DE1562109B2 - Pufferverstärker mit einem Feldeffekt-Transistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betriSt eine Pufferverstärkerschaltung mit einem Feldeffekt-Transistor, bei dem durch den Übergangsleitwert zwischen Steuer- und Quellenelektrode eine Verschiebung des Signalpegels verursacht wird, mit einer Vorspannung zwischen Ver-Stärkereingang und Steuerelektrode.

Bei den bekannten Transistoren, die im allgemeinen »bipolare« Transistoren genannt werden, bestehen die Vorgänge im Inneren in einer Bewegung von Elektronen und Löchern. In jüngster Zeit wurde jedoch der Feldeffekt-Transistor wegen bestimmter vorteilhafter Eigenschaften von den Entwicklungsingenieuren in zunehmendem Maße verwendet. Bei einem Feldeffekt-Transistor bewegen sich nur die Ladungsträger, beispielsweise die Elektronen. Eine derartige Arbeitsweise kommt derjenigen der üblichen Elektronenröhre nahe. Die Elektroden des Feldeffekt-Transistors, die als Gate-Elektrode, Drain-Elektrode und Source-Elektrode bezeichnet werden, entsprechen dem Gitter, der Anode und der Kathode der Elektronenröhre. Unter einem Feldeffekt-Transistor kann man einen Halbleiter verstehen, dessen Leitfähigkeit durch eine oder mehrere angelegte Spannungen gesteuert wird. Während Elektronenröhren Anodenstromänderungen durch angelegte Gitterspannung erfahren, zeigen Feldeffekt-Transistoren analoge Eigenschaften.

Feldeffekt-Transistoren werden von den Entwicklungsingenieuren wegen ihres hohen Eingangswiderstandes ähnlich dem einer Elektronenröhre Vorzugsweise verwendet, weil hintereinandergeschaltete Stufen keine meßbare Belastung auf vorhergehende Stufen ausüben. Beim Feldeffekt-Transistor wird jedoch keine Heizleistung wie bei einer Elektronenröhre benötigt, wodurch sein Leistungsverbrauch 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 Übertragungsleitwert auf. In einer Schaltung, in der ein Feldeffekt-Transistor als Trennstufe verwendet wird, beispielsweise zwischen geringer und hoher Impedanz, also in Form eines Kathodenfolgers oder Emitterfolgers, ist eine solche Verschiebung der Spannung oder des Signalpegels unerwünscht. Es kann eine äußere Stromversorgung über ein Widerstandsnetzwerk angeschlossen werden, dadurch wird jedoch unnötigerweise eine Belastung der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors hervorgerufen. Dadurch wird der hohe Eingangswiderstand des Feldeffekt-Transistors, der seine vorzugsweise Verwendung rechtfertigt, in schädlichem Maße beeinträchtigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Pufferverstärker mit einem Feldeffekt-Transistor so auszubilden, daß die beschriebene Verschiebung des Signalpegels weitestgehend vermieden wird.

Ein Pufferverstärker der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die Vorspannung mit einer gegenüber der Betriebsspannungsquelle des Verstärkers entkoppelten Spannungsquelle erzeugt wird, deren Pegel so eingestellt ist, daß er eine Kompensation der Verschiebung des Signalpegels im Feldeffekt-Transistor bewirkt.

Mit einem Pufferverstärker nach der Erfindung kann eine Spannungsverschiebung bei Übertragung eines Signals durch einen Feldeffekt-Transistor vermieden werden. Diese Verschiebung ist nahezu konstant, so daß die Kompensation bereits dann verwirklicht ist, wenn der Pegel der entkoppelten Spannungsquelle nahezu konstant ist. Stellen sich bei gewissen Betriebsbedingungen größere Schwankungen der Verschiebung des Signalpegels ein, so können zunächst die Betriebswerte des Feldeffekt-Transistors so verbessert werden, daß diese Schwankungen möglichst gering sind, wonach der Pegel der entkoppelten Spannungsquelle auf einem dem mittleren Wert der noch vorhandenen Schwankungen entsprechenden Wert eingestellt wird.

Im folgenden werden weitere Einzelheiten der Erfindung an Hand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitenden Pufferverstärkers, und

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung des Pufferverstärkers.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitenden Pufferverstärkers dargestellt.

Der mit einem Feldeffekt-Transistor arbeitende Verstärker 14 kann mit einer beliebigen Schaltungsanordnung aufgebaut sein, bei der jedoch als erste Stufe ein Feldeffekt-Transistor verwendet wird. Das Eingangssignal wird verstärkt und einer Nutzungseinrichtung 18 bekannter Art und Funktion zugeführt. Mit dem Verstärker 14 und der Nutzungseinrichtung 18 ist ein Stromversorgungsgerät 16 verbunden, das gleichfalls in bekannter Weise aufgebaut ist und die Schaltungen mit den erforderlichen Betriebsspannungen versorgt.

Der mit dem Feldeffekt-Transistor arbeitende Verstärker 14 kann in anderer Ausführung auch in Form einer einzigen Verstärkerstufe mit Feldeffekt-Transistor aufgebaut sein. Die Nutzungseinrichtung 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 Nutzungseinrichtung 18 eine Schaltung mit geringem Eingangswiderstand, so muß eine Einrichtung zur Impedanzanpassung in Form eines Feldeffekt-Transistors verwendet werden, um eine Beeinträchtigung des Signals durch Impedanzfehlanpassung zu vermeiden. Der Feldeffekt-Transistor ist speziell zum Aufbau von Schaltungen zur Anpassung hoher Impedanzen an geringe Impedanzen geeignet, da seine Eigenschaften die Umsetzung eines Eingangssignals hoher Impedanz in ein Ausgangssignal geringer Impedanz ermöglichen, während die Eigenschaften einer Halb-

leiteranordnung beibehalten werden. Im Gegensatz zu einer üblichen Elektronenröhre benötigt der Feldeffekt-Transistor keine Heizleistung und verursacht daher nicht den entsprechend hohen Leistungsverbrauch.

Ein Nachteil bei der Verwendung eines Feldeffekt-Transistors 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 Feldeffekt-Transistors als Impedanzanpassungseinrichtung beeinträchtigen. Eine Lösung des Problems des Signalabfalls in einem Feldeffekt-Transistor besteht in einer Verschiebung der Vorspannung am Eingang des Transistors. Der Signalverlust des Feldeffekt-Transistors wird auf diese Weise durch Verwendung der verschobenen Vorspannung ausgeglichen, so daß das Ausgangssignal dem Eingangssignal entspricht und die Impedanzfehlanpassung kompensiert ist.

Die vorstehend beschriebene Möglichkeit ist nicht immer zufriedenstellend, da die Stromversorgung normalerweise nicht die hohe Impedanz des Feldeffekt-Transistors aufweist. Dies bedeutet, daß die Verwendung einer besonderen Leitung vom Stromversorgungsteil zum Eingang oder Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors auch mit einem Reihenwiderstandsnetzwerk immer noch eine im Vergleich zum Eingangswiderstand des Feldeffekt-Transistors geringe Impedanz darstellt. Eine derartige Verwendung der Stromversorgung der Schaltung beeinträchtigt deshalb den hohen Eingangswiderstand des Feldeffekt-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 Feldeffekt-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 Eingangswiderstand 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 Quelle 12 für die Vorspannung kann eine einfache Gleichspannungsbatterie sein, deren Potential so hoch ist, daß es die Verschiebung des Signalpegels in Feldeffekt-Transistor 14 ausgleicht.

In F i g. 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die gemäß der Erfindung nach dem in F i g. 1 gezeigten Prinzip arbeitet. Eine Batterie, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 1 genannt wurde, stellt eine einwandfreie Vorspannungsquelle dar. Batterien behalten jedoch nicht ihre Spannung für einen langen Zeitraum bei, und daher ist am Eingang des Feldeffekt-Transistors eine Schaltungsanordnung erwünscht, die eine Verschiebung der Vorspannung ohne Erzeugung einer unnötigen parallelgeschalteten Last bewirkt. In F i g. 2 ist der Feldeffekt-Transistor T 2 von der übrigen Schaltung getrennt dargestellt.

Am Eingang des Feldeffekt-Transistors ist in Reihenschaltung mit der Eingangssignalquelle ein Kondensator Cl vorgesehen. Parallel zum Kondensator C1 ist eine Gleichstromquelle geschaltet, die durch den Transformator TR1 von der Stromversorgung der Schaltungsanordnung getrennt ist. In der dargestellten Schaltungsanordnung wird ein Eingangstaktsignal, das von einer beliebigen Quelle zugeführt wird, auf den Eingang eines normalen Transistors Tl geschaltet. Der Transistor Tl empfängt seine Betriebsspannungen von der Stromversorgung — V über den Widerstand R1 sowie über die Primärwicklung des Transformators TR1 und den Widerstand R 4, dem ein Kondensator C 4 parallel geschaltet ist und der an den Kollektor dieses Transistors angeschlossen ist. Der Widerstand R 3 und der ihm parallelgeschaltete Kondensator C 3 sind zwischen den Emitter des Transistors Tl und Erde geschaltet. Der Widerstand R 2 liegt zwischen der Basis des Transistors Tl und Erde. Ein Kondensator C 2 ist am Eingang vorgesehen und koppelt das Eingangstaktsignal auf die Basis des Transistors Tl.

Nach Verstärkung des Eingangstaktsignals mit vorbestimmter Frequenz durch den Transistor Tl wird das verstärkte Wechselstromsignal auf die Sekundärwicklung des Transformators gegeben und gelangt dann auf eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung, die aus der Diode Dl und den Widerständen R5, R6, Rl und R8 sowie den Kondensatoren C 6 und C 7 besteht und eine Stromglättung bewirkt. Die sich ergebende Gleichspannung liegt am Kondensator Cl und verschiebt die Vorspannung um einen vorbestimmten Betrag, der durch die Verstärkerschaltung bestimmt ist.

Der Vorspannungspegel an der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors wird zu einem Punkt verschoben, der eine Beibehaltung des Pegels des Eingangssignals am Ausgang des Feldeffekt-Transistors mit dem gewünschten Potential gewährleistet. Diese Verschiebung der Vorspannung wird mit der in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ohne die Anschaltung einer geringen Impedanz parallel zum Eingang des Transistors bewirkt, und zwar durch die Transformatorkopplung des Verstärkerteils und des Gleichrichterteils der Vorspannungsquelle. Auf diese Weise wird der hohe Eingangswiderstand des Feldeffekt-Transistors beibehalten, während die Verschiebung des Signalpegels durch die Vorspannung am Eingangskondensator ausgeglichen wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Pufferverstärkerschaltung mit einem Feldeffekt-Transistor, bei dem durch den Übergangsleitwert zwischen Steuer- und Quellenelektrode eine Verschiebung des Signalpegels verursacht wird, mit einer Vorspannung zwischen Verstärkereingang und Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung mit einer gegenüber der Betriebsspannungsquelle (16) des Verstärkers entkoppelten Spannungsquelle (12) erzeugt wird, deren Pegel so eingestellt ist, daß er eine Kompensation der Verschiebung des Signalpegels im Feldeffekt-Transistor (14) bewirkt.

2. Pufferverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen den Verstärkereingang und der Steuerelektrode des Feldeffekt-Transistors (T 2) vorgesehenen Kondensator (Cl),

durch einen Verstärker (Π) für das Taktsignal, durch eine Gleichrichter- und Filteranordnung (Dl; R5, R 6, RT, R8, C6, Cl), mittels derer aus dem verstärkten Taktsignal eine Gleichvorspannung für den Kondensator (C 1) erzeugt wird, durch einen die elektrische Kopplung zwischen dem Verstärker (Γ1) und der Gleichrichteranordnung bewirkenden Transformator (TRl) sowie durch eine gemeinsame Stromversorgung für den Feldeffekt-Transistor(T2) und denVerstärker(Tl).

3. Pufferverstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle (12) für die Vorspannung eine Gleichspannungsbatterie vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen