DE1815203B2 - Spannungsverstärker mit einer aus mehreren Transistoren bestehenden Transistorkombination - Google Patents

Spannungsverstärker mit einer aus mehreren Transistoren bestehenden Transistorkombination

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DE1815203B2 DE19681815203 DE1815203A DE1815203B2 DE 1815203 B2 DE1815203 B2 DE 1815203B2 DE 19681815203 DE19681815203 DE 19681815203 DE 1815203 A DE1815203 A DE 1815203A DE 1815203 B2 DE1815203 B2 DE 1815203B2
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Description

Halbleiterdioden, welche eng auf die Transistoren- Sind die Transistoren 10 und U ferner in einer
schäften abgestimmt sind, der gleiche Kollektorstrom integrierten Schaltung in einem monolithischen
fließt. Unter Ausnutzung dieser Erscheinungen und der Halbleiterplättchen aufgebaut, dann werden die
Vorteile der genauen Anpassung und engen thermi- Ströme identisch, da die Basis-Emitter-Spannungen
sehen Kopplungen zwischen Transistoren und Dioden 5 dieser Transistoren gleich sind und die Transistoren der
in integrierten Schaltungen bietet die Erfindung einen gleichen thermischen Umgebung ausgesetzt sind und
Weg, jeweils gleiche Kollektorströme fließen zu lassen, die gleiche Kristallstruktur haben. Es läßt sich daher
so daß eine von Umgebungstemperaturen praktisch zeigen, daß diese Kollektorströme der Gleichung (1)
unbeeinflußte Pegeleinstellung oder -verschiebung auf- genügen
tritt. Dieses Verhalten wird noch verbessert, wenn in _ Vm — VhCw
weiterer Ausgestaltung der Erfindung die beiden fmpe- '»<> = Ί== ^ = ">
danzen jeweils aus einem Widerstand mit jeweils . 2n
gleicher Temperatur-Widerstands-Kennlinie bestehen wobei
und gemeinsam mit der Transistorkombination in einer Z10 und Z12 die Kollektorströme der Transistoren 10
monolithischen integrierten Schaltung untergebracht 15 bzw. 12 in mA,
sind. V1n der Augenblickswert der dem Anschluß 28
Mit dem erfindungsgemäßen Spannungsverstärker zugeführten Eingangsspannung in Volt,
läßt sich eine Phaseniimkelirschaltung realisieren, wenn VbC10 die Basis-Emitter-Purchlaßspannung des
in einer Ausgestaltung die beiden Impedanzen einander Transistors 10 in VoIl und
gleich sind und die Basis-Emitter-Übergangsflächen der 20 R.2i der Wert des Widerstandes 26 in Kiloohm
Transistoren so gewählt sind, daß die Tramistorkombi- ist.
nation den Stromverstärkungsfaktor 1 hat. , , ,„.,,,„
Die im folgenden verwendeten Ausdrücke Wider- J An der Ausgangsklemme 40 infolge des Stromes i„
stände, Kapazitäten, Transistoren, Gleichrichter, Di- durch den Widerstand 34 entstehende S.gnal laßt sich
öden usw. sollen für die in einer integrierten Schaltung 25 schreiben als
verwendeten Bauelemente verwendet werden, die in ν = V — (V — V \ (2)
üblichen Schaltungen diskreten Bauelementen ent- out ~~ "f Rw n
sprechen, wenn nicht anderes gesagt ist. Die Ausbil- mit
dung dieser Elemente in integrierten Schaltungen ist in Vref = Spannung der Gleichspannungs-
der Technik bekannt. 30 quelle 32 in Volt,
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Dar- RM = Wert des Widerstandes 34 in
Stellungen von Ausführungsbeispielen näher beschrie- Kiloohm und
ben. Es zeigt K1n, Vbei0 und Λ wie vorstehend.
F i g. 1 ein Schaltbild einer Pegelverschiebungsschaltung nach der Erfindung, 35 Aus der letzten Gleichung ergibt sich, daß der
Fig.? ein Schaltbild der in F i g. 1 dargestellten Gleichspannungspegel des entstehenden Ausgangs-Schaltung in der Verwendung als Phasenaufspaltungs- signals in erster Linie durch eine Einstellung der schaltung, Spannung der Spannungsquelle 32 einstellbar ist. Eine
F i g. 3 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schal- Veränderung des Widerstandsverhältnisses Λ20 zur
tung in einer Anwendung zur Verhinderung einer 40 Veränderung der Wirkung der Gleichspannungs-
Transistorsättigung bei Schaltanwendungen und komponente des angelegten Eingangssignals oder der
F i g. 4 eine Anwendung der Erfindung als Breit- Durchlaßspannung des Transistors 10 erlaubt nur in
bandverstärker hoher Verstärkung. zweiter Linie eine Bestimmung des Ausgangsgleich-
Die in F i g. 1 dargestellte Pegelverschiebungs- Spannungspegels und ist im allgemeinen nicht durchschaltung zeigt ein Paar als NPN-Transistoren 10 bzw. 45 führbar, wenn die Widerstände 26 und 34 fest sind. Das 12 ausgebildete Halbleiterbauelemente. Die Basen 14 Widerstandsverhältnis R3JR2n ist weiterhin relativ und 16^1ieser Transistoren sind miteinander verbunden. stabil in einer integrierten Schaltung bei Temperatur-Ihre Emitter 18 und 20 sind ebenfalls miteinander ver- Schwankungen, so daß der Ausgangsgleichspannungsbunden und liegen an einem Bezugs- oder Massepoten- pegel bei Temperaturschwankungen praktisch kontial 22. Der Kollektor 24 des Transistors 10 ist über 50 siant bleibt. In dieser Hinsicht bleiben jegliche Vereinen ersten Widerstand 26 an eine Eingangsklemme 28 änderungen dieses Gleichspannungspegels, die durch angeschlossen. Der Kollektor 30 des Transistors 12 ist Änderungen der Basis-Emitter-Spannung Vbei0 mit über einen zweiten Widerstand 34 und den Anschluß 35 Temperaturschwankungen aufzutreten suchen, von an eine einstellbare Spannungsquelle 32 angeschlossen. geringerer Bedeutung und lassen sich gegebenenfalls Der Kollektor 24 liegt ferner über eine Kurzschluß- 55 leicht kompensieren.
leitung 36 an der Basis 14, so daß der Transistor 10 Die Pegelverschiebungsschaltung nach Anspruch 1
als Diode oder Gleichrichter wirkt. Der Kollektor 30 ist daher eine außerordentlich vielseitig verwendbare
des Transistors 12 ist über eine Leitung 38 an eine Aus- Schaltung, indem der Öleichspanaut/gspegel des er-
gangsklemme 40 angeschlossen. zeugten Ausgangssignals über einen weiten Bereich ein-
In Betrieb fließt ein Strom in den Kollektorkreis des 60 fach durch Veränderung der Spannung der Spannungs- Transistors 10, wenn der Augenblickswert des Ein- quelle 32 verändert werden kann. Die maximale
gangssignals am Anschluß 28 die mittlere Basis- Spannung für die Spannungsquelle 32 ist diejenige, bei
Emitter-Durchlaßspannung Vbe dieses Transistors der die Durchbruchsspannung am Kollektor 30 bei
übersteigt, welche am Kollektor 24 steht. Da die Basen minimalem Stromfluß nicht überschritten wird. Das 14 und 16 und die Emitter 18 und 20 der beiden Tran- 65 erzeugte Ausgangssignal erreicht mit seiner Maximal-
sistoren 10 und 12 zusammengeschaltet sind, fließt in amplitude die Spannung der Spannungsquelle 32 und
beiden etwa der gleiche Strom, wenn sie von gleichem mit seiner Minimalamplitude Massepotential.
Leitungstyp sind. Die Schaltung nach F i g. 1 läßt sich so abwandeln,
daß sie zusätzlich zu der Pegelverschiebung eine Signal- strom des Transistors 10 ist. Der Transistor 12 kehrt
verstärkung liefert. Beispielsweise können 1,2... η ähnlich die Polarität der verstärkten Signale um, wenn
Transistoren parallel mit dem Transistor 12 geschaltet sie seiner Basis 16 zugeführt werden, und erzeugt
werden, wie es die gestrichelten Linien zeigen, und dann Signale der ursprünglichen Polarität am Anschluß 40,
lassen sich Signal verstärkungen von 2, 3.../I + 1 5 welche den Momentanwert haben:
infolge der zugefügten Ströme durch den Widerstand34 y __ y _ j β ^
erreichen. In entsprechender Weise kann eine Signal- 40 re ia 34'
verstärkung auch durch eine Wahl des Widerstandes 34 Wird wiederum angenommen, daß die Transistoren
auf einen größeren Wert als der des Widerstandes 26 10 und 12 in einem monolithischen integrierten
erreicht werden. In beiden F allen wird die Steuerung 10 Schaltungsplättchen aufgebaut sind, so daß ihre
des Ausgangsgleichspannungspegels unabhängig davon Kollektorströme praktisch gleich sind, dann läßt sich
jedoch in erster Linie durch eine Veränderung der zeigen, daß die am Anschluß 40 bzw. am mit dem
Spannung der Gleichspannungsquelle 32 bewirkt. Emitter 58 Ausgangsanschluß 70 entstehenden Signale
Andererseits läßt sich eine Signalverstärkung auch durch die Gleichungen
durch Verwendung eines Transistors 12 erreichen, 15 ß
dessen Basis-Lmitter-Übergangsfläche größer als die yn yrf/ _ »· (K1,-- Vbei0) (5)
entsprechende t lache des Transistors 10 ist. Dies er- Λ34
gibt sich daraus, daß die Stromverstärkung der Schal- und
tung proportional dem Verhältnis der Emitter-Über- v _ ,, /?34 .., ., ,,
gangsfläche des Transistors 12 zur Emitter-Übergangs- ao nvt ' ref r " *'"^ *'50
fläche des Transistors 10 ist. Da die Basis-Emitter- ** ,^ Dioden der beiden Transistoren parallel geschaltet
sind, ist die Spannung über ihnen gleich, und das gleiche gegeben sind, wobei K»«,e die Basis-Emitter-Durchlaß-
gilt für ihre Stromdichten. Bei gleichen Stromdichten spannung des Transistors 50 ist. Da V^10 und Κ(,<50 in
verhalten sich aber die Emitterströme der Transistoren 45 einer integrierten Schaltung praktisch gleich sind, läßt
10 und 12 ebenso wie ihre Emitterflächen. sich der Momentanwert des entstehenden Ausgangs-
An Stelle der zwischen seiner Basis und seinem signals ausdrücken durch
Kollektor kurzgeschlossenen Transistors 10 kann auch y _ y _ y
eine normale Halbleiterdiode vorgesehen werden. In *'
einer integrierten Schaltung lassen sich Dioden jedoch 30 wenn die Widerstände 26 und 34 gleich groß sind. In leicht in Form derart kurzgeschlossener Transistoren diesem Fall, ebenso wie wenn die Widerstände unhersteilen. gleiche Werte haben, läßt sich der Gleichspannungs-Wenn an Stelle des Transistors 10 eine Diode ver- pegel der erzeugten Ausgangsspannung in erster Linie wendet wird, dann läßt sich zeigen, daß man bei der durch Veränderung der Bezugsspannung der Spanmathematischen Ableitung ebenfalls auf Gleichung (2) 35 nungsquelle 32 variieren. Ist weiterhin der Widerstand kommt. 34 größer als der Widerstand 26, dann liefert der Tran-Der in F i g. 2 dargestellte Verstärker spaltet das sistor 12 zusätzlich eine Signalverstärkung von der Eingangssignal in zwei gegenphasige Signalanteile auf Größe des Widerstandsverhältnisses.
(Phasenspalterschaltung) und enthält die Pegelver- Bei einer Ausführungsform des das Eingangssignal Schiebungsschaltung nach F i g. 1 mit den gleichen 40 in gegenphasige Anteile aufspaltenden Verstärkers Bezugsziffern und zusätzlich ein Paar Transistoren 50 nach F i g. 2 sind die Widerstände 26,34 und 54 je und 52 sowie einen Widerstand 54. Der Kollektor 30 3 Kiloohm, und die Gleichspannung der Bezugsspander Pegelverschiebungsschaltung ist über eine Klemme nungsquelle 32 beträgt -t-10 Volt. Bei diesen Werten 4ü mit der Basis 56 des Transistors 50 verbunden, wäh- wird etwa eine Spannungsverstärkung von 1 erreicht, rend sein Emitter 58 über einen Widerstand 54 an 45 wobei die Signalspannungsamplitude von Spitze zu Masse 52 liegt. Der Kollektor 60 des Transistors 50 Spitze gemessen etwa gleich den 10 Volt der Spannungsist zusammen mit dem Emitter 62 des Transistors 52 queue 32 war. Es wurde eine Eingangsunpedaez von an die Gleichspannungsquelle 32 angeschlossen, wäh- 3 Kiloohm vorgesehen, während die Ausgangsimperend der Kollektor 64 des letztgenannten Transistors danz relativ niedrig war und nur 90 Ohm betrug. Wie an der Klemme 28 liegt. Weiterhin ist eine Signal- 50 bereits erwähnt, äußert sich eine Veränderung der der eingangsquelle 66 zusammen mit einer Vorspannungs- Schaltung durch die Spannungsquelle 32 zugeführten quelle 75 zwischen die Basis b8 des Transistors 52 und Gleichspannung in der gewünschten Gleichspannungsdie Spannungsquelle 32 geschaltet und liefert die zu pegelverschiebung.
verstärkenden und in ihrer Phase umzukehrenden Die Transistoren 10,12 und 5 sind als NPN-Tran-
Signale. 55 sistoren dargestellt, während der Transistor 52 ein
Im Betrieb der Schaltung nach F i g. 2 werden die der PNP-Transistor ist; bei einer Polaritätsumkehr der
Basis 68 zugeführten Eingangssignale durch den Tran- Spannungsquelle 32 und 75 können die Leitungstypen
sistor 52 mit einer Verstärkung verstärkt, die im der Transistoren umgekehrt werden. Bei Verwendung
wesentlichen durch das Produkt der Steilheit des Tran- von Spannungsquellen der richtigen Polarität lassen
sistors 52 mit dem Widerstand 26 bestimmt ist. Diese 60 sich ferner erfindungsgemäß Phasenspalterschaltungen
verstärkten Signale werden auch in ihrer Polarität um- aufbauen, welche entweder NPN- oder nur PNP-
gekehrt und erscheinen am Anschluß 28 mit einem Transistoren verwenden.
Momentanwert gegenüber dem Massepunkt 22, der F i g. 3 zeigt eine Schaltung, bei welcher der Strom
gegeben ist durch Gleichung (3) des Pegelverschiebungsverstärkers 200 durch den Wert
y _ - R j_ v ,γ. 65 der Bezugsspannungsquelle Vs, dem Kollekt rwider-
28 J2 μ 1 f>«io > V ) stand 205 des die Transistoren 210 und 215 und eine
wobei zS2 der Kollektorstrom des Transistors 52 ist, der gemeinsame Stromquelle 250 umfassenden Differen-
infoke der Reihenkopplung auch gleich dem Kollektor- tialverstärkers und die Zenerdiode 220 begrenzt wird.
Diese Strombegrenzung verhindert eine Sättigung des Pegelverschiebungstransistors 225, selbst wenn sich seine Stromverstärkung β verändern sollte.
Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten der erfinduiigsgemäßen Pegelverschiebungsschaltung lassen S sich auch an Hand von F i g. 4 zeigen. Hier sind die Transistoren 10 und 12 als PNP-Transistoren dargestellt und sind zu einem Breitbandverstärker hoher Verstärkung zusammengeschaltet, dessen Eingangs* klemme 330 zunächst auf eine Emitterfolgerstufe 300 geführt ist. Pur diesen Breitbandverstärker ist ein Schwingkreis 310 mit einer Kapazität 315 und einer
Induktivität 320 an Stelle des Widerstandes 34 in den F i g. 1 oder 2 getreten. Die an den Basen 14 und 16 der Transistoren 10 und 12 vorhandene niedrige Impedanz überbrückt praktisch die Miller-Kapazität zwischen dem Kollektor und der Basis 16, so daß am Eingang des Transistors 12 ein Breitbandsignal ansteht. Eine entsprechende Verringerung des Miller-Kapazitätseffektes ergibt sich bei einem NPN-Verstärker. Bei einem integrierten Aufbau dieses Verstärkers kann der Schwingkreis 310 beispielsweise auch von außen fiber eine Leitung 235 an das Halbleiterplättchen angeschlossen werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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2399

Claims (5)

1 pi s Bei Spannungsverstärkern, auch wenn sie in inte- Patentansprüche grierter Bauweise ausgeführt sind, sind oft temperatur- μ abhängige Schwankungen des Spannungsverstärkiings- ;·
1. Spannungsverstärker mit einer aus mehreren faktors zu befürchten. Dies liegt an der Abhängigkeit ; Transistoren bestehenden Transistorkombination, 5 der Spannungsverstärkung vom Stromverstärkungs- ^ dadurch gekennzeichnet, daß die Basen faktor der in der Schaltung verwendeten Transistoren, i (14,16) der Transistoren (10,12 ...) und der KoI- der sich nv' der Temperatur ändert. ; lektor (24) mindestens eines (10) der Transistoren Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spunnungszusammengeführt und über eine erste Impedanz(26) verstärker anzugeben, dessen Spannungsverstärkungs- : mit einer Eingangsklemme (28) verbunden sind und io faktor nicht durch Änderungen der Stromverstärkung ' daß die Kollektoren der restlichen Transistoren einer in dem Verstärker verwendeten Transistorschal-
(12 ...) zusammengeführt und mit einer Ausgangs- tung beeinflußt wird. Bd einem Spannungsverstärker
klemme (40) sowie über eine zweite Impedanz (34) mit einer aus mehreren Transistoren bestehenden
mit einem Betriebspotential (35) verbunden sind Transistorkombination wird diese Aufgabe erfindungs- -1.
und daß die Emitter der Transistoren (10,12...) 15 gemäß dadurch gelöst, daß die Basen der Transistoren
miteinander verbunden sind. und der Kollektor mindestens eines der Transistoren
2. Spannungsverstärker nach Anspruch 1, da- zusammengeführt und über eine erste Impedanz mit durch gekennzeichnet, daß die beiden Impedanzen einer Eingangsklemme verbunden sind und daß die jeweils aus einem Widerstand (26, 34) mit jeweils Kollektoren der restlichen Transistoren zusammengleicher Temperatur-Widerstands-Kennlinie be- 20 geführt und mit einer Ausgangsklemme sowie über eine stehen und gemeinsam mit der Transistorkombina- zweite Impedanz mit einem Betriebspotential verbuntion (10,12...) in einer monolithischen integrier- den sind und daß die Emitter der Transistoren unterten Schaltung untergebracht sind. einander verbunden sind.
3. Spannungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, Bei einem derart ausgeführten Spannungsverstärker dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Impe- 25 ist die Stromverstärkung der Transistorkombination danzen (26, 34) einander gleich sind und daß die in erster Linie abhängig von den relativen Basis-Emit-Basis-Emitter-Übergangsflächen der Transistoren ter-Übergangsfiächen der einzelnen Transistoren. (10,12...) so gewählt sind, daß die Transistor- Durch die erfindungsgemäße Anschaltung der beiden kombination cien Stromverstärkungsfaktor 1 hat. Impedanzen wird die Spannungsverstärkung des Ver-
4. Spannungsverstärker nach Anspruch 3, ge- 30 stärkers gleich dem Produkt der erwähnten Stromverkennzeichnet duich einer zusätzlichen Transistor Stärkung und dem Verhältnis der zweiten Impedanz (50) in Kollektorschaltung, uesse: Eingang (56) mit zur ersten Impedanz und ist unabhängig von Änderunder Ausgangsklemme (40) direkt gekoppelt ist, wo- gen der Stromverstärkungen der einzelnen Tranbei die Temperaturkennlinie der Basis-Emitter- sistoren.
Spannung dieses zusätzlichen Transistors so ge- 35 Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den wählt ist, daß die durch Temperaturänderungen der weiteren Vorteil, daß mit ihr Gleichspannungspegel-Transistorkombination (10,12 ...) hervorgerufe- unterschiede im Verlauf eines Signalwegs überbrückt nen Gleichspannungsänderungen am Ausgang (70) werden können. Ein solcher Fall tritt ein, wenn z. B. der Kollektorschaltung (50, 54) kompensiert wer- ein auf einem bestimmten Bruchteil der Betriebsden. 40 spannung bezogenes Signal einer Verstärkerstufe zuge-
5. Spannungsverstärker nach einem der An- führt werden soll, die mit einer Vorspannung arbeitet, sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die welche einen anderen Bruchteil der Betriebsspannung Transistorkombination aus zwei gleichen Tran- darstellt. Die Verwendung von Kapazitäten zur Übersistoren Γ10,12) besteht, deren Emitter an ein brückung solcher Pegelunterschiede ist bei integrierten Bezugspotential gelegt sind, und daß die die beiden 45 Schaltungen unerwünscht, weil einmal ein Konden-Impedanzen bildenden Widerstände (26, 34) derart sator in einer integrierten Schaltung einen beträchtlibemessen sind, daß die an der Ausgangsklemme chen Raum einnimmt und zum anderen ein außerhalb abgenommene Ausgangsspannung die Gleichung der integrierten Schaltung vorgesehener Kondensator erfüllt: zwei zusätzliche Anschlüsse aus der begrenzten zur
v v _ RiR v _ v Λ 5o Verfügung stehenden Anzahl der Anschlüsse dci HaIb-
V0Ui ■■- v„f -~ (vt- e,,,), leiterplättchens benötigt. Auch komplementäre Transistoren oder Zenerdioden, welche bei bestimmten
wobei V0„i und Vtn die Momentanwerte der Aus- Schaltungen für diese Pegelüberbrückung verwendet gangs- bzw. Eingangsspannung, V„s die Betriebs- werden können, unterliegen bei integrierten Schaltunspannung, /?26 und R3i die Werte der Widerstände 55 gen bestimmten Einschränkungen. Bei dem erfindungs-26 bzw. 34 und Vhe die Basis-Emittcr-Durchlaß- gemäßen Spannungsverstärker läßt sich ungeachtet des spannung der Transistoren ist. Gleichspannungspegels am Eingang der Gleichspannungspegel def Ausgangssignale durch Wahl eines be- |
stimmten Betriebspotentials einstellen.
60 Die Erfindung macht sich die Vorteile der genauen ;
Die Erfindung betrifft einen Spannungsverstärker Übereinstimmung und engen thermischen Kopplung
mit einer aus mehreren Transistoren bestehenden einzelner Bauelemente in integrierten Schaltungen für
Transistorkombination. Die Erfindung bezieht sich die Übertragung eines Signals zunutze, welches als
insbesondere auf solche Spannungsverstärker, bei Ausgangssignal auf einen bestimmten Öleichspan- \
denen eine gegenseitige Anpassung und enge thermi- 65 nungspegel bezogen sein soll. Weiterhin wird die Tat- '
sehe Kopplung def einzelnen Bauelemente durch eine sache ausgenutzt, daß in Transistoren des gleichen i(
gut mögliche Ausführung des Verstärkers in integrier- Leitungstyps, deren Basen und Emitter parallel ge-
ter Schaltung erzielbar ist. schaltet sind, und in über diese Elektroden geschalteten *
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