 liegt über Spannung von —12 V. Der Transistor β 6 stellt dem Widerstand R 6 an einer negativen Spannungseine Konstantstromquelle dar. Der Ausgang 18 ist quelle von —12 V. Die Basis des Transistors β 10 ist mit den Kollektoren der Transistoren β 5 und β 6 mit einer Quelle negativer Gleichspannung, die in verbunden. Fig. 3 eine Spannung von — 6V liefert, verbunden.

Falls am Eingang 16 ein Ruhesignalpegel liegt, 45 Neben dem zusätzlich vorhandenen Transistor β 10 fließt über den WiderstandR2 Strom in die Tran- unterscheidet sich die Schaltung von Fig. 3 von der sistorenß4 und Q5, wobei der Ruhestrompegel des in Fig. 2 noch durch die zusätzliche Verwendung Transistors β 5 gleich dem vom Transistor β 6 gelie- eines zweiten Eingangstransistors β 11 (die Tränierten Konstantstrom ist. Es fließt daher zunächst sistoren Q 7 und β 11 können die beiden Hälften kein Strom in den an einen Verbraucher (nicht dar- 50 eines Doppeltransistors sein). Der Transistor β 11 ist gestellt) angeschlossenen Ausgang 18. Falls das Ein- ein NPN-Transistor, dessen Emitter mit dem Emitter gangssignal beispielsweise nun positiv wird, fließt ein des Transistors β 7 verbunden ist. Der Kollektor des größerer Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke Transistors β 11 liegt an einer positiven Gleichspandes Transistors β 4, und der Strom in der Emitter- nung, beispielsweise an +6V, um den Miller-Effekt Kollektor-Strecke des Transistors β 5 wird verrin- 55 zu unterdrücken. An die Eingänge 20 und 22 wird gert. Der einen konstanten Strom ziehende Tran- ein Differentialeingangssignal gegeben. Die Einsistorß6 nimmt daher Strom über den Ausgang 18 gänge 20 und 22 sind in entsprechender Weise mit auf, und die Spannung an den Kollektoren der Tran- der Basis des Transistors Q11 und der Basis des sistoren QS und β 6 wird negativ. Wird andererseits Transistors β7 verbunden. Zwichen den Kollektoren das Eingangssignal, bezogen auf den Ruhepegel, 60 der Transistoren β 8 und β 9 ist ein Ausgang 24 vornegativ, so nimmt der über die Kollektor-Emitter- gesehen.

Strecke des Transistors β4 fließende Strom ab und Beim Betrieb der Schaltung von Fig. 3 sorgt der

der durch den Transistor β 5 fließende Strom zu. einen konstanten Strom ziehende Transistor β 10

Der der Zunahme entsprechende Stromanteil kann dafür, daß die Summe der aus den Transistoren β 11 durch den Transistor ß6 nicht aufgenommen wer- 65 und β7 fließenden Ströme konstant bleibt. Erscheint

den und fließt zum Verbraucher, so daß die Span- kein Differentialeingangssignal an den Eingängen 20

nung an den Kollektoren der Transistoren ß5 und und 22, so fließt durch die Transistoren β 11 und ß7

β 6 positiv wird. ein Ruhestrom, der vorzugsweise in beiden Transi-

Claims (3)

1. 5 6

   stören gleich groß ist. Wird die Spannung am Ein- liegenden Erfindung wurden folgende Transistortypen

   gang 20 positiver als die Spannung am Eingang 22, und Schaltelemente verwendet:

   dann nimmt der Strom durch den Transistor β11 ..

   zu, wobei sich der Strom durch den Transistor β 7 Widerstände

   verringert. Dies führt zu einer positiven Spannungs- 5 Rl 3 kQ

   änderung an den Kollektoren der Transistoren β 8 R 8 6kQ

   und Q9, so wie dies im Zusammenhang mit der R9 3 kQ

   Schaltung von P i g. 2 beschrieben worden ist. Wird R10 IkQ

   andererseits die Spannung am Eingang 20 im Ver-

   gleich zur Spannung am Eingang 22 negativ, so iö Transistoren

   nimmt der Strom durch den Transistor β11 ab, und Q12-Q16 2 N 4044

   der Strom durch den Transistorβ 7 steigt an. Am Q13 2N3502

   Ausgang 24 ergibt sich in der oben beschriebenen gl4 ..................
2. 2 N 2483

   Weise dann eine negative Spannungsänderung. q 55 2 N 2483

   F i g. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der 15 q j/7 2 N 2483

   vorliegenden Erfindung. Die Aüsführungsform nach QlS 2N3502

   F i g. 4 enthält die Schaltung von F i g. 3 und besitzt

   eine Ausgangsschaltung, die eine niedrige Ausgangs- Eine Ausführungsform mit den obigen Schaltimpedanz schafft. Die Transistoren Q12, Q13, Q14, elementen besitzt eine Leerlaufverstärkung von β 15 und QId in Fig. 4 entsprechen den Transi- 20 10 000. Ferner besitzt die Ausführungsform ein Frestorenß7, Q8, Q9, β 10 und QtL von Fig. 3. quenzverhalten, bei dem ohne Frequenzausgleich eine Ebenso entsprechen die Widerstände R 7, R 8 und R 9 Rückkopplungsschleife angeschlossen werden kann, von Fig. 4 den Widerständen R4, RS und R6 von so daß ein Inverter mit der Verstärkung 1 entsteht. Fig.
3. 3. Es Wurde erwähnt, daß die Schaltungen von Der Inverter besitzt eine Gesamtverzögerungszeit von F i g. 2 und 3 eine hohe Ausgangsimpedanz besitzen, as 5 bis 10 Nanosekunden und eine Anstiegszeit von Um eine niedrige Ausgangsimpedanz zu schaffen, ist 15 Nanosekunden. Die gesamte Leistungsaufnahme in der in F i g. 4 gezeigten Schaltung eine Ausgangs- des Verstärkers liegt in der Größenordnung von schaltung vorgesehen, welche die Transistoren QlI 25Milliwatt. Andererseits ergibt diese Ausführungsund β 18 enthält. Der Transistor Q17 ist ein NPN- form eine Leerlaufverstärkung von etwa 400 000 bei Transistor, dessen Kollektor mit einer positiven 30 einem oberen Frequenzabfall von etwa 30 bis 50 kHz Gleichspannung von +12 V verbunden ist. Die Basis und bei einer Leistungsaufnahme von etwa 25 MiIH-des Transistors Q17 ist mit dem Kollektor des Tran- watt,
   sistors ßl3 verbunden. Ein Widerstand R10 ist

   zwischen die Kollektoren der Transistoren Q13 und Patentansprüche:

   β 14 gesckaltet. Der Emitter des Transistors QIf ist 35 -

   mit dem Ausgang 30 verbunden. Der Transistor Q18 1. Transistorgleichspannungsverstärker mit in

   ist eia PNP-Transistor, dessen Emitter ebenfalls mit Kaskade geschalteten Transistoren, bei dem der

   dem Ausgang 30 und dessen Kollektor mit einer nega- Eingangstransistor in Emitterschaltung und der

   tiven Gleichspannung von —12 V verbunden ist. Die dem Eingangstransistor nachgeschaltete Transi-

   Basis des Transistors Q18 ist mit dem Kollektor des 40 stör in Basisschaltung betrieben wird, die Basis

   Transistors Q14 verbunden. des nachgeschalteten Transistors an festem Gleich-

   Auf Grund der Tatsache, daß die Kollektoren der Spannungspotential liegt, der Kollektor des EinTransistoren Q17 und Q18 mit Gleichspannungs- gangstransistors und der Emitter des nachgeschalquellen verbunden sind, Unterliegen sie nicht dem teten Transistors über eine gemeinsame Impedanz Miller-Effekt. Zieht der Transistor Q13 in der Schal- 45 an einem festen Gleichspannungspotential liegen rung von F i g. 4 mehr Strom, als der einen konstan- und das Ausgangssignal vom Kollektor des nachten Strom ziehende Transistor Q14 aufnehmen kann, geschalteten Transistors abgenommen wird, d a so wird der überschüssige Stromameil als Basisstrom durch gekennzeichnet, daß der dem Einzum Transistor «317 geleitet, wobei Strom zum Aus- gangstransistor (Q 4) nachgeschaltete Transistor gang 30 fließt und dort eine positive Spannungsände- So (QS) vom komplementären Leitfähigkeitstyp ist rung auftritt. Zieht der Transistor Q13 andererseits und der Kollektor des nachgeschalteten Transiweniger Strom, als der Transistor Q14 aufnehmen stors an eine Konstantstromquelle angeschlossen kann, dann zieht der Transistor Q18 Strom vom ist.

   Ausgang ab, so daß dort eine negative Spannungs- ' 2. Transistorgleichspannungsverstärker nach

   änderung auftritt. Der Widerstand R10 dient dazu, 55 Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß die

   Überkreuzverzerrungen zwischen den Transistoren Konstantstromquelle von einem Transistor (Q 6)

   QIl und QlS zu vermeiden. Das heißt, der Span- gebildet ist, der vom gleichen Leitfähigkeitstyp

   nungsabfall am Widerstand R10 vermindert die zur ist wie der Eingangstransistor (ß4) und dessen

   Änderung des LeitFdhigkeitszustandes zwischen den Kollektor mit dem Kollektor des dem Eingangs-

   Transistoren Q17 und β 18 benötigte Spannungs- 60 transistor nachgeschalteten Transistors (ß5) und

   änderung. dessen Basis mit einem festen Gleichspannungs-

   Bei einer typischen Aüsführungsform der vor- potential verbünden ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen