DE2003863A1 - Signaluebertragungsschaltung - Google Patents

Description

6937-69/Sch/ko

U.S. Serial ITo. 794,975

U.S. Filing Date: 29.Januar 1970

SCA Corporation, Hew York, BVX. ' T.St,A

Signalübertraffunffsschaltung ,

Die Erfindung betrifft eine SignäiübertragimgSBchal&ung mit zwei dreielektrodigen Halbleiterverstärkerelementen. Insbesondere handelt es sien um eine Transistorschaltung mit regelbarer Verstärkung,, welche in einem weiten Regelbereich; nur minimale SignalVerzerrungen aufweist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer Dämpfungsschaltung erläutert, jedoch läßt sich die Schaltung auch für Verstärkerzwecke verwenden. Bine Signalübertragung, welche die Aufgabe löst, in einem weiten Eegelbereieh nur minimale Signalver~ Zerrungen zu vasrursaQhan» zeichnet sich erfinctungsgemäß dadurch aus, daß mit der dritten Elektrode des ersten Ver-Stärkerelementes eine die zu übertragenden .Signale liefernde Eingangsschaltung und mit der dritten Elektrode des zweiten Verstärkerelementes eineAusgangssohaltung zur Abnahme von den Eingangssignalen entsprechenden AusgangsSignalen verbunden ist, daß ferner mindestens mit der ersten und der sweiten !Elektrode der beiden Verstärkerelemente Ψorspamnimgsaehaltungselemente zur Erzeugung von Vorspannungen gekoppelt sind, derart, daß bei fehlenden Steuersignalen die Q-leiciiströme in Eingangsund Ausgangsschaltung la siEem iyestiiamten V82?hältnis stehen, und daß mit der zweite» l'i@ktrode des ersten Verstärker element es eine Steuerschaltiitig znx Ideferung einer Gieichspannuiig zur Veränderung der Ubesitraguiigssteillieit des .zweiten Verstärkerelementes verbunä©n ist.

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Durch eine Verwendung von zwei Transistoren gleicher Art mit gut übereinstimmenden Eigenschaften als Yerstärkerelemente treten bei einer Regelung der Verstärkung nur sehr wenig Verzerrungen auf. Die Regelschaltung eignet sich daher insbesondere zur Ausbildung eines Teils einer monolitischen integrierten Schaltung, wo die beiden Transistoren praktisch identisch werden. In einem solchen Falle können die Eingangssignale Amplituden in der Größenordnung einiger V_Da haben.

Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäfSe Schaltung für ein solches Herstellungsverfahren, weil 3ie in einer bevorzugten Ausführungsform nur vier Widerstände ausser den beiden Transistoren benötigt und sich daher leicht in integrierter lOrm ausbilden läßt. Ein weiterer Vorteil liegt in dem einfachen Aufbau im Vergleich zu bekannten Schaltungen, welche vergleichbare Signalübertragung;'ei^eu; clu^. üj aufweisen, beispielsweise mit Stromsteueruru ,1 . : . - ide, emittergekoppelte Verstärker.

Die Erfindung ist im folgenden anh;and der einzigen Darstellung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Schaltung enthält zwei Transistoren 10 und 12, deren Emitter an ein Bezugspotential geschaltet sind. Zwischen Basis und Kollektor des Transistors 10 ist ein erster Widerstand 14 geschaltet, und der Kolaktor ist ferner mit der Basis des Transistors 12 verbunden. Der Kollektor des Transistors 12 ist erstens mit einem Ausgangsanschluß 16 und zweitens über einen Lastwideretana 18 mit a.iner Klemme 20 einer Speisespannungsquelle +V1 verbunden.

Die von der Schaltung zu dämpfenden Signale werden über einen Eingangsanschluß 22 der Basis eines dritten Transistors 24 zugeführt, άβ33βη KoV'efctor ebenf.V! ic- .-'a &:: <■ Klemme ?0 £βίν"; ν'■ iat» währ3ad öein toiitrer Über o-L-,ΐ-· „^rJ Gerrite: Λ 26 ^i⁺ ..w Kollekte χ¹ i'i r- ;■- Tr-:P.R.ij Lv. ^a '!0 ve Vt: .r^ev; i.yr,

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Ferner enthält die Schaltung ein Vorspannungswiderstand 28, welcher yon der Basis des Transistors 10 zu einem Dämpfungsregelanschluß 30 führt, welcher mit einer einstellbaren G-leich-.spannungsquelle V₂ verbunden ist, die zur■ "Veränderung der Vorspannung des Transistors 10 dient. Durch eine solche Veränderung wird die Dämpfung der dem Eingang des Transistors 24 zugeführten Signale verändert, welche durch den Transistor 24 und den Widerstand 26- zum Ausgangstransistor 12 gelangen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung: ist der Signaleingangsanschluß 22 mit dem Ausgang einer Begrenzerstufe eines Verarbeitungskänals für winkelmodulierte Schwingungen bei einem Fernsehempfänger verbunden, welcher modulierte Schwingungen einer Mittenfrequenz von 4»5 MHz liefert. Diese Schwingungen können typischerweise eine Spitzenamplitude von ' wenigen Volt und einen Gleichstrombezugspegel von 3»5 Volt gegen Masse aufweisen. Der Ausgangsanschluß 16 ist wiederum mit einer Demodulatorstufe des Verarbeitungskanals verbunden, beispielsweise mit einem Frequenzmodulationsdetektor _s wie er in der US Patentanmeldung,Serial No= 705 709 vom 15· Februar 1968 beschrieben ist.

Zur Erläuterung des Betriebs sei angenommen, daß die Transistoren 10 und 12 von der gleichen Klassifikation sind und in ihren Gharakteristika einander gut angepaßt sind. Ferner sei angenommen, daß der Wert des Widerstandes 14 etwa ein Zehntel der dynamischen Impedanz des Transistors 10 and dessen Basis aufweist und einen ähnlichen oder gleichen proportionalen Bruchteil des Wertes des Widerstandes 28 hat.

Liegen diese Widerstandsverhältnisse vor, und ist die Gleich-· Spannungsquelle Vp am Anschluß 30 auf Hull Volt eingestellt, dann fließt praktisch der gesamte Gleichstrom des Transistors 24 und des Widerstandes 26 durch den Transistor 10. Der nicht durch den Transistor 10 fließende Strom fließt stattdessen

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durch den Widerstand 14» ist aber so gering, daß an diesem Widerstand nur ein sehr kleiner Gleichspannungsabfall auftritt .

Der durch den Widerstand 26 fließende Gleichstrom ist hierbei praktisch gleich dem dureh den Transistor 12 und seinen Lastwiderstand 18 fließenden Strom. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Basis-Emitter-Übergänge der beiden Transistoren 10 und 12 praktisch parallel geschaltet sind und beide Transistoren von der gleich Klassifikation sind.

Es sei nun angenommen, daß die Steuerspannungsquelle Vp ^so eingestellt wird, daß sie an den Steueranschluß 30 eine positive Gleichspannung liefert. Diese Gleichspannung hat einen entsprechenden Stromfluß durch die Widerstände 28 und 14 in einer Richtung zurFolge, daß die Leitfähigkeit des Transistors 10 ansteigt. Bei dieser Erhöhung der Leitfähigkeit sinkt die Kollektorgleichspannung des Transistors 10 und damit die Basisgleichspannung des Transistors 12 ab. Dadurch verringert sich der durch den Transistor 12 fließende Gleichstrom, so daß auch die Übertragungssteilheit des Transistors 12 abnimmt. Da die Spannungsverstärkung der mit geerdetem Emitter betriebenen Transistorstufe 12 unmittelbar proportional der Steilheit ist, sinkt auch die Amplitude der am Kollektor des Transistors 12 und am Anschluß 16 anliegenden Signale entsprechend. Auf diese Weise ergibt sich die gewünschte Dämpfung der zugeführten Eingangssignale.

Die Gleichspannung an der Basis-Emitter-Diode des Transistors 12 läßt siela ausdrücken durch die Gleichung

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wobei k die Boltzmann Konstante, T die absolute Temperatur in Grad Kelvin, q_ die Elektronenladung, I_a der Emitterstrom des Transistors 12 und I₃ der·Sättigungsstrom dieses Transistors ist, Perner ist r„ der Emitter- und Kontaktwiders/fcand des Transistors 12, währen r-j.' sein Basiseingangswiderstand und ß seine Durchlassstromverstärkung ist.

Vernachlässigt man die Wirkung der beiden letzten Ausdrücke

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der Gleichung 1 und setzt den Ausdruck --■<- -J= 26 mV bei Zimmertemperatur, dann sieht man, daß ein Absinken 7011 ?_be um etwa 18 mV einer Reduzierung des Emitterstromes dieses Transistors auf die Hälfte entspricht.

Der Kollektorgleichstrom des Transistors .12 verringert sifa, also bei einem Absinken der Kollektorgleichspannung des Transistors 10 um 18 mV auf die Hälfte. Damit sinkt auch; die Steil-'heIt und die entsprechende Signalverstärkung auf die Hälfte. Eine Verringerung der Gleichspannung um je 18 mV bringt also eine Verstärkungsminderung um 6 dB. Das Absinken um 18 mV, bzw. um mehr oder weniger, ergibt sich aus dem Zusammenwirken der Widerstände H und 28 mit der Spannungsquelle V2.

die Gleichspannungskomponente des dem Eingangsanschlu0 22 zugefühiten Signals, wie bereits erwähnt _f in der Größenordnung von 3,5 V liegt, darm, wird £ür den Potentialabfall von 18 mV am Kollektor des Transistors 10 nur eine sehr kleine Änderung des durch den Transistor 10 fließenden Stromes benötigt, wenn. der Widerstand 26 einen Wert in der Größenordnung einiger kOhm hat. Da sich der durch dei Widerstand 26 fließend© Strom nicht sehr stark ändern muß, um diese Gleichsparmuiigsäiiäörung zn bewirken, arbeitet der Transistor 10 praktisch linear, Mit den in der Zeichnung angegebenen Werten läßt sich die Gleich-Spannungsänderung von 18 mV durch Erhöhendir Basisapaimung des Transistors 10 um etwa 1 oder 2 mV bewirken, so daß der Transistor 10 insbesondere äslinearer Spannmigsverstärksr

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Im Betrieb zeigt die dargestellte Schaltung praktisch eine linear-igarithmische Charakteristik, wie sie insbesondere bei Tonfrequenzverstärkern wünschenswert ist, die mit einer Gleichspannung geregelt werden. Werden die relativen Werte für die Widerstände H und 28 genau ausgewählt, dann führt eine Gleichspannungsänderung der Spannungsquelle Vg von beispielsweise 1 V zu einer Amplitudenänderung eines am Anschluß 16 abgenommenen Ausgangssignals um 6 db.

Die beschriebene Schaltung eignet sich insbesondere zur Herstellung in integrierter Form, da sämtliche Bauteile (mit Ausnahme der Spannungsquellen) sich nach den heute bekannten. Verfahren herstellen lassen. Me Werte der Ausdrücke r und r_b' aus Gleichung 1 hängen von den physikalischen Abmessungen im integrierten Aufbau ab. Die Werte ergeben sich au 3 bzw. Ohm, wenn der integrierte Aufbau klein ist, beispielsweise als Teil eines Verarbeitungskanäls ία..¹ ^ .fiuicdulierte Sghwingungen ausgebildet ist, wobei el ie ll^X't ' ,,.gea» uieses Verarbeitungskanals etwa 1,25 mm im Quadrau anä ciie Abmessungen des Transistors 12 etwa 0,09 x 0,14 mm betragen. Die Stromverstärkur^ ß beträgt hierbei etwa 50.

Wird der Gleichstrom des Transistors 12 zunächst auf 1 mA eingestellt, so bringen die letzten beiden Ausdrücke der Gleichung 1 eine Additionsgröüe von 3,8 mV zur Basis-Emitter-Übergangsspannung des Transistors !2. Wird der Kollektorstrom des Transistors 12 zu einer Signaldämpfung verringert, so könne'n, wie sich gezeigt hat, diese letzten Ausdrücke zu einem Verzerrungsanteil des Ausgangssignals führen, der in manchen Fällen unerwünscht ist. Eine solche Wirkung tritt jedoch nicht ein, wenn es eich um winkelmodulierte Schwingungen handelt, weil die Veraerrungen als ,'inplitudenmodulation auftreten, die ■vom nachfolgenden Frequenzdemodulator unterdrückt wird.

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Verwendet man die dargestellte Schaltung als Tonfrequenzvor- " Verstärker, so können diese Verzerrungen jedoch sehr störend werden,' Zur Verringerung dieser Probleme kann der durch die Transistoren 10 und 12 fließende Strom herabgesetzt werden, so daß diese letzten Ausdrücke der Gleichung 1 kleiner werden. Andererseits kann die Schaltung auch mit etwas größeren Dimensionen aufgebaut werden, so daß die Werte für r und r, ' bei gleicher Stromverstärkung ß kleiner werden.

Bei der dargestellten und beschriebenen Sghaltung werden diese Verzerrungen jedoch noch auf andere. Weise verringert. Da die am Emitter des Transistors 24 austretende Amplitude des Wechselspannungssignals sich verändert, verändert sich auch der Anteil des durch den Widerstand 14 zur Basis des

--Transistors 10 gelangenden Signals in gleicher Weise. Ebenfalls ändert sich der Kollektorstrom des Transistors 10 in gleicher'Richtung wie das Signal, so daß die dynamische Impedanz am Kollektor des Transistors 10 sich in umgekehrter Richtung ändert. Der Transistor 24 und der Widerstand 26

. bilden praktisch eine KonstantStromquelle, und daher ändert

sich das Signal am Kollektor des Transistors 10 entgegengesetzt' zu den vom Transistor 24 gelieferten Signalen, so daß eine Vorverzerrungskomponente der zum Transistor 12 gekoppelten Signale eintritt. Diese Komponente ist jedoch den Vom Transistor 12 selbst aufgrund der Änderungen seiner Steilheit bei zugeführten Signalen erzeugten Veraerrungskompoiienten entgegengerichtet. . ' _v

Bei einer innerhalb des Regelbereiches erzeugten Dämpfung von etwa 40 db betrug die Verzerrung des gedämpften Signals nur 2 %. Durch eine weitere Verringerung der Werte r und r,^: · ließ sich die Verzerrung noch weiter, auf nur wenige Zehntel ia herabsetzen. Eine noch stärkere Verringerung läßt sich durch eine Verkleinerung des Wertes des Widerstandes 14 im Verhältnis zum Widerstand 28 und zur Eingangsimpedanz des Transistors 10 erreichen.

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Die beschriebene Dämpfungsschaltung läßt sich außerordentlich leicht realisieren und bringt keinerlei Nachteile für das Übertragungsverhalten. Die Schaltung hat sich als Dämpfungsschaltung für Hochfrequenzen in dem erwähnten Bearbeitungskanal für winkelmodulierte Schwingungen bewährt, sie eignet sich jedoch ebenfalls für Pernsteuerzwecke, wo^ eine gleichspannungsgesteuerte Verstärkungsänderung mit linear-logarithmischem Verhalten gewünscht wird.

Bei der .beschriebenen Ausführungsform führen die Transistoren 10 und 12 anfänglich dieselben Gleichströme, weil sie wegen ihrer gemeinsamen Herstellung die gleichen physikalischen Eigenschaften haben. Jedoch kann auch vorgesehen werden, daß die Gleichströme anfänglich in einem aideren Verhältnis zueinander stehen, wenn die beiden Transistoren, in unterschiedlicher Größe (beispielsweise hinsichtlich ihrer Emitterflächen) hergestellt werden.

Eine andere vorteilhafte Eigenschaft der Schaltung besteht darin, daß ohne zufuhr einer Gleichspannung am Steueranschluß 30 eine Signalverstärkung statt einer Dämpfung bewirkt werden kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß das am Ausgangsanschluß 16 entstehende Signal mit seiner Amplitude die gesamte Speisespannung der Spannungsquelle V. ausnutzen kann. Auf diese Weise läßt sich mfc Hilfe eines Eingangssignals eine Amplitude von 1 oder 2 V beispielsweise ein Ausgangssignal am Anschluß 16 mit einer Spitzenamplitude von 5 V__e erzielen, wenn die Spannungsquelle V^ einen solchen Wert hat.

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Claims (7)

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   3? a t 0 ni; a >n s ρ r ü ehe

   SignalübertragungaschaltTiog mit: zwei dreielektrodigen Hai.bleiter-Verstärkereleiiie2rtön_> ..-.-■ d, a du roh' g e k e η η - z ei eh η et , daß mit der dritten Elektrode des ersten Verstärkerelementes (10) eine die zu übertragenden Signale · ■ liefernde Mngangg$ö^altung {2ä,.24,26) und mit der dritten Elektrode des zweiten Verstärkereiementes (12) eine Ausgangsschaltung (16,18) zur Abnahme von den Eingangssignalen entsprechend den Ausgangssignalen verbunden ist, daß ferner mindestens mit der ersten und der zweiten Elektrode der beiden Verstärkerelemente (10,12) Vorspajmungsschaltungselemente (Vr),.28,i4,.16) zur Erzeugung von Vorspannungen gekoppelt sind, derart daß bei fehlenden Steuersignalen die Gleichströme in Eingans- und Ausgangsschaltung (24,26 bzw. 16,18) in einem bestimmten Verhältnis stehen, und daß mit der zweiten Elektrode des·ersten Verstärkerelementes (10) eine Steuerschaltung (Vn>28] zur Lieferung einer Gleichspannung zur Veränderung der Übertragungssteilheit des zweiten Verstärkerelementes (12) verbunden ist. ' ' V
2. 2. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch T, d ad u r c h g e k e η η ζ e i c h η et , daß die Halbleiterverstärkerelementeals Transistoren (10,12) in einer einzigen .integrierten Schaltung aufgebildet sind und die erste _t sweite vmßdritte Elektrode Emitter, Basis bzw» Kollektor der Transistoren sind. . / ':■■."..-■
3. 3. Signalübertragungsschaltung naeii Anspruch 2, dad vl-TS-q- h g e k e η η ζ e ic h η e t , daß die einen ersten Wideretand (26) auf weist _f. der eiae

   (22) für die 25U übertragenden. Signale mit dem Kollektor des

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   ersten Transistors (1G) verbindet, und daß die Ausgangsschaltung einen zweiten Widerstand (18) aufweist, welcher eine Betriebsspannungsquelle (20) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (12) verbindet.
4. 4. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung eine G-leichstromverbindung (Masse) zwischen den Emittern der Transistoren (10,12), eine Gleichstromverbindung zwischen Kollektor des ersten Transistors (10) und Basis des zweiten Transistors (12) und einen dritten Widerstand (H) zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors (10) enthält.
5. 5. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerschaltung eine einstellbare Gleichspannungsquelle ("Vn) ¹^ ^eiⁿsⁿ vierten Widerstand (28), welcher die Basis des ersten Transistors (10) mit der Gleichspannungsquelle (Vp) verbindet, enthält.
6. 6. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Wert des vierten Widerstandes (28) wesentlich größer als der Wert des dritten Widerstandes (H) ist und daß die Eingangs impedanz an der Basis des ersten Transistors (10) größer als der Wert des dritten Widerstandes (H) ist.
7. 7. Signalübertragungsschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren und die Widerstände in einer integrierten Schaltung in einem einzigen Halbleiterkörper ausgebildet sind.

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