DE1541488B2 - Monolithisch-integrierte halbleiter-verstaerker-schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine monolithischintegrierte Halbleiter-Verstärker-Schaltung mit einem Eingangstransistor und einem Ausgangstransistor in Kaskodenschaltung sowie einem Regeltransistor, bei der der Eingangstransistor in Reihe mit dem Regeltransistor und dem Ausgangstransistor geschaltet ist, wobei der durch den Eingangstransistor fließende Gesamtstrom gleich der Summe der durch den Regeltransistor und den Ausgangstransistor fließenden Ströme ist, und wobei der Regeltransistor eine Vorspannung zur Konstanthaltung dieses Summenstromes erhält.

Verstärker, insbesondere Zwischenfrequenzverstärker, mit zwei oder mehreren in Kaskode geschalteten Stufen, von denen eine oder mehrere geregelt werden, haben im Betrieb bekanntlich den Nachteil, daß sich eine konstante Eingangsimpedanz und eine konstante maximale Sättigungseingangsleistung bezüglich der Eingangsstufe des Verstärkers außerordentlich schwierig aufrechterhalten läßt, wenn die Regelspannung verändert wird. Dies gilt für Schaltungen, die mit einzelnen aktiven und passiven Bauelementen aufgebaut sind ebenso wie für integrierte Halbleiterschaltungen. Ein bekannter Verstärker der erwähnten Art hat in Kaskode geschaltete Eingangsund Ausgangstransistoren, die bezüglich der Regelspannung symmetrisch geschaltet sind. Bei einer Änderung der Regelspannung ändert sich auch gleichzeitig der Widerstand des Eingangs- und des Ausgangstransistors und damit die Eingangsimpedanz und die der Eingangsstufe des Verstärkers zugeführte maximale Eingangsleistung.

Durch die USA.-Patentschrift 3 210 683 ist eine ίο Transistor-Verstärker-Schaltung mit einem Eingangsund Ausgangstransistor in Kaskodenschaltung bekanntgeworden, bei der ein Regeltransistor parallel zum Ausgangstransistor und damit gleichzeitig ebenso wie der Ausgangstransistor in Reihe mit dem Eingangstransistor liegt. Es ist eine Verstärkungsregeleinrichtung vorgesehen, die Mittel zur Veränderung der Vorspannung an dem Regeltransistor enthält, um dadurch den Stromfluß in dem Regeltransistor und dem Ausgangstransistor zu ändern, ohne daß dabei der Stromfluß im Eingangstransistor geändert wird. Der Strom durch den Eingangstransistor entspricht dabei der Summe der Ströme, die durch den Regel- und den Ausgangstransistor fließen. Die bekannte Schaltung bewirkt somit, daß die Verstärkereingangsimpedanz und die Eingangsleistung bei Veränderungen der Regelspannung konstant bleiben.

Wenn die bekannte Schaltung bei einer konstanten Temperatur arbeitet, wird die Eingangsimpedanz und -leistung im wesentlichen von der Regelschaltung konstant gehalten. Bekanntlich sind jedoch elektronische Schaltungen großen Temperaturschwankungen in einem weiten Bereich ausgesetzt, wobei insbesondere die Transistorenschaltungen relativ empfindlich auf die Temperaturschwankungen reagieren.

Bezogen auf die vorgenannte Verstärkerschaltung bedeutet dies, daß sich der an sich konstant zu haltende Strom im Eingangstransistor und damit dessen Eingangsimpedanz mit der Temperatur in nachteiliger Weise ändert.

Nun ist es zwar an sich bekannt, im Basiskreis eines Transistors eine Diode zum Zwecke der Temperaturkompensation vorzusehen. Es ist jedoch unmöglich, einzelne separate Halbleiter so aufeinander abzustimmen, daß eine ausreichende Temperaturkompensation über einem weiten Temperaturbereich aufrechterhalten werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem bekannten Verstärker nach der angegebenen USA.-Patentschrift, diesen Verstärker so auszubilden, daß die Eingangsimpedanz bzw. -leistung auch über einem weiten Temperaturbereich ausreichend konstant gehalten werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der bekannte Verstärker als monolithisch-integrierte Halbleiterver-Stärkerschaltung ausgeführt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine leitend vorgespannte, aus demselben Halbleiterträgerplättchen herausgearbeitete Halbleiter-Diode parallel zur Emitter-Basis-Verbindung des Eingangstransistors liegt und p- und n-Bereiche besitzt, die in ihren Leitfähigkeitscharakteristiken im wesentlichen mit den Leitfähigkeitscharakteristiken der jeweiligen p- und η-Bereiche von Basis und Emitter des Eingangstransistors übereinstimmen.

Nach der Erfindung ist der Verstärker insgesamt einschließlich des Temperaturkompensationsgliedes der Diode als monolithisch-integrierte Schaltung aufgebaut, dessen Eingangs- und Ausgangstransistoren

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ebenso wie der Regeltransistor und die Halbleiter- gut überein und zeigen das gleiche Temperaturvervorrichtung zur Temperaturkompensation auf einem halten, wodurch sich eine konstante Vorspannung gemeinsamen Träger aus Halbleitermaterial in glei- am Emitter-Basis-Übergang des Eingangstransistors eher Weise ausgebildet sind, wobei der Regeltran- 24 aufrechterhalten läßt. Der p- und η-Bereich von sistor mit den Eingangstransistoren und Ausgangs- 5 Basis und Emitter des Eingangstransistors 24 haben transistoren zur Veränderung der Verstärker verbun- also im wesentlichen gleiche elektrische Charakteden ist. Es läßt sich daher eine extrem genaue Tem- ristiken wie der p- und η-Bereich der Halbleiterperaturanpassung über einen großen Temperatur- diode 19. Dieses Merkmal ermöglicht es, daß die bereich erzielen, da insbesondere bezüglich des Ein- Halbleiterdiode 19 das Temperaturverhalten des Eingangstransistors und der kompensierenden Halb- io gangstransistors 24 kompensieren kann, wodurch in leiterdiode hinsichtlich Dotierung weitgehend gleich- der Schaltung eine konstante Eingangsimpedanz erartig sind. Die Verstärkung läßt sich verändern, ohne reicht wird.

daß die Rauschzahl und die Bandbreitenstabilität des An den Kollektor 27 des Eingangs transistors 24 Verstärkers beeinflußt wird und ohne daß große sind ein Paar symmetrisch gekoppelte npn-Transisto-Koppelkapazitäten in der integrierten Schaltung er- 15 ren 32 und 42 angeschlossen, so daß die Transistoren forderlich wären. Zweckmäßig ist bei dieser Schal- 24 und 42 (in Emitterschaltung) in Kaskode geschaltung, daß der Emitter des Eingangstransistors mit tet sind. Diese Transistoren bilden die Eingangs- und einem Bezugspotential verbunden und die Halbleiter- Ausgangsstufen des ZF-Verstärkers. Mit den KoI-Diode zwischen die Basis des Eingangstransistors und lektoren 31-39 der Transistoren 32 und 42 ist die das Bezugspotential geschaltet ist, um den Arbeite- 20 positive Klemme einer Spannungsquelle VS verbunpunkt des Eingangstransistors einzustellen. den. Im Kollektorkreis des Transistors 42, des Aus-Zusätzlich ist vorteilhaft, daß ein Widerstand zwi- gangstransistors liegt außerdem ein Ausgangsüberschen die Halbleiter-Diode und die Basis des Ein- trager Γ 2 mit den Wicklungen 36 und 37. Über einen gangstransistors geschaltet ist, um zusammen mit der Widerstand 53 ist eine Regelspannungsquelle 55 mit Halbleiter-Diode für eine geringe vorwärts gerichtete 25 der Basis 30 des Transistors 32 verbunden, an der Vorspannung an dem Eingangstransistor zu sorgen. die Widerstände 50 und 53 einen Spannungsteiler für Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten die Regelspannung bilden. Mit den Basen 30, 40 der der Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen Transistoren 42 und 32 sind jeweils Überbrückungsvon Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden kondensatoren 44 und 52 verbunden, die für die Beschreibung. Es zeigt 30 Basen dieser beiden symmetrisch gekoppelten Tran-Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen sistoren wechselstrommäßige Masseverbindung dar-Zwischenfrequenzverstärkers, stellen.

F i g. 2 eine Draufsicht auf den in monolithischer Der eine Rückkopplungsschleife darstellende integrierter Halbleiterschaltung ausgeführten Ver- Widerstand 35 dient der Vorspannungsstabilisierung stärker. 35 für den Verstärker und wirkt in Verbindung mit dem Der Eingangstransistor 24 ist an eine Signalquelle Kondensator 58 als Entkopplung der Verstärkerangeschlossen und in Kaskodenschaltung mit einem stufen von der Spannungsquelle VS. Ausgangstransistor 42 verbunden und dient der Ver- Wird die Regelspannung an der Basis des Regelstärkung des Eingangssignals. Parallel zum Ausgangs- transistors 32 erhöht, so sinkt der Widerstand dieses transistor liegt eine Regelschaltung, die in gleicher 40 Transistors, und der Widerstand des Ausgangstransi-Weise wie der Ausgangstransistor 42, jedoch ab- stors 42 steigt an; damit sinkt der Ausgangsstrom umweichend von der Schaltung des Eingangstransistors, gekehrt proportional und im gleichen Maße wie die geschaltet ist. Wird die Regelspannung zur Verände- Stromänderung im Regeltransistor 32. Da die Summe rung der Verstärkung variiert, so verändern sich die der in den Transistoren 32 und 42 fließenden Ströme in der Regelschaltung und im Ausgangstransistor 42 45 gleich dem gesamten im Eingangstransistor 24 fliefließenden Ströme unterschiedlich, während der in ßenden Strom ist, ändert sich der Strom im Eingangsdem Eingangstransistor 24 und dem Widerstand 14 transistor 24 nicht, so daß auch keine Änderung der fließende Strom unverändert bleibt. Somit bleibt die Eingangsimpedanz des Eingangstransistors 24 auf-Eingangsimpedanz der Eingangsstufe und die Ein- tritt. Sinkt die Regelspannung an der Basis des gangsleistung bei einer Veränderung der Verstärkung 50 Regeltransistors 32, so steigt der Strom durch den in einem weiten Bereich konstant. Ausgangstransistor 42 im gleichen Maße wie der Bei der in F i g. 1 dargestellten erfindungsgemäßen durch den Regeltransistor 32 fließende Strom abfällt. Ausführungsform ist der Eingangstransistor 24 als So läßt sich die Verstärkung des Kaskodenverstärkers npn-Transistor in Emitterschaltung ausgebildet. Er ohne Beeinflussung der Verstärkereingangsstufe verist über die Transformatorwicklungen 11 und 12 an 55 ändern.

eine Eingangssignalquelle angeschlossen. Parallel zur F i g. 2 veranschaulicht eine monolithische HaIb-

Transformatorwicklung 12 liegt ein Vorspannungs- leerschaltung für einen 60-Megahertz-ZF-Verstär-

widerstand 14. Zwischen diesen Widerstand und der ker; es sind die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1

Masse ist eine Halbleiterdiode 19, die z.B. durch verwendet.

einen Transistor mit kurzgeschlossener Kollektor- 60 Der Verstärker ist auf einem Trägerplättchen auf-

Basis-Verbindung gebildet werden kann, geschaltet, gebaut. Die Ausbildung der Transistoren 24, 32 und

die eine stabilisierte Rückkopplungsvorspannung zur 42 kann in bekannter Weise vor sich gehen. Die

Einstellung des Ruhestroms in dem Kondensator 17 η-leitenden Bereiche der Diode 19 und der Transi-

liefert. Die Halbleiterdiode 19 ist zusammen mit dem stören können durch Maskierung, Diffusion, Legie-

Eingangstransistor 24 aus derselben Halbleiterplatte 65 rung oder Epitaxialverfahren ausgebildet werden,

herausgebildet. Dadurch stimmen die Stromspan- Das gleiche gilt für die p- und η-leitenden Schichten,

nungscharakteristik der Halbleiterdiode 19 und des die anschließend auf der ursprünglichen n-Ieitenden

Emitter-Basis-Übergangs des Eingangstransistors 24 Schicht erzeugt werden.

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Das von der Transformatorwicklung 12 korn- 42 verbunden. Der Ausgangsübertrager Tl und der mende Eingangssignal wird auf die Eingangsklem- Kondensator 58 bilden keinen Teil der in Fig. 2 men 5 und 6, zwischen denen der Widerstand 14 dargestellten integrierten Schaltung,
liegt, geführt. Zwischen der Klemme 5 und den Die drei Kondensatoren 17, 44 und 52 sind durch Basis- und Kollektor-Bereichen 20 der aus einem 5 verschiedene Dünnschichtlagen aus Metall-Glas-Transistor gebildeten Halbleiterdiode 19 verläuft ein dielektrikum-Metall gebildet und haben eine spezi-Leiter 15. fische Kapazität von etwa 0,47 nF/mm². Bezüglich

Die Kollektor-Basis-Übergänge des als Diode 19 der restlichen Verstärkerschaltung haben diese Kongeschalteten Transistors sind kurzgeschlossen. Bei densatoren die gleiche Verbindung wie in Fig. 1, Anliegen einer Durchlaßspannung enthält der flie- io und sie sind im Bereich 63, der über die Klemme 64 ßende Strom hauptsächlich Minoritätsträger (Elek- geerdet ist, isoliert. Die Transistoren 24, 32 und 42 tronen), die in die p-leitende Basisschicht injiziert und die Diode 19 sind gleichfalls von besonderen werden. Der η-leitende Emitter 21 der aus einem Isolationsbereichen 65 bis 68 umgeben.
Transistor gebildeten Diode 19 ist über den Leiter 22 In dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mit der an der Klemme 9 liegenden Masse verbunden. 15 einer monolithischen Schaltung wurden die nach-

Der Eingangstransistor 24 ist aus Schichten n- und stehenden Schaltungswerte benutzt. Die unten ange-

p-leitenden Materials 25 bis 27 gebildet. Die n-lei- führten Werte für die monolithischen Transistoren

tende Emitterschicht 25 ist über den Leiter 23 mit der beziehen sich auf die Transistoren 24, 32 und 42 und

Masseklemme 54 verbunden. Die p-leitende Basis- die aus einem Transistor geschaltete Diode 19.
schicht 26 liegt über den Leiter 13 an einem Ende 20

des Widerstandes 14, und die η-leitende Kollektor- labelle 1

schicht 27 liegt über den Leiter 28 an den η-leitenden Widerstände 48, 50, 56 3 kß

Emittern 29 und 41 der Transistoren 32 bzw. 42. Widerstand 35 1 kQ

Die p-leitende Basiszone 40 des Ausgangstransi- Widerstand 53 20 kQ

stors 42 ist über den Leiter 49, den Widerstand 48 25 Kondensatoren 44, 52 100 pF

und die Leitung 47 an die Eingangsklemme 5 und Kondensator 17 150 pF

eine Klemme des Kondensators 17 geschaltet. Der Kondensator 58 270 pF

Leiter 49 verzweigt sich vorher zur Verbindung mit Emitterstrom 1 mA

den Widerständen 50 und 56, die im Basis- bzw. Spannung (Kollektor-Basis) 4 V

Kollektorkreis des Regeltransistors 32 liegen. In die- 30 Basislängswiderstand 40 Ω

sen Kreisen liegen auch die Widerstände 53 und 35 Kollektor-Basis-Kapazität 1 pF

der Regelschaltung bzw. der Spannungsversorgung. Träger-Kollektor-Kapazität 5 pF

Der zur Versorgungsschaltung gehörende Wider- Dynamischer Emitterstand 35 hat eine Mittel anzapfung 60 und einen Übergangswiderstand 26 Ω

äußeren Anschluß 61, so daß der. zwischen der Span- 35 Widerstand 14 800 Ω

nungsquelle + VS und den Kollektoren der Transi- Widerstand 14 6000 Ω

stören 32 und 42 liegende effektive Widerstand gegebenenfalls verändert werden kann. Durch die Erfindung wird ein Verstärker mit ver-

Die Ausgangsklemme 7 und 8, an die die Trans- besserten Rausch- und Regeleigenschaften geschaf-

formatorwicklung 36 und der Kondensator 58 ange- 40 fen, der eine gute Bandbreitenstabilität hat und sich

schlossen sind, sind über die Leiter 38 bzw. 34 mit ausgezeichnet zur Ausführung in integrierter Schal-

den η-leitenden Kollektoren der Transistoren 32 bzw. rung eignet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Monolithisch-integrierte Halbleiter-Verstärker-Schaltung mit einem Eingangstransistor und einem Ausgangstransistor in Kaskodenschaltung sowie einem Regeltransistor, bei der der Eingangstransistor in Reihe mit dem Regeltransistor und dem Ausgangstransistor geschaltet ist, wobei der durch den Eingangstransistor fließende Gesamtstrom gleich der Summe der durch den Regeltransistor und den Ausgangstransistor fließenden Ströme ist, und wobei der Regeltransistor eine Vorspannung zur Konstanthaltung dieses Summenstromes erhält, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitend vorgespannte, aus demselben Halbleiterträgerplättchen herausgearbeitete Halbleiter-Diode (19) parallel zur Emitter-Basis-Verbindung des Eingangstransistors (24) liegt und p- und η-Bereiche besitzt, die in ihren Leitfähigkeitscharakteristiken im wesentlichen mit den Leitfähigkeitscharakteristiken der jeweiligen p- und η-Bereiche von Basis und Emitter des Eingangstransistors (24) übereinstimmt.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Eingangstransistors (24) mit einem Bezugspotential verbunden und die Halbleiter-Diode (19) zwischen die Basis des Eingangstransistors (24) und das Bezugspotential geschaltet ist, um den Arbeitspunkt des Eingangstransistors (24) einzustellen.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (14) zwischen die Halbleiter-Diode (19) und die Basis des Eingangstransistors (24) geschaltet ist, um zusammen mit der Halbleiter-Diode (19) für eine geringe vorwärts gerichtete Vorspannung an dem Eingangstransistor (24) zu sorgen.