DE1937270B2

DE1937270B2 - Mehrstufiger gleichspannungsgekoppelter verstaerker mit feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE1937270B2
Application number: DE19691937270
Authority: DE
Inventors: Joseph Richard Trenton NJ Burns (VStA)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-07-23
Filing date: 1969-07-22
Publication date: 1971-05-27
Also published as: ES369584A1; MY7300407A; GB1266005A; FR2013553A1; DE1937270A1; US3516004A; AT291344B; SE359990B; NL6911219A

Description

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Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen gleich- ihrer üblichen Abkürzung IGFET bezeichnet. Es sei spannungsgekoppelten Verstärker, dessen einzelne daran erinnert, daß ein Feldeffekttransistor mit iso-Stufen jeweils einen ersten Feldeffekttransistor mit iso- lierter Steuerelektrode (IGFET) allgemein als Majorilierter Steuerelektrode enthalten, der in Emitterschal- tätsträger-Feldeffektbauelement definiert werden kann, tung geschaltet ist und dessen Kollektor mit dem 5 der einen Körper aus Halbleitermaterial enthält. Der Emitter eines als Arbeitsimpedanz wirkenden zweiten Halbleiterkörper enthält einen Ladungsträger leitenden Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode Stromweg oder »Kanal«, der am einen Ende durch eine verbunden und galvanisch mit der Steuerelektrode des Quellenzone und am anderen Ende durch eine Abflußersten Transistors der folgenden Stufe gekoppelt ist zone begrenzt ist. Über mindestens einem Teil des und bei dem vom Kollektor des ersten Transistors der io Träger leitenden Kanals befindet sich eine Gatterletzten Stufe ein Gegenkopplungszweig auf die Steuer- oder Steuerelektrodenanordnung, die vom Kanal elektrode des ersten Transistors der ersten Stufe ge- durch ein Isoliermaterial getrennt ist. Wegen der Isoführt ist und bei dem ferner die Steuerelektrode des lation zwischen der Steuerelektrode und dem Kanal zweiten Transistors einer der Stufen an eine Signal- ist die Eingangsimpedanz eines solchen Feldeffektquelle anschließbar ist. 15 transistors sehr hoch, sie liegt in der Größenordnung

Bei einem derartigen Verstärker, der einem eigenen von 10¹⁵ Ohm oder darüber, so daß im Steuerelektroälteren Vorschlag entspricht, werden die Vorspannun- denkreis praktisch kein Gleichstrom schließt. Ein Feldgen für die Transistoren mit Hilfe des Gegenkopp- effekttransistor mit isolierter Steuerelektrode ist also lungszweiges automatisch erzeugt. Der Leitungs- ein spannungsgesteuertes Bauelement. Signale oder zustand des in Emitterschaltung arbeitenden ersten 20 Spannungen, die der Steuerelektrodenanordnung zuFeldeffekttransistors der ersten Stufe wird dadurch in geführt werden, steuern die Leitfähigkeit des Kanals Abhängigkeit von Driftsignaländerungen, die am Aus- durch Feldeinfluß.

gangsanschluß der letzten Stufe auftreten, gesteuert. Transistoren dieser Art können entweder dem Die als Arbeitsimpedanz wirkenden zweiten Feld- Stromerhöhungstyp oder dem Stromdrosselungstyp effekttransistoren arbeiten in Kollektorschaltung, und 25 angehören. Bei einem Transistor des Stromdrossebei Zuführung des Eingangssignals an die Steuer- lungstyps fließt ein Strom durch den Kanal, wenn elektrode eines dieser Transistoren wirkt der zu- Quellen- und Steuerelektrode auf der gleichen Spangehörige erste Transistor als Emitterimpedanz für den nung liegen, also wenn V_gs = 0 ist. Dieser Stromfluß betreffenden zweiten Transistor. nimmt in Abhängigkeit der Polarität der zwischen

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der 30 Steuerelektrode und Quellenelektrode angelegten Span-Schaffung von Möglichkeiten zur Kombinierung der nung zu oder ab. Bei einem Transistor des Stromvon mehreren Eingangssignalquellen gelieferten Si- erhöhungstyps fließt durch den Kanal praktisch kein gnale ohne gegenseitige Beeinflussung dieser Signal- Strom, bis die Spannung V_gs zwischen Steuerelektrode quellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe da- und Quellenelektrode ihrem Betrag nach mindestens durch gelöst, daß zusätzlich die Steuerelektrode des 35 gleich einer Schwellwertspannung V_t ist und dieselbe zweiten Transistors mindestens einer weiteren Stufe Polarität wie die Quellen/Abfluß - Spannung Va₁ an eine zweite Signalquelle anschließbar ist. Soll dabei hat.

die Amplitudenrelation der beiden Eingangssignale Ein IGFET kann entweder ein Transistor des p-Typs

aufrechterhalten bleiben, so kann der Verstärker so oder des η-Typs sein, je nachdem, welche Majoritäts-

ausgelegt werden, daß die beiden Verstärkerstufen, an 40 träger bei der Abflußstromleitung beteiligt sind. Bei

welche die Signalquellen angeschlossen sind, unmittel- einem Transistor vom p-Typ sind die Majoritätsträger

bar aufeinanderfolgende Stufen des Verstärkers sind, Defektelektronen, während sie bei einem Transistor

und daß der Verstärkungsgrad der zweiten dieser des η-Typs aus Elektronen bestehen,

beiden Stufen hinsichtlich des ihr von der ersten Ein gleichspannungsgekoppelter Verstärker gemäß

zugeführten Signals den Verstärkungsfaktor 1 hat. 45 der Erfindung kann entweder mit diskreten Bauele-

Legt man den Verstärker so aus, daß die Verstär- menten oder als integrierte Schaltung aufgebaut werden, kungsfaktoren der Stufen in der durch ihre Reihen- Unter dem Begriff »integrierte Schaltung« sollen hier schaltung und den Gegenkopplungszweig gebildeten vollständige Schaltungsanordnungen bezeichnet wer-Schleife für Signale an der Steuerelektrode des jeweils den, die durch Diffusion und/oder mittels dünner ersten Transistors längs der Schleife in beiden Rieh- 50 Schichten in oder auf einem oder mehreren Plättchen tungen von der den Verstärkungsfaktor 1 aufweisen- aus geeignetem Substratmaterial gebildet worden sind, den Stufe aus monoton auf einen Höchstwert zuneh- Das Substratmaterial kann z. B. im Falle von Metallmen und dann wieder monoton abnehmen, dann läßt Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren mit isolierter sich ein relativ großer linearer Verstärkungsbereich Steuerelektrode (MOSFET) aus Silicium bestehen, hinsichtlich der Eingangssignalamplituden erreichen. 55 während bei Dünnfilm-IGFET's als Substrat ein Iso-Dieser lineare Bereich wird maximal, wenn man die liermaterial, wie Glas oder Saphir, verwendet werden Verstärkungsfaktoren der Stufen in beiden Richtungen kann. Gleichspannungsgekoppelte Verstärker eignen längs der Schleife bezüglich der den Verstärkungs- sich besonders für integrierte Schaltungen und Baufaktor aufweisenden Stufe symmetrisch wählt. elemente, da sie keine Wechselspannungskopplungs-

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeich- 60 elemente (wie Transformatoren und Kondensatoren)

nungen näher erläutert. Es zeigt enthalten, die in integrierter Form derzeit entweder

F i g. 1 die Schaltung eines gleichspannungsgekop- praktisch nicht herstellbar sind, wie es bei Transfor-

pelten Verstärkers gemäß dem älteren Vorschlag matoren der Fall ist, oder die in wirtschaftlicher Hin-

(Offenlegungsschrift P 15 62 081) und sieht unzweckmäßig sind, was für Kondensatoren zu-

F i g. 2 die Schaltung eines Verstärkers gemäß einer 65 trifft. Integrierte Schaltungseinheiten oder Plättchen

bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. mit Verstärkern können als Grundbaueinheiten ver-

In der folgenden Beschreibung sind Feldeffekttran- wendet werden, die sich mit entsprechenden Energie-

sistoren mit isolierter Steuerelektrode teilweise mit Versorgungen und Signalquellen zu den verschieden-

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sten Signalverarbeitungs- und Übertragungssystemen Abflußstrecke einen gewünschten Impedanzwert

zusammenschalten und kombinieren lassen. hat.

In Fig. 1 ist ein gleichspannungsgekoppelter Ver- Die Verstärkungseinrichtung 20 in der ersten Stufe 1O₁ stärker mit automatischer Vorspannungserzeugung ist als IGFET vom p-Typ dargestellt, der in Abflußdargestellt. Der Verstärker hat η hintereinander- 5 oder Quellenfolgerschaltung arbeitet. Die Steuergeschaltete Verstärkerstufen, die von der ersten bis zur elektrode 20g ist hierfür an den Eingangsanschluß YI₁ letzten Stufe fortlaufend mit den Bezugszeichen 1O₁, der ersten Stufe angeschlossen. Die Abflußelektrode 1O₂ ... und 10_B bezeichnet sind. Jede Verstärker- 2Od ist über den Versorgungsanschluß 12 mit Masse stufe 10 ist zwischen zwei Versorgungsanschlüsse 11 verbunden, während die Quellenelektrode 20λ sowohl und 12 geschaltet. Der Versorgungsanschluß 11 ist mit io mit dem Ausgangsanschluß IS₁ der ersten Stufe als der positiven Klemme einer Quelle 13 für eine geeignete auch mit der Quellen-Abflußstrecke eines weiteren Betriebsspannung verbunden, die negative Klemme IGFET's 21 vom p-Typ verbunden ist, welcher als dieser Betriebsspannungsquelle ist mit einem Punkt Reihenarbeitsimpedanz für den Quellenfolgertransistor festen Potentials, in F i g. 1 z. B. mit Masse, verbun- 20 dient. Der Transistor 21 ist mit seiner Abflußelekden. Die Betriebsspannungsquelle 13 kann beispiels- 15 trode 21 d an den Ausgangsanschluß IS₁ der ersten weise eine Batterie sein, die eine Gleichspannung von Stufe und mit seiner Quellenelektrode 21 s an den Ver- V₀ Volt liefert. Der Versorgungsanschluß 12 ist mit sorgungsanschluß 11 angeschlossen. Die Steuerelekdem Punkt festen Potentials, also hier mit Masse, ver- trode 21g ist mit dem Rückkopplungspunkt 18 verbunden, bunden.

Die Ausgangsklemme einer Eingangssignalquelle 19 20 Die Stufen 1O₂ bis 10„ sind alle gleichgeschaltet, so ist über eine Gleichstrom leitende Anordnung, z. B. daß die folgende Beschreibung dieser Stufe 1O₂ auch einen einfachen Leiter, mit einem Eingangsanschluß Yl₁ für die folgenden Stufen einschließlich der Stufe 10» der ersten Stufe 1O₁ verbunden. Die andere Klemme gilt. In der Stufe 1O₂ ist die Verstärkungseinrichtung 14₂ der Eingangssignalquelle 19 ist über den Versorgungs- als IGFET vom p-Typ dargestellt, der in Quellenanschluß 12 mit Masse verbunden. Bei der Quelle 19 25 schaltung arbeitet. Hierfür ist die Quellenelektrode kann es sich um irgendeine geeignete Quelle handeln, 14j₂ mit dem Versorgungsanschluß 11 verbunden, die eine Eingangswechselspannung e_s an den Eingangs- während die Abflußelektrode 14 d₂ sowohl an den Ausanschluß Xl₁ zu liefern vermag. Die Eingangswechsel- gangsanschluß 15₂ der zweiten Stufe als auch an eine spannung kann irgendein zeitlich veränderliches Signal Arbeitsimpedanz 16₂ angeschlossen ist. Die Steuersein. 30 elektrode 14g₂ ist mit dem Eingangsanschluß 17₂ der

Die Verstärkerstufen 1O₁ bis 10„ sind mit Hilfe von zweiten Stufe verbunden.

direkten Kopplungsverbindungen, durch die die Die Arbeitsimpedanz 16₂ kann ein Widerstand sein, Stufen hintereinander in eine geschlossene Schleife vorzugsweise besteht sie jedoch aus der Quellen-Abgeschaltet werden, automatisch vorgespannt. Die fluß-Strecke eines im Stromerhöhungsbetrieb arbeiten-Stufe 1O₁ ist hierfür mit ihrem Ausgangsanschluß 15_t 35 den IGFET's vom p-Typ. Hierfür ist die Quellenan den Eingangsanschluß 17₂ der zweiten Stufe 1O₂ elektrode 16i₂ dieses IGFET's mit dem Ausgangsverbunden, deren Ausgangsanschluß 15₂ wiederum anschluß 15₂ verbunden, und die Abflußelektrode 16i/₂ mit dem Eingang der nicht dargestellten dritten Sufe ist an den Versorgungsanschluß 12 angeschlossen. Die verbunden ist usw., so daß ein gleichspannungsgekop- Steuerelektrode 16g₂ ist über den Versorgungsanschluß pelter mehrstufiger Verstärker entsteht. Der Ausgangs- 40 12 mit Masse verbunden. Selbstverständlich könnte die anschluß 15„ der letzten Stufe 10» ist an eine Aus- Steuerelektrode 16g₂ auch an ein anderes festes gangsklemme 50 angeschlossen, die ihrerseits mit Potential als das mit dem die Abflußelektrode 16d_% einem geeigneten Verbraucher 51 verbunden ist, der verbunden ist, angeschlossen sein, solange dieses feste zwischen die Ausgangsklemme 50 und (über den Ver- Potential den IGFET 16₂ im ganzen linearen Verstärsorgungsanschluß 12) Masse geschaltet ist. 45 kungsbereich im leitenden Zustand hält.

Zur Vervollständigung der geschlossenen Schleife Wie erwähnt, wird der IGFET 16₂ einem Widerist der Ausgangsanschluß 15« der letzten Stufe außer- stand als Reihen-Arbeitsimpedanz für den in Quellendem über einen Rückkopplungszweig mit einem Rück- schaltung arbeitenden IGFET 14₂ vorgezogen. Der kopplungspunkt 18 in der ersten Stufe 1O₁ verbunden. Grund hierfür liegt darin, daß die dargestellte IGFET-Der Rückkopplungszweig enthält eine geeignete Rück- 50 Stufe 1O₂ einen außergewöhnlich linearen Verkopplungs-Reihenimpedanz 49. Die Impedanz 40 kann stärker bildet, weil der Absolutwert der Spannungszwar ein Widerstand sein, vorzugsweise wird sie jedoch verstärkung proportional zum Verhältnis der linearen durch die Quellen-Abfluß-Strecke eines Feldeffekt- Abmessungen der IGFET's 14₂ und 16₂ ist, welche transistors mit isolierter Steuerelektrode gebildet, der sich bei integrierten Schaltungen leicht steuern lassen, als IGFET des p-Typs dargestellt ist. Der Transistor 40 55 Angenommen, die effektive Trägerbeweglichkeit μ, ist mit seiner Quellenelektrode 4Oi an den Ausgangs- die Dielektrizitätskonstante ε des Steuerelektrodenisoanschluß 15„ der letzten Stufe und mit ssiner Abfluß- lators und die Dicke T des Steuerelektrodenisolators elektrode 4Oi/ an den Rückkopplungs- oder Selbst- seien für beide IGFET's gleich, so läßt sich die Spanvorspannungspunkt 18 für die erste Stufe 1O₁ verbun- nungsverstärkung Gv der Stufe 1O₂ (sowie der folgenden. Die Steuerelektrode 40g ist an eine geeignete 60 den Stufen einschließlich der Stufe 10») durch die Quelle für eine feste Spannung angeschlossen, wie den folgende Gleichung ausdrücken:

Versorgungsanschluß 11 der die Spannung V₀ liefern-

den Spannungsquelle 13. Der Rückkopplungspunkt 18 q __ "I / W₁₁ X₁₆ __ __ η s-t\

ist außerdem mit Masse über einen mit C bezeichneten ^v ~~ I/ ψ_1Β /, ^L'

Nebenschluß-Filterkondensator 41 verbunden. Es sei 65 J₁Jg₁-J₃₆J bedeuten

bemerkt, daß die Steuerelektrode 40 g an irgendeine

feste Spannung angeschlossen werden kann, durch die W_u und L₁₄ die Breite bzw. Länge des Kanals des

der IGFET 40 so vorgespannt wird, daß seine Quellen- IGFET's 14,

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W₁₆ und X₁₆ die Breite bzw. Länge des Kanals des veränderliche Gleichspannungs- oder Driftsignale be-

IGFET's 16, ziehen, nicht jedoch für die Wechselspannung oder

g_mu die Steilheit des IGFET's 14 und Signalverstärkung gelten. Angenommen, der Ver-

R_L die Arbeitsimpedanz. Stärkungsgrad des Quellenfolgertransistors 20 sei 1,

5 so ist der Verstärkungsgrad für die Signalwechsel-

Dies bedeutet, daß Gv im wesentlichen eine Kon- spannung +GV*~\ und der Verstärker kehrt die stante ist, wenn bei einer Zunahme von gmu mit der Signalspannung nicht um. Wenn die Geometrie der angelegten Signalspannung Rl im selben Verhältnis Transistoren von Stufe zu Stufe verschieden ist, wird so abnimmt, daß das Produkt g_mitRL im ganzen die Wechselspannungsverstärkung gleich dem Prolinearen Verstärkungsbereich konstant bleibt. Wenn io dukt der Verstärkungsfaktoren der einzelnen Stufen, die Arbeitsimpedanz 16₂ ein Arbeitswiderstand mit Ein allgemeiner Vorteil der beschriebenen Schalfestem Wert ist, ändert sich das Spannungsverstär- tungsanordnung besteht darin, daß die Impedanz Z_s kungsprodukt g_miiRL proportional zur angelegten der Signalquelle 19 vom Tiefpaßfilter-Rückkopplungs-Signalspannung, da Rl konstant ist. Der lineare Ver- netzwerk vollständig isoliert ist, so daß Z_s keinen Einstärkungsbereich einer Stufe mit einem festen Arbeits- 15 fluß auf die Stabilität des Gleichspannungsrückkoppwiderstand ist daher kleiner als der für eine Stufe mit lungsnetzwerks hat und die Eingangsimpedanz des einem Feldeffekttransistor als Arbeitswiderstaod. Es Verstärkers in erster Linie durch die Eingangsimpedanz sei erwähnt, daß der IGFET-Arbeitswiderstand manch- des Quellenfolgertransistors 20 bestimmt wird. Wegen mal auch als Feldeffektdiode oder im Falle der Ver- der isolierten Steuerelektrode des Transistors 20 ist Wendung von MOS-Feldeffekt-Bauelementen als MOS- 20 die Eingangsimpedanz sehr hoch, größenordnungs-Diode bezeichnet wird. mäßig 10¹⁵ Ohm oder mehr, so daß der Verstärker

Der gesamte Verstärker arbeitet mit automatischer ohne Verwendung von Kopplungskondensatoren oder

Vorspannungserzeugung mittels der Quellen-Abfluß- Transformatoren auch von einer sehr hochohmigen,

Strecke des Rückkopplungs-IGFET's 40, der den auf Masse bezogene Signalquelle direkt angesteuert

Gleichspannungszustand von V_gs gleich Vds für den 25 werden kann. Die Signalquelle 19 kann beispielsweise

IGFET 21 in der Stufe 1O₁ und für die jeweiligen ein Parallelresonanzkreis oder ein Wandler, z. B. ein

IGFET's 14 in den Stufen 1O₈ bis 10« bestimmt. Mikrophon, sein.

Dieser Zustand wird erhalten, da wegen der isolierten An der Ausgangsklemme 50 des Verstärkers ist kein

Steuerelektrode des IGFET's 21 und des Nebenschluß- Kopplungskondensator oder Transformator erf order-

kondensators 41 praktisch kein Strom durch die 30 lieh, solange der Verbraucher 51 keinen Gleichstrom

Quellen-Abfluß-Strecke des IGFET's 40 fließen kann. aufnimmt. Bei Verbrauchern 51, die Gleichstrom ent-

Die Rückkopplung ist im wesentlichen eine Gleich- nehmen können, sollte eine Wechselspannungskopp-

spannungsrückkopplung, da der Nebenschlußkonden- lung vorgesehen sein, damit die gleichstrommäßigen

sator 41 die Signalspannung im ganzen interessieren- Vorspannungsverhältnisse des Verstärkers nicht be-

den Frequenzbereich nach Masse kurzschließt, d. h., 35 einträchtigt werden.

der Transistor 40 und der Kondensator 41 wirken zu- Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 sind sämt-

sammen als Tiefpaßfilter, das lediglich Gleichspan- liehe IGFET's vorzugsweise vom stromerhöhenden

nungen oder sich langsam ändernde Signalspannun- Typ, da die Betriebsgleichspannungsbedingung V_gs

gen, wie Driftsignale, durchläßt. = Vds im linearen Teil der Übertragungscharakte-

Bekanntlich können sich langsam ändernde Signale 40 ristik auftritt. Bei IGFET's vom stromdrosselnden oder Driftsignale durch Faktoren im Verstärker selbst, Typ liegt der Arbeitspunkt für V_gs = Vds im allwie Wärmeeffekte, Schwellenspannungsänderungen, gemeinen im nichtlinearen Teil der Kennlinie, so daß Bauelementalterung usw., oder auch durch äußere man einen nichtlinearen Verstärker erhält.
Einflüsse, wie Schwankungen der Speisespannung, ver- Eine automatische Verstärkungsregelung (AVR) für ursacht werden. Als Resultat einer solchen, durch 45 den Verstärker gemäß F i g. 1 kann dadurch erreicht irgendeinen der erwähnten Faktoren bedingten Drift werden, daß man einen zusätzlichen IGFET mit seiner entsteht am Ausgangsanschluß 15« der lezten Stufe 10» Quellen-Abfluß-Strecke als Rückkopplungselement in ein sich langsam änderndes Driftsignal Δ V. Wenn eine der inneren Stufen 1O₂ bis 10» einschaltet. Man dieses Driftsignal positiv ist (+/J V) und die Anzahl η kann den zusätzlichen Transistor beispielsweise mit der Stufen eine ungerade Zahl ist, wird das Drift- 50 seiner Quellen-Abfluß-Strecke in die Stufe 1O₂ zwischen signal -\-Δ V gegenkoppelnd rückgekoppelt und korri- die Steuerelektrode 14g₂ und Abflußelektrode 14i/₂ giert sich dadurch selbst. Durch die Rückkopplungs- schalten, ohne daß dadurch die Gleichspannungsschleife wird also ein verstärktes Driftsignal rück- bedingung V_gs = Vds gestört wird. Die Signale zur gekoppelt, das zum Driftsignal Δ V gegenphasig ist. automatischen Verstärkungsregelung können der Man beachte, daß der Transistor 21 in der ersten 55 Steuerelektrode dieses zusätzlichen IGFET's zuStufe für die Driftsignale in Quellenschaltung mit dem geführt werden.

Transistor 20 als Arbeitswiderstand arbeitet. Wenn die Wie erwähnt, ist die Signalquelle 19 vorzugsweise Transistoren 20 und 16_a bis 16» im wesentlichen die mit der Steuerelektrode 20g des Transistors 20 in der gleiche Geometrie haben und auch die Transistoren 21 ersten Stufe gekoppelt. Die Signalquelle 19 könnte und 14₂ bis 14» im wesentlichen die gleiche Geometrie 60 jedoch auch ebensogut mit der Steuerelektrode irgendhaben, bewirkt die Rückkopplungsschleife eine Ver- eines der Arbeitsimpedanz-Transistoren der Stufen 1O₂ ringerung der Gesamtdrift auf einen Wert von bis 1O_n, gekoppelt werden. Man erhält z. B. einen

invertierenden Verstärker, wenn man die Signal-

—Gyⁿ Δ V quelle 19 zwischen die Steuerelektrode 16g_a des Tran-

1 _f_ Q_yn 65 sistors 16₂ in der Stufe 1O₂ und den geerdeten Versorgungsanschluß 12 schaltet. Die Steuerelektrode 20g

der annähernd gleich —Δ V ist. Es sei bemerkt, daß des Transistors 20 wäre in diesem Falle mit dem Versich die vorstehenden Ausführungen nur auf langsam sorgungsanschluß 12 zu verbinden.

Außerdem kann man eine Signaladdition dadurch erreichen, daß man zwei oder mehr Signalquellen an verschiedene Steuerelektroden der Transistoren 20 und 16₂ bis 16» anschließt. Beispielsweise können getrennte Signalquellen an die Steuerelektroden der Transistoren 20 und 16₂ bis 16» angeschlossen werden, und die Verstärkungsgrade der Stufen (Transistorgeometrie bzw. Abmessungen) können mit Bewertungsfaktoren (Gewichten) versehen, also unterschiedlich bemessen werden, um eine gewünschte lineare Signaladdition an der Ausgangsklemme 50 zu erhalten.

Die obige Beschreibung des Verstärkers gemäß F i g. 1 gilt auch für den in F i g. 2 dargestellten Verstärker, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Bei dem Verstärker gemäß F i g. 2 erfolgt eine algebraische Addition von Eingangssignalen. Insbesondere bewirkt der Verstärker gemäß F i g. 2 eine Signalsubtraktion (Differenzfunktion) für zwei Eingangssignale e_x und e₂.

Diejenigen Schaltungselemente in F i g. 2, die ähnlichen Elementen in dem Verstärker gemäß F i g. 1 entsprechen, sind mit Bezugszeichen versehen worden, die in den Einer- und Zehnerstellen den Bezugszeichen in F i g. 1 entsprechen, zusätzlich jedoch durch eine Hunderterziffer ergänzt wurden. Der Feldeffekttransistor 114₂ in Stufe HO₂ der F i g. 2 entspricht also dem Feldeffekttransistor 14₂ in der Stufe 1O₂ in F i g. 1. In F i g. 2 ist das von der ersten Signalquelle 119 gelieferte Signal mit e_x an Stelle von e_s (Signal von der Quelle 19 in F i g. 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 123 der zweiten Stufe HO₂ verbunden. Die andere Klemme der Signalquelle 122 ist über den Versorgungsanschluß 112 mit Masse verbunden. Bei der Quelle 122 kann es sich um irgendeine geeignete Signalquelle handeln, die eine Wechselspannung oder eine sich als Funktion 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 F i g. 1. Die Stufen HO₃ bis 110» entsprechen den Stufen 1O₂ bis 10» in F i g. 1, wie die Zeichnung zeigt, so daß sich eine ins einzelne gehende Beschreibung erübrigt.

Die Stufen HO₃ bis HO_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_x in Abflußschaltung (also als Quellenfolger) und für die Gleichspannungssignale in Quellenschaltung. Die Stufe HO₂ arbeitet schließlich für das Eingangssignal e₂ in Abflußschaltung (also als Quellenfolgerschaltung) und sowohl für das Signal C₁ als auch für die Gleichspannungssignale in Quellenschaltung. Die Spannungsverstärkung G für jede der Stufen HO₁ bis HO_n ist also durch die Gleichung (1) gegeben.

Die Spannungsverstärkung einer Quellenfolgerstufe für ein Eingangssignal ist nur geringfügig kleiner als 1, so daß die Quellenfolgertransistoren Ho₁ und 116₂ die zugehörigen Eingangssignale e_x und e₂ zu den Ausgängen HS₁ bzw. 115₂ der ersten bzw. zweiten Stufe ohne nennenswerte Verstärkung oder Dämpfung übertragen.

Die Differenz- oder Signalsubtraktions-Funktion für die Eingangssignale ^₁ und e₂ wird am Ausgang 115₂ der zweiten Stufe durchgeführt, indem der Transistor 116₂ der zweiten Stufe als in Quellenschaltung arbeitender Inverter mit dem Verstärkungsgrad 1 für das Signal e_x verwendet wird. Das heißt, daß das Verhältnis der linearen Abmessungen der Transistoren 114_a und 116₂ der zweiten Stufe in Gleichung (1) gleich 1 ist. Die Signale e₂ und e_x werden also am Ausgang 115₂ der zweiten Stufe unter Bildung eines Differenzsignales (e₂ — e_x) vereinigt. Das Differenzsignal (^e2 ~ ^ei) wird durch die übrigen Stufen HO₃ bis 110» verstärkt und dem Verbraucher 151 zugeführt.

Die Vorspannung bzw. der Arbeitspunkt für jede der Verstärkerstufen HO₁ bis HO_n hängt von der Verstärkung der Stufe ab. Die Abflußgleichspannung Vd eines in Quellenschaltung arbeitenden IGFET's wird z. B. durch die folgende Gleichung gegeben:

Vd=V₀- Vt-G(V₉- Vt)

Hierbei bedeuten: F₀= Speisespannung, Vt = Schwellwertspannung des in Quellenschaltung arbeitenden IGFET's und V₉ = die Steuerelektrodenspannung des in Quellenschaltung arbeitenden IGFET'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.
Um für jede Stufe des Verstärkers gemäß F i g. 3 Vorspannungen bzw. Arbeitspunkte zu erhalten, die einen maximalen Signalhub im linearen oder hochverstärkenden Bereich ermöglichen, werden die Stufenverstärkungsfaktoren symmetrisch in beiden Richtungen von der den Verstärkungsfaktor 1 aufweisenden Stufe bis zu einem maximalen Verstärkungsgrad aufgebaut. Die beiden Stufen HO₁ und HO₃ 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 110» und HO₄ identische Verstärkungsfaktoren, die größer als die Verstärkungsfaktoren der Stufen HO₁ und HO₃ sind usw., bis ein maximaler Verstärkungsfaktor erreicht ist. Bei einem Verstärker mit einer ungeraden Anzahl von Stufen haben offensichtlich zwei Stufen den maximalen Verstärkungsfaktor. In der folgenden Tabelle sind die Verhältnisse der relativen linearen Dimensionen der Feldeffekttransistoren in den verschiedenen Stufen für einen siebenstufigen Verstärker angegeben, der hinsichtlich eines möglichst großen linearen Signalhubes optimal ausgelegt ist.

Verhältnisse der linearen Abmessungen für einen
siebenstufigen Verstärker

Stufe

1
2
3
4
5
6
7

Verhältnis

3,24

6.25

9,0

6,25

109 522/300

Ein symmetrischer Verstärkungsgradanstieg längs der Schleife zur automatischen Vorspannung ist zwar optimal, die Verstärkungsfaktoren 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 Richtungen von der den Verstärkungsfaktor 1 aufweisenden Stufe monoton auf einen Maximalwert ansteigen und schließlich wieder monoton abnehmen.

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

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufiger gleichspannungsgekoppelter Verstärker, dessen einzelne Stufen jeweils einen ersten Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode enthalten, der in Emitterschaltung geschaltet ist und dessen Kollektor mit dem Emitter eines als Arbeitsimpedanz wirkenden zweiten Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode verbunden und galvanisch mit der Steuerelektrode des ersten Transistors der folgenden Stufe gekoppelt ist und bei dem vom Kollektor des ersten Transistors der letzten Stufe ein Gegenkopplungszweig auf die Steuerelektrode des ersten Transistors der ersten Stufe geführt ist und bei dem ferner die Steuerelektrode des zweiten Transistors einer der Stufen an eine Signalquelle anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Steuerelektrode (H6g₂) des zweiten Transistors (116₂) mindestens einer weiteren Stufe (HO₂) an eine zweite Signalquelle (122) anschließbar ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkerstufen, an welche die Signalquellen (119, 122) angeschlossen sind, unmittelbar aufeinanderfolgende Stufen (HO₁ bzw. HO₃) des Verstärkers sind, und daß der Verstärkungsgrad der zweiten (HO₂) dieser beiden Stufen hinsichtlich des ihr von der ersten (HO₁) zugeführten Signals den Verstärkungsfaktor 1 hat.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren der Stufen in der Schleife, die durch die Reihenschaltung der Stufen und den Gegenkopplungszweig gebildet wird, für Signale an der Steuerelektrode des jeweils ersten Transistors längs der Schleife in beiden Richtungen von der den Verstärkungsfaktor 1 aufweisenden Stufe aus monoton auf einen Höchstwert zunehmen und dann wieder monoton abnehmen.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren der Stufen in beiden Richtungen längs der Schleife bezüglich der den Verstärkungsfaktor 1 aufweisenden Stufe symmetrisch sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen