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Tranistorverstärkerstufe mit stabilisierten: Arbeitspunkt Die Erfindung
betrifft einen Transistorverstärker in Kollektorschaltung oder stromgegenkoppelter
Emitterschaltung, dessen Arbeitspunkt gegen Schwankungen der Transistorkennwerte
stabilisiert ist. Die Schwankungen betreffen die Gleichstromverstärkung, den Kollektor-Basis-Reststrom
und den Basis-Emitter-Widerstand und werden besonders durch Temperaturschwankungen
hervorgerufen. Solche Transistorverstärker werden in der Nachrichten- und Meßtechnik
benötigt, wenn besonders hohe Verstärkereingangswiderstände erforderlich sind.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei bekannte Transistorverstärkerstufen
mit stabilisiertem Arbeitspunkt. Die zu verstärkenden Wechselspannungen werden über
den Kondensator C1 der Basis des Transistors T1 zugeführt. Beide Transistorverstärkerstufen
sind durch einen zwischen dem Emitter und der Emitterversorgungsspannung UEE angeordneten
Emitterwiderstand RE stromgegenkoppelt und haben zwischen dem Kollektor und der
Kollektorversorgungsspannung Ucc einen Kollektorwiderstand R. Bei der Schaltung
nach Figur 1 ist die Basis mit dem Kollektor durch einen Widerstand R1 verbunden,
bei der Schaltung nach Figur 2 liegt zwischen der Basis und der Kollektorversorgungsspannung
UcC ein Widerstand R2. Bei beiden Schaltungen ist die Basis außerdem noch durch
einen Widerstand R3 mit der Emitterversorgungsspannung UEE verbunden.
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Ist der Kollektorwiderstand RC größer als Null, so handelt es sich
in beiden Fällen um einen Transistorverstärker in stroingegengekoppelter Emitterschaltung,
wobei die verstärkte Spannung am Kollektor des Transistors T1 zur Verfügung steht.
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Ist der Kollektorwiderstand RC gleich Null, so handelt es sich um
einen Verstärker in Kollektorschaltung, der auch als Emitterfolger bezeichnet wird.
Die Ausgangsspannung steht hierbei am Emitter zur Verfügung. Der Arbeitspunkt des
Transistors T1 wird bei der Schaltung nach Figur 1 durch den
Spannungsteiler
aus den Widerständen R1 und R 3 zwischen der Kollektorspannung UC und der Emitterversorgungsspannung
UEE bzw. bei der Schaltung nach Figur 2 durch den Spannungsteiler aus den Widerständen
R2 und R3 swischen der Kollektorversorgungsspannung Uce und der Emitterversorgungsspannung
UEB festgelegt. In beiden Fällen wirken die Spannungsteiler aber nur dann ausreichend
stabilisierend, wenn ihr wirksamer Innenwiderstand klein gegenüber dem Eingangswiderstand
der Verstärkerstufe ist. Diese Art der Stabilisierung hat daher den Nachteil, daß
bei einer solchen Dimensionierung der durch die Stromgegenkopplung gewonnene und
erwünschte hohe Eingangswiderstand wieder um mindestens eine Größen##ordnung herabgesetzt
wird. Außerdem hat sie den Nachteil, daß die Verlustleistung in den Spannungsteilern
relativ -hoch ist.
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Der vorliegenaen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transistorverstärkerstufe
mit stabilisiertem Arbeitspunkt anzugeben, die die Nachteile der bekannten Transistorverstärkerstufen
mit Arbeitspunktstabilisierung nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Transistorverstärkerstufe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,-daJ der Emitter des zu stabilisiedenden ersten Transistors mit der
Basis eines zweiten Transistors verbunden ist, in dessen Kollektorzuleitung die
Parallelschaltung eines ersten Widerstandes und eines Kondensators liegt und dessen
Kollektor Über einen hochohmigen zweiten Widerstand mit der Basis des zu stabilisierenden
ersten Transistors verbunden ist, wobei der Emitter des zweiten Transistors an eine
feste, regel- oder steuerbare Verglaichsspannung angeschlossen ist.
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Geinäß einer Weiterbilaung der Erfindung ist der Emitter des zweiten
Transistors an den Emitter eines dritten Transistors angeschlossen, dessen Kollektor
mit der Kollektorversorgungsspannung und dessen Emitter außerdem über einen dritten
Widerstand mit der Emitterversorgungsspannung der Verstärkerstufe verbunden ist,
wobei an seiner Basis eine feste, regelnde oder steuernde Hilfsspannung anliegt.
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Diese Hilfsspannung läet sich auch mittels einer zwischen der Basis
des dritten Transistors und der Einitterversorgungespannung angeordneten Z-Diode
erzeugen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die I.ilfsspannung
die Emitterspannung eines im Etnitterkreis strorngegengekoppelten vierten Transistors
ist, an dessen basis eine weitere Spannung anliegt, die den gleichen Wert wie die
Basisspannung des zu stabilisierenden ersten Transistors hat, wobei der vierte Transistor
die gleiche Sperrschichttemperatur wie der zu stabilisierende erste Transistor aufweIst.
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Irri folgenden soll anhand der Figuren 3 bis 6 die Erfindung naher
beschrieben und erläutert werden.
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Es zeigen: Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung mit extern zugeführter Vergleichsspannung Uv, Figur 4 ein Ausführungsbeispiel
der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, bei dem die Vergleichs spannung UV die
Emitterspannung eines dritten Transistors ist, Figur 5 ein Ausführungsbeispiel der
Schaltungsanordnung nach der Erfindung in der in Figur 4 dargestellten Ausgestaltung,
bei der die Basis des dritten Transistors von einer mittels einer Z-Diode erzeugten
Spannung angesteuert wird, Figur 6 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung in der in Figur 4 dargestellten Ausgestaltung, wobei die Basis
des dritten Transistors die Emitterspannung eines vierten Transistors ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung nach Figur 3 steuert die Emitterspannung
UE des Transistors T1 der zu stabilisierenden Stufe die Basis eines zweiten Transistors
229 bei dem zwischen dem Kollektor und der Kollektorversorgungsspannung UCC die
Parallelschaltung aus dem Widerstand R4 und dem Kondensator C2 angeordnet ist und
an dessen Emitter eine einstellbare Vergleichsspannung
UV liegt.
Der Kollektor des zweiten Transistors T2 ist über einen gegen dem Eingangswiderstand
der zu stabilisierenden Stufe hohen Widerstand R5 mit der Basis des Transistors
T1 verbunden. Das RC-Glied aus dem Widerstand R4 und dem Kondensator C2 ist so dimensioniert,
daß seine Grenzfrequenz fg klein ist gegenüber der tiefsten zu verstärkenden Frequenz
f1 und groß gegenüber der höchsten zu erwartenden Schwankungsfrequenz f2 der Transístorkennwerte.
Eine solche Dimensionierung ist leicht durchzuführen, weil die Frequenzen f1 und
f2 im allgemeinen weit auseinander des Transistors T1 liegen. Die Stabilisierung
des Arbeitspunktes/erfolgt auf folgende Weise: Die Vergleichsspannung UV ist -so
gewählt, daß sie um die Basis-Emitter-Spannung UE2 des zweiten Transistors T2 niedriger
ist als die gewünschte Emitterspannung UE der zu stabilisierenden Stufe. Die Dimensionierung
der Widerstände R4 und R5 erfolgt entsprechend den Kennwerten der verwendeten Transistoren
so, daß die zwischen den Werten der Kollektorversorgungsspannung Ucc und der Summe
aus der Vergleichsspannung Uv und der Sättigungsspannung UCEsat2 des Transistors
T2 aussteuerbare Kollektorspannung U02 des Transistors T2 über den Widerstand R5
steta den erforderlichen Basisstrom IB des Transistors T fließen läßt. Versucht
nun der Emitterstrom 1E und damit die Emitterspannung UE des Transistors T1 infolge
einer Änderung der Transistorkennwerte oeispielsweise anzusteigen, so wird die Emitterspannungsänderung
#UE durch den zweiten Transistor T2, der die Steilheit S2 besitzt, auf den Wert
aUc2--S2R4^ UE verstärkt. Hierdurch sinkt der Basis strom 1B durch den Widerstand
R5 und der Emitterstromänderung #IE wird dadurch entgegen gewirkt. Die Emitterspannung
UE regelt sich auf den Wert UE=Uv+UBE2 ein. Man kann diesen Sachverhalt auch so
betrachten, als ob die Emitterspannung über einen Widerstand R5/B(1+S2R4) eingeprägt
würde, an der Basis des Transistors T1 also für Gleichstrom der Widerstand R5/(i+S2R4)
erschiene. Dabei ist B die Stromverstärkung des Transistors T1. Trotzdem ist jedoch
für Wechselspannungen, die genügend weit oberhalb der Grenzfrequenz fg liegen, der
sehr viel höhere Widerstand 25 wirksam, weil für diese Frequenzen der Kondensator
C2 den Widerstand R4 kurzschließt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 wird als Vergleichsspannung
UV die Emitterspannung eines dritten Transistors T3 benutzt, dessen Kollektor mit
der Kollektorversorgungsspannung UCC und dessen Emitter über den Widerstand R6 mit
der Emitterversorgungsspannung UEE verbunden ist. Die Emitterspannung UE des Transistors
T1 regelt sich auf die an die Basis des dritten Transistors T3 angelegte Spannung
U3 ein. Diese Spannung U3 kann durch einen zwischen den Versorgungsspannungen Ucc
und UEE angeordneten Spannungsteiler gewonnen werden. Sie kann aber auch eine von
außen zugeführte besondere Regel- oder Steuerspannung sein. Es ist der besondere
Vorteil dieser Ausführungsform, daß der im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 unter
Umständen störende Temperaturgang der Basis-Emitter-Spannung UBE2 durch denjenigen
der Basis-Emitter-Spannung UBE3 des Transistors T3 kompensiert wird.
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Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hilfsspannung
U7 der Spannungsfall an einer Z-Diode Z, die über einen Widerstand R7 von den Versorgungsspannungen
Ucc und UEE gespeist wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der Emitterstrom
des Transistors T1 von Schwankungen der Versorgungsspannungen Uce und UEE weitgehend
unbeeinflußt bleibt.
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Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
bei dem anstelle der Emitterspannung UE die Basisspannung Ug stabilisiert wird,
wodurch insbesondere temperaturbedingte Änderungen des Basls-Emitter-Widerstandea
des zu stabilisierenden Transistors ausgeglichen werden.
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Diese Schaltung nach Figur 6 entsteht aus der Schaltung nach Figur
4 dadurch, daß als Spannung U3 die Emitterspannung eines vierten Transistors 4 benutzt
wird, dessen Emitter über einen Widerstand R9 mit der Emitterversorgungsspannung
UEE und dessen Kollektor über den Widerstand R8 mit der Kollektorversorgungssyannung
C verbunden ist. Dabei ist der Widerstand R8 gleich dem Widerstand RC und der Widerstand
R9 gleich dem Widerstand R @@ Eingang dieses Transistors 24 liegt eine der gewünschten
Basisspannung
UB gleiche Spannung U4. Diese kann z.B. mittels eines Spannungsteilers zwischen
den Versorgungsspannungen Ucc und U gewonnen werden. Der Transistor T4 hat die gleiche
Verlustleistung und damit die gleiche Sperrschichttemperatur wie der Transistor
T1, weil beide Transistoren die gleiche Basisspannung und die gleichen Widerstände
in Emitter- und Kollektorzweig haben. Die Schaltungsanordnung arbeitet besonders
wirkungsvoll, wenn die Transistoren T1 und T4 sowie die Transistoren T2 und T3 bezüglich
des Temperaturkoeffizienten der tasis-Emitter-Spannung paarweise gleich sind. Nit
der erfindungsgemäßen Transistorverstärkerstufe kann also sehr vorteilhaft je nach
der Art der Gewinnung der Vergleichs spannung UV wahlweise die Emitter- oder die
Basisspannung stabilisiert werden.
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Gegenüber den bekannten Anordnungen hat die erfindungsgemäße Transistorverstärkerstufe
den Vorteil, aaß sie besser stabilisiert ist und ihr Leistungsbedarf bei entsprechender
Dimensionierung dennoch geringer ist, weil der Kollektorstrom des zweiten Transistors
T2 im Gegensatz zum Querstrom des Spannung teilers in der bekannten Anordnung nach
Figur 2 nicht um etwa eine Größenordnung größer alls der Basisstrom IB sein muß.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Transistorverstärkerstufe
neben der guten Arbeitspunktstabilisierung gleichzeitig einen hohen Wechselstromeingangswiderstand
aufweist. Außerdem kann der Arbeitspunkt durch eine von außen zugeführte Spannung
beliebig eingestellt werden.