DE1939804B2

DE1939804B2 - Verstaerker mit zei transistoren

Info

Publication number: DE1939804B2
Application number: DE19691939804
Authority: DE
Inventors: Allen LeRoy Somerville N J Limberg (V St A )
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-08-12
Filing date: 1969-08-05
Publication date: 1971-03-11
Also published as: GB1283964A; DE1939804C3; MY7300412A; NL6912201A; SE359704B; ES370251A1; DE1939804A1; JPS4844818B1; FR2058211A1; US3534279A; AT291345B; BE737348A

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit zwei Transistoren, deren Basen über je einen Widerstand mit einem ersten Spannungspunkt verbunden sind, deren Emitter mit einem zweiten Spannungspunkt verbunden sind und deren Kollektoren Betriebsspannungen zugeführt werden, wobei der Kollektor des ersten Transistors zusätzlich an den ersten Spannungspunkt gelegt ist.

Insbesondere handelt es sich um einen Verstärker mit einem hohen stromführenden Transistor, welcher mit einer Vorspannung für niedrigen Stromfluß arbeitet. Ein solcher Verstärker eignet sich besonders für die Herstellung in integrierter Bauweise, da er nur Transistoren und Widerstände enthält. Die Herstellung und die Verbindungen der Transistoren und Widerstände in einem monolithischen Plättchen sind bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines solchen Verstärkers, bei welchem wenig Verlust in der Vorspannungsschaltung auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Emitter des ersten Transistors über einen dritten Widerstand an den zweiten Spannungspunkt gelegt ist, daß der Emitter des zweiten Transistors über eine Impedanz an den zweiten Spannungspunkt gelegt ist, deren Wert niedriger als der des dritten Widerstandes ist, und daß der zweite Transistor einen hohen Kollektorstrom führt, wenn der Kollektorstrom des ersten Transistors einen meßbar niedrigeren Wert hat.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen bekannten Verstärker in Emittergrundschaltung,

F i g. 2 eine bekannte Variante der in F i g. 1 gezeigten Schaltung und

F i g. 3 eine Schaltung nach der Erfindung.

Der in F i g. 1 dargestellte bekannte Verstärker in Emittergrundschaltung ist in der USA.-Patentschrift 3 364 434 vom 16. Januar 1968 beschrieben. Er enthält einen Verstärkertransistor 10 mit Emitter 12, Basis 14 und Kollektor 16, und einen Vorspannungstransistor 18 mit entsprechenden Elektroden 20, 22 und 24.

Die Basiselektroden 14 und 22 sind an einen ersten gemeinsamen Spannungspunkt 26 über Widerstände 28 und 30 angeschlossen, während die Emitter 12 und 20 unmittelbar an einen zweiten gemeinsamen Spannungspunkt 32 angeschlossen sind, der üblicherweise Masse ist. Die Kollektoren 16 und 24 sind über Widerstände 34 bzw. 36 an eine Betriebsspannung gelegt, außerdem liegt der Kollektor 24 an dem gemeinsamen Spannungspunkt 26, welcher der Verbindungspunkt der beiden gleich groß gemessenen Basiswiderstände 28 und 30 ist. Die den Basen 14 und 22 zugeführten Eingangssignale werden durch die Transistoren 10 und 18 verstärkt und treten als verstärktes Signal am Kollektor 16 auf. Im USA.-Patent 3 364 434 ist außerdem eine Variante dieser Schaltung beschrieben, bei welcher zwischen die Emitter 12 und 20 und den gemeinsamen Spannungspunkt 32 gleich bemessene Widerstände eingefügt sind.

Bei beiden bekannten Schaltungen fließt im Transistor 10 ein Kollektorruhestrom, der gleich demjenigen des Transistors 18 ist, und zwar unabhängig von Änderungen der Transistorkenndaten infolge von Temperaturschwankungen, welche beiden Transistoren gleich sind. Der Verstärker ist als integrierte Schaltung ausgebildet. Dadurch stimmen die beiden Transistoren 10 und 18 gut überein und sind thermisch miteinander gekoppelt. Der Wert des Widerstandes 28 ist gleich dem des Widerstandes 30. Auf diese Weise sind die Kollektorströme der Transistoren praktisch identisch, solange sich der Transistor 10 nicht in der Sättigung befindet. Dies gilt, weil beide Basen 14 und 22 von der gleichen Quelle, nämlich dem gemeinsamen Spannungspunkt 26, aus gespeist werden.
Solche Gleichheiten des Stromes können von Nachteil sein, wenn nämlich der Verstärker als einen hohen Strom führende Ausgangsstufe eines Signalkanals beispielsweise in integrierter Form ausgebildet ist. Wenn die Speisesignalquellen gleich sind, dann sind die Verlustleistungen in der Vorspannungsschaltung vergleichbar mit denjenigen des eigentlichen Verstärkerteils, nämlich in der Größenordnung von 100 mW, wenn der Kollektorausgangsstrom 10 mA und die Spannung der Spannungsquelle 10 V beträgt. Die 100 mW Verlustleistung in der Vorspannungsschaltung bilden einen beträchtlichen Anteil der zulässigen Verlustleistung des integrierten Aufbaues und werden unnötig vergeudet.

Ein Vorschlag zur Verringerung dieses unnötigen Leistungsverlustes geht dahin, das Verhältnis zwischen den Widerständen 28 und 30 so zu verändern, daß die Kollektorströme in den Transistoren 10 und 18 zwar voneinander abhängen, aber nicht mehr gleich sind. Wählt man den Widerstand 30 beispielsweise zweimal so groß wie den Widerstand 18, dann läßt sich der Kollektorstrom in der Vorspannungsschaltung des Verstärkers herabsetzen. Jedoch hängt der Kollektorstrom im eigentlichen Verstärkerteil dann in unerwünschter Weise von der Stromverstärkung in Durchlaßrichtung der beiden Transistoren ab und ist somit von Plättchen zu Plättchen verschieden.

Ein weiterer Vorschlag, der in F i g. 2 veranschaulicht ist, geht dahin, den Vorspannungsteil so zu verwenden, daß er die verschiedenen parallelgeschalteten Verstärkerabschnitte vorspannt. Für zehn parallelgeschaltete Ausgangstransistoren beträgt das Widerstandsverhältnis zwischen den Kollektorwiderständen 40 und 42 10:1, und das gleiche Verhältnis gilt praktisch für die Basiskoppelwiderstände 44 und 46. Eine solche Anordnung hat jedoch Nachteile, da sie zusätzliche Plättchenfläche benötigt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich dagegen die Verlustleistung im Vorspannungsteil wesentlich herabsetzen, ohne daß sie von der Durchlaßstromverstärkung der Transistoren abhängt oder nennenswerte zusätzliche Fläche des Plättchens erfordert. Ein Schaltungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 3 dargestellt. Zusätzlich zu F i g. 1 ist ein Widerstand 50 zwischen den Emitter 20 und den gemeinsamen Spannungspunkt 32 eingeschaltet, während der Emitter 12 des Transistors 10 unmittelbar mit diesem Punkt verbunden bleibt.

Im folgenden ist eine Analyse dieser Schaltung gegeben :

a) Die Spannung am gemeinsamen Punkt 26 ist durch den Ausdruck gegeben:

V_BEa + Ie₁₈R₅₀ +

= V_BEa + I_BwR

₂₈

wobei Vbe_w und Fb^₁₈ die Basisemitter-Durchlaßspannungsabfälle der Transistoren 10 bzw. 18, Za₁₀ und Ib,_s die entsprechenden Basisströme der beiden Transistoren, Zf der Emitterstrom des Transistors

18, und R₅₀, R₂₈ und R₃₀ die Werte der Widerstände 50, 28 und 30 sind.

b) durch Einsetzen des Bruches

kT . / I_e \

Ύ ^loge (ir)

für den Ausdruck V_BF und der folgenden Beziehungen in Gleichung (1)

Ao

läßt sich Gleichung (1) schreiben als:

und

y - ^yBE_ls -

^X3O

^v50

(für F i g. 3),
(6)

wobei V die Spannung der Speisespannungsquelle für den Transistor 18 und R₃₆ der Wert des Widerstandes ist. Wenn man sich vergegenwärtigt, daß die Werte für Ib₁, und R₅₀ klein sind und daß T^e₁₈ etwa 0,75 V beträgt, wie es bei einer integrierten Schaltung der Fall ist, dann lassen sich die Gleichungen (5) und (6) näherungsweise schreiben als

V - 0,75

^X36

kT

log,,

^V5O

.018+1

fts

28

+ Ic«

wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Einheitsladung eines Elektrons, /<„, und Ic_1x die Kollektorströme der Transistoren 10 bzw. 18, A₁₀ und A₁₈ die entsprechenden Sperrströme der beiden Transistoren und /J₁₀ und /J₁₈ die Durchlaßstromverstärkungen der Transistoren 10 und 18 sind, c) Mit der Annahme, daß /J₁₀ = /J₁₈ und /_S|„ = /_il8 ist, was bei integrierten Schaltungen unterstellt werden kann, und daß ferner (J₁₀ groß ist, läßt sich Gleichung (2) schreiben als

R₃₀ - mR₂₈

ßw

^kT

wobei m der Bruch —-— ist.

Diese Gleichung ist unmittelbar für die Bemessung des Verstärkers nach F i g. 3 verwendbar. Mit den unter Punkt c) gemachten Annahmen läßt sich zeigen, daß die entsprechende Gleichung für die Bemessung der Schaltung nach F i g. 1 sich folgendermaßen schreiben läßt: -

Es läßt sich aus den Gleichungen (4) und (7), welche die Schaltung nach F i g. 1 beschreiben, ablesen, daß bei einer Wahl für V und R₃₆ für einen bestimmten Strom Zc₁₈ derart, daß der Strom /,,„ m-mal größer ist, das Widerstandsverhältnis der Widerstände R₂₈ und n\ ²⁵ R30' wenn sich beispielsweise von Plättchen zu Plättchen der Wert /J₁₀ ändert (mit Ausnahme des Falles m = 1 und R_x = R₂₈), verändert werden müßte. Die Gleichungen (3) und (7), welche die Schaltung nach F i g. 3 beschreiben, lassen andererseits erkennen, daß Auswirkungen von Änderungen von /J₁₀ infolge des Ausdruckes R₅₀ herabgesetzt werden. Es läßt sich R₃₀ gleich m-mal R₂₈ wählen, so daß die Abhängigkeit des Verhältnisses m von Schwankungen des Wertes /J₁₀ für jeden beliebigen Wert von m vermieden werden.

Hierzu seien die folgenden Betrachtungen angestellt:

a) V wird 10 V und R₃₆ 0,1 kOhm gewählt, so daß ein Strom /_c,₈ von ImA fließt; Ar₁₀ soll 1OmA sein (m = 10), R₂₈ wird 500 Ohm gewählt, und ~ hat einen Wert von 33 mOhm pro mA bei

Zimmertemperatur; für ein ß₁₀ von 50 ergibt sich (3) für die Schaltung nach F i g. 1 nach Gleichung (4)

ein Widerstand von R₃₀ = 8,5 kOhm; jedoch bei einem anderen integrierten Plättchen, bei welchem beispielsweise infolge von Schwankungen bei der Herstellung /J₁₀ gleich 60 statt 50 ist, kann R₃₀ den Wert 9,2 kOhm haben, damit das gleiche Stromverhältnis von 10:1 erreicht wird, somit hat man eine Änderung von 8,2%.

b) V, R₃₆, rn, R₂₈ und -^ sollen die unter (a) an-

50

55

(4)

wobei die gleichen Ausdrücke verwendet sind.

Weiterhin können die Gleichungen für den Kollektorstrom im Transistor 18 der F i g. 1 und 3 folgendermaßen geschrieben werden:

(fur Fig. 1)

(5)

genommenen Werte haben, R₅₀ soll in der Schaltung nach F i g. 3 50 Ohm gewählt werden; für einen angenommenen Wert /J₁₀ = 50 ergibt sich aus Gleichung (3) R₃₀ gleich 6,0 kOhm, während sich R₃₀ für ein ß_l0 von 60 zu 6,2 kOhm ergibt, was eine Abweichung von nur 3,3% bedeutet.

c) V, R₃₆, m, R₂₈ und j= sollen wiederum die unter

(a) angenommenen Werte haben, R₅₀ soll in F i g. 3 mit 70 Ohm gewählt werden; nimmt man A₀ zu 50 an, so berechnet sich R_x zu 5,0 k Ohm, welches der gleiche Wert ist, der sich ergibt, wenn /J₁₀ gleich 60 ist. Somit gehen Schwankungen von /J₁₀ nicht mehr ein.

Die folgende Tabelle zeigt als Vergleich die Verringerung der Abhängigkeit von /J₁₀ für den in F i g. 3

5 6

dargestellten erfindungsgemäßen Verstärker gegenüber der Schaltung nach F i g. 1:

	V Voll	«36 Kü	IH	Ω	1 kT	50 60	«50 Ω	«30 KU	Änderung %
Fig. 1 {	10	9,1	10	500	33	50	—	8,5 9,2	8,2
	10	9,1	10	500	33	60	20	7,5
Fig. 3 {	10	9,1	10	500	33	50	20	8,0	6,7
	10	9,1	10	500	33	60	30	7,0
Fig. 3 1	10	9,1	10	500	33	50	30	7,4	5,7
	10	9,1	10	500	33	60	40	6,5
Fig 3 .1	10	9,1	10	500	33	50	40	6,8	4,6
	10	9,1	10	500	33	60	50	6,0
Fie 3 .1	10	9,1	10	500	33	50	50	6,2	3,3
^x *&· -> ι	10	9,1	10	500	33	60	60	5,5
Fig. 3 1	10	9,1	10	■ 500	33	50	60	5,6	1,8
	10	9,1	10	500	33	60	70	5,0
Fig. 3 1	10	9,1	10 -_	500	33	70	5,0	0

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn der Widerstand R₃₀ w-mal so groß ist wie der Widerstand R₂₈, dann ist die Schwankung nämlich Null %, d. h., es besteht keine Abhängigkeit mehr von der Durchlaßstromverstärkung. Generell läßt sich jedoch das bessere Verhalten meßtechnisch feststellen, wenn das Widerstandsverhältnis

- mR

■28

35

kleiner als R₅₀ ist. In diesen Fällen, wo die Stromverstärkungen der Transistoren 10 und 18 nicht gleich sind, ergibt sich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wenn

mR

28

tho As

gewählt wird. Ein verbessertes Verhalten läßt sich wiederum meßtechnisch allgemein feststellen, wenn

45

30

mR

■28

tho

kleiner als

ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärkerstufe mit zwei Transistoren, deren Basen über je einen Widerstand mit" einem ersten Spannungspunkt verbunden sind, deren Emitter mit einem zweiten Spannungspunkt verbunden sind und deren Kollektoren Betriebsspannungen zugeführt werden, wobei der Kollektor des ersten Transistors zusätzlich an den ersten Spannungspunkt gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (20) des ersten Transistors (18) über einen dritten Widerstand (50) an den zweiten Spannungspunkt (Masse) gelegt ist, daß der Emitter (12) des zweiten Transistors (10) über eine Impedanz an den zweiten Spannungspunkt

55

60

65 gelegt ist, deren Wert niedriger als der des dritten Widerstandes (50) ist, und daß der zweite Transistors (10) einen hohen Kollektorstrom führt, wenn der Kollektorstrom des ersten Transistors (18) einen meßbar niedrigeren Wert hat.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz zwischen dem Emitter (12) des zweiten Transistors (10) und dem zweiten Spannungspunkt (Masse) den Wert Null hat.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des dritten Widerstandes (50) größer als der Ausdruck

mR₂

ßi

ist, wobei R₁ und R₂ die Werte der Widerstände 28 und 30 sind, welche die Basen der beiden Transistoren 18 und 10 an den ersten gemeinsamen Spannungspunkt (26) legen, wobei ferner m das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom des zweiten Transistors (10) zum Kollektorstrom des ersten Transistors (18) und ft und ß₂ die Durchlaßstromverstärkungen der beiden Transistoren sind.

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Bauelemente die Gleichung

R, mR-,

erfüllen, wobei R₁ und R₂ die Werte der zu dem ersten gemeinsamen Spannungspunkt (26) führenden Basiswiderstände des ersten und zweiten Transistors, m das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom des zweiten Transistors und dem Kollektorstrom des ersten Transistors und ß_l und ß₂ die Durchlaßstromverstärkungen der beiden Transistoren sind.

7 8

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1,3 der beiden Transistoren mit dem ersten gemein- oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden samen Spannungspunkt (36) verbindenden WiderTransistoren (10,18) ein ausgesuchtes Paar gleichen stände (28, 30), m das Verhältnis zwischen dem Leitungstyps sind und daß R₁ = mR₂ ist, wobei Kollektorstrom des zweiten Transistors (10) zum R₁ und R₂ die Widerstandswerte der die Basen 5 Kollektorstrom des ersten Transistors (18) ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen