DE1902724A1 - Komplementaerer Emitterfolger - Google Patents

Description

33/74 10.1.1969

PATENTANWÄLTE Reg.-Nr. 1.21 751

DR.-ING. WOLFF, H. BARTELS
DR. BRANDES, DR.-ING. HELD
7 STUTTGART-N, LANGE STRASSE 51

EASTMAN KODAK COMPANY, ;Rochester, Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika

Komplementärer Emitterfolger

Die Erfindung betrifft einen komplementären Emitterfolger, dessen Eingang mit der Basis eines ersten Transistors und . dessen Ausgang mit dem Emitter eines zweiten Transistors verbunden ist, wobei die Basis des-zweiten Transistors an den Emitter des ersten Transistors angeschlossen und über ein Bauelement mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist. Solche Emitterfolger werden vorzugweise als Stromverstärker verwendet.

Bei d.en bekannten Emitterfolgern dieser Art ist das zwischen der Basis und dem Kollektor des zweiten Transistors liegende Bauelement ein Widerstand, der die erforderliche Basisvorspannung aufbaut. Der Nachteil dieser bekannten Emitterfolger besteht darin, daß es nicht möglich oder zumindest äußerst schwierig ist, eine hohe Eingangsimpedanz und eine gute Linearität mittels Widerständen zu erzielen, die einen verhältnismäßig niedrigen Widerstandswert besitzen. Letzteres ist deshalb von erheblicher Bedeutung, weil in integrierten Kreisen Widerstände mit sehr hohen Widerstandswer-

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ten nicht oder nur in schwierigen Verfahrensschritten erzeugt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen komlementären Emitterfolger zu schaffen, der keine hohen Widerstände benötigt, trotzdem aber eine hohe Eingangsimpedanz und eine gute Linearität besitzt. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bauelement, welches die Basis und den Kollektor des zweiten Transistors miteinander verbindet, eine einen zumindest im wesentlichen konstanten Strom liefernde Quelle ist.

^ solche Konstant st romquelle, die, wenn der Strom völlig konstant wäre_s eine unendlich große Impedanz aufweisen würde, besitzt eine sshr hohe Impedanz, vjeshalb auch die Eirtiiangbiaipeuänz des Emitterfolgers groß ist. Außerdem la.. o_,-^i «±e se Konstant stromquelle durch eine inte^r · ·: oüü&ltung mit niedrigen Widerstandswer-■;en verwirklichen, sodaß der gesamte Emitterfolger wirtschaftlich in Form einer integrierten Schaltung gefertigt werden kann.

Die Konstant stromquelle kann beispielsweise durch eine Schaltung verwirklicht sein, die einen dritten Transistor, dessen Emitter-Kollektor-Strecke parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors liegt, sowie einen vierten Transistor enthält, dessen Basis und Kollektor miteinander und mit der Basis des dritten Transistors verbunden sind.Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist hierbei der erste, dritte und vierte Transistor Je vom NPN-Typ, der zweite Transistor vom

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PNP-Typ. Außerdem ist ein Widerstand zwischen den Emitter des dritten Transistors und den Emitter des vierten Tansistors geschaltet, der aber eine in der integrierten Technik ohne Schwierigkeiten zu fertigende Größe besitzt. Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß der Strom des zweiten Transistors über den Spannungsabfall an diesem Widerstand und den dritten Transistor rückgekoppelt ist. Es handelt sich dabei um eine negative Rückkopplung, die die Eingangsimpedanz vergrößert und die Empfindlichkeit des Emitterfolgers gegenüber Temperatureinflüssen und Änderungen der Speisespannung sowie der Transistorverstärkung vermindert. Der erfindungsgemäße Emitter-

folger/k&nn deshalb beispielsweise zur Verstärkung extrem geringer Ströme eingesetzt werden.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand von auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.
Es zeigen:

ein schematisches Schaltbild einer bekannten Ausführun^sform,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen komplementären Emitt er folgers mit symbolisch dargestellter Kon st ant st romau^lle,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform entsprechend Fig, 2, wobei jedoch die einzelnen Schaltelemente der Konstant stromquelle dargestellt sind.

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Der in Pig. 1 dargestellte vorbekannte komplementäre Emitterfolger besitzt als Eingangstransistor einen NPN-Transistor Q_Q, dessen Basis der Eingangsstrom I. zugeführt, wird. Sein Kollektor liegt am positiven Pol einer Speisespannung und sein Emitter ist mit der Basis eines den Ausgang st ran s it or bildenden PNP-Transistors. Q, verbunden. Ein Widerstand R_ verbindet die Basis des Transistors Q~ mit dessen Kollektor, der an Masse angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors Q-,ist über einen Widerstand R₃ ebenfalls an den positiven Pol der Speisespannung angeschlossen.

Wenn der Eingangs st rom I^ positiv wird, nimmt die Leitfähigkeit des Transistors Q₀ zu. Das Potential an der . Basis des Transistors Q, wird, da der Emitterstrom des Kollektors Q₀ über den Widerstand R_Q fließt, hierdurch erhöht, was zu einer Verminderung der Leitfähigkeit des Transistors Q^, also einer Verminderung seines Emitterstromβ, führt. Die Ausgangsspannung E₀ des Emitterfolgers nähert sich bei einer Abnahme des Emitterstromes der Speisespannung, da sich der Spannungsabfall am .Widerstand R- vermindert. Weil die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q₀ ungefähr dieselbe ist wie die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q,, ist die Eingangsspannung nahezu exakt gleich der Auegangspannung, so lange der Verstärker Im nicht gesättigten Bereich der Transistoren betrieben wird. 01· Eingange impedanz ist im wesentlichen proportional dem Werte des Widerstands R₀* Um die Eingang β impedan β zu erhöhen, muß deshalb der Widerstand R₀ vergrößert werden* Eine Qrense der Widerstandβvergrößerung lit Jedoch dann erreicht, wenn der Widerstand Rq keinen ausreichend großen Strom eus? Basis des Tranais-

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tors Q-, mehr ermöglicht. Berücksichtigt man ferner, daß es praktisch unmöglich ist, eine integrierte Schaltung mit sehr hohen Widerständen wirtschaftlich zu fertigen, so ist deutlich zu erkennen, daß der Wunsch, die Eingang.simpedanz des Emitterfol,gers zu vergrößern, dem Wunsche, den Emitterfolger als integrierte Schaltung auszubilden, entgegenläuft.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt in allgemeiner Form, wie das vorstehend erwähnte Problem bei dem erfindungsgemäßen Emitterfolger gelöst ist. Der . Widerstand R_Q der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist durch einen Konstant st rom-Generat or C ersetzt. Da ein Konstant stromgenerator theoretisch eine unendlich große Impedanz besitzt, erhält man mit den praktisch, ausführbaren Konstant stromgenerator en eine sehr hohe Impedanz. · ·

Wie im einzelnen der Konstantstromgenerator C aufgebaut sein kann, ohne Widerstände zu benötigen, die bei der Ausführung als integrierte Schaltung Herstellungsschwierigkeiten bereiten würden, zeigt Fig. 3. Ein Transistor Q₁ wirkt als Diode und dient dazu, die Spannung an der Basis eines Transistors Q₂ zumindest im wesentlichen konstant zu halten. Die Leitfähigkeit des Transistors Q₂, der vom NPN-Typ ist, ist natürlich von seiner Basis-Emitter-Spannung abhängig. Diese Basis-Emitter-Spannung hängt wiederum von dem Strom ab, der durch einen Widerstand Rp fließt, welcher den Kollektor des Transistors Q- mit Masse verbindet. Wie bei der vorbekannten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ändert sich die Ausgangsspannung E_Q mit der Eingangsspannung am Transistor Qq. Wenn die Ausgangsspannung E_Q steigt, nimmt gleich-

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zeitig der Strom durch den Transistor Q- ab, was auch zur Folge hat, daß sich der Spannungsabfall am Widerstand R₂ vermindert. Dies wiederum hat eine Vergrößerung der Leitfähigkeit des Transistors Q₂ zur Folge, sodaß die Schaltung selbsttätig den durch den Transistor Q fließenden Strom konstant zu halten sucht.

Die Wirkung des durch den Transistor Q_ fließenden Stromes, über den von ihm hervorgerufenen Spannungsabfall am Widerstand R₂ die Leitfähigkeit des Transistors Q₂ zu steuern, ergibt eine negative Rückkopplung. Diese negative Rückkopplung trägt dazu bei, eine hohe Eingangsimpedanz an der Basis des Transistors Q_ zu erzeugen. Außerdem erhöht die negative Rückkopplung die Unempfindlichkeit . des Emitterfolgers gegen thermische Schwankungen und Änderungen der Speisespannung und der Verstärkung der Transistoren.

Bei einem typischen Anwendungsbeispiel als Stromverstärker hat der Eingangsstrom die Größe von etwa 1 nA und der durch den Transistor Q₂ fließende konstante Strom etwa die Größe von 3*10 nA. Der Strom durch den PNP-Transistor Q- beträgt etwa 22 μΑ. Der Widerstandswert des Widerstandes R₂ ist/etwa 10 k/L, liegt also in einer Größenordnung, die bei integrierten Schaltungen wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Selbstverständlich braucht der erfindungsgemäße Emitterfolger nicht als integrierte Schaltung ausgebildet sein. Sein Aufbau und seine Wirkungsweise sind dieselben, wenn einzelne Schaltelemente verwendet werden.

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Claims (2)

Pat enfransprüche :

1. Komplementärer Emitterfolger, dessen Ausgang mit der Basis eines ersten Transistors und dessen Eingang mit dem Emitter eines zweiten Transistors verbunden ist, wobei die Basis des zweiten Transistors an den Emitter des ersten Transistors angeschlossen und über ein Bauelement mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, dadurch-gekennzeichnet , daß das Bauelement eine einen zumindest im wesentlichen konstanten Strom liefernde Quelle (C ) ist.

2. Emitterfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (C ) einen dritten Transistor (Q₂), dessen Emitter-Kollektor-Strecke parallel zur Basie-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors (Q-) liegt, sowie einen vierten TrBnSiStOr(Q₁) enthält, dessen Basis und Kollektor miteinander und mit der Basis des dritten Transistors (Qp) verbunden sind.

3t Emitterfolger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, dritte und vierte Transistor je vom NPN-Typ, der zweite Transistor (Q₃) vom PNP-Typ ist und ein Widerstand (Rp) zwischen den Emitter des dritten Transistors (Q₂) und den Emitter des vierten

Transistors (Q₁) geschaltet ist.

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