DE2046357A1 - Stromverstärker - Google Patents

Description

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Anmeldung vom* 16. Sept. 1970

"Stromverstärker".

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromverstärker, bei dem der Signalstrom der Basis eines ersten Transistors zugeführt wird, dessen Emitter der verstärkte Signalstrom entnommen wird. In einem bekannten Stromverstärker dieser Art ist der Emitter des ersten Transistors vom npn-Type mit einer Speiseklemme über die Emitter-Kol- ^

lektor-Strecke eines zweiten Transistors vom pnp-Typ verbunden. Die Basis des ersten Transistors ist mit derselben Speiseklemme nacheinander über zwei Dioden und eine Stromquelle verbunden. Die Basis des zweiten Transistors

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ist mit dem von der Speiseklemme abgekehrten Anschlussende der erwähnten Stromquelle verbunden. Bei diesem bekannten. Stromverstärker wird mit Hilfe der beiden Dioden und der Stromquelle der Ruhestrom des ersten und des zweiten Transistors eingestellt. Durch die beiden Dioden wird ein konstanter Strom geschickt, wodurch über den beiden Dioden eine Spannung V auftritt. Diese Spannung ist also zwischen der Basis des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors vorhanden. Dadurch fliesst nun durch den ersten und den zweiten Transistor ein Strom, der etwa gleich dem konstanten durch die beiden Dioden fliessenden Strom ist. Wenn nun die Spannung V- über den beiden Dioden z.B. infolge einer Aenderung in der Temperatur geändert wird, bleibt der durch den ersten und den zweiten Transistor fliessende Strom konstantj weil der durch die Dioden fliessende Strom auch konstant ist.

Der bekannte Stromverstärker hat den Nachteil, dass der den ersten und den zweiten Transistor durch— fliessende Strom nie genau dem die beiden Dioden durchfliessenden Strom gleich gemacht werden kann. Dies ist auf den bei Transistoren auftretenden sogenannten "Early"-(Früh)Effekt zurückzuführen. Der durch einen Transistor fliessende Strom wird nämlich nicht nur durch die Basis-Emitter spannung dieses Transistors, sondern auch durch seine Kollektccp-Emitterspannung bestimmt .Die beiden Dioden des obenbeschriebenen Stromverstärkers sind als zwei Tran-

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sistoren zu betrachten, deren Basen und Kollektoren miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass die Kollektor-Emitterspannung dieser als Dioden geschalteten Transistoren gleich 0 Volt ist. Die Kollektor-Emitterspannung des ersten und des zweiten Transistors ist aber gleich der halben Speisespannung, die zwischen den Kollektor-Elektroden des ersten und des zweiten Transistors angelegt ist. Dadurch wird der durch den ersten und den zweiten Transistor fliessende Ruhestrom grosser als der durch die beiden Dioden fliessende Strom sein, und zwar grosser, je nachdem die angelegte Speisespannung grosser ist. " Der obenbeschriebene "Early-Effekt tritt in erheblichem Masse bei horizontalen pnp-Transistoren auf, wodurch der Ruhestrom im bekannten Stromverstärker von dem durch die beiden Dioden fliessenden Strom sehr verschieden sein kann. Um diese Ungleichheit von Strömen auszugleichen, werden in den Emitterleitungen des ersten und des zweiten Transistors häufig kleine Widerstände angebracht. Dies hat~ einerseits den Nachteil, dass die Ausgangsimpedanz des Stromverstärkers erhöht wird, und andererseits, dass bei ä

Aussteuerung durch den Spannungsabfall über den beiden Widerständen der erste und der zweite Transistor der Reihe nach gesperrt werden, wodurch sich bei den Nulldurchgängen des verstärkten Signals Linearitätsprobleme ergeben.

Die Frfindung bezweckt, eine Lösung für die obenbeschriebenen Schwierigkeiten zu schaffen und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des ersten Transistors nacheinander über wenigstens eine erste Diode und

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die Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors verbunden ist, und dass die Basis des ersten Transistors nacheinander über wenigstens eine zweite Diode, die Emitter-Kollektor-Strecke eines dritten Transistors und ein strombestimmendes Glied mit derselben Speiseklemme verbunden ist, wobei die Basis des dritten Transistors mit der Verbindungsleitung zwischen der ersten Diode und dem Emitter des zweiten Transistors und die Basis des zweiten Transistors mit der Verbindungsleitung zwischen dem dritten Transistor und dem strombestimmenden Glied verbunden ist.

Die Erfindung wird nachstehend für ein Ausführungsbeispiel an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Stromverstärker nach der Erfindung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Stromverstärkers nach der Erfindung, und Fj,g. 3 einen Pseudo-pnp-Transistor.

In Fig. 1 ist der Kollektor des ersten Transistors T₁ über einen Widerstand R₁ mit der positiven Klemme der Speisespannungsquelle E verbunden. Der Emitter des Transistors T ist nacheinander über die erste Diode D₁, die Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors T und den Widerstand R„ mit der negativen Klemme der Speisespannungsquelle E verbunden. Die Basis-Elektrode des Transistors T_p ist über ein strombestimmendes Glied S mit der negativen Klemme der Speisespannungsquelle E ver-

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bunden. Das strombestimmende Gli.ed kann sowohl ein Widerstand wie auch eine Stromquelle sein. Die Basis des Transistors T ist nacheinander über die zweite Diode D„ und die Emitter-Kollektor-Strecke des dritten Transistors T„ mit der Basis des Transistors T verbunden. Die Basis des Transistors T ist mit dem Emitter des Transistors T verbunden. Die Basis des Transistors T₁ ist mit dem Emitter des als Emitterfolger geschalteten Transistors T verbunden. Das zu verstärkende Signal kann der Basis des Transistors T zugeführt werden. Das verstärkte Signal kann dem Emitter des Transistors T₁ über z.B. die Impedanz Z entnommen werden, wie in dieser Figur gestrichelt dargestellt ist.

Die Wirkungsweise des Stromverstärkers nach der Erfindung ist folgende: die Transistoren T₁, T„ und T„ und die Dioden D₁ und D„ bilden eine gesteuerte Stromquelle. Die Messdiode dieser Stromquelle wird durch die Reihenschaltung der Diode D₁ und der Basis-Emitter-Diode des Transistors T₁ gebildet. Die Spannung über dieser Messdiode ist unter allen Umständen gleich der Summe der Spannungen über der Diode D und der Basis-Emitter-Diode des Transistors T„. Der Ruhestrom durch die Messdiode wird mit dem das strombestimmende Glied S durchfliessenden Strom verglichen. Wenn nun der Ruhestrom durch die Messdiode und somit auch der Ruhestrom durch die beiden Transistoren T₁ und T von dem durch das strombestimmende Glied S fliessenden Strom verschieden ist, wird der Ruhestrom über den KoI-

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lektor des Transistors T_ auf die Basis des Transistors T rückgekoppelt, bis der Ruhestrom durch die Transistoren T₁ und T wieder gleich dem das strombestimmende Glied S durchfliessenden Strom geworden ist. Obgleich die Summe der Spannungen über der Diode D und der Basis-Emitter-Diode des Transistors T konstant sein wird, kann der Strom durch die Diode D von dem den Transistor T₁ durchflies senden Strom sehr verschieden sein, und zwar wenn eine Ausgangsimpedanz Z zwischen dem Emitter des Transis-

k tors T und einem Punkt konstanten Potentials angeordnet wird, wie in Fig. T gestrichelt dargestellt ist. Der Strom durch den Transistor T wird grosser, wenn die Ausgangsspannung am Emitter des Transistors T₁ ansteigt. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₁ nimmt als"o zu. Weil die Summe der Spannungen über der Diode D₁ und der Basis-Emitter-Diode des Transistors T₁ konstant ist, urird die Spannung über der Diode D₁ um einen gleichen Betrag abnehmen wie die Spannung über der Basis-Emitter-Diode des Transistors T₁ zunimmt. Dies bedeutet, dass, wenn der

^w Strom durch den Transistor T₁ gleich j.I geworden ist, der Strom durch die Diode D gleich I/j sein wird, wobei I der das strombestimmende Glied S durchmessende Strom ist. Wenn das Ausgangssignal au Emitter des Transistors T. abnimmt, tritt der umgekehrte Effekt auf. Der Strom durch den Tranaistor T₁ wird nun jedoch abnehmen, wenn der Strom durch die Diode D.. zunimmt. Der Höchatansgangastrom, der durch die Belastung Z fHessen kann, ist gleich dem Strom I Multipliziert mit des Basis-«ollekterstroarverstär-

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kungsfaktor β des Transistors T„.

Die Tatsache, dass die Basis-Emitterspannung des Transistors T die Einstellung des Ruhestroms durch die Transistoren T₁ und T nicht mit bestimmt, ergibt den Vorteil, dass der Transistor T„ ohne weiteres durch einen Pseudo-pnp-Transistor ersetzt werden kann, wie er in Fig. dargestellt ist. In der Schaltungs-anordnung wird dann der Transistor T f ortgelass'en und werden die Anschlüsse A, B und C des Pseudo-pnp-Transistors nach Fig. 3 mit den entsprechenden Punkten A, B und C der Schaltungsanordnung nach t Fig. 1 verbunden. Wenn dieser Pseudo-pnp-Transistor in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 angebracht wird, wird der Vorteil erhalten, dass der Höchstwert des mit dem Stromverstärker erzielbaren AusgangsStroms grosser wird. Der Strom ist in diesem Falle gleich β I.Ampere wobei β den Basis-Kollektorstromverstärkungsfaktor des npli-Transistors T„₂ der Fig. 3 darstellt. Der Stromverstärkungsfaktor/3 des Transistors T „ ist viel grosser als der entsprechende Stromverstarkungsfaktor des pnp-Transistors T₂ der Fig. 1. Ein derartiger Ersatz ist bei dem bekannten obenbeschriebe- ™ nen Stromverstärker nicht möglich.

Wegen des Fehlens der Widerstände in den Emitterleitungen der Transistoren T₁ und T ist die Ausgangsimpedanz des Stromverstärkers nach Fig. 1 viele Male kleiner als die Ausgangsimpedanz des bekannten Stromverstärkers. Ausserdem bringt das Fehlen der vorerwähnten Widerstände mit sich, dass sowohl der Transistor T₁ als auch der Tran-

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sistor T bei Aussteuerung nie gesperrt werden, weil die Ströme durch die Transistoren T₁ und T_ logarithmisch zu null gehen. Dadurch sind im Vergleich zu dem bekannten Stromverstärker viel kleinere Ruheströme durch die Transistoren T₁ und T zulässig, während sich bei den Nulldurchgängen des verstärkten Signals viel weniger Linearität sprobleme ergeben.

Bisher wurde stets davon ausgegangen, dass der Ruhestrom durch die Transistoren T₁ und T stets gleich k dem durch das strombestimmende Glied S fliessenden Strom I sein muss. Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere z.B. im Zusammenhang mit Bandbreite, Stabilität und Stromverbrauch, kann es günstig sein, wenn der Ruhestrom nicht gleich dem durch das strombestimmende Glied S fliessenden Strom I gewählt wird. Zu diesem Zweck wird z#B. die Emitteroberfläche des Transistors T„ grosser als die Emitteroberfläche der Diode D„ gewählt, während die Emitteroberfläche der Diode D₁ grosser als die Emitteroberfläche des Transistor T₁ gewählt wird, wobei der Quotient der Ober-™ flächen der Diode D„ und des. Transistors T gleich dem

Quotienten der Oberflächen des Transistors T„ und der Diode . D₁ bleibt.

Die Widerstände R₁ und R„ können gleich null gemacht werden. Dies ergibt den Vorteil, dass der Aussteuerbereich des Stromverstärkers dann maximal ist.

Wenn der Ausgangsstrom nicht genügend ist, kann die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auf einfache Weise er-

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   weitert werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Basis des Transistors T. ist mit dem Kollektor des Transistors T₁ verbunden, während der Emitter des Transistors T^ mit der positiven Klemme der Speisespannungsquelle E verbunden ist. Die Basis des Transistors T_ ist mit dem Kollektor des Transistors T_p verbunden, während der Emitter des Transistors T_ mit der negativen Klemme der Speisespannungsquelle E verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren Tr und Τ_ς sind mit dem Emitter des Transistors T₁ verbunden, welcher Emitter ausserdem über die Ausgangsimpedanz Z mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist. Die Widerstände R- und R₂ sind derart gewählt, dass für kleine Eingangssignale an der Basis des Transistors T die beiden Transistoren T^ und T_ gesperrt bleiben. Bei zunehmenden Eingangssignal werden zu einem gewissen Zeitpunkt die beiden Transistoren Tj. und T_ ent— sperrt werden, weil die über den Widerständen R₁ und R erzeugten Spannungen genügend gross werden. Zu dem erwähnten Zeitpunkt ist der Gesamtausgangsstrom gleich der Summe der Ströme durch die Transistoren T₁ und Tr oder gleich der Summe der Ströme durch die Transistoren T„ und T_. Durch die Summation der Ströme wird erreicht, dass die Frequenzeigenschaften der Transistoren Tl und T_ die Uebertragungskennlinie zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Stromverstärkers nicht mit bestimmen. PATENTANSPRÜCHE:

   /i .J Stromverstärker, bei dem ein Signalstrom der Basis eines ersten Transistors zugeführt wird, dessen Emit-

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   ter der verstärkte Signalstrom entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des ersten Transistors (T ) nacheinander über wenigstens eine erste Diode (D₁) und die Emitter-Kollektor-Strecke eines zweiten Transistors (Τ_) mit einer Speisequelle(e)-«eibunden ist, und dass

   die Basis des ersten Transistors (T₁) nacheinander über wenigstens eine zweite Diode (D₀), die Emitter-Kollektor-Strecke eines dritten Transistors (Τ«) und ein strombestimmendes Glied (s) mit derselben Speiseklemme verbunden fc ist, wobei die Basis des dritten Transistors (T₀) mit der Verbindungsleitung zwischen der ersten Diode (D₁) und dem Emitter des zweiten Transistors (Τ_) und die Basis des zweiten Transistors (Τ_ο) mit der Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor des dritten Transistors (T₀) und dem strombestimmenden Glied (s) verbunden ist.
2. 2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des zweiten Transistors (T_o) über einen Widerstand (R₀₀) mit der Speiseklemme verbunden ist, wobei der Emitter des zweiten Transistors mit dem Kollektor eines Transistors (T _o)verbunden ist, der von einem dem des zweiten Transistors (T ) entgegengesetzten Typ ist und dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T₀) verbunden ist und wobei der Emitter des erwähnten Transistors mit einer Speiseklemme verbunden ist. 3· Stromverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors über je einen Widerstand (R ,R ) mit einer Speiseklemme verbunden sind, welche Widerstände

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   je von der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors überbrückt sind, und wobei die Kollektoren dieser Transistoren mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden

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