DE1815203C2

DE1815203C2 - Verwendung einer Transistoren-Schaltung

Info

Publication number: DE1815203C2
Application number: DE19681815203
Authority: DE
Inventors: S Steckler
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-12-19
Filing date: 1968-12-17
Publication date: 1985-10-10
Also published as: AT306793B; NL6818183A; SE356413B; DE1815203A1; JPS5231702B1; BE725609A; ES361535A1; GB1244044A; DE1815203B2; FR1599333A; NL160445C; JPS5952564B1

Description

V_n,-

(V_1n-

wobei y_ou, und V_m die Momentanwerte der Ausgangs- bzw. Eingangsspannung, V_rer die Betriebsspannung, Ä26 und /?34 die Werte der Widerstände 26 bzw. 34 und Vbe die Basis-Emitter-Durchlaßspan

nung der Transistoren ist

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsverstärker mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als bekannt vorausgesetzten Merkmalen.
Ein Transistorverstärker mit diesen Merkmalen ist aus der NL-OS 66 17 462 (entsprechend der nachvcrörfentlichten DE-OS 14 87 340) bekannt Bei dieser bekannten Schaltung wird die Eingangsklemme durch den erwähnten Schaltungspunkt gebildet, und die Verstärkerschaltung arbeitet als Stromverstärker mit einem

Stromverstärkungsfaktor, der gleich dem Quotienten

aus der Anzahl der Transistoren, deren Kollektor mit dem erwähnten Schaltungspunkt gekoppelt sind, geteilt durch die Anzahl der restlichen Transistoren ist

Es ist ferner aus der DE-PS tO 22 639 bekannt, den Ruhearbeitspunkt eines Verstärkertransistors dadurch zu stabiliseren, daß man in den Basis-Emitter-Kreis des Transistors eine Diode einschaltet, die eine ähnliche Temperaturcharakteristik hat, wie die Basis-Emitter-Strecke des Transistors. Eine solche Stabilisierungsschaltung ist auch aus der Zeitschrift »IRE Transactions on Circuit Theory«, September 1957, S. 194 bis 202, bekannt

Es ist feoier aus der Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, November 1962, Seiten 1385 bis 1395, bekannt, der Basiselektrode eines Transistors einen temperaturabhängigen Widerstand (»Varistor« in Reihe zu schalten, um die Stabilität und den Wirkungsgrad einer den Transistor enthaltenden Oszillatorschaitung zu verbessern.

Aus der DE-AS 11 41 338 ist es bekannt in den Basis-Emitter-Kreis eines Transistors einen als Diode geschalteten weiteren Transistor zu schalten, um den Arbeitspunkt des erstgenannten Transistors zu stabilisieren, siehe auch die Veröffentlichung in der Zeitschrift »IEEE Transactions on Circuit Theory«, Dezember 1965, Seiten 586 bis 590.

In jüngerer Zeit haben die oben bereits erwähnten Schaltungen, bei denen ein als Diode geschalteter Transistor der Basis-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors direkt parallel geschaltet ist, starke Beachtung gefunden. Diese neueren Schaltungen, die außer aus der oben bereits erwähnten NL-OS 66 17 462, der US-PS 33 91 111, der US-PS 33 92 342 und der Veröffentlichung »Proceedings of the IEEE«, Septemper 1966, Seite 1201, bekannt sind, zeichnen sich durch einen verhältnismäßig konstanten Verstärkungsfaktor aus. Es handelt sich also um Stromverstärker mit einem vorgebbaren, temperaturstabilen Stromverstärkungsfaktor zwischen einer Eingangsklemme, die durch die Verbindung der Basiselektroden der verschiedenen Transistoren gebildet wird, und der Ausgangsklemme am Kollektor des oder der Ausgangstransistoren.

Der Stromverstärkungsfaktor wird durch die Geometrie und durch die Anzahl der Transistoren in den verschiedenen Schaltungen bestimmt, wie oben bereits erwähnt worden ist.

Aus der obengenannten NL-OS 66 17 462, von der die Erfindung ausgeht, ist es auch bekannt, der Stromverstärkerschaltung konstanten Stromverstärkungsfaktors einen zweiten, konventionellen Stromverstärker nachzuschalten und dessen Ausgangswiderstand über ein Gegenkopplungsnetzwerk mit den Basen der genannten Stromverstärkungsschaltung zu verbinden, um den

Arbeitspunkt zu stabilisieren. Hier wird der Strom, der ii» der genannten Stromverstärkungsschaltung fließt und damit ihr Ausgangssignalpegel dann jedoch durch z. B. temperaturbedingte Änderungen ihres Ausgangswiderstandes beeinflußt

Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von einer Schaltungsanordnung der letzterwähnten Art die Aufgabe zugrunde, diese auch als Pegelverschiebungsstufe und als Spannungsverstärker verwendbar zu machen, wobei sich der Wert der Spannungsverstärkung bzw. der Pegelverschiebung zwischen Eingangsruhepotential und Ausgangsruhepotential in einfacher Weise bestimmen und auch bei Ausbildung als integrierte Schaltung mit guter Konstanz und Reproduzierbarkeit realisieren lassen soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verwendung gelöst

Bei einem derart ausgeführten Spannungsverstärker ist die Stromverstärkung der Transistorkombination in erster Linie abhängig von den relativen Basis-Emitter-Übergangsflächen der einzelnen Transistoren. Durch die Zuführung des Eingangssignals über die Eingangsimpedanzeinrichtung wird die Spannungsverstärkung des Verstärkers gleich dem Produkt der erwähnten Stromverstärkung und dem Verhältnis der zweiten Impedanz zur ersten Impedanz und ist unabhängig von Änderungen der Stromverstärkungen der einzelnen Transistoren.

Die erfindungsgemäß verwendete Schaltungsanordnung hat den weiteren Vorteil, daß mit ihr Gleichspannungspegelunterschiede im Verlauf eines Signalwegs überbrückt werden können. Ein solcher Fall tritt ein, wenn z. B. ein auf einem bestimmten Bruchteil der Betriebsspannung bezogenes Signal einer Verstärkerstufe zugeführt werden soll, die mit einer Vorspannung arbeitet, welche einen anderen Bruchteil der Betriebsspannung darstellt. Die Verwendung von Kapazitäten zur Überbrückung solcher Pegelunterschiede ist bei integrierten Schaltungen unerwünscht, weil einmal ein Kondensator in einer integrierten Schaltung einen beträchtlichen Raum einnimmt und zum anderen ein außerhalb der integrierten Schaltung vorgesehener Kondensator zwei zusätzliche Anschlüsse aus der begrenzten zur Verfügung stehenden Anzahl der Anschlüsse des HaIbleiterplättchens benötigt. Auch komplementäre Transistoren oder Zenerdioden, welche bei bestimmten Schaltungen für diese Pegelüberbrückung verwendet werden können, unterliegen bei integrierten Schaltungen bestimmten Einschränkungen. Bei dem erfindungsgemäßen Spannungsverstärker läßt sich ungeachtet des Gleichspannungspegels am Eingang der Gleichspannungspegel der Ausgangssignale durch Wahl eines bestimmten Betriebspotentials einstellen.

Die Erfindung macht sich die Vorteile der genauen Übereinstimmung und engen thermischen Kopplung einzelner Bauelemente in integrierten Schaltungen für die Übertragung eines Signals zunutze, welches als Ausgangssignal auf einen bestimmten Gleichspaniiungspegel bezogen sein soll. Weiterhin wird die Tatsache ausgenutzt, daß in Transistoren des gleichen Leitungstyps, deren Basen und Emitter parallel geschaltet sind, und in über diese Elektroden geschalteten Halbleiterdioden, welche eng auf die Transistoreigenschaften abgestimmt sind, der gleiche Kollektorstrom fließt. Unter Ausnutzung dieser Erscheinungen und der Vorteile der genauen Anpassung und engen thermischen Kopplungen zwischen Transistoren und Dioden in integrierten Schaltungen bietet die Erfindung einen Weg, jeweils gleiche Kollektorströme fließen zu lassen, so daß eine von Umgebungstemperaturen praktisch unbeeinflußte Pegeleinsteilung oder -verschiebung auftritt Dieses Verhalten wird noch verbessert, wenn in v/eiterer Ausgestaltung der Erfindung die beiden Impedanzen jeweils aus einem Widerstand mit jeweils gleicher Temperatur-Widerstands-Kennlinie bestehen und gemetnsiun mit der Tnuisistorkombination in einer monolithischen integrierten Schaltung untergebracht sind.

Mittels der in der angegebenen Weise verwendeten Transistorschaltung läßt sich eine Phasenumkehrschaltung realisieren, wenn in einer Ausgestaltung die beiden Impedanzen einander gleich sind und die Basis-Emitter-Übergangsflächen der Transistoren so gewählt sind, daß die Transistorkombination den Stromverstärkungsfaktor 1 hat

Die im folgenden verwendeten Ausdrücke Widerstände, Kapazitäten, Transistoren, Gleichrichter, Dioden usw sollen für die in einer integrierten Schaltung verwendeten Bauelemente verwendet werden, die in üblichen Schaltungen diskreten Bauelementen entsprechen, wenn nicht anderes gesagt ist Die Ausbildung dieser Elemente in integrierten Schaltungen ist in der Technik bekannt

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen von Aucführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Pegelverschiebungsschaltung nach der Erfindung und

F i g. 2 ein Schaltbild der in F i g. 1 dargestellten Schaltung in der Verwendung als Phasenaufspaltungsschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Pegelverschiebungsschaltung zeigt ein Paar als NPN-Transistoren 10 bzw. 12 ausgebildete Halbleiterbauelemente. Die Basen 14 und 16 dieser Transistoren sind miteinander verbunden. Ihre Emitter 18 und 20 sind ebenfalls miteinander verbunden und liegen an einem Bezugs- oder Massepotential 22. Der Kollektor 24 des Transistors 10 ist über einen ersten Widerstand 26 an eine Eingangsklemme 28 angeschlossen. Der Kollektor 30 des Transistors 12 ist über einen zweiten Widerstand 34 und den Anschluß 35 an eine einstellbare Spannungsquelle 32 angeschlossen. Der Kollektor 24 liegt ferner über eine ICurzschlußleitung 36 an der Basis 14, so daß der Transistor 10 als Diode oder Gleichrichter wirkt. Der Kollektor 30 des Transistors 12 ist über eine Leitung 38 an eine Ausgangsklemme 40 angeschlossen.
In Betrieb fließt ein Strom in den Kollektorkreis des Transistors 10, wenn der Augenblickswert des Eingangssignals am Anschluß 28 die mittlere Basis-Emitter-Durchlaßspannung Vbc dieses Transistors übersteigt, welche am Kollektor 24 steht. Da die Basen 14 und 16 und die Emitter 18 und 20 der beiden Transistoren 10 und 12 zusammengeschaltet sind, fließt in beiden etwa der gleiche Strom, wenn sie von gleichem Leitungstyp sind.

Sind die Transistoren 10 und 12 ferner in einer integrierten Schaltung in einem monolithischen Halbleiterplättchen aufgebaut, dann werden die Ströme identisch, da die Basis-Emitter-Spannungen dieser Transistoren gleich sind und die Transistoren der gleichen thermischen Umgebung, ausgesetzt sind und die gleiche Kristallstruktur haben. Es läßt sich daher zeigen, daß diese Kollektorströme der Gleichung (1) genügen

Ίο ~

wobei
/ίο und /π

die Kollektorströme der Transistoren 10

bzw. 12 in mA,

der Augenblickswert der dem Anschluß 28

zugeführten Eingangsspannung in Volt,

die Basis-Emitter-Durchlaßspannung des

Transistors 10 in Volt und

der Wert des Widerstandes 26 in Kiloohm

An der Ausgangsklemme 40 infolge des Stromes /12 durch den Widerstand 34 entstehende Signal läßt sich schreiben als

- V_6e,₀)

Vrcf — Spannung der Gleichspannungsquelle 32 in

Volt,
Ä34 = Wert des Widerstandes 34 in Kiloohm und

Vj_n, VbC₁₀ und Ä26 wie vorstehend.

Aus der letzten Gleichung ergibt sich, daß der Gleichspannungspegel des entstehenden Ausgangssignals in erster Linie durch eine Einstellung der Spannung der Spannungsquelle 32 einstellbar ist Eine Veränderung des Widerstandsverhältnisses Ä34/Ä26 zur Veränderung der Wirkung der Gleichspannungskomponente des angelegten Eingangssignais oder der Durchlaßspannung des Transistors 10 erlaubt nur in zweiter Linie eine Bestimmung des Ausgangsgleichspannungspegels und ist im allgemeinen nicht durchführbar, wenn die Widerstände 26 und 34 fest sind. Das Widerstandsverhältnis Ä31/Ä26 ist weiterhin relativ stabil in einer integrierten Schaltung bei Temperaturschwankungen, so daß der Ausgangsgleichspannungspegel bei Temperaturschwankungen praktisch konstant bleibt In dieser Hinsicht bleiben jegliche Veränderungen dieses Gleichspannungspegels, die durch Änderungen der Basis-Emitter-Spannung VtK₁₀ mit Temperaturschwankungen aufzutreten suchen, von geringerer Bedeutung und lassen sich gegebenenfalls leicht kompensieren.

Die Pegelverschiebungsschaltung nach Anspruch 1 ist daher eine außerordentlich vielseitig verwendbare Schaltung, indem der Gleichspannungspegel des erzeugten Ausgangssignals über einen weiten Bereich einfach durch Veränderung der Spannung der Spannungsquelle 32 verändert werden kann. Die maximale Spannung für die Spannungsquelle 32 ist diejenige, bei der die Durchbruchsspannung am Kollektor 30 bei minimalem Stromfluß nicht überschritten wird. Das erzeugte Ausgangssignal erreicht mit seiner Maximalamplitude die Spannung der Spannungsquelle 32 und mit seiner Minimaiamplitude Massepotential.

Die Schaltung nach Fig. 1 läßt sich so abwandeln, daß sie zusätzlich zu der Pegelverschiebung eine Signalverstärkung liefert Beispielsweise können 1, 2 ... π Transistoren parallel mit dem Transistor 12 geschaltet werden, wie es die gestrichelten Linien zeigen, und dann lassen sich Signalverstärkungen von 2,3... n+1 infolge der zugefügten Ströme durch den Widerstand 34 erreichen. In entsprechender Weise kann eine Signalverstärkung auch durch eine Wahl des Widerstandes 34 auf einen größeren Wert als der des Widerstandes 26 erreicht werden. In beiden Fällen wird die Steuerung des Ausgangsgleichspannungspegels unabhängig davon jedoch in erster Linie durch eine Veränderung der Spannung der Gleichspannungsquelle 32 bewirkt.

Andererseits läßt sich eine Signalverstärkung auch durch Verwendung eines Transistors 12 erreichen, dessen Basis-Emitter-Übergangsfläche größer als die entsprechende Fläche des Transistors 10 ist Dies ergibt sich daraus, daß die Stromverstärkung der Schaltung proportional dem Verhältnis der Emitter-Übergangsfläche des Transistors 12 zur Emitter-Übergangsfläche des Transistors 10 ist Da die Basis-Emitter-Dioden der beiden Transistoren parallel geschaltet sind, ist die Spannung über ihnen gleich, und das gleiche gilt für ihre Stromdichten. Bei gleichen Stromdichten verhalten sich aber die Emitterströme der Transistoren 10 und 12 ebenso wie ihre Emitterflächen.

An Stelle der zwischen seiner Basis und seinem KoI-lektor kurzgeschlossenen Transistor i0 kann auch eine normale Halbleiterdiode vorgesehen werden. In einer integrierten Schaltung lassen sich Dioden jedoch leicht in Form derart kurzgeschlossener Transistoren herstellen.

Wenn an Stelle des Transistors 10 eine Diode verwendet wird, dann läßt sich zeigen, daß man bei der mathematischen Ableitung ebenfalls auf Gleichung (2) kommt Der in F i g. 2 dargestellte Verstärker spaltet das Eingangssignal in zwei gegenphasige Signalanteile auf (Phasenspalterschaltung) und enthält die Pegelverschiebungsschaltung nach F i g. 1 mit den gleichen Bezugsziffern und zusätzlich ein Paar Transistoren 50 und 52 sowie einen Widerstand 54. Der Kollektor 30 der Pegelverschiebungsschaitung ist über eine Klemme 40 mit der Basis 56 des Transistors 50 verbunden, während sein Emitter 58 über einen Widerstand 54 an Masse 52 liegt Der Kollektor 60 des Transistors 50 ist zusammen mit dem Emitter 62 des Transistors 52 an die Gleichspannungsquelle 32 angeschlossen, während der Kollektor 64 des letztgenannten Transistors an der Klemme 28 liegt Weiterhin ist eine Signaleingangsquelle 66 zusammen mit einer Vorspannungsquelle 75 zwischen die Basis 68 des Transistors 52 und die Spannungsquelle 32 geschaltet und liefert die zu verstärkenden und in ihrer Phase umzukehrenden Signale.

Im Betrieb der Schaltung nach F i g. 2 werden die der Basis 68 zugeführten Eingangssignale durch den Transistor 52 mit einer Verstärkung verstärkt, die im wesentlichen durch das Produkt der Steilheit des Transistors 52

so mit dem Widerstand 26 bestimmt ist Diese verstärkten Signale werden auch in ihrer Polarität umgekehrt und erscheinen am Anschluß 28 mit einem Momentanwert gegenüber dem Masseprodukt 22, der gegeben ist durch Gleichung (3)

V₂S = /52^26+ Vi₅IO, (3)

wobei /52 der Kollektorstrom des Transistors 52 ist, der infolge der Reihenkopplung auch gleich dem Kollektorstrom des Transistors 10 ist Der Transistor 12 kehrt ähnlich die Polarität der verstärkten Signale um, wenn sie seiner Basis 16 zugeführt werden, und erzeugt Signale der ursprünglichen Polarität am Anschluß 40, welche den Momentanwert haben:

V₄₀= V_n^-Zi₂A₃₄. (4)

Wird wiederum angenommen, daß die Transistoren

10 und 12 in einem monolithischen integrierten Schaltungsplättchen aufgebaut sind, so daß ihre Kollektorströme praktisch gleich sind, dann läßt sich zeigen, daß die am Anschluß 40 bzw. am mit dem Emitter 58 Ausgangsanschluß 70 entstehenden Signale durch die Gleichungen

V₄₀= V_K[ --§8- (V₂₈- V₆₈₁J (5)

und ίο

V_aul = V«, - -^- (V_x - V_bs„) - V_bex (6)

gegeben sind, wobei V_beyi die Basis-Emitter-Durchlaßspannung des Transistors 50 ist. Da Vi_x,,, und V^e₅₀ in einer integrierten Schaltung praktisch gleich sind, läßt sich der Momentanwert des entstehenden Ausgangssignals ausdrucken durch

V₀Ut = V_rer - V_2B ,

wenn die Widerstände 26 und 34 gleich groß sind. In diesem Fall, ebenso wie wenn die Widerstände ungleiche Werte haben, läßt sich der Gleichspannungspegel der erzeugten Ausgangsspannung in erster Linie durch Veränderung der Bezugsspannung der Spannungsquelle 32 variieren. Ist weiterhin der Widerstand 34 größer als der Widerstand 26, dann liefert der Transistor 12 zusätzlich eine Signalverstärkung von der Größe des Widerstandsverhältnisses.

Bei einer Ausführungsform des das Eingangssignal in gegenphasige Anteile aufspaltenden Verstärkers nach F i g. 2 sind die Widerstände 26,34 und 54 je 3 Kiloohm, und die Gleichspannung der Bezugsspannungsquelle 32 beträgt +10 Volt. Bei diesen Werten wird etwa eine Spannungsverstärkung von 1 erreicht, wobei die Signalspannungsamplitude von Spitze zu Spitze gemessen etwa gleich den 10 Volt der Spannungsquelle 32 war. Es wurde eine Eingangsimpedanz von 3 Kiloohm vorgesehen, während die Ausgangsimpedanz relativ niedrig war und nur 90 Ohm betrug. Wie bereits erwähnt, äußert sich eine Veränderung der der Schaltung durch die Spannungsquelle 32 zugeführten Gleichspannung in der gewünschten Gleichspannungspegelverschiebung.

Die Transistoren 10,12 und 5 sind als NPN-Transistoren dargestellt, während der Transistor 52 ein PNP-Transistor ist; bei einer Polaritätsumkehr der Spannungsquelle 32 und 75 können die Leitungstypen der Transistoren umgekehrt werden. Bei Verwendung von Spannungsquellen der richtigen Polarität lassen sich ferner erfindungsgernäß PhasenspaUerscheinur.ger. aufbauen, welche entweder NPN- oder nur PNP-Transistoren verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Transistorschaltung mit mindestens einem Verstärkertransistor (12), dessen Kollektor mit einer Ausgangsklemme (40) und über eine Ausgangsimpedanzeinrichtung (34) mit einer Betriebsspannungsklemme (35) verbunden ist, dessen Basis mit einer Signaleingangsklemme gekoppelt sowie mit der Basis und dem mit dieser verbundenen Kollektor eines als Diode geschalteten Transistors (»Diodentransistor« 10) verbunden ist und dessen Emitter mit dem Emitter des Diodentransistors (10) verbunden ist, zur Spannungsverstärkung und/oder Pegelverschiebung eines der Signaleingangsklemme (28) zugeführten Eingangssignals bezüglich eines an der Ausgangsklemme (40) auftretenden Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleingangsklemme (28) über eine Eingangsimpedanzeinrichtung (26) mit den Basen (14, 16) der Transistoren (10,12) gekoppelt ist, wobei die Signa!- iverstärkung durch das Verhältnis des Wertes der Äusgangsimpedanzeinrichtung (34) zu dem der Eingangsimpedanzeinrichtung (26) bestimmt ist und eine zusätzliche Pegelverschiebung, die über die durch das genannte Verhältnis festgelegte Pegelverschiebung hinausgeht, durch Einstellen der Betriebsspannung (32) erfolgt

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Impedanzeinrichtungen jeweils aus einem Widerstand (26,34) mit jeweils gleicher Temperatur-Widerstands-Kennlinie bestehen und gemeinsam mit der Transistorkombination (10, 12 ...) in einer monolithischen integrierten Schaltung untergebracht sind.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Impedanzeänrichtungen (26,34) gleiche Impedanz und daß die Basis-Emitter-Übergangsflächen de<- Transistoren (10, 12 ...) so gewählt sind, daß die Transistorschaltung den Stromverstärkungsfaktor 1 hat.

4. Verwendung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Transistor (50) in Kollektorschaltung, dessen Eingang (56) mit der Ausgangsklemme (40) direkt gekoppelt ist, wobei die Temperaturkennlinie der Basis-Emitter-Spannunp dieses zusätzlichen Transistors so gewählt ist, daß die durch Temperaturänderungen der Transistorschaltung (10, 12 ...) hervorgerufenen Gleichspannungsänderungen am Ausgang (70) der Kollektorschaltung (50,54) kompensiert werden.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschaltung aus zwei gleichen Transistoren (10,12) besteht, deren Emitter an ein Bezugspotential gelegt sind, und daß die die beiden Impedanzeinrichtungen bildenden Widerstände (26, 34) derart bemessen sind, daß die an der Ausgangsklemme abgenommene Ausgangsspannung die Gleichung erfüllt: