DE2034318A1 - Transistorverstärker - Google Patents

Transistorverstärker

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DE2034318A1 DE19702034318 DE2034318A DE2034318A1 DE 2034318 A1 DE2034318 A1 DE 2034318A1 DE 19702034318 DE19702034318 DE 19702034318 DE 2034318 A DE2034318 A DE 2034318A DE 2034318 A1 DE2034318 A1 DE 2034318A1
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Description

N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland
"Transistorverstärker"
Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker mit mindestens einem ersten Transistor, dessen Kollektor mit einer ersten Ausgangsklemme und dessen Emitter mit einer zweiten; Ausgangsklemme verbunden sind, welchen Ausgangsklemmen die Speisespannung zugeführt wird. Solche Verstärker werden z. B. häufig in Fernsprechsystemen als ilikrophonverstärker verwendet. Jede der beiden Ausgangsklemmen wird dabei an die Leitungsader einer Teilnehmerleitung angeschlossen. Diese Teilnehmerleitung wird während der Gesprächsübertragung mit einer Speisebrücke verbunden, die die Speisespannung des Verstärkers liefert. Einerseits wird das verstärkte Mikrophonsignal den Ausgangsklemmen entnommen und andererseits wird über die Teilnehmerleitung die Speisespannung den Ausgangsklemmen zugeführt.
Urn den Verstärker gegen die über den Leitungsädern auftretende Polarität der Speisespannung unempfindlich zu machen, wird zwischen der Teilnehmerleitung und den Ausgangsklemmen des Verstärkers häufig eine Diodenbrücke vorgesehen. Die Diodenbrücke wird durch die Parallelschaltung zweier Zwoige gebildet, die zwischen den beiden Verstärkerausgangskiemmen angebracht sind« Jeder der beiden Zweige enthält die Reihenschaltung zweier Dioden,
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Die Dioden der beiden mit der ersten Ausgangsklemme verbundenen Zweige sind durch ihre gleichpoligen Elektroden mit dieser Ausgangsklemme verbundene Gleichfalls sind die beiden anderen Dioden durch ihre gleichpoligen Elektroden mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden. Die eine Ader der Teilnehmerleitung wird an den Speisepunkt der beiden Dioden des einen Zweiges und die andere Ader der Teilnehmerleitung wird an den Verbindungspunkt der Dioden des anderen Zweiges angeschlossen. Unabhängig von der über den erwähnten Leitungsadern auftretenden Polarität der Speisespannungen ist die an den beiden Ausgangsklemmen auftretende Polarität der Speisespannung stets dieselbe.
Der Nachteil der vorstehend beschriebenen Lösung zum Unempfindlichmachen des Verstärkers gegen die über der Ader der Teilnehmerleitung auftretende Polarität der Speisespannung ist der, daß Verlust an Speisespannung auftritt. Dieser Verlust ist darauf zurückzuführen, daß unabhängig von der Polarität der den Leitungsadern zugeführten Speisespannung zwischen einer Leitunn;sader und einer Ausgangsklemme und zwischen der anderen Leitungsader und der anderen Ausgangsklemme stets' eine leitende Diode vorhanden ist. Über diese beiden Dioden tritt ein Spannungsabfall auf» Wenn diese Dioden gemeinsam mit dem Verstärker in einem Halbleiterkörper integriert sind, beträgt dieser Spannungsabfall etwa 2 χ 0,9 « 1?8. V. Dies bedeutet, da0» wenn die den L'eitungsädern zugeführte Speisespannung gleich E Volt ist» die den Ausgangsklemmen 2Ugeführte Speisespannunggleich (E - 1f8j V ist. Diese Spanmmgserniedrigung hat z, B. zur Foige, daß die zulässige Kabellänge der Teilnehmerleitung stärk herabgemindert wird. ' Λ-
Bei integriertet* Verstärkern im allgemeinen kann zwischen " der Speisequelle und den Speisepunkten des Verstärkers eine integrierte Diodenbrücke angebracht werden, um zu
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vermeiden, daß bei einem falschen Anschluß der Speisequelle an die erwähnten Speisepunkte der Verstärker ver- ■ nichtet wird. Dies hat weiterhin den Nachteil, daß ein Spannungsverlust von etwa 1,8V auftreten wird, was häufig unzulässig ist.
Die Erfindung bezweckt, eine Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe zu schaffen und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen zweiten Transistor enthält, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste Transistor aufweist, wobei der Emitter des ersten Transistors" über die Emitter-Kollektorstrecke des zweiten Transistors mit der zweiten Ausgangsklemme und die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors miteinander verbunden sind, wobei dem Verbindungspunkt das zu verstärkende Signal zugeführt wird, wobei sowohl der Emitter und der Kollektor des ersten Transistors als auch der"Emitter und der Kollektor des zweiten Transistors über eine Diode miteinander verbunden sind, wobei die Diode, die dem Transistor zugehört, dessen Basis-Kollektorgrenzschicht in der Vorwärtsrichtung polarisiert ist, im leitenden Zustand verkehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Basiselektrode des ersten Transistors über eine erste Reihenschaltung der Basis-Emitterstrecken einer Anzahl von Transistoren mit dem Verbindungspunkt und ist die Basis des zweiten Transistors auch über eine zweite Reihenschaltung der Basis-Emitterstrecken einer Anzahl von Transistoren mit dem Verbindungspunkt verbunden, wobei die Kollektoren der Transistoren der ersten Reihenschaltung mit der ersten Ausgangsklemme und die Kollektoren der Transistoren der zweiten Reihenschaltung mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden sind,
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform des Transistorverstärkers nach der Erfindung,
Fig. 2 weitere Einzelheiten einer Ausführungsform des Transistorverstärkers nach der Erfindung,
Fig. 3 und 4 zwei Ausbildungen von Halbleiterelementen zur Verwendung in einem Transistorverstärker nach den Fig. 1 und 2.
Nach Fig. 1 ist der Kollektor des ersten Transistors T1 mit der ersten Ausgangsklernme E1 verbunden. Der Emitter des ersten Transistors ist über die Emitter-Kollektorstrecke des zweiten Transistors T2 mit der zweiten Ausgangsklemme Ep verbunden. Die Basis des ersten Transistors ist mit der Basis des zweiten Transistors verbunden, und das zu verstärkende Signal Y. wird zwischen dem Verbindungspunkt der Basiselektroden der beiden Transistoren mit dem Verbindungspunkt der Emitterelektroden der beiden Transistoren zugeführt. Die" Kollektor-Emitterstrecke des ersten Transistors ist durch die Diode D1 überbrückt, die leitend wird,sobald die Basis-Kollektordiode oder -Grenzschicht des ersten Transistors T1 leitend wird oder wenigstens eine in der Vorwärtsrichtung wirksame Vorspannung empfängt. Die Kolloktor-Emitterstrecke des zweiten Transistors ist durch die Diode D2 überbrückt, die leitend wird, sobald die Basis-Kollektordiode des zweiten Transistors leitend wird, oder wenigstens eine in der Vorwärtsrichtung wirksame Vorspannung empfängt. Die Ausgangsklemmen E., und Ep des Verstärkers können z. B. über eine Teilnehmerleitung A an ein Fernsprechsystem T angeschlossen
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werden, das eine Speisebatterie E In Reihe mit einer Ausgangsimpedanz enthält. Diese Batterie Ξ liefert während der Gesprächsübertragung durch die Teilnehmerleitung A die Speisegleichspannung für den Verstärker. Die Basis des Transistors T., ist über den Widerstand R1 λ mit Ausgpiigsklemme E1 verbunden, während die Basis des Transistors T2 über den Widerstand R2/, mit der Ausgangsklemme E2 verbunden- ist. Die Basis des Transistors T1 ist über den Widerstand R11 und die Basis des Transistors T2 ist über den Widerstand R21 mit dem Verbindungspunkt der Emitter der beiden Transistoren verbunden.
Vorausgesetzt, daß die Ausgangsklemme E1 nach dem Anschluß des Verstärkers an die Teilnehmerleitung A eine positive Polarität in bezug auf die Ausgangsklemme E2 aufweist, ist die Wirkungsweise des Verstärkers nach FIg. 1 wie folgt. Da E,, ein positives Potential aufweist, sind der Transistor T1 und die Diode D2 im leitenden Zustand. Es fließt ein Strom von der Ausgangsklemme E. zur Ausgangsklemme Ep, und zwar nacheinander durch den Transistor T1 und die Diode D0. In dieser Strombahn ist nur eine Diode Dp vorhanden, so daß der Spannungsverlust auf eine Übergangsspannung, d. h. die der Diode D2, beschränkt wird. Die Anwesenheit der Diode D2 parallel zur Emitter-Kollektorstrecke des Transistors T2 hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Transistor Tp vor Durchschlag geschützt wird. Das Emitterpotential dieses Transistors ist höher als das Basispotential desselben, so daß die Basis-Emitterdiode in dem gesperrten Zustcmd ist. Da die Durchschlagspannung der Basis-Emitterdiode eines Transistors meist niedrig ist, int es notwendig, die Spannung über der gesperrten Basis-Emitterdiode gering zu halten. Dies wird durch die Anwesenheit der Diode Dp bewerkstelligt. Der Spannungsabfall über die Diode Dp kann Q,9 V oder weniger betragen, so daß der Emitter des Transistors T2 in bezug auf dessen Kollektox"
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eine Spannung von +0,9 V aufweist. Da die Basis-Kollektordiode des Transistors T2 über den Widerstand R0. leitend wird, ist die Spannung zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors T2 gleich (0,9 - V^0) V, wobei V-J30 die Spannung über der leitenden Basis-Kollektord.iode bezeichnet. Diese Spannung kann ausreichend sein, auch den Transistor T- leitend zu machen, der dann in der umgekehrten Richtung Strom führt.
Bei der vorhergehenden Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird davon ausgegangen, daß die Ausgangsklemme E^ in bezug auf die Ausgangsklemme E2 ein positives Potential aulweist. Es wird einleuchten, daß, wenn die Ausgangsklemme Ep in bezug auf die Ausgangsklemme E^ ein positives Potential aufweist, die Wirkungsweise der Anordnung ähnlich ist. Es fließt dann ein Strom von der Ausgangsklemme E^,und zwar nacheinander durch den Transistor Tp und die Diode D,.. In der betreffenden Strombahn ist dann nur die Diode D^ vorhanden, so daß der Spannungsverlust auch dann auf eine Übergangsspannung (£y 0,9 V) beschränkt ist. Die Diode D^ schützt dabei außerdem den Transistor T^.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Transistor-Verstärkers nach der Erfindung. Die Basis des ersten Transistors T^ ist über die Reihenschaltung der Emitter-Basisstrecken der Transistoren T^2, ^-13» ^es Widerstandes R*-z und der Diode D., mit dem Ausgang VQ des Vorverstärkers V verbunden. Die Kollektorelektroden der beiden
Transistoren T^0, T4-, sind unmittelbar mit der ersten Aus-12 13
gangsklemme E^ ähnlich wie der Kollektor des Transistors T^ verbunden. Der Emitter des Transistors T. - ist über den Widerstand R., 2 mit der Basis des Transistors T^ verbunden, während die Basis des Transistors Tj über den Widerstand IL· mit dessen Emitter verbunden ist. Die Basis
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des Transistors T.' ist über den Widerstand R^ mit der ersten ixis gangs klemme E^ verbunden. Die Basis des zweiten Transistors Tp ist über die Reihenschaltung der Emitter-Basisstrecken der Transistoren T2^, T2-,, des Widerstandes R0^ und der Diode Dp^ mit dem Ausgang V des Vorverstärkers V verbunden. Die Kollektorelektroden der beiden Transistoren Tp2» T? 3 sind- unmittelbar mit der zv/eiten Ausgangsklemme Ep ähnlich wie der Kollektor des Transistors Tp verbunden. Der Emitter des Transistors R2^ ist über den Widerstand Rp2 mit der Basis des Transistors T9 verbunden, während die Basis des Transistors T9 über den Widerstand R21 mit dessen Emitter verbunden ist. Die Basis des Transistors Tp7 ist über den Widerstand R2^ mit der.zweiten Ausgangsklemme E2 verbunden.· Die Emitter der Transistoren T. und T2 sind miteinander verbunden, während sowohl der Emitter und der Kollektor des ersten Transistors T^ auch der Emitter und der Kollektor des zweiten Transistors T2 über je eine Diode (D. bzw. D2) miteinander verbunden sind. Der Vorverstärker V hat zwei Speisepunkte X^ und Xp, denen die Speisespannung zugeführt wird. Der Speisepunkt X2 ist mit den Emittern der beiden Transistoren T,, und Tp verbunden. Der Speisepunkt X^ ist einerseits über die eine Kollektor-Emitterstrecke eines
Mehrfachemittertransistors T mit der ersten Ausgangsklemme E^ und andererseits über die andere Kollektor-Emitterstrecke des Mehrfachemittertransistors TQ mit der zweiten Ausgangsklemme E2 verbunden, wobei-die Basis des Mehrfachemittertransistors mit dem Kollektor desselben verbunden ist.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist ähnlich der der Anordnung nach Fig. 1. Wenn die Ausgangsklemme E^ in bezug auf die Ausgangsklemme E2 ein positives Potential aufweist,, ist der obere, durch die Transistoren T-j3» T-12 und ^1 gebildete Verstärker wirksam. Der untere,
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durch die Transistoren T0-J-» T22 unc* T£ g^üdete Verstärker ist dabei durch die leitende Diode Dp kurzgeschlossen. Die Diode D.^ ist dann im leitenden Zustand, wodurch der Ausgang V der Vorverstärkerstufe V mit dem Basiseingang des Transistors T^ -A verbunden wird. Die Diode D,.-, ist im nicht leitenden Zustand, wodurch erreicht wird, daß die Widerstände Rp,, und R0, den Ausgang V der Vorverstärkerstufe nicht belasten, ivenn die Ausgangsklemme Ep ein positives Potential gegen die Ausgangsklemme E^ führt, wird der untere Verstärker wirksam sein und der obere Verstärker nicht. Die Diode Dp^ ist dann im leitenden Zustand, wodurch der Ausgang V des Vorverstärkers mit der Basis des Transistors T2^ verbunden wird. Die Diode D.-, ist im nicht leitenden Zustand, wodurch erreicht wird, daß die Widerstände IL^ und R,,^ den Ausgang V des Vorverstärkers nicht belasten. Die Verbindung des Speisepunktes λ. über unterschiedliche Kollektor-Emitterstrecken des Mehrfachemittertransistors mit den beiden Ausgangsklemmen ergibt den Vorteil, daß die Polarität der am Speisepunkt X. vorhandenen Spannung stets die gleiche ist. Es wird auf diese V/eise vermieden, daß die Vorverstärkerstufe bei wechselnder Polarität der den Ausgangsklemmen zugeführten Speisespannung zerstört wird.
Der Verstärker nach der Erfindung eignet sich vorzüglich zur Verwendung in integrierten Schaltungen. Dies hat den Vorteil, daß für die Dioden D und D2 vorhandene Substratdioden benutzt werden können. Außerdan ist es bei der Herstellung integrierter Schaltungen einfach, identische oder nahezu identische Transistoren anzubringen, wodurch die Verstärkungen des oberen und des unteren Verstärkers einander genau gleich gemacht werden können.
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BAD OBIGiNAl.
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Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführung eines solchen Transistors T. mit der Diode D.. Auf einem Substrat.30 von p.-Typ Leitfähigkeit ist eine dünne, epitaktische Schicht 31 vom η-Typ angebracht, in.der auf übliche Weise eine p-Typ Diffusionstrennzone 32, eine p-Typ Basiszone 33 und eine η-Typ Emitterzone 34 vorgesehen sind, während die verbleibende Insel 35 der epitaktischen Schicht als Kollektorzone dient. Diese Kollektorzone 35 ist mit einem Metallkontakt 36 versehen, der gegebenenfalls gleichzeitig mit der Kontaktdiffusion für die Emitterzone 34 angebracht werden kann und der eine Verbindung mit der Elektrode Ej (Fig. 1 und 2) herstellt. Indem der auf der Zone 34 angebrachte Emitterkontakt 37 durch eine leitende Bahn 38 mit einem auf der Diffusionstrennzone 32 angebrachten Kontakt 39 verbunden wird,.bildet der pn-übergang zwischen den Zonen 30, 32 und'35 die Diode D^, die antiparallel zur Emitter-Kollektorstrecke des Transistors der Zonen 34, 33» 35 geschaltet ist. Durch die Wahl eines verhältnismäßig großen Kontaktes- 36 wird erreicht, daß der Eigenreihenwiderstand der Diode D1 minimal ist.
Es wird einleuchten, daß der Transistor T~ auf gleiche Weise in einer zweiten Insel gebildet werden kann.
Im Prinzip läßt sich die Schaltungsanordnüng nach Fig. 1,wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, ohne irgendwelche Trenndiffusion herstellen, indem z. B. von einem als Emitter wirksamen. Substrat 40 z. B. vom η-Typ ausgegangen wird, wobei nacheinander p- und n-Zonen diffundiert werden, wobei die Zonen 40, 41, 42 bzw. den Emitter, die Basis und den Kollektor des Transistors T1 und die Zonen 40, 41, 43 dieselben des Transistors T2 bilden. Die Dioden D^..und'D0 werden durch die Zonen 44, 45 bzv/. 44, 46 gebildet, wobei wieder die Zonen 42
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und 45 bzw. 43 und 46 über leitende Bahnen verbunden sind.
Der pn-Übergang zwischen den Zonen 44 und 40 ist an der Stelle des verhältnismäßig großen Metallkontaktes 47 kurzgeschlossen, wodurch die Dioden 44, 45 bzw. 44, 46 einerseits mit der Emitterzone 40 verbunden sind und außerdem eine Transistorwirkung der Zonen 40, 44, bzw. 40, 44, 46 verhüten. Es wird einleuchten, daß bei dieser Konfiguration eine minimale Anzahl von Bearbeitungsstufen erforderlich ist, sei es auf Kosten der Verstärkung, die dabei erzielbar ist.
Patentansprüche:
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Claims (5)

  1. Patentansprüche:
    !.Transistorverstärker mit mindestens einem ersten Transistor, dessen Kollektor mit einer ersten Ausgangsklemme und dessen Emitter mit einer zweiten Ausgangsklemme verbunden sind, welchen Ausgangsklemmen die Speisespannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dal3 der Verstärker einen zweiten Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste Transistor enthält, wobei der Emitter des ersten Transistors über die Ernitter-Kollektorstrecke des zweiten Transistors mit der zweiten Ausgangsklemme und die Basiselektroden des ersten und dec zweiten Transistors miteinander verbunden sind, welchem Verbindungspunkt das zu verstärkende Signal zugeführt wird und wobei sowohl der Emitter und der Kollektor des ersten Transistors als auch der Emitter und der Kollektor des zweiten Transistors je über eine Diode miteinander verbunden sind, wobei die Diode, die dem Transistor zugehört, dessen Basis-Kollektorgreiizschicht in der Vorwärtsrichtung polarisiert ist, im leitenden Zustand verkehrt.
  2. 2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekerin-. zeichnet, daß die Basis des ersten Transistors über eine erste Reihenschaltung der Basis-Emitterstrecken einer Anzahl von Transistoren mit dem Verbindungspunkt verbunden ist und dai3 die Basis des zweiten Transistors auch über eine zweite Reihenschaltung der Basis-Emitterstrecken einer Anzahl von Transistoren mit dein Verbindungspunkt verbunden ist, wobei die Kollektoren der Transistoren der ersten Reihenschaltung mit der ersten AuRgangsklemme und die Kollektoren der Transistoren der zweiten Reihenschaltung mit der zweiten Au&gangsklemme verbunden sind.
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  3. 3. Transistorverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste Reihenschaltung als auch die zweite Reihenschaltung über je eine Diode mit dem Punkt verbunden sind, dem das zu verstärkende Signal zugeführt wird.
  4. 4. Transistorverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, in ■Form einer integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Insel vom einen Leitfähigkeitstyp, die als Kollektorzone des ersten bzw. zweiten Transistors wirksam ist, Basis- und Emitterzonen angebracht sind und daß eine leitende Verbindung zwischen der Emitterzone und der die Insel umgebenden Trenndiffusionszone vom anderen Leitfähigkeitstyp angebracht ist. (Fig. 3)
  5. 5. -Transistorverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, in Form einer integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Substrat vom einen Leitfähigkeitstyp mindestens zwei Zonen vom anderen Leitfähigkeitstyp angebracht sind, in denen mindestens je zwei Zonen vom ersten Leitfähigkeitstyp angebracht sind, welche letzteren Zonen paarweise leitend verbunden sind, während eine der zuerst genannten Zonen leitend mit dem Substrat verbunden ist. (Fig. 4)
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