DE1937270A1

DE1937270A1 - Gleichspannungsgekoppelte Verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE1937270A1
Application number: DE19691937270
Authority: DE
Inventors: Burns Joseph Richard
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-07-23
Filing date: 1969-07-22
Publication date: 1970-03-05
Also published as: ES369584A1; MY7300407A; GB1266005A; FR2013553A1; US3516004A; DE1937270B2; AT291344B; SE359990B; NL6911219A

Description

6826-69/Dr.v.B/E ·. r* '*fv

"RCA 58462A
U.S.Ser.No. 746,796
Filed: July 23, 1968

RCA Corporation

New York, N.Y. (V.St.A.)

Gleichspannungsgekoppelte Verstärkerschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft mehrstufige Verstärkerschaltungen mit automatischer Vorspannungserzeugung, insbesondere einen Verstärker, bei dem die Stufen gleichspannungsgekoppelt sind und eine Zuführung von getrennten Eingangssignalen in verschiedenen Stufen des Verstärkers erfolgt.

Ein eigener älterer Vorschlag betrifft einen für die i Verstärkung von Wechselspannungssignalen geeigneten mehrstufigen Verstärker, der η gleichspannungsgekoppelte Stufen enthalten kann. Jede Stufe dieses Verstärkers kann einen ersten Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode (dieses Bauelement soll im folgenden kurz als "IGFET" bezeichnet werden), der in Quellenschaltung arbeitet, und eine mit der Abflußelektrode dieses Transistors verbundene Reihenimpedanz enthalten, wobei die _; Abflußelektrode eines Transistors in einer Stufe direkt mit der Steuerelektrode des Transistors in der nächstfolgenden Stufe gekoppelt ist. Die Vorspannung kann in einem solchen Verstärker ^; mittels eines Rückkopplungselementes automatisch erzeugt werden, welches zwischen die Abflußelektrode des in Quellenschaltung ar- , beitenden IGFET's der letzten Stufe und die Steuerelektrode des in Quellenschaltung arbeitenden IGFET's der ersten Stufe geschal-j

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tet ist. Bei einer solchen Anordnung wird das Leiten des in Quel-^ lenschaltung arbeitenden IGPET's der ersten Stufe in Abhängigkeit von Driftsignaländerungen, die am Ausgangsanschluß der letzten Stufe auftreten, gesteuert. In einer der Verstärkerstufen, z.B., der ersten Stufe, ist die Reihenimpedanz der Quellen-Abfluß-Stronj· weg eines zweiten IGPET¹s, der in Quellenfolgerschaltung (Abflußschaltung) arbeitet, wobei die Quellenelektrode des zweiten Transistors mit der Abflußelektrode des ersten Transistors derselben Stufe verbunden ist. Wenn der Eingangs- oder Steuerelektrode des^Nin Quellenfolgerschaltung arbeitenden Transistors eine ι Eingangssignalspannung von einer ersten Signalquelle zugeführt wird, arbeitet die Quellen-Abfluß-Strecke des zugehörigen, in ; Quellenschaltung arbeitenden IGFET's als Arbeitsimpedanz für den Quellenfolger-IGFET. '

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei einem Verstärker des oben erwähnten Typs die Reihenimpedanz mindestens einer anderen Stufe ein dritter IGFET, der in Quellenfolgerschaltung mit dem ersten IGPET derselben Stufe geschaltet ist. Die Steuerelektrode des dritten IGFET's ist an eine zugehörige Eingangssignalquelle anschließbar, so daß die Signale, die von der ersten und anderen Quellen dem Verstärker zugeführt werden, in der anderen Stufe kombiniert werden; das resultierende kombinierte Signal kann dann durch die Verstärkerstufen laufen, die sich zwischen der anderen Stufe und dem Ausgang des Verstärkers (bei dem es sich um den Ausgang der Stufe η handeln kann) befindet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines gleichspannungsgekoppelten Verstärkers der oben erwähnten Art, wie er z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift P 15 62 08l beschrieben ist, und

Fig. 2 ein Schaltbild eines Verstärkers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für die folgende Beschreibung sei daran erinnert, daß

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ein Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode (IGFET) allgemein als Majoritätsträger-Feldeffektbauelement definiert werden kann, der einen Körper aus Halbleitermaterial enthält. Der Halbleiterkörper enthält einen Ladungsträger leitenden Strom·· weg oder "Kanal", der am einen Ende durch eine Quellenzone und am anderen Ende durch eine Abflußzone begrenzt ist. über mindestent einem Teil des Träger leitenden Kanals befindet sich eine Gatter- oder Steuerelektrodenanordnung, die vom Kanal durch ein Isoliermaterial getrennt ist. Wegen-der Isolation zwischen der Steuerelektrode und dem Kanal ist die Eingangsimpedanz eines solchen Feldeffekttransxstors sehr hoch, sie liegt in der Größenordnung von 10 "* Ohm oder darüber, so daß im Steuerelektrodenkreis praktisch kein Gleichstrom schließt. Ein Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode ist also ein spannungsgesteuertes Bauelement/ Signale oder Spannungen, die der Steuerelektrodenanordnung zugeführt werden, steuern die Leitfähigkeit des Kanals durch Feldeinfluß.

Transistoren dieser Art können entweder dem Stromerhöhungstyp oder dem Stromdrosselungstyp angehören. Bei einem Transistor des Stromdrosselungstyps fließt ein.Strom durch den Kanal, wenn Quellen- und Steuerelektrode auf der gleichen Span- j nung liegen, also wenn V =0 ist. Dieser Stromfluß nimmt in Abhängigkeit der Polarität der zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode angelegten Spannung zu oder ab. Bei einem Transistor des Stromerhöhungstyps fließt durch den Kanal praktisch kein Strom, bis die Spannung V zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode ihrem Betrag nach mindestens gleich einer Schwellwertspannung V. ist und dieselbe Polarität wie die Quellen/Abfluß-Spannung V, hat.

Ein IGFET kann entweder ein Transistor des p-Typs oder * des η-Typs sein, je nachdem Vielehe Majoritätsträger bei der Abflußstromleitung beteiligt sind. Bei einem Transistor vom p-Typ sind die Majoritatsträger Defektelektronen, während sie bei einem Transistor des η-Typs aus Elektronen bestehen.

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0AD ORtGlNAU

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Ein gleichspannungsgekoppelter Verstärker gemäß der Erfindung kann entweder mit diskreten Bauelementen oder als inte- '. grierte Schaltung aufgebaut werden. Unter dem Begriff "integrierte Schaltung" sollen hier vollständige Schaltungsanordnungen bezeichnet werden, die durch Diffusion und/oder mittels dünner Schichten in oder auf einem oder mehreren Plättchen aus geeignetem Substratmaterial gebildet worden sind. Das Substratmateria] kann z.B. im Falle von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransisto ι ren mit isolierter Steuerelektrode (MOSFET) aus Silicium besteher, während bei Dünnfilm-IGFET's als Substrat ein Isoliermaterial, wie Glas oder Saphir, verwendet werden kann. Gleichspannungsgekoppelte Verstärker eignen sich besonders für integrierte Schaltungen und Bauelemente, da sie keine Wechselspannungskopplungselemente (wie Transformatoren und Kondensatoren) enthalten, die in integrierter Form derzeit entweder praktisch nicht herstellbar sind, wie es bei Transformatoren der Fall ist, oder die in wirtschaftlicher Hinsicht unzweckmäßig sind, was für Kondensatoren zutrifft. Integrierte Schaltungseinheiten oder Plättchen mit Verstärkern können als Grundbaueinheiten verwendet werden, die sich mit entsprechenden Energieversorgungen und Signalquellen zu den verschiedensten Signalverarbeitungs- und übertragungssystemen zusammenschalten und kombinieren lassen. I

In Fig. 1 ist ein gleichspannungsgekoppelter Verstärkerj mit automatischer Vorspannungserzeugung dargestellt. Der Verstär-i ker hat η hintereinander geschaltete Verstärkerstufen, die von der ersten bis zur letzten Stufe fortlaufend mit den Bezugszei- ^; chen 10^, 1O₂.'. .und 10_fi bezeichnet sind. Jede Verstärkerstufe 10 i ist zwischen zwei Versorgungsanschlüsse 11 und 12 geschaltet. Der Versorgungsanschluß 11 ist mit der positiven Klemme einer Quelle 13 für eine geeignete Betriebsspannung verbunden, die negative Klemme dieser Betriebsspannungsquelle ist mit einem Punkt festen Potentials, in Fig. 1 z.B. mit Masse, verbunden. Die Betriebsspannungsquelle 13 kann beispielsweise eine Batterie sein, die eine Gleichspannung von V_Q Volt liefert. Der Versorgungsanschluß 12 ist mit dem Punkt festen Potentials, also hier mit Masse, ver-

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bunden.

Die Ausgangsklemme einer Eingangssignalquelle 19 ist über eine Gleichstrom leitende Anordnung, z.B. einen einfachen Leiter, mit einem Eingangsanschluß 17^ der ersten Stufe 1O₁ verbunden. Die andere Klemme der Eingangssignalquelle 19 ist über den Versorgungsanschluß 12 mit Masse verbunden. Bei der Quelle 19 kann es sich um irgend eine geeignete Quelle handeln, die eine Eingangswechselspannung e an den Eingangsansehluß 17^ zu liefern vermag. Die Eingangswechselspannung kann irgend ein zeitlich veränderliches Signal sein.

Die Verstärkerstufen 10. bis 10 sind mit Hilfe von direkten Kopplungsverbindungen, durch die die Stufen hintereinander in eine geschlossene Schleife geschaltet werden, automatisch vorgespannt. Die Stufe 10. ist hierfür mit ihrem Ausgangsanschluß 15., an den Eingangsansehluß 17₂ der zweiten Stufe 10p verbunden, deren Ausgangsanschluß 15₂ wiederum mit dem Eingang der nichtdargestellten dritten Stufe verbunden ist usw., so daß ein gleichspannungsgekoppelter mehrstufiger Verstärker entsteht. Der Aus- j gangsanschluß 15_n der letzten Stufe 10 ist an eine Ausgangsklemme

50 angeschlossen, die ihrerseits mit einem geeigneten Verbraucher

51 verbunden ist, der zwischen die Ausgangsklemme 50 und (über denj Versorgungsanschluß 12) Masse geschaltet ist.

Zur Vervollständigung der geschlossenen Schleife ist ; der Ausgangsanschluß 15_ der letzten Stufe außerdem über einen ' ■ Rückkopplungszweig mit einem Rückkopplungspunkt 18 in der ersten Stufe 1O₁ verbunden. Der Rüekkopplungszweig enthält eine geeig- _: nete Rückkopplungs-Reihenimpedanz 40. Die Impedanz.40 kann zwar j ein Widerstand sein, vorzugsweise wird sie jedoch durch die Quel- j len-Abfluß-Strecke eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode gebildet, der als IGFET.des ρ-Typs dargestellt ist! Der Transistor 40 ist mit seiner Quellenelektrode 40s an den Aus- ; gangsanschluß 15n der letzten Stufe und mit seiner Abflußelektrode 4Od an den Rückkopplungs- oder Selbstvorspannungspunkt 18 für die erste' Stufe 1O₁ verbunden. Die Steuerelektrode 40g ist an eine geeignete Quelle für eine feste Spannung angeschlossen, wie den

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Versorgungsanschluß 11 der die Spannung V_Q liefernden Spannungsquelle 13. Der Rückkopp lungs-p unkt 18 ist außerdem mit Masse über ) einen mit C bezeichneten Nebenschluß-Filterkondensator ¹Il ver- ; bunden. Es sei bemerkt, daß die Steuerelektrode 40g an irgend eine feste Spannung angeschlossen werden kann, durch die der IG-" fet 40 so vorgespannt wird, daß seine Quellen-Abflußstrecke einen gewünschten Impedanzwert hat.

Die Verstärkungseinrichtung 20 in der ersten Stufe 10^ ist als IGPET vom p-Typ dargestellt, der in Abfluß- oder Quellenfolgerschaltung arbeitet. Die Steuerelektrode 20g ist hierfür an den Eingangsanschluß 17-i deifersten Stufe angeschlossen. Die Abflußelektrode 2Od ist über den Versorgungsanschluß 12 mit Masse verbunden, während die Quellenelektrode 20s sowohl mit dem Ausgangsanschluß 15., der ersten Stufe als auch mit der Quellen-Abflußstrecke eines weiteren IGFET's 21 vom p-Typ verbunden ist, welcher als Reihenarbeitsimpedanz für den Quellenfolgertransistor 20 dient. Der Transistor 21 ist mit seiner Abflußelektrode 21d an den Ausgangsanschluß 15^ der ersten Stufe und mit seiner Quellenelektrode 21s an den Versorgungsanschluß 11 angeschlossen.Die Steuerelektrode 21g ist mit dem Rückkopplungspunkt 18 verbunden.

Die Stufen 1O₂ bis 1O_n sind alle gleich geschaltet, so daß die folgende Beschreibung dieser Stufe 1O₂ auch für die folgenden Stufen einschließlich der Stufe 1O_n gilt. In der Stufe 1O₂ ist die Verstärkungseinrichtung 14₂ als IGFET vom p-Typ dargestellt, der in Quellenschaltung arbeitet. Hierfür ist die Quellenelektrode l4sp mit dem Versorgungsanschluß 11 verbunden, während die Abflußelektrode l4d₂ sowohl an den Ausgangsanschluß 15p der zweiten Stufe als auch an eine Arbeitsimpedanz 16_? angeschlossen ist. Die Steuerelektrode I²Jg₂ ist mit dem Eingangsanschluß 17₂ der zweiten Stufe verbunden.

Die Arbeitsimpedanz l6₂ kann ein Widerstand sein, vorzugsweise besteht sie jedoch aus der Quellen-Abfluß-Strecke eines" im Stromerhöhungsbetrieb arbeitenden IGFET's vom p-Typ, Hierfür ist die Quellenelektrode l6s₂ dieses IGFET's mit dem Ausgangsän-

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am

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schluß 15p verbunden und die Abflußelektrode l6d₂ ist an den Versorgungsanschluß 12 angeschlossen. Die Steuerelektrode l6g₂ ist über den Versorgungsanschluß 12 mit Masse verbunden. Selbstverständlich könnte die Steuerelektrode l6g₂ auch an ein anderes festes Potential als das mit dem die Abflußelektrode Iod« verbunden ist, angeschlossen sein, solange dieses feste Potential den IGPET l6₂ im ganzen linearen Verstärkungsberei.-ch im leitenden Zustand hält'.

Wie erwähnt, wird der IGFET l6₂ einem Widerstand als Reihen-Arbeitsimpedanz für den in Quellenschaltung arbeitenden IGPET 1^₂ vorgezogen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die dargestellte IGPET-Stufe 10« einen außergewöhnlich linearen Verstärker bildet, weil der Absolutwert der Spannungsverstärkung proportional zum Verhältnis der linearen Abmessungen der IGFET's 1^₂ und 16₂ ist, welche sich bei integrierten Schaltungen leicht steuern lassen. Angenommen, die effektive Trägerbeweglichkeit u , die Dielektrizitätskonstante ε des Steuerelektrodenisolators und die Dicke T des Steuereleictrodenisolators seien für beide IGFET¹S gleich, so läßt sich die Spannungsverstärkung G„ der Stufe 10« (sowie der folgenden Stufen einschließlich der Stufe 10 ) durch die folgende Gleichung ausdrücken:

hierbei bedeuten

W, u und L,j. die Breite bzw. Länge des Kanals des IG-FET' s Hl,

W.g und L,g die Breite bzw. Länge des Kanals des IG-FET' s 16,

^Smli| ^{die steilheit des} ISFET's 14 und

R_T die Arbeitsimpedanz.

L·

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original

mnn

-B-

Dies bedeutet, daß Gy im wesentlichen eine Konstante ist, wenn bei einer Zunahme von S_mln mit der.angelegten Signalspannung, R^ im selben Verhältnis so abnimmt, daß das Produkt S^i^l i"¹ ganzen linearen Verstärkungsbereich konstant bleibt. Wenn die Arbeitsimpedanz l6p ein Arbeitswiderstand mit festem Wert ist, ändert sich das Spannungsverstarkungsprodukt S_mlii^RT proportional zur angelegten Signalspannung, da R_L konstant ist. Der lineare Verstärkungsbereich einer Stufe mit einem festen Arbeitswiderstand ist daher kleiner als der für eine Stufe mit einem Feldeffekttransistor als Arbeitwiderstand. Es sei erwähnt, daß der IGFET-Arbeitswiderstand manchmal auch als Feldeffektdiode oder im Falle der Verwendung von MOS-Feideffekt-Bauelementen als MOS-Diode bezeichnet wird.

Der gesamte Verstärker arbeitet mit automatischer Vorspannungserzeugung mittels der Quellen-Abfluß-Strecke des Rück- j kopplungs-IGFET's 40, der den Gleichspannungszustand von V gleich'

gS j

^Vds ^{für den IGFET 21 in der} Stu^e ¹⁰I ^{und für die} jeweiligen IGFET's 14 in den Stufen 10p bis 10 bestimmt. Dieser Zustand wird erhalten, da wegen der isolierten Steuerelektrode des IGFET's 21 und des Nebenschlußkondensators 4l praktisch kein Strom durch die Quellen-Abfluß-Strecke des IGFET's 40 fließen kann. Die Rückkopp- j lung ist im wesentlichen eine Gleichspannungsrückkopplung, da der Nebenschlußkondensator 41 die Signalspannung im ganzen interessierenden Frequenzbereich nach Masse kurzschließt, d.h. der Transistor 40 und der Kondensator Hl wirken zusammen als Tiefpaßfilter, das lediglich Gleichspannungen oder sich langsam ändernde Signalspannungen,wie Driftsignale, durchläßt.

Bekanntlich können sich langsam ändernde Signale oder Driftsignale durch Faktoren im Verstärker selbst, wie Wärmeeffekte, Schwellenspannungsänderungen, Baiielementalterung usw. oder auch durch äußere Einflüsse, wie Schwankungen der Speisespannung verursacht werden. Als Resultat einer solchen, durch irgend einen der erwähnten Faktoren bedingten Drift entsteht am Ausgangsanschluß 15n der letzten Stufe 1On ein sich langsam änderndes Driftsignal AV. Wenn dieses Driftsignal positiv ist (+AV) und die Anzahl η der Stu-

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8AD

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. fen eine ungerade Zahl ist, wird das Driftsignal +AV gegenkoppelnd rückgekoppelt und korrigiert sich dadurch selbst. Durch die Rückkopplungsschleife wird also ein verstärktes Driftsignal rück- ; gekoppelt, das zum Driftsignal AV gegenphasig ist. Man beachte, ΐ daß der Transistor 21 in der ersten Stufe für die Driftsignale in Quellenschaltung mit dem Transistor 20 als Arbeitswiderstand

arbeitet. Wenn die Transistoren 20 und l6_o bis 16,, im wesentlicher j 2 η

die gleiche Geometrie haben und auch die Transistoren 21 und 14₂ ; bis l4_n im wesentlichen die gleiche Geometrie haben, bewirkt, die Rückkopplungsschleife eine Verringerung der Gesamtdrift auf einen Wert von

l+G

der annähernd gleich -AV ist. Es sei bemerkt, daß sich die vorstehenden Ausführungen nur auf langsam veränderliche Gleichspannungs- oder Driftsignale beziehen, nicht jedoch für die Wechselspannung oder Signalverstärkung gelten. Angenommen, der Verstärkungsgrad des Quellenfolgertransistors 20 sei 1, so ist der Verstärkungsgrad für die Signalwechselspannung +G und der Verstärker kehrt die Signalspannung nicht um. Wenn die Geometrie der Transistoren von Stufe zu Stufe verschieden ist, wird die Wechselspannungsverstärkung gleich dem Produkt der Verstärkungsfaktoren der einzelnen Stufen.

Ein allgemeiner Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Impedanz Z der Signalquelle 19 vom Tiefpaßfilter-Rückkopplungsnetzwerk vollständig isoliert ist, so daß Z_s keinen Einfluß auf die Stabilität des Gleichspannungsrückkopplungsnetzwerks hat und die Eingangsimpedanz des Verstärkers in erster Linie durch die Eingangsimpedanζ des Quellenfolgertransistors 20 bestimmt wird. Wegen der isolierten Steuerelektrode des Transistors 20 ist die Eingangsimpedanz sehr hoch, größenordnungsmäßig 10 ^ 0hm oder mehr, so daß der Verstärker ohne Verwendung von Kopplungskondensatoren oder Transformatoren auch von einer sehr hochohmigen, auf Masse bezogenen Signalquelle di-

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' . -10-

. ■

rekt angesteuert werden kann. Die Signalquelle 19 kann beispiels

weise ein Parallelresonanzkreis oder ein Wandler, z.B. ein Mikro-,phon, sein.

^: An der Ausgangsklemme 50 des Verstärkers ist kein Kopp-

•lungskondensator oder Transformator erforderlich, solange der Ver-,braucher 51 keinen Gleichstrom aufnimmt. Bei Verbrauchern 51, die Gleichstrom entnehmen können, sollte eine Weehselspannungskopplung ι vorgesehen sein, damit die gleichstrommäßigen Vorspannungsverhält- ^!nisse des Verstärkers nicht beeinträchtigt, werden.

Bei der Ausführungsform nach Pig. I sind sämtliche IG-FET's vorzugsweise vom stromerhöhenden Typ, da die Betriebsgleichspannungsbedingung V„_a = V-, im linearen Teil der übertragungscha-

gs us

,rakteristik auftritt. Bei IGPET's vom stromdrosselnden Typ liegt der Arbeitspunkt für V ■■_ = V, im allgemeinen im nichtlinearen

gs eis

Teil der Kennlinie, so daß man einen nichtlinearen Verstärker er- ^!hält. ' . .

^; Eine automatische Verstärkungsregelung (AVR) für den Verstärker gemäß Fig. 1 kann dadurch erreicht werden, daß man einen zusätzlichen IGPET mit seiner Quellen-Abfluß-Strecke als Rückkopplungselement in eine der inneren Stufen 10_? bis 10 einschaltet. Man kann den zusätzlichen Transistor beispielsweise mit seiner Quellen-Abfluß-Strecke in die Stufe 10p zwischen die Steuerelektrode l4g₂ und Abflußelektrode l4d₂ schalten, ohne daß dadurch die Gleichspannungsbedingung V = V, gestört wird. Die Signale

gs as

zur automatischen Verstärkungsregelung können der Steuerelektrode dieses zusätzlichen IGFET's zugeführt werden.

Wie erwähnt, ist die Signalquelle 19 vorzugsweise mit der Steuerelektrode 20g des Transistors 20 in der ersten Stufe ge koppelt. Die Signalquelle 19 könnte jedoch auch ebensogut mit der Steuerelektrode irgend eines der Arbeitsimpedanz-Transistoren der Stufen 1O₂ bis 1O_n gekoppelt werden. Man erhält z.B. einen in vertierenden Verstärker, wenn man die Signalquelle 19 zwischen die Steuerelektrode l6g₂ des Transistors 16₂ in der Stufe 10_ und den geerdeten Versorgungsanschluß 12 schaltet. Die Steuerelektrode

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20g des Transistors 20 wäre in diesem Falle mit dem Versorgungsanschluß 12 zu verbinden.

Außerdem kann man eine Signaladdition dadurch erreichen, daß man zwei oder mehr Signaiquellen an verschiedene Steuerelektrode der Transistoren 20 und l6p bis 16 anschließt. Beispielsweise können getrennte Signalquellen an die Steuerelektroden der Transistoren 20 und l6~ bis 16 angeschlossen werden und die Verstärkungsgrade der Stufen (Transistorgeometrie bzw. Abmessungen) können mit Bewertungsfaktoren (Gewichten) versehen, also , unterschiedlich bemessen werden, um eine gewünschte lienare Sig- j naladdition an der Ausgangsklemme 50 zu erhalten. j

Die obige Beschreibung des Verstärkers gemäß Fig. 1 gilt auch für den in Fig. 2 dargestellten Verstärker, der ein AusH führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Bei dem Verstärker gemäß Fig. 2 erfolgt eine algebraische Addidion von Eingangs- ; Signalen. Insbesondere bevrirkt der Verstärker gemäß Fig. 2 eine Signalsübtraktion (Differenzfunktion) für zwei Eingangssignale '< e. und e-.

Diejenigen Schaltungselemente in Fig. 2, die ähnlichen Elementen in dem Verstärker gemäß Fig. 1 entsprechen, sind mit Bezugszeichen versehen worden, die in den Einer- und Zehnerstellen den Bezugs zeichen in Fig. 1 entsprechen, zusätzlich jedoch durch eine Hunderterziffer ergänzt wurden. Der Feldeffekttransistor 11^₂ "in Stufe HO₂ der Fig. 2 entspricht also dem Feldeffekttransistor Ik₂ in der Stufe 1O₂ in Fig. 1. In Fig. 2 ist das von der ersten Signalquelle 119 gelieferte Signal mit e^ anstelle von e„ (Signal von der Quelle 19 in Fig. 1) bezeichnet.

- _ . Eine weitere Signalquelle 122, die die Eingangsspannung e₂,liefert, ist mit ihrer Ausgangsklemme über eine Gleichstrom leitende Anordnung, z.B. einen Leiter, mit einem Eingangsanschluß 12.3 der-zweiten Stufe HO₂ verbunden. Die andere Klemme der Signalquelle 122 ist über den Versorgungsanschluß 112 mit Masse verbunden. 3ei der Quelle 122 kann es sich um irgend eine geeignete Signalquelle handeln, die eine VJechseispannung oder eine

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BAD ORIGINAL

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sich als Punktion der Zeit ändernde Eingangssignalspannung e₂ an den Eingangsanschluß 123 liefern. Die anderen Verbindungen für die Stufe HO₂ entsprechen den Verbindungen für die Stufe 1O₂ in Fig. 1. Die Stufen 110, bis 11O_n entsprechen den Stufen 1O₂ bis 10 in Pig. .I₃ wie die Zeichnung zeigt, so daß sich eine ins einzelne gehende Beschreibung erübrigt.

Die Stufen 110, bis 11O_n arbeiten sowohl für die Wechselspannung (Eingangssignale) als auch für die Gleichspannung (Drift- und andere langsam veränderliche Signale) als Quellenschaltungsstufen. Die Stufe HO₁ arbeitet für das Eingangssignal e^ in Abflußschaltung (also als Quellenfolger) und für die Gleichspannungssignale in Quellenschaltung. Die Stufe 110p arbeitet schließlich für das Eingangssignal e₂ in Abflußschaltung (also als Quellenfolgerschaltung) und sowohl für das Signal e^ als auch für die Gleichspannungssignale in Quellenschaltung. Die Spannungsverstärkung G für jede der Stufen HO₁ bis 110 ist also durch' die Gleichung (1) gegeben.

Die Spannungsverstärkung einer Quellenfolgerstufe für ein Eingangssignal ist nur geringfügig kleiner als 1, so daß die Quellenfolgertransistoren 116. und 116₂ die zugehörigen Eingangssignale e₁ und e₂ zu den Ausgängen 115^ bzw. 115₂ der ersten bzw. zweiten Stufe ohne nennenswerte Verstärkung oder Dämpfung übertragen.

Die Differenz- oder Signalsubtraktions-Funktion für die Eingangssignale e,, und e₂ wird am Ausgang 115₂ der zweiten Stufe durchgeführt, indem der Transistor H6₂ der zweiten Stufe als in Quellenschaltung arbeitender Inverter mit dem Verstärkungsgrad 1 für das Signal e^ verwendet wird. Das heißt, daß das Verhältnis der linearen Abmessungen der Transistoren H^₂ und Il6₂ der zweiten Stufe in Gleichung (1) gleich 1 ist. Die Signalee₂ und e₁ werden also am Ausgang 115₂ der zweiten Stufe unter Bildung eines Differenzsignales (e₂ - e^) vereinigt. Das Differenzsignal (e₂ - Q₁) wird durch die übrigen Stufen 110, bis HO_n verstärkt und dem Verbraucher 151 zugeführt.

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BAO ORJGJNAL

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Die Vorspannung bzw. der Arbeitspunkt für jede der Verstärkerstufen 110. bis 110 hängt von der Verstärkung der Stufe ab. Die Abflußgleichspannung Vd eines in Quellenschaltung arbeitenden IGPET's wird z.B. durch die folgende Gleichung gegeben:

Vd = V_o-V_T-G(V_g-V_T)

Hierbei bedeuten: V_Q = Speisespannung,

(2)

V,p = Schwellwertspannung des in Quellenschaltung arbeitenden IGFET's, und

V = die Steuerelektrodenspannung des in Quelg

lenschaltung arbeitenden IGPET's.

Wenn alle Stufen denselben Verstärkungsfaktor (oder dasselbe Verhältnis der linearen Dimensionen) haben, wird Vd gleich Vg für alle Stufen des Verstärkers. Wenn jedoch eine der Stufen den Verstärkungsfaktor 1 hat (d.h. daß das Verhältnis der linearen Dimension 1 ist) und die anderen Stufen Verstärkungsfaktoren aufweisen, die eine Verstärkung ergeben, sind Vg und Vd nicht für alle Stufen gleich, die in den hochverstärkenden oder aktiven Bereich ihrer jeweiligen übertragungscharakteristik für eine lineare!

Verstärkung vorzuspannen sind. j

i Um für jede Stufe des Verstärkers gemäß Fig. 3 Vor- !

spannungen bzw. Arbeitspunkte zu erhalten, die einen maximalen Signalhub im linearen oder hochverstärkenden Bereich ermöglichen, , werden die StufenVerstärkungsfaktoren symmetrisch in beiden Rich-j tungen von der den Verstärkungsfaktor 1 aufweisenden Stufe bis J zu einem maximalen Verstärkungsgrad aufgebaut. Die beiden Stufen 110^ und 110, auf den beiden Seiten der den Verstärkungsgrad 1 aufweisenden Stufe HO₂ haben also identische Verstärkungsfaktoren, die größer als 1 sind. In entsprechender Weise haben die Stufen HO_n und HO^ identische Verstärkungsfaktoren, die größer als die Verstärkungsfaktoren der Stufen HO₁ und 110, sind usw., bis ein maximaler Verstärkungsfaktor erreicht ist. Bei einem Ver- | stärker mit einer ungeraden Anzahl von Stufen haben Offensicht- ; lieh zwei Stufen den maximalen Verstärkungsfaktor. In der folgen-

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• -14-.

den Tabelle sind die Verhältnisse der relativen linearen Dimensionen der Feldeffekttransistoren in den verschiedenen Stufen für

j einen siebenstufigen Verstärker angegeben j der hinsichtlich eines

j möglichst großen linearen Signalhubes optimal ausgelegt ist.

_t Verhältnisse der linearen Abmessungen

für einen siebenstufigen Verstärker

Stufe Verhältnis

1 3,24

2 1

3 . 3,24

4 6,25

5 9,0 t 6 - 9,0

¹ 7 6,25

Ein symmetrischer Verstärkungsgradanstieg längs der ; Schleife zur automatischen Vorspannung ist zwar optimal, die Ver- · Stärkungsfaktoren der Differenzverstärkerstufen müssen selbstverständlich nicht unbedingt optimal bemessen sein. Um einen linearen Verstärker zu erhalten, ist es lediglich erforderlich, daß die Stufenverstärkungsfaktoren längs der Schleife in beiden Rieh· w tungen von der den Verstärkungsfaktor 1 aufweisenden Stufe monoton auf einen Maximalwert ansteigen und anschließend wieder monoton abnehmen.

Die Erfindung wurde anhand von IGFET's des p-Typs erläutert, selbstverständlich können auch IGFET's des η-Typs verwendet werden, wenn die Betriebsspannungsquelle entsprechend umgepolt wird.

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Claims

Fatent ansprüche

1. Gleichspannungsgekoppelte Verstärkerschaltung mit η hintereinander geschalteten Stufen, die jeweils einen in Quellenschaltung arbeitenden ersten Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode, dessen Abflußelektrode mit einer Reihenimpedanz gekoppelt ist, enthalten, wobei die Abflußelektrode eines Transistors in einer Stufe galvanisch mit der Steuerelektrode der nächsten Stufe gekoppelt und die Reihenimpedanz in einer Stufe ein in Quellenfolgerschaltung arbeitender zweiter Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode ist., dessen Quellenelektrode mit der Abflußelektrode des ersten Transistors der betreffenden Stufe verbunden ist, und mit einer Schaltungsanordnung zur automatischen Vorspannungserzeugung, die ein Rückkopplungselement enthält, das zwischen die Abflußelektrode des ersten Transistors in der letzten Stufe und die Steuerelektrode des ersten Transi- j stors in der ersten Stufe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenimpedanz mindesten's einer anderen Stufe ein in Quellenfolgerschaltung arbeitender dritter | Feldeffekttransistor (116-) mit isolierter Steuerelektrode ist, dessen Quellenelektrode mit der Abflußelektrode des ersten Transistors (Il4p) der betreffenden Stufe (HO-) verbunden ist, und daß die Steuerelektrode des dritten Transistors an eine weitere Eingangssignalquelle (122) anschließbar ist, wobei die andere Stufe bezüglich der der einen Stufe (HO₁) zugeführten Signale (e^) in Quellenschaltung und bezüglich der der anderen Stufe (HOg zugeführten Signale als Quellenfolgerschaltung (Abflußschaltung) arbeitet.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen Reihenimpedanzen jeweils aus der QueHen-Abfluß-Strecke von getrennten dritten Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode bestehen.

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SAD ORIGlMAt

3. Verstärkerschaltung; nach Anspruch 1 oder 2, dadurch π e k e H η ;: e i c h η e t, daß die erwähnte eine Stufe (11CL) der erwähnten anderen Stufe (HC^) unmittelbar vorangeht und daß die andere Stufe bezüglich der Sirnale, die der steuerelektrode des ihr zugeordneten ersten Transistors zugeführt sind, den Verstärkuncsgrad 1 aufgleist.

^.Verstärkersehaltunf nach Anspruch 3, dadurch ne kennzeich net, daß die Verstärkunf-sfaktoren der Stufen in der Schleife, die durch die Reihenschaltung der Stufen und den Rückkopplutifszweic gebildet wird, für Signale an der Steuerelektrode des jeweiligen ersten Transistors läncs der Schleife in beiden Richtungen von tier den Vers tu rkun es er ad 1 aufweisenden Stufe aus monoton auf einen Höchstwert zunehmen und dann v/ieder monoton abnehmen.

5. Verstärkerschaltuns nach Anspruch ^l, d a d u r ch g-elcennzei chnet, daß die Verstärkungsfaktoren der Stufen in beiden Richtungen längs der Schleife bezüglich der den Verstärkungsfaktor !■ aufweisenden Stufe symmetrisch sind.

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SAO 03!GiNAL