DE1562109A1

DE1562109A1 - Pufferverstaerker mit einem Feldeffekt-Transistor

Info

Publication number: DE1562109A1
Application number: DE19671562109
Authority: DE
Inventors: Townsend Stephen Earl
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1966-08-01
Filing date: 1967-08-01
Publication date: 1969-10-02
Also published as: NL6710292A; US3457520A; GB1189515A; DE1562109B2

Description

Dipl. Inp.. F. w-1- ., ·... _?-„ α xti,;._t„_11on _SB Dif,!.U. ::.ν/,,ίΛ-;..,,,,-._Η:.;Λ ., . ...',.

Dipl.-Jng. F. A. Welckmann

W--Chem. B. Huber
XEROX COKPORAOlIOIi

R ο c h e s t e r, N. Y. 14 603

USA - ' "

Puif fery er stärker mit einem^ Peldef f ekt-Transistor

Die Erfindung "bezieht sich auf Pufferverstärker, insbesondere auf eine Einrichtung zur wirksamen Steuerung des Spannungspegels an der Gate-Elektrode eines Felaeffekt-Transistors ohne Anlegen einer unzulässigen Belastung an den Eingang des Transistors.

Bei den "bekannten transistoren, die im allgemeinen ""bipolare" Transistoren genannt werden, "bestehen die Vorgange im Inneren in einer Bewegung von Elektronen und löchern. In jüngster Zeit wurde jedoch der PeId ei' fekt-'ir anbist or wegen "bestimmter "Vorteilhafter Eigenschaften von den Entwicklungsingenieuren in zunehmendem Maße verwendet. Bei einem Peldeffekt-'i'ransistor "bewegen sich nur die Iiadtüigsträger, "beispielsweise die Elektronen. Eine derartige Arbeitsweise kommt derjenigen der üblichen Elektronenröhre nahe. Die Elektroden des Peldeffekt-Transistors, die als G-a te -Elektrode, Drain-Elektrode und Source-Elekbrode "bezeichnet werden, entsprechen dem Gitter, der Anode und der Kathode der Elektronenröhre. Unter einem Feldeffekt-Transistor kann man einen Halbleiter verstehen, dessen Leitfähigkeit durch

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eine oder mehrere angelegte. Spannungen gesteuert wird. Während Elektronenröhren Anodenstromänderungen durch angelegte Gitterspannung erfahren, zeigen^ Peldeffekt-iransistören analoge Eigenschaften.

Feldeffekt-Transistoren werden von den Entwicklungsingenieuren wegen ihres hohen Eingangswiderstandes ähnlich dem einer Elektronenröhre vorzugsweise verwendet, weilMntereinandergeschalte te Stufen keine meßbare Belastung auf vorhergehende Stufen ausüben. Beim Feldeffekt-Transistor wird jedoch keine Heizleistung wie "bei einer Elektronenröhre benötigt, wodurch sein Leistung sver br auch geringer ist. Während der Vorteil des hohen Eingangswiderstandes bei Feldeffekt-Transistoren für bestimmte Anwendungsfälle erwünscht ist, tritt jedoch zusätzlich in Feldeffekt-Transistoren eine Verschiebung des Signalpegels durch den Übertragun^sleitwert auf. In einer Schaltung, in der ein Feldeffekt-Transistor als Trennstufe verwendet wird, beispielsweise zwischen geringer und noher Impedanz, also in Form eines Kathodenfolgers oder Emitter!olgers, is~ö eine solche Vercchiebung der Spannung oder des bignalpegels unerwünscht. Es kann eine äußere Stromversorgung über ein WiderStandsnetzwerk angeschlossen werden, dadurch, wird jedoch unnötigerweise eine Belastung der Gate-Elektrode des Feldez'iekt-Transistors hervorgerufen. Dadurch wird der hohe Einpengswiderstand des Feldeffekt-Transistors, der seine vorzugsweise Verwendung rechtfertigt, in schädlichem Maße beeinträchtigt.

Die Erfindung betrifft nun eine Pufferverslärkerschaltung mit einem Feldeffekt-Transistor eines Leitfähigkeitstyps mit Gate-,

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Drain- und Souree-Elektrode und einem Übertragungsleitwert zwischen Gate- und Source-Elektrode, der eine Verschiebung des Signalpegels verursacht. Diese Schal tun-" ist gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß zwischen Verstärkereingang und Gate-Elektrode des Feldeffekt-Iransistors eine Quelle für eine kompensierende Vorspannung vorgesehen ist, deren Pegel eine Kompensation der Verschiebung des Signalpegels im Feldeffekt-Transistor bewirkt.

Im folgenden v/ird ein Ausführungsbei spiel der erfindungsgeinäßen Schaltungsanordnung an Hand der figuren "beschrieben.

Fir.i seigt ein Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgeraaJsen Prinzip arbeitenden £u-»."£ervej:stärkers und

Έ±['. 2 ri-öigt die er Hindun« srei.U.i^ bchaltun/rsanordnunfj eier: J-'uf-.i.erverstärkers«

In ΙΊ_;. 1 isx ::- :: - c-k::c->el";l)ild eines nach dem e:.-finduiigogemüiien PrinziiJ arbcixeiiuen Pn.ii'^rverstl.riiers darre stellt. Der ;iit eine... :_vl üi-cilrt-Iraiicictor arbei'tei.ac- Verstärke:: V₁-'J:aiin -it einer belieai^en Scr-ltim^xa^oi-dnunf aufgebaut sein, bei der jedoch air .j::c ut Stui.'e ein -eldeilc-t-Transistor verwenaet .:ira. Dos L'iii_!.;.j,,:£.;-i:mal wird v-.i^i'jtija-j.t und einer Uutzun-g.sein-EiahtJin; 16 bejcaauiter Art unc 'Aii^tion i,u :-c:;:uhrt„ Hit dem Ver-.^tLlrksr 14 und der I.utsim_i-£ei:iric..t\;n_!\- 1b i^t ein Stromversoruii. ι:..or:-".t 1c v.^'b-m-ien, dac lc:.chiV.lli.3 in bekannter Weise auf . c--oaut IlVi; u:i-..t tie öcnaltuui. cn ηΐτ uoj· ^_-io::derlichen Betriebs^a"^:Kr;t· 909840/1358

Der mit dem Feldeffekt-Transistor arbeitende Verstärker 14 kann' Ί

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in anderer Ausführung auch in Form einer einzigen Verstärker- ^l* stufe mit Feldeffekt-Transistor aufgebaut sein. Die HutzungseiB.-richtung 18 empfängt die Ausgangssignale des Verstärkers 14. Im vorliegenden Falle arbeitet der Feldeffekt-Transistor.ähnlich einem in üblicher Weise mit einer Elektronenröhre aufgebauten Kathodenfolger. Der Feldeffekt-Transistor arbeitet dabei im wesentlichen als eine Einrichtung zur Widerstandsanpassung einer Eingangsschaltung mit hoher Impedanz an eine Schaltung mit niedriger Impedanz, beispielsweise die Nutzungseinrichtung 18, ohne selektiv für eine bestimmte Wechselstromfrequenz zu wirken. Die Ausgangsspannung des Feldeffekt-Transistors 14 kann geringer sein,als seine Eingangsspannung, wobei jedoch eine * Leistungsverstärkung immer noch möglich ist.

Besteht das der Schaltung gemäß Fig.1 zugeführte Eingangssignal aus einer Wechselspannung veränderlicher Amplitude oder einem zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung sich ändernden Gleichspannungssignal, und ist die Hutzungseinrichtung 18 eine Schaltung mit geringem Eingangswiderstand, so muß eine Einrichtung zur Impedanzanpassung in Form eine«'Feldeffekt-Transistors verwendet werden, um eine Beeinträchtigung des Signals durch Impedanz-Fehlanpassung zu vermeiden. Der Feldeffekt-Transistor ist speziell zum Aufbau von Schaltungen zurAiipassung hoher Impedanzen an geringe Impedanzen geeignet, da seine Eigenschaften die Umsetzung eines Eingangssignals hoher Impedanz in ein Ausgangssignal geringer Impedanz ermöglicht, während die Eigenschaften einer Halbleiteranordnung beibehalten werden. Im Gegensatz zu einer üblichen Elektronenröhre benötigt der FeId-

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sffekt-Transistor keine Heizleistung und verursacht daher nicht den entsprechend hohen Leistungsverbrauch.

Ein Nachteil "bei der Verwendung «ines i'eldeffekt-Trunsistors als Einrichtung zur Impedanzanpassung besteht in der durch ihn bewirkten Verschiebung des Signalpegels. Dieser kann auch bei dem sehr günstigen hohen Eingangswiderstand den wirtschaftlichen Wert bei der Verwendung des I'eldeffekt-Transistors als Iinpedanzanpassungseinrichtung beeinträchtigen. Eine Lösung des Problems des Signalabfalls in einem Feldeffekt-Transistor besteht in einer Verschiebung der Vorspannung am Eingang des Transistors. Der Signalverlust des I'eldeffekt-Transistors wird auf diese Weise durch Verwendung der verschobenen Vorspannung ausgeglichen, so daß das Aiisgangssignal dem Eingangssignal entspricht und die Impedanz-Pöhlaiiassung kompensiert ist.

Die vorstehend beschriebeneMöglichkeit ist nicht immer zufriedenstellend, da die Stromversorgung normalerweise nicht die hohe Impedanz des I'eldeffekt-Transistors aufweist. Dies bedeutet, daß die Verwendung einer besonderen Leitung vom Stromversorgungsteil zum Eingang oder Gate-Elektrode des I'eldeffekt-Transistors auoh mit einem Reihenwiderstandsnetzwerk immer noch eine im Vergleich zum Eingangswiderstand des I'eldeffekt-Transistors geringe Impedanz darstellt. Eine dsrartige Verwendung der Stromversorgung der Schaltung beeinträchtigt deshalb den hohen Eingangswiderstand des I'eldeffekt-Transistors und den damit verbundenen Vorteil seiner Verwendung. Dadurch kann sich eine Signalverzerrung ausbilden, da das Ausgangssignal der Quelle mit hohem Innenwiderstand nicht auf den hohen Eingangswiderstand des PeId-

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effekt-Transistors sondern auf die Kombination dieses hohen Eingangswiderstandes und den relativ geringen Widerstand der Stromversorgung und deren Vorwiderstand geschaltet wird. Die Quelle für die Vorspannung muß daher von der Stromversorgung . getrennt werden, um den, Singangswiderstand des [Transistors nicht zu beeinträchtigen. Die Quelle 12 für die Vorspannung ist deshalb an eine Kopplungsanordnung 10 angeschaltet, so daß die Vorspannung auf den Eingang des Feldeffekt-Transistors geschaltet wird, ohne dessen hohen Eingangswiderstand zu verringern. Die Kopplungseinrichtung 10 kann beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Wechselstrom- oder sich ändernden Gleichstromsignalen sein, die ohne Signalverringerung oder -Verzerrung arbeitet. Die Wuelle 12 für die Vorspannung kann eine einfache Gleiehspannungbatterie sein, deren Potential so hoch ist, daß es die Verschiebung des Signalpegels im Feldeffekt-Transistor 14 ausgleicht.

In Pig.2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die gemUB der Erfindung nach dem in Pig.1 gezeigten Prinzip arbeitet. Eine Batterie, wie sie im Zusammenhang mit Fig.1 genannt vurde, stellt eine einwandfreie Vorspannungsquelle dar. Batterien behalten jedoch nicht ihre Spannung für einen langen Zeitraum bei, und daher ist am Eingang des i'eldeffekt-Transistors eine Schaltungsanordnung erwünscht, die eine Verschiebung der Vorspannung ohne Erzeugung einer unnötigen parallelgeschalteten last bewirkt. In ü'ig.2 ist eier ^Feldeffekt-Transistor T2 von der übrigen Schaltung getrennt dargestellt. Am Eingang des Feldeffekt-Transistors ist in Reihenschaltung mit der Eingangs- _ ■signalquelle ein Kondensator C| vorgesehen. Parallel, zum Kondensator C1 ist eine Gleichstromquelle geschaltet, die durch den

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Transformator TR1 von der Stromversorgung der Schaltungsanordnung getrennt 1st. Incer dargestellten Schaltungsanordnung wird ein Eingangstaktsignal, das von einer beliebigen Quelle zugeführt wird, auf den Eingang eines normalen Transistors T1 geschaltet. Der Transistor T1 enpfängt seine Betriebsspannungen, von der Stromversorgung -V über den Widerstand R1 sowie über die Primärwicklung des Transformators TR1 und den Widerstand R4, dem ein Kondensator 04 parallelgeschaltet ist und der an den Kollektor dieses Transistors angeschlossen ist. Der Widerstand R3 und der ihm parallelgeschaltete Kondensator 03 sind zwischen den Emitter des !transistors T1 und Erde geschaltet. Der Widerstand R2 liegt zwischen der Basis des Transistors T1 und Erde. Ein Kondensator 02 ist am Eingang vorgesehen und koppelt das Eingangstaktsignal auf die Basis des Transistors T1.

Hach Verstärkung des Eingangstaktsignales mit vorbestimmter !Frequenz durch den Transistor Tl v/ird das verstärkte Wechselstromsignal auf die Sekundärwicklung des Transformators gegeben und gelangt dann auf eine Halbwellen-G-leichrichterschaltung, die aus uer Diode D1 und den Widerständen R5,R6,R7 und R8 sowie den Kondensatoren 06 und 07 besteht und eine Stromglättung bewirkt. Die sich ergebende Gleichspannung liegt am Kondensator 01 und verschiebt die Vorspannung um einen vorbestimmten Betrag, der durch die Verstärkerschaltung cjestimmt ist.

Der Vorspannungspegel an der Gate-Elektrode des Peldeffekt-Transistors Wird zu einem Punkt verschoben, der eine Beibehaltung des Pegels des Eingangssignal am Ausgang des Feldeffekt-Transistors mit dem gewünschten Potential gewährleistet. Diese

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Verschiebung der Vorspannung wird mit der in Fig.2 dargestellten Schaltungsanordnung ohne die Anschaltung einer geringen Impedanz parallel zum Eingang des Transistors bewirkt, und zwar durch die i'ransiormatork opülunp des VerstärkertedLs und des G-leiehrichterteils der Vorspannung;squelle. Auf diese Weise wird der hohe Ein{:angswicierstand des j_'eldeffekt-T_ransistors beibehalten, während die Verschiebung des Signalpegels durch die Vorspannung am Eingangskondensator ausgeglichen wird.

Vorstehend wurde ein Verfanren und eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung des Si gneilab falls durch die hohe Impedanz in einem Feldeffekt-Transistor beschrieben. Während dieses Aufükrungsbeispiel der Erfindung sich auf eine Schaltung eur Impedanzwand-'

lung mit einem Feldeffekt-Transistor bezog, ist ee jedoch selbstverständlich, daß auch andere Schaltungsanordmmgen, die mit einem Feldeffekt-Transistor arbeiten, zur Vermeidung der in ihnen auftretenden Verschiebung des Signalpegels gemäß der Erfindung ausgebildet sein können. Daher können zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens auch andere Schaltungen mit anderen Werten ihrer Einzelttle eingesetzt werden. Die Bur Erläuterung der Wesenszäge und der Vorteile der Erfindung beschriebenen Ausführungsformen dienen daher lediglich der Erklärung, nicht jedoch der Einschränkung des Erfindun^sgedankens.

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Claims

t a_n_s_g_r_ü_c_h_e

1. Puf f erver st ärkerschaltunginit einem Feldeffekt-Transistor eines leitfähigkeitstyps mit Gate-, Drain- und Source-Elektrode und einem Übertragungsleitwert zwischen Gate- und Sour ce-Elektr ode, der eine Verschiebung des Signaipegels verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verstärkereingang und Gate-Elektrode des Feifeffekt-Transistors (14) eins Quelle (12)für eine kompensierende Vorspannung vorgesehen ist, deren Pegel eine Kompensation der Verschiebung des Signalpegels im Feldeffekt-Transistor (14) bewirkt.

2» Pufferverstärkerschal tun·¹?; nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Spannungsquelle (16) an der Drain- und Söurce-Elektrode des Peldexfekt-Transistors (14) zur Anschaltung der Betriebsspannungen (+V,-V) und durch eine Einrichtung (TR1) zur elektrischen Entkopplung beiuer Span.iun -suuellen (12,1b) voneinander.

3. Pufferverstärkerschaltung nach Anspruch 2 zur Verstärkung eines Wechselstromsi nals, p;eJ.ceiinz.eichnet durch einen zwischen der Ein-.\".nssklemme und der Gate -Elektrode aes i'eldeifekt-Transiotors (T2) vorgesehenen Kondensator (C1), durcn in der Quelle (12) für die kompensierende Vorspannung vorgesehene Anordnungen (T1, D1 ,R^,Rb,R7,R8,C6,C7) zur Verstärkung, ü-leichrichtung und Pilt-e-

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■c>· rung bzw. liriiwandlurig nes verstärkten Si_t'.7ials aus einem liechselo

^ ßtrom in einen Gleichstrom, durch Vorrichtungen zur Anschaltung J_n dieses u-loichstromsiyials an uen Kondensator (G1), v/odurch die

an der Gate-Elektrode des jj'eldeffekt-Transistors (ΐ2) erscheinende Eingangsspannuii;;; verschoben wird, und daJ3 zur elektrischen

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Entkopplung "beider Spannun's quell en (12,16) voneinander ein i'raiisi'ormator (TR1) vorgesehen ist, der zwischen die Anordnung zur Verstärkung (T1) und die Anordnung zur Gleichrichtung und Filterung (DI₁RSjRe₁RTjRS₁Co₁C?) geschaltet ist.

4. Pufferverstärkerschal'cung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle (12) für eine kompensierende Vorspannung eine Gleichspannungsfcatterie vorgesehen ist.

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