DE1909975C3 - Transistorverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker, wie er im Anspruch 1 vorausgesetzt ist.

Ein solcher Verstärker ist aus dem RCA Handbuch »RCA Linear Integrated Circuit Fundamentals« (1966), Seiten 108, 233 und 238 bekannt. Er weist eine Anzahl von in Kaskade geschalteten Transistorstufen mit je einem emittergekoppelten Differenzverstärker, der einen Emitterfolgerverstärker ansteuert, auf. ferner eine Vorspannungsquelle, die eine im wesentlichen konstante Spannung über einen ersten Widerst.,rd an einen der Transistoren der ersten Stufe liefert, sowie einen zweiten Widerstand, über den eine veränderliche Vorspannung vom Emitterfoigertransistor der letzten Stufe der Kaskade dem anderen der emittergekoppelten Transistoren der ersten Stufe der Kaskade zugeführt wird.

Demgegenüber liegt die Aufgabe der Erfindung darin, bei Verstärkern mit einer Vielzahl in Kaskade geschalteter Transistorstufen mit je einer emittergekoppelten Verstärkerstufe die Ruhegleichspannung am Ausgang des Verstärkers unabhängig von Schwankungen der Temperatur, des Verstärkungsfaktors der einzplnen Transistoren und sonstiger Schaltungsparameter zu machen, ohne die Gefahr zunehmender Instabilitäten bei wachsender .Stufenzahl in Kauf nehmen zu müssen, die im allgemeinen besieht, wenn man eine Gegenkopplung über den gesamten Verstärker führt, um eine Stabilisierung der Gleichspannungspotentiale zu erzwingen. Vielmehr snll bei der Erfindung die Ruhegleichspannung lediglich durch den Wert einer konstanten Vorspannung für die Transistoren der Schaltung bestimmt werden,

Diese Aufgabe wird bei einem Transistorverstärker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I durch dessen kennzeichnende Merkmale gelost.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Ruhegleich' spannung am Ausgang des Verstärkers auf demselben Wert wie die konstante Vorspannung gehalten wird,

ohne durch Änderungen einzelner Schaltungsparameter oder der Umgebungstemperatur beeinflußt zu werden. Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in der Vorspannung von symmetrischen Begrenzerstufen, die mit zwei emittergekoppelten Transistoren aufgebaut sind, wobei den Basen dieser beiden Transistoren genau übereinstimmende Ruhegleichspannungen zugeführt werden, damit eine möglichst gut symmetrische Begrenzung erreicht wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellung eines ZF-Verstärkers, -Begrenzers und -Demodulators für winkelmodulierte Schwingungen näher erläutert.

Die nachfolgend beschriebene Schaltungsanordnung ist in ihrer Anwendbarkeit nicht auf integrierte Schaltungen beschänkt, sondern läßt sich in ihren Prinzipien allgemeiner, z. B. auf beliebige Verstärkeranordnungen mit mehreren in Kaskade geschalteten Transistorstufen des hier beschriebenen Grundtyps anwenden.

Das Schaltschema der Zeichnung veranschaulicht die Anwendung einer Kaskade von Verstärkerstufen mit je drei Transistoren im ZF-Verstärkerteil eines FM-Rcindfunkempfängers. Durch das gestrichelte Rechteck 10 ist schematisch ein monolithisches Halbleiterschaltungsplättchen angedeutet. Das Plättchen hat an seinem Rand eine Anzahl von Anschlußkontakten zum äußeren Anschließen des Plättchens. Beispielsweise sind die beiden Anschlußkontakte 12 und 14 an eine Quelle von frequenzmodulierten Schwingungen angekoppelt. Die Abmessungen des Plättchens 10 können in der Größenordnung von 13 · 1,5 mm oder noch kleiner liegen.

Frequenzmodulierte Signale, beispielsweise der Mischstufe des FM-Radioempfängers. werden zwischen die Klemme 16 und Masse gelegt und iiber einen Kondensator 18 iuf einen Resonanzkreis 20 gekoppelt, der auf die 10,7-MHz-Zwischenfrequenz (entsprechend den USA-Normen) abgestimmt ist. Der Resonanzkreis 20 und der Koppelkondensator 18 befinden sich im vorliegenden Falle außerhalb des Schaltungsplättchens. an das sie über die Anschlußkontakte 12 und 14 angekoppelt sind.

Der Anschlußkontakt 12 ist direkt an eine erste Verstärkerstufe 22 mit drei Transistoren 24, 26 und 28 angeschlossen. Die ersten beiden Transistoren 24 und 26 jind mittels der Widerstände 30 und 32 als emittergekoppelter Verstärker geschaltet, während der dritte Transistor 28 mittels der Widerstände 34 and 36 als Emitterfolger geschaltet ist. Das Ausgangs.signal der Verstärkerslufe 22 erscheint am Verbindungspunkt der Widerstände 3t und 36.

Die Verstärkerstufe 22 ist direkt an eine gleichartige zweite Verstärkerslufe 38 mit ebenfalls drei Transistoren 40, 42 und 44 angeschlossen. Die ersten beiden Transistoren 40 und 42 sind mittels der Widerstände 46 und 48 ebenfalls als emittergekoppelter Verstärker geschaltet, während der dritte Transistor 44 mittels der Widerstände 50 und 52 gleichfalls als Emitterfolger geschaltet ist. Das Ausgangssignal dieser Stuf« erscheint am Verbindungspunkt der Widerstände 50 und 52.

Die Verstärkerstufe 38 ist direkt an eine gleichartige dritte Verstärkerstufe 54 angeschlossen. Der emittergekoppelte Verstärker der Stufe 54 besteh» aus den Transistoren 56 und 58, dem Arbeitswiderstand 60 und dem gemeinsamen Emitterwiderstand 62. Der Emitterfolger besteht aus dem Transistor 64 und der Reihenschaltung der Widerstände 66 und 68, deren Verbindungspunkt den Ausgang der Verstärkerstufe 54 bildet

Die am Widerstand 68 anstehenden Ausgangssignale der Stufe 54 sind einer mit hohem Signalpegel arbeitenden Begrenzerstufe 70 mit Transistoren 72, 74 und 76, einer Diode 78 und einem Widerstand 80 zugeführt Der Transistor 76 dient als Konstantstromquelle für die Begrenzerstufe 70 und ist durch die Diode 78 temperaUirkompensiert Der Transistor 74 der Stufe 70 steuert über einen Anschlußkontakt 82 die Primärwicklung eines außerhalb des Plättchens angeordneten Diskriminatortransformators 84 an. Die Sekundärwicklung des Diskriminatortransformators 84 ist über ein Anschlußkontaktpaar 86 und 88 an den restlichen Teil des Diskriminators 90 angeschlossen, die als Ratiodetektor arbeitet jedoch ohne den normalerweise für die Spitzengleichrichtung verwendeten großen, nicht integrierbaren Kondensator. Die gegensinnig gepolten Gleichrichter des Diskriminators 90 werden durch die beiden Dioden 160 L^i 162 gebildet während die Eigenkapazität der integriert.η Arbeitswiderstände 164 und 166 zur Aussiebung der Signalfrequenz und ihrer Harmonischen dient.

Durch eine Vorspannungsschaltung 168 mit den Transistor··! 170 und 172 und den Widerständen 174, 176, 178, von denen die beiden ersten im wesentlichen den gleichen Wert haben, werden die Dioden 160 und 162 in Durchlaßrichtung so vorgespannt, daß die Anordnung auch bei niedrigen Signaipegeln und erhöhter Umgebungstemperatur symmetrisch und linear arbeitet. Bei Einschaltung einer Zenerdiode 177 zwischen den Kollektor des Transistors 172 und einen Anschlußkontakt 114 sowie bei der in der Zeichnung angegebenen Bemessung der Schaltungskomponenten wird am Anschlußkontakt 180 eine Ruhegleichspannung von ungefähr + 2,5 Volt erzeugt, die als Bezugspotential für den Diskriminator 90 dient

Die vom Diskriminator 90 erzeugten demodulier*en Signale werden über die Tertiärwicklung des Diskriminatortransformators 84. einen ersten Kondensator 92, ein Lautstärkeregelpotentiometer 94, einen zweiten Kondensator % und einen Anschlußkontakt 98 auf den Eingang einer Tonfrequenzverstärkerstufe 100 mit den Transistoren 102 und 104 und den Widerständen 105 und 106 gekoppelt. Die am Widerstand 106 erzeugten Ausgangssignale der Stufe 100 können über einen Anschlußkontakt 108 vom Halbleiterplättchen abgenommen werden. Ein Entzerrungskondensator 110 ist zwischen Masse und den Verbindungspunkt der Tertiärwicklung und des Kondensators 92 geschaltet.

Eine ungeregelte Gieichspannungsquelle für die Schaltung ist mit ihrem positiven Pol an einen Anschlu°kcntakt 112 und mit ihrem geerdeten negativen Pol an einen weiteren Anschlußkontakt 114 angeschlossen. Die Spannung zwischen den Kortakten 112 und 114 ist direkt dem Transistor 72 der Begrenzerstufe 70 sowie den Transistoren 102 und 104 der NF-Verstärkerstufe 100 zugeführt.

Die Speisespannungsschwankungen werden mittels einer Zenerdiode 116, die über einen Widerstand 118 zwischen die Kontakte 112 und 114 geschaltet ist, ausgeglichen. Die an den Kontakt 112 und die Zenerdiode 116 angeschalteten Transistoren 120 und 122 dienen als Emitterfolger dazu, die der Verstärkerstufe 22 zugeführte stabilisierte Spannung von der den Stufen 38 und 54 zugeführten Spannung zu isolieren.

Die Vorsoannunesschaltune 1.34 für die Verstärker-

stufen 22, 38 und 54 wird durch zwei Transistoren 124 und 126, zwei Gleichrichter 125 und 127 sowie drei V/iderstände 128,130 und 132 gebildet und erzeugt am Widerstand 132 eine Spannung, die im wesentlichen gleich der halben Speisespannung an der vom Kollektor des Transistors 126 entfernten Anode des Gleichrichters 125 sowie unabhängig von Temperatur- und Speisespannungsschwankungen ist.

Um Betrieb wird die Arbeitspunktstabilität der Verstärkerstufen 22,38 und 54 durch eine Gleichstromruckkopplung mittels eines Widerstandes 136 über diese drei Stufen erhalten, wobei ein Ableitkondensator 138 über einen Anschlußkontakt 140 an den Widerstand 136 angeschlossen ist. Die Begrenzerstufe 70 wird dann automatisch auf dem richtigen Arbeitspunkt gehalten, da durch die Rückkopplung über die Verstärkerstufen 22,38 und 54 die Spannung an der Basis des Transistors TX auf dem halben Wert der oben genannten Speisespannung gehalten wird. Die Begrenzerstufe 70 1st somit abgeglichen, ohne daß sie sich in der Rückkopplungsschleife befindet. Dies ist deshalb wünschenswert, weil die Schwingneigung der Rückkopplungsschleife dadurch herabgesetzt wird, daß man die Anzahl der Stufen so gering wie möglich hält.

Weiterhin wird die Vorspannung für die Begrenzerstufe 70 dadurch weitgehend unabhängig von der Transistorstromverstärkung gemacht, daß in die Basisrückleitungen der Transistoren 24 und 42 ein Widerstand 142 eingeschaltet ist. Der Widerstand 142 ist so bemessen, daß er ungefähr gleich dem halben Wert des Widerstands 136 in der Basisrückleitung des Transistors 26 ist. Ein Ableitkondensator 144 ist über den Anschlußkontakt 14 an den Widerstand 142 angeschlossen.

Die Vorspannung für die Begrenzerstufe 70 kann statt dessen auch dadurch weitgehend unabhängig von der Transistorverstärkung gemacht werden, daß man den Vorspannwiderstand 142 zwischen die Basis des Transistors 42 und den Kontakt 14 schaltet und in seinem ohmschen Wert doppelt so groß bemißt, so daß er ungefähr gleich dem Wert des Rückkopplungswiderstands 136 wird. Bei einer solchen Anordnung des Vir'iuci aiaiiüs ΊΛ2 niuB man jedoch einen zusätzlichen Kondensator vorsehen, um die Basis des Transistors 42 nach Masse zu überbrücken, weil am Ausgang der Vorspannungsschaltung 134 eine gewisse HF-WeIHgkeitskomponente unvermeidlicherweise selbst dann vorhanden ist, wenn die dort erzeugte Spannung von einer sehr niedrigen Ausgangsimpedanz stammt

Angesichts des Verstärkungsgrades der Verstärkerstufe dieser Auslegung, nämlich 90 dB vom Eingang zum Ausgang, muß verhindert werden, daß diese Welligkeitskomponente die am meisten kritischen Stufen 22 und 38 erreicht, da andernfalls der Verstärker eine unerwünschte Schwingneigung zeigen würde. Der Kondensator 144 leitet die Signalfrequenzen vom Transistor 24 und folglich von der Stufe 22 ab, während der zusätzliche Kondensator bei dieser alternativen Anordnung die Ableitung für den Transistor 42 und die Verstärkerstufe 38 bewirkt (Die Verstärkeretufe 54 ist im Hinbück auf die Gesamtverstärkung weit weniger kritisch, und die HF-Welligkeitskomponente an der Basis des Transistors 58 dieser Stufe wirkt sich auf das Arbeiten der Schaltung kaum nennenswert aus.) Nachteilig bei dieser alternativen Ausführungsform ist allerdings, daß die Kosten der gesamten Anordnung sich durch den zusätzlichen Ableitkondensator erhöhen und daß außerdem ein zusätzlicher Anschlußkontakt auf dem integrierten SchaltungsptäUchen zum Anschluß dieses Kondensators an die Verstärkerstufe 38 vorgesehen werden muß. Letzteres kann zu Schwierigkeiten führen, da bekanntlich auf einem integrierten Schaltungsplättchen nur eine beschränkte Anzahl von Kontakten für den Anschluß an die äußere Schaltung zur Verfügung steht.

Bei der in der Zeichnung gezeigten Schaltung sind jedoch diese beiden Nachteile vermieden, indem dadurch, daß der Widerstand 142 zwischen die Basen der Transistoren 42 und 58 geschaltet ist. der Kondensator 144 jetzt als Ableitkondensator für die Basen sowohl des Transistors 24 als auch des Transistors 42 dient. Dadurch wird der zusätzliche Ableitkondensator und zusätzliche Anschiußkontakt für diesen Kondensator an das Plättchen eingespart. Damit die Begrenzertransistoren 72 und 74 zur Sicherstellung einer symmetrischen Begrenzerwirkung symmetrisch voreespannt werden, müssen außerdem die Gleichspannungsabfälle an den Widerständen 136 und 142 annähernd gleich sein. Diese Bedingung wird dadurch erfüllt, daß man den Basisvorspannungswiderstand 142 halb so groß wie den Rückkopplungswiderstand 136 bemißt, da in den Verstärkerstufen 22 und 38 annähernd gleiche Basisströme fließen.

Bei der vorliegenden Anordnung bleibt die symmetrische Demodulation selbst beim Betrieb mit Signalen niedrigen ^pegels erhalten. Das von der Tertiärwicklung des Diskriminatortransformators abgenommene tonfrequente Ausgangssignal ist in bezug auf das + 2,5 Volt Bezugspotential zentriert. Da das rechte Ende des Widerstandes 164 wegen des Durchlaßspannungsabfalls am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 172 ein Potential führt, das um ungefähr 0,7 Volt größer ist als das +2,5 Volt Bezugspotential am Kontakt 180, reichen negativ gerichtete Signalschwingungen von selbst sehr kleiner Amplitude aus, den Gleichrichter 160 in der Durchlaßrichtung zu spannen und damit leitend zu machen. Ebenso ergibt sich, daß, da das rechte Ende des Widerstandes 166 wegen des Spannungsabfalls am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 170 ein Potential führt, das um 0.7 Volt unter dem +2,5 Volt

iicgi, pusiiiv gerichtete äignaischwingungen selbst sehr kleiner Amplitude ausreichen, um das Kontaktpotential des Gleichrichters 162 zu überwinden und diesen in den leitenden Zustand zu spannen. Da also die Kontaktpotentiale überschritten werden, sobald Eingangssignale anwesend sind, bleibt die symmetrische Demodulation selbst bei niedrigen Signalpegeln erhalten.

Die symmetrische Demodulation wird auch di-ch Umgebungstemperaturschwankungen, besonders solchen, die sich aus Betriebserwärmungen der Schaltung ergeben, nicht gestört Und zwar wird, wenn die Temperatur ansteigt und die Basis-Emitter-Spannungen Vbe der in der Durchlaßrichtung gespannten Übergänge absinken, der durch die absinkende Vie-Spannung des Transistors 370 bedingte Kollektorspannungsabfall dieses Transistors durch den entsprechenden V&e-Abfall des Transistors 172, bei Verstärkungsgrad 1 der Transistorstufe 170, genau aufgewogen. Das +£5 Volt Bezugspotential am Emitter des Transistors 172 und am Anschiußkontakt 180 bleibt daher erhalten. Die Koppelgleichrichter 160 und 162 bleiben ferner durch

die Schaltung 168 in der Durchlaßrichtung gespannt, da die absinkenden Vfe-SpannungsabfäHe der Transistoren 170 und 172 durch das absinkende Kontaktpotentia! dieser Gleichrichter aufgefangen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Transistorverstärker für hochfrequente elektrische Schwingungen mit einer Anzahl von in Kaskade geschalteten Transistorstufen mit je einem emittergekoppelten Verstärker, der einen Emitterfolgerverstärker ansteuert, einer Vorspannungsquelle, die eine im wesentlichen konstante Spannung über einen ersten Widerstand an einen der Transistoren der ersten Stufe liefert, und einem zweiten Widerstand, über den eine veränderliche Vorspannung vom Emitterfolgertransistor der letzten Stufe der Kaskade dem anderen der emittergekoppelten Transistoren der ersten Stufe dt:r Kaskade zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle (134) die im wesentlichen konstante Vorspannung ebenfalls über den ersten Widerstand (142) an einen der Transistoren (42) einer zusätzlichen zweiten Stufe (38) der Kaskade liefert, und daß die beiden Widerstände (142,136) in ihren Werten so bemessen sind, daß die an ihnen abfallenden Gleichspannungen im wesentlichen gleich sind.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (142) in seinem ohmschen Wert ungefähr halb no groß wie der zweite Widerstand (136) ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Vorspannurg außerdem galvanisch an denjenigen emittergekoppelten Transis τ (58) der übrigen Stufen di:r Kaskade angeschlossen ist, der d°m emittergekoppelten Transistor (42) der zweiten Stufe, an den de Vorspannungsschaltung über den eruen Widerstand angeschlossen ist, entspricht.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe der Kaskade drei Transistoren mit jeweils Basis, Emitter und Kollektor enthält und daß in jeder Stufe der erste und der zweite Transistor (24, 26) durch einen dritten und einen vierten Widerstand (32, 30) als emittergekoppelter Verstärker mit dem dritten Widerstand (32) als gemeinsamem Emitterwiderstand und mit im Koilektorkreis des zweiten Transistors (26) liegendern viertem Widerstand (30) verschaltet sind, der dritte Transistor (28) mittels eines fünften Widerstandes (34, 36) als Emitterfolger geschaltet ist. der emittergekoppelte Verstärker den Emitterfolger über eine Gleichstromverbindung mit Signalen speist und ein Ausgangskreis an den fünften Widerstand an einem Punkt angekoppelt ist, der die gleiche Gleichspannung wie die Basis des ersten Transistors führt.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekenrzeichnet, daß in der Schaltung für die konstante Vorspannung ein vierter und ein fünfter Transistor (126, 124) mit j.weils Basis, Emitter und Kollektor vorgesehen sind, wobei der vierte Transistor (12£>) mittels eines sechsten und eines siebten Widerstands (128, 130) in gegengekoppelter Emitterschaltung an die Speisespannungsquelle angeschlossen ist, deir fünfte Transistor (124) mittels eines achten Widef' Standes (132) in Kollektorschaltung an die Speise* Spannungsquelle angeschlossert ist, der Kollektor des vierten Transistors mit der Basis des fünfteil Transistors gekoppelt ist und die Basis des viertel!! Transistors an den Emitter des fünften Transistor!!

und den ersten Widerstand (142) angekoppelt ist.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sechste und der siebte Widerstand (128,130) im wesentlichen gleiche Werte haben und daß in Reihe mit diesen beiden Widerständen zwei Gleichrichter, die in der Richtung des Majoritätsstromflusses durch den vierten Transistor gepolt sind, geschaltet sind.

7. Verstärker nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der letzten Stufe (54) der Kaskade eine Begrenzerstufe (70) mit zwei emittergekoppelten Transistoren (72, 74) angekoppelt ist und daß die Vorspannungsschaltung an den zweiten Transistor (74) dieser Begrenzerstufe angekoppelt ist, derart, daß die Begrenzerstuie eine solche Vorspannung erhält, daß die der ersten Stufe der Kaskade zugeführten Eingangssignale durch diese Stufe und die übrigen Stufen (38, 54) der Kaskade verstärkt und durch die Begrenzerstuie (70) symmetrisch begrenzt werden.

3. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Stufen (22, 38, 54) der Kaskade, die Vorspannungsschaltung (134) und die verschiedenen Widerstände sämtlich in einer einzigen integrierten Schaltung (10) angeordnet sind.