DE2129108B2

DE2129108B2 - Verstaerker mit einer mindestens einen bipolaren transistor enthaltenden eingangsstufe

Info

Publication number: DE2129108B2
Application number: DE19712129108
Authority: DE
Inventors: Stefano New York N Y Graf (V St A )
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-06-11
Filing date: 1971-06-11
Publication date: 1973-02-22
Also published as: JPS5129626B1; IT940423B; JPS5436061B2; US3644838A; FR2096267A5; DE2129108A1; CA942389A; JPS5166755A; GB1343329A

Description

wird und damit Kapazität sowie eine Phasenverschiebung in den Signalweg eingeschaltet wird.

Ein weiteren, bei den meisten bekannten Schallungsausführungen auftretendes Problem ergibt sich in Verbindung mit der Last der Differenzverstätkereingangsstufe. Besieht sie aus bipolaren Lateraltransistoren, so gelten die obigen Ausführungen in noch stärkerem Maße, da durch die effektive Abnahme des Ausgangsuidersiandes dieser Transistoren mit zunehmender Frequenz das Signal praktisch kurzgeschlossen wird. Bei Verwendung von Widerständen (wie in der obengenannten USA.-Patentschrift) ergeben sich zusätzliche Probleme. Sind die Widerstände verhältnismäßig niederohmig, in der Größenordnung von Kiloohm, so erhöht sich die Verlustleistung, und ein Teil des Signals wird durch die Widerstände effektiv kurzgeschlossen. Sind sie dagegen verhältnismäßig hochohmig, so erniedrigt sich der zur ersten Stufe gelangende Strom, wodurch sich die Steilheit und die Verstärkung der Eingangsstufe erniedrigen. Außerdem beanspruchen die größeren Widerstände entsprechend der zusätzlichen Länge zwischen den Anschlußenden mehr Platz auf der verhältnismäßig kleinen '. lache des Schaltungsplättchens, und ferner wird durch sie eine zusätzliche Parallel- oder Nebenschlußkapazität an einem empfindlichen Punkt der Schaltung eingebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung zu schaffen, welche die oben erörterten Schwierigkeiten behebt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verstärker mit einer mindestens einen bipolaren Transistor enthaltenden Eingangsstufe, deren Ausgang mit dem Eingang einer eine Last speisenden Ausgangsstufe gekoppelt ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kollektor des bipolaren Transistors an die Quellenelektrode ei.js in Steuerelektrodengrundschaltung betriebenen ersten Feldeffekttransistors angeschlossen ist, dessen Senkenelektrode auf den Eingang der Ausgangsstufe geführt ist und der eine Gleichspannungspegelverschiebung zwischen dem Ausgang der Eingangsstufe und dem Eingang der Ausgangsstufe sinführt, und daß an den Ausgang der Eingangsstufe die Hauptstromstrecke eines als Konstantstromquelle geschalteten zweiten Feldeffekttransistors angesohlt.-->en ist, der mehr Strom liefert als der bipolare Transistor führen kann, wobei der überschüssige Strom von der Haupistromstrecke des ersten Feldeffekttransistors zur Ausgangsstufe geführt wird.

Die Erfindung wird rachstehend an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltschcma eines Eintakt-Differenzverstärkers gemäß einer ^ usführungsform der Erfindung und

F i g. 2 das Schaltschc .ia eines Gegentakt-Differenzverslärkers gemäß einer Ausführungsforru der Erfindung.

In den nachstehend beschriebenen Ausfiihrungsformen der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung werden Flächentransistoren (Bipolartransistoren) des einen Leitungstyps und Isolierschicht-Feldeffekttransistoren eines zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps \erwendel. Und zwar sind die Bipolartransistoren npn-Transistoren (■■ gen ihrer hohen Arbeitsgeschwindigkeit) und sann ii mit vertikalem Schichiaufbau. Die Feldeffekttransistoren sind MOS-Transistoren mit p-Kanal (weil sie funktionell und lierstellungsinäBig am besten mil den npn-Transistoren verträglich sind). Ein weiterer Gr^iid für die Verwendung von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren ist ihre ausgezeichnete Frequenzcharakteristik sowie ihre niedrige Elektrodenkapazität. Man kann stat !dessen auch pnp-Bipolartransistoren mit veitikalem Aufbau in Verbindung mit geeigneten Typen von Feldeffekttransistoren verwenden. Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Verwendung \on Bipolartransistoren mit vertikalem Aufbau in Verbindung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren bei ueitmöglichster Vermeidung bipolarer Lateraltransistoren. Einer der Hauptgründe für die Verwendung \on Isolierschicht-Feldeffekttransistoren an Stelle von bipolaren Lateraltransistoren liegt darin, daß aul Grund von Laufzeitüberlegungen ein Isolierschieht-Feldeffekttransistor mn ihnlichen räumlichen Abmessungen wie ein Bipolartransistor von Haus aus einen Frequenzbereich hat, der nahezu 40maI so groß ist wie der eines entsprechenden Bipolartransistors. Vernachlässigt man die Elektrodenkapazität, so kann man voraussetzen, daß der Frequenzbereich des Bipolartransistors durch die Basislai·". eit (-/>,) und der Frequenzbereich des Isolierschicht-Feldeffektiransi-• stors durch die Quellen-Abflußlaufzeil (-/,) begrenzt ist. Die Basislaufzeit eines Bipolartransistors ist durch die folgende Gleichung gegeben:

IV-nD

Gleichuna (1)

worm:

W = Basisbreite,

D = Diffusionskoeffizient für Minoritätsträger in der Basis,
a = Konstante (^2,4).

Die entsprechende Gleichung für die Kanallauf/.cit eines p-leitenden Isolierschicht-Feldeffekttransistors ist:

L\

Gleichuna (2)

worin:

L =

\lp =

Va

Kanallänge,

effektive Beweglichkeit der Löcher im Kanai die einen konstanten Wert hat (bei Transistoren vom η-Typ ist μ_η die effektive Beweglichkeit der Elektronen im Kanal),
angelegte Gitterspannung,
Schwellenspannung, und zwar diejenige Steu erelektroden-Quellenspannung, unterhalb der kein Abflußstrom fließt.

Das sich aus den Gleichungen (1) und (2) ergebende Verhältnis von y_c zu γι ist:

11D

L-

Gleichur.g (3)

V'o—Vt ist eine Konstante und kann annähernd gleich η gesetzt werden. Die Zonen des bipolaren Lateraltransistor werden in ähnlicher Weise hergestellt wie die Quellen- und die Abfluß-Zone eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors, so daß die Ab-

5 6

messiingen und Toleranzen für W und L annähernd klemme 3 stellt den normalen Eingang dar, da die ihr

gleich angenommen werden können. Das Verhältnis zugeführten Signale bewirken, daß an der Ausgangs-

von γ,- zu γ,, läßt sich daher durch die folgende Glei- klemme 6 ein gleichphasiges Signal erzeugt wird. Die

chiing ausdrücken: Transistoren 10 und 12 sind beide mit ihren Emittern

5 an den Kollektor eines npn-Bipolartransistors 14 an-

Y°. ₌ ^JL geschlossen. Letzterer sorgt als Stromquelle dafür,

y„ D Gleichung (4) daß der gemeinsame Emitteranschluß der Differenz-

verstärkereingangsstufe mit einem relativ konstanten

(Um den Vergleich zu verdeutlichen, wird der Strom gespeist wird. Der Kollektor des Transistors 10

p-leitende Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit dem ^{10 ist an} eine Betriebsspannungsklemme 7 angeschlossen,

pnp-Bipolariransistor verglichen.) Der Diffusions- während der Kollektor des Transistors 12 mit dem

koefl./Jcnt D₁, eines pnp-Bipolartransislors läßt sich Schaltungspunkt 22, dem Ausgang der Differenzstufe,

durch die folgende Gleichung ausdrücken: verbunden ist.

Eine positive Spannung der Amplitude V_n. (typi-15 scherweise 10 Volt) kann der Klemme 7 zugeleitet

ü, — μ werden, und eine negative Spannung der Amplitude

q Gleichung (5) V„ (ebenfalls typischerweise 10 Volt) kann der

Klemme 4 zugeleitet werden. Vorzugsweise, jedoch

Setzt man Gleichung (5) in Gleichung (4) ein, so nicht notwendigerweise, sind K« und V„ von gleicher

ergibt sich: 20 Größenordnung, damit sich symmetrische Gleichstromverhältnisse ergeben (d. h. die Nullspannung in

'''' .= ^ st 40 der Mi^lte zwischen V_cc und V_te liegt).

j'i, λΤ Gleichung (6) Die Lastimpedanz der Differenzverstärkereingangs-

stufe enthält einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor

Unter diesen vereinfachten Voraussetzungen sieht a₅ 16. Er ist mit seiner Abflußelektrode an den Schal-

man, daß ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor, des- lungspunkt 22 und mit seiner Quellenelektrode über

sen Kanallänge gleich der Basisbreile eines Bipolar- den Widerstand 18 an die Klemme 7 angeschlossen,

transistors ist, einen annähernd 40mal größeren Fre- Der als Konstantstromquelle arbeitende Transistor 16

quenzbereich hat als der äquivalente Bipolartransistor. ist durch einen Transistor 34 in Durchlaßrichtung

Aus den Gleichungen (1) und (2) wird der unter- 30 vorgespannt, so daß er der. Transistor 12 und das an

sehiedliche Arbeitsmechanismus von Bipolar- und den Schaltungspunkt 22 angeschaltete Pegelschieber-

Isolierschicht-Feldeffektiransistoren ersichtlich. Beim netzwerk mit einem festen Strombetrag speist. Ein

Bipolartransistor erfoigi eine Diffusion vüii Minori- wichtiges Merkmal dieser Konstantstrornqücllc ist

tälsträgern durch die Basis hindurch. Beim Feld- ihre extrem hohe Ausgangsimpedanz, die über einen

effekttransistor wandern Majoritätsträger unter dem 35 breiten Frequenzbereich von Null bis oberhalb

Einfluß eines elektrischen Feldes durch den Kanal 10 MHz relativ konstant bleibt. Im Gegensatz hierzu

hindurch. Es wird also beim Feldeffekttransistor den müßte bei Verwendung eines ohmschen Widerstandes

wandernden Ladungen ein wesentlich größeres Bewe- (wie im Falle der bekannten Schaltung nach der

giingsmoment erteilt, .so daß die Laufzeiten ent- USA.-Patentschrift 3 851 001) dieser, um die gleiche

sprechend kurzer sind. 40 dynamische Impedanz aufzuweisen, wie der Isolier-

Die Resultate der Gleichung (5) beruhen auf der schicht-Feldeffekttransistor, außerordentlich hoch-Vorausset/ung, daß die Basisbreite des Bipolartransi- ohmig sein, so daß er eine übermäßig große Parallelstors gleich der Kanallänge ist. Diese Voraussetzung kapazität bilden und, bei Ausführung in monolithischer gilt für den Vergleich des Lateraltransistortyps mit dem Form, so viel Platz beanspruchen würde, daß diese Isolierschicht-Feldeffekttransistor. Dagegen ist die 45 Lösung unpraktikabel wäre. Ferner wäre, um den Basisbreite (W) von typischen Bipolartransistoren mit gleichen Vorspannstrom bereitzustellen, wie er mit vertikalem Aufbau durch die Differenz zweier gut dem Isolierschicht-Feldeffekttransistor e.l.alten wird, kontrollierbarer Vertikalabmessungen im Silizium- eine äußerst hohe Betriebsspannung erforderlich, was körper bestimmt, während die Kanallänge (Z,) eine für integrierte Schaltungen unpraktikabel ist. Bei Ver-Oberflächenabmessung ist, die durch das Auflösungs- 50 wendung eines Lateraltransistors wäre der Frequenzvermögen der derzeitigen lithographischen Verfahrens- bereich verhältnismäßig eng und müßte der Trasistor, lechniken beschränkt ist. damit er die erforderlichen Stromstärken verarbeiten

So ist die Basisbreite von gegenwärtig verfügbaren '. mn, so groß ausgebildet werden, daß er im oberen

Bipolartransistoren mit vertikalem Aufbau wesentlich j eil des interessierenden Frequenzbereiches praktisch

kleiner als die Kanallänge von derzeit verfügbaren 55 einen Kurzschluß bilden würde. Ferner ist selbst im

Isolierschicht-Feldeffekttransistoren. Wenn man je- nutzbaren Arbeitsfrequenzbereich der Ausgangswider-

doch die Kanallänge (L) durch geeignete Diffusions- stand des Lateral-pnp-Transistors erheblich niedriger

verfahren kontrollieren kann, erhält man äußerst als der eines entsprechenden Isolierschicht-Feldeffekt-

schiiell arbeitende Transistoren. transistors.

Die oben erörterten Prinzipien sind bei der Ausfüh- 60 Zwischen den Ausgangspunkt 22 und den Schal-

rung der erfindungsgemäßen Schaltung berücksichtigt. tungspunkt24 ist die Quellen-Abfluß-Strecke eines

Der Verstärker nach F i g. 1 enthält eine Diffe- Isolierschicht-Feldeffekttransistors 20 geschaltet. Ferrenzverstärkereingangsstufe mit npn-Bipolartransisto- tier sind an den Schaltungspunkt 24 die Basis eine« ren 10 und 12, die mit ihren Basen an Signal-Eingangs- Transistors 30 und der Kollektor eines Konstantklemmen. 3 bzw. 2 angeschlossen sind. Die Eingangs- 65 Stromquellentransistors 26 angeschaltet. Der Ruheklemme 2 stellt den Umkehreingang dar, da die ihr strom des Transistors 20 fließt im wesentlichen vollzugeführten Signale bewirken, daß an der Klemme 6 ständig in den »Senkeno-Transistor 26, der als eine ein gegenphasiges Signal erzeugt wird. Die Eingangs- an den Schaltungspunkt 24 angeschaltete hohe Ersatz-

impedanz (1 bis 2 Megohm) erscheint. Die Steuerelektrode des Transistors 20 ist mit dei Steuerelektrode und der Abflußelektrode eines Transistors 36 zusammengeschaltet. Die Gleichspannung an den Steuerelektroilt'n der Transistoren 20 und 36 wird (wie nachstehend gezeigt) auf einem verhältnismäßig festen Wert gehalten, der gleich dem Wert der Spannung an der Klemme 7 (K_r[·) abzüglich des Spannungsabfalls am Widerstand 32 und der Summe der Schwellenspannungsabfälle der Transistoren 34 und 36 ist.

Der Transistor 20 verschiebt den Pegel der Spannung am Ausgangspunkt 22 der Differenzstufe auf einen anderen Wert gegenüber dem Schallungspunkl 24. so daß, wenn die Differenzverstärkcr-Eingangssignale 0 Volt betragen, die Spannung am Verstärkerausgang 6 ebenfalls 0 Volt ist. Dieses wichtige Erfordernis eines Operationsverstärkers macht es gcwünschtenfalls möglich, zwischen die Eingangsklemmen (2, 3) und die Ausgangsklemme 6 des Verstärkers ein Rückkopplungsnetzwerk zu schalten. Da ferner der Transistor 20 mit seiner Steuerelektrode an einer festen Gleichspannung liegt, d. h. in Steuerclektrodengrundschaltung ausgelegt ist, überträgt er den Signalstrom vom Ausgangspunkt 22 auf den Schaltungspunkt 24. Ein wichtiges Merkmal dieser Schaltungsausführung besteht darin, daß der effektive Eingangswiderstand, an der Quellenelektrode des Transistors 20 gesehen, verhältnismäßig niedrig (1 bis 10 Kiloohm) ist, während sein Ausgangswiderstand am Schaltungspunkt 24, d. h. an der Abflußelektrode des Transistors 20 gesehen, sehr hoch (größer als 5 Megohm) ist.

Die Ernittcrfolⁱ⁷cr-Aussün^osstufe enthält den nⁿn-Bipolartransistor 30, der mit seiner Basis an den Schaltungspunkt 24, mit seinem Emitter an die Ausgangsklemmc 6 und mit seinem Kollektor an die Klemme 7 angeschlossen ist. An der Ausgangsklcmmeö erzeugt der Verstärker entsprechend den den Eingangsklemmen 2 und 3 zugeführten Signalen ein eintaktiges Ausgangssignal, das an einer Lastimpedanz Zi. erscheint. Der übrige Teil der Ausgangsstufe enthält einen npn-Bipolartransistor 44, der mit seinem Kollektor an die Klemme 6 und mit seinem Emitter über einen Widerstand 48 an die Klemme 4 angeschlossen ist. Der Transistor 44 ist normalerweise in Durchlaßrichtung vorgespannt und wirkt als Stromsenke, deren Stromwert, bei symmetrischen Eingangsverhältnissen, gleich dem zur Klemme 6 fließenden Emitterstrom des Transistors 30 ist. Wenn der Emitterslrom des Transistors 30 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 44 ist, fließt in der Lastimpedanz Z/, kein Strom, und die Spannung an der Ausgangsklemme 6 ist praktisch gleich OVoIt.

Das die Steuerelektrodenspannung der Transistoren 16 und 20 und die Ruheströme des Verstärkers bestimmende Vorspannungsnetzwerk ist zwischen die Klemmen 7 und 4 geschaltet und besteht aus dem Widerstand 32, den Isolierschicht-Feldeffekttransistoren 34 und 36, den Widerständen 38 und 42 und dem npn-Bipolartransistor 46. Letzterer ist als Diode geschaltet, d. h. sein Kollektor ist mit seiner Basis verbunden. Der Widerstand 32 ist mit seinem einen Ende an die Klemme 7 und mit seinem anderen Ende an den Verbindungspunkt zwischen der Klemme 5 und der Quellenelektrode des Transistors 34 angeschlossen. Abflußelektrode und Steuerelektrode des Transistors 34 sind gemeinsam mit der Steuerelektrode des Transistors 16 und der Quellenelektrode des Transistors 36 verbunden. Abflußelektrode und Steuerelektrode des Transistors 36 sind gemeinsam mit der Steucrclcktrod' des Transistors 20 und dem einen Ende des Wider Standes 38 verbunden. I>>s a idere Ende des Wider Standes 38 ist mit dem Sduiltungspunkt 40 verbunden an den das eine Ende cli-s Willerstandes 42 und dii Basis des Transistors 44 angeschlossen sind. Dn andere Ende des Widerstandes 42 ist an den Schal tungspunkt 28 angeschlossen, Ji den außeidcm dii Basis und der Kollektor des Transistors 46 sowie dii

ίο Basen der Transistoren 14 und 26 angeschlossen sind Die Emitter der Transistoren 14. 26 und 46 sind gc mcinsam an die Klemme 4 angeschlossen.

Die Widerstände 18 und 32 sowie die Klemmen und 5. zwischen die ein Potentiometer 5(1 geschalte sein kann, dienen zur Feineinstellung der Ströme in dei verschiedenen Schaltungszwcigcn des Verstärkers. L!η die nachstehende Erläuterung zu vereinfachen, sei je doch angenommen, daß die Klemmen I und 5 mit de Klemme 7 verbunden, also die Widerstände 18 und 3!

kurzgeschlossen sind,

Die Transistoren 34 und 36 sind so geschaltet. dal sie als »MOSc-Diodcn arbeiten. Ihre Steucrelektrodi ist jeweils mit der Abflußelektrode verbunden, so dal die Spannung Vas zwischen Quellenelektrode um

»5 Steuerelektrode jeweils gleich der Quellen-Abfluß Spannung Von ist, die ihrerseits gleich der Schwellen spannung Vt 11 ist. Obwohl Vr 11 sich in Ahhängigkci vom Quellen-Abfluß-Strom //>«,· ändert, kann es al konstant angenommen werden, wenn man in erste Näherung den Wert des Stiomcs Ins (der Einfachhci halber als /« bezeichnet) im Vorspannungsnetzwerk er rechnet.

In =

■r-i-Vrr) 2.V C₇//
Rl(IT M.

Gleichung (7)

worin:

a) Vrc und V_rf die Werte der Betriebsspannung a den Klemmen 7 bzw. 4 sind,

b) IxV'tii die Schwellenspaniumgen der Ί ransistorei 34 und 36, die voraussel/ungsmäßig gleich seil sollen, enthält,

c) Vhf. der Basis-Emitter-Spannungsabfall des Tran sistors 36 ist und

d) Rtotai. der Gesamlwideistand im Rcihenschal tungszweig ist, und zwar (bei kurzgeschlossenen Widerstand 32) ungefähr gleich der Summe de ohmschcn Werte der Widerstände 38 und 42.

Da die Steuerelektrode des Transistors 16 mit de Steuerelektrode und der Abflußelektrode des Transi stors 34 und die Quellenelektrode des Transistors K mit der Quellenelektrode des Transistors 34 zusammen geschaltet sind, ist die Steuerelektroden-Quellen spannung V_Gs des Transistors 16 gleich der Steuer elektroden-Quellenspannung Van des Transistors 34 Der Wert von V_TU für einen gegebenen Abfluß Quellen-Strom hängt von der Flächengröße des Tran sistors ab. Bemißt man die Fläche des Transistors K so, daß sie in einem gegebenen Verhältnis zur Flächi des Transistors 34 steht, so kann man den Strom de Transistors 16 kontrollieren und durch den Strom de Transistors 34 bestimmen. Isolierschicht-Feldeffekt transistoren, die Spannungsverstärkende Bauelement sind, können mithin dazu verwendet werden. Strömi

in verschiedenen der anderen Schaitungszweige zu erzeugen. In der Schaltiingsausführung nach Fig. I sind die !lachen der Transisloien Ii5 und 34 gleich, so daß dei Strom im Transistor 16 gleich dem Stiom//; im Transistor 34 ist.

[5er übrige Teil der Vorspannung;.c|uelle besteht aus den Widerständen 38 und 42 und dem als Diode geschalteten Transistor 46. Dci Strom/« bildet den Kollektorstrom iür den Transistor 46 sowie den Basisstrom für die Transistoren 14, 26, 46 und 44. Der fjiiitterstrom der Transiston.-n 14, 26 und 46 ist der I lache des jeueiligen Basis-Ernitlcr-Übergangs direkt proportional. Indem man die Flächen der Übergänge dieser Transistoren entsprechend bemißt, kann man erreichen, daß die Emitterströme der Transistoren 14 und 26 in einem gegebenen bekannten Verhältnis /um Kollcktorslrom des Transistors 46 stehen, l-'erner kann man diese Transistoren s.o ausbilden, daß sie eine \erhältnismäßig hohe St ιό ι η verstärkung (β) haben, so daß ihre Kollektorströme einen im voraus bekannten festen Wert haben, der auf den Wert //; bc/ogen ist.

Man kann ferner zeigen, daß der I:mitterruhcstroni //; des Transistors 44 im wesentlichen gleich dem Strom //,· im Reihcnsehaltungszwcig ist. Der Spannungsabfall am Widersland 42 (In · R₁₂) plus dem Basis-Emittcr-Spannungsabfall (Vim) des Transistors 46 ist gleich dem Basis-Emiiter-Spanrungsabfall (I⁷«/·;) des Transistors 44 plus dem Spannungsabfall am Widerstand 48 (//; ·/?.,_H). Mathematisch ausgedrückt: Ii<R\·+ VHK = h:R_IH ',- Vm:. Da das Vhe des Transistors 46 im wesentlichen gleich dem Vhf. des Transistors 44 ist, folg!, daß das Produkt /;; · /?_4ä gleich dem Produkt //■; ■ /?.,„ ist. Da bei der Schaltung nach Fig. 1 der Widerstand 48 im wesentlichen gleich dem Widerstand 42 ist, ergibt sich, daß die beiden Ströme im wesentlichen gleich sind (//i^/s).

Ks sei jetzt angenommen, daß die Fläche der Transistoren 14 und 46 im "wesentlichen gleich und die I-lache des Transistors 26 halb so groß ist, so duß der Kollektorstrom des Transistors 26 im wesentlichen gleich lit!2 ist, während der Kollektorstrom des Transistors 14 im wcsenilichen gleich /« ist. Außerdem kann beim gegenwärtigen Stand der Halbleitertechnologie das Differenzverstärker-Transistorpaar 10 und 12 ohne weiteres so hergestellt werden, daß die beiden Transistoren in ihren Eigenschaften gleich sind, so daß bei symmetrischen Betriebsverhältnissen (d. h. bei gleichem Signal am Umkehr- und am Direkteingang) im wesentlichen der gleiche Strom /«/2 in jedem Transistor fließt.

Der Schaltungspunkt 22 wirkt als Stromadditionspunkt. Der Transistor 16 schickt einen Strom Iu in diesen Schaltungspunkt, während der Transistor 12 einen Strom In/2 aus dem Schaltungspunkt entnimmt, und der restliche Strom /_/(/2 fließt durch die Quellen-Abfluß-Strecke des Transistors 20 in den Stromsenkentransistor 26.

Die Steuerelektrode des Transistors 20 ist mit der Steuerelektrode und der Abflußelektrode des Transistors 36 verbunden. Die Spannung am gemeinsamen Punkt von Steuerelektrode und Abflußelektrode des Transistors 36 (bei kurzgeschlossenem Widerstand 32) liegt um zwei Schwellenspannungsbeträge unter der Spannung an der Klemme 7. Dies stellt sicher, daß die Steuerelektroden-Quellenspannung des Transistors 20 mindestens gleich dem Vth dieses Transistors ist, so daß der Transistor 20 in den leitenden Zustand gespannt wird. So werden durch die Vr>rspannungsquelle mit zwei Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, einem als Diode geschalteten Transistor und den dazugehörigen Impedanzen die Ruheströme für den gesamten Verstärker bereitgestellt. Außerdem wird die Symmetrie zwischen den Stromquellen und den Stromsenkcn im Ruhezusland, d. h. bei fehlender Eingangsspannung der Differenzverstärkerstufe, sichergestellt. Ferner liefert die Vorspannungsquelle zwei Gleichspannungswerte zum Vorspannen der aktiven Lastimpedanz 16 und der Pegelverschiebungsstufe 20 in den leitenden Zustand.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Verstärkers sei vorausgesetzt, daß zwischen den Eingangsklemmen 3 und 2 ein Gegentaktsignal. I Vn liegt und die Spannung an der Klemme 3 positiv in bezug auf die Spannung an der Klemme 2 ist. In diesem Fall erhöht sich der Strom in der Kollektor-Emitter-Strecke des als Emitterfolger arbeitenden Transistors 10, während der Strom im Transistor 12 um den gleichen Betrag abnimmt. Die Stromänderung A Vc im Transistor 12 ist gleich der effektiven Steilheit gm_t der Differenz-

• verstärkereingangsstufe, multipliziert mit dem Eingangssignal /1 Vu, d.h. Ale — gm_x· AVii. Da der Transistor 16 einen relativ konstanten Strom liefert, ergibt sich eine resultierende Erhöhung von AIc des in den Transistor 20 fließenden Stromes.

Die Transistoren 16 und 12 können daher ersatzweise als ein Stromgenerator aufgefaßt werden, der ein Signal mit der Amplitude AIc liefert, das am Schaltungspunkt 22 der Quellenelektrode des Transistors 20 zugeführt wird. Der Stromgenerator speist drei effektiv ⁿarsi!el mit ihm °eschü!tcte Impedanzen: die Ausgangsimpedanz des Transistors 12, die Ausgangsimpcdanz des Transistors 16 und die Eingangsimpedanz des in Steuerelektrodengrundschaltung arbeitenden Transistors 20. Da die Eingangsimpedanz dieses letztgenannten Transistors extrem niedrig gegenüber der hohen Ausgangsimpedanz der Transistören 12 und 16 ist, fließt praktisch der gesamte Signalstrom AIc in diesen Transistor, und es wird nur wenig oder gar kein Signalstrom durch die Transistoren 12 und 16 abgeleitet. Da die Eingangsimpedanz (Eingangswiderstand) des Transis.ors 20 vcrhältnismäßig niedrig ist, werden am Schaltungspunkt 22 keine großen Signalschwingungen erzeugt. Ferner wird eine etwaige Kapazität, gleichgültig wie groß, durch die niedrige Impedanz des Transistors nebengeschlossen. Diese Faktoren minimalisieren den Einfluß der ohnehin niedrigen Kapazität am Schaltungspunkt 22, so daß dieser Schaltungspunkt als möglicher Niederfrequenzpol ausfällt.

Der am Schaltungspunkt 22 der Quelle des Transistors 20 zugeleitete Strom fließt durch die Quellen-Abfluß-Strecke dieses Transistors zum Schaltungspunkt 24. Wegen der Isolation zwischen Steuerelektrode und Quelle geht kein Vorspanngleichstrom verloren, und wegen der ex'rem niedrigen Elektrodenkapazität des Transistors hält der Signalstromfluß von der Quellenelektrode zur Abflußelektrode über einen weiten Frequenzbereich an. Bei einem typischen Isolierschicht-Feldeffekttransistor liegt der Signalstrom bei 20 MHz um 3 dB unter (d. h. 0,707) dem Signalstromwert für Niederfrequenz (Gleichstrom).

Im Gegensatz dazu liegt der Stromfluß in einem typischen bipolaren Lateraltransistor bei Signalfrequenzen im Bereich von 1 MHz um 3 dB unter dem Niederfrequenzwert (Gleichstromwert). Der 'solier-

11 12

schichl-Feldeffekttransistor überträgt daher den seiner der Praxis erprobte Ausführungsformen des erfin-Quelle zugeleiteten Signalstrom über einen breiten dungsgemäßen Verstärkers haben eine Verstärkung bei Fre juenzbereich (1 bis 20 MHz), während der Lateral- offener Schleife von 3C00 und eine Anstiegsgeschwintransistor einen zunehmend größeren Ante;! des Signal- digkeit bei \'ersiärkungsfaktor 1 von 80 Volt pro stromes in seinen Basispreis ableitet, so daß der Signal- S Mikrosekunde. Die vorstehend erläuterte Merkmalsstrom der Lastimpedanz teilweise oder ganz entzogen kombination ergibt also eine Schaltungsanordnung, wird. die außerordentlich gut für schnelles Arbeiten mit

Das von der Abflußelektrcde des Transistors 20 her hoher Ansteigsgeschwindigkeit geeignet ist.
gesehene Ersatzschaltbild ist das eines Stromgenera- F i g. 2 zeigt einen Gegentakt-Differenzx erstärker tors, der den Schaltungspunkt 24 mit einem Signal io gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der speist, dessen Amplitude im wesentlichen immer noch Verstärker ist gleichartig aufgebaut wie der nach gleich Ale ist. Dieser Stromgenerator wird jetzt durch Fig. 1, wobei jedoch zusätzlich ein zweiter aktiver drei ebenfalls effektiv parallelliegende Impedanzen Lasttransistor 17 zwischen den Kollektor des Trannebengeschiossen: Die Ausgangsimpedanz des Tran- sislois 10 und die Klemme 7 geschaltet ist. eine zweite sistors 20, die Ausgangsimpedanz des Transistors 26 15 Pegelverschiebungsstufe mit einem Transistor 21 mit und die Lastimpedanz Z/. multipliziert mit dem β des dessen Quellen-Abfluß-Strecke zwischen den Schal-Transistors 30. Die Ausgangsimpedanz (Ausgangs- tungspunkt 19 und den Kollektor-Basis-Anschluß widerstand) des Transistors 20 ist extrem hoch (unge- des Transistors 27 am Schaltungspunkt 23 geschaltet fähr 5 Megohm) und hat wenig Einfluß auf das am ist und der Transistor 27 als Diode geschallet ist. indem Schaltuiijspunkt 24 erzeugte Signal. Die Ausgangs- ao sein Kollektor und seine Basis an die Basis des Tranimpedaiiz (Ausgangswiderstand) des Transistors 26 sistors 26 und sein Emitter an die Klemme 4 angeliegt in der Größenordnung von 1 Megohm und schlossen sind. Der Transistor 27 wirkt als Konstantdarüber. Die am Schaltungspunkt 24 erscheinende stromquelle, die den Ruhestrom des Transistors 21 Lastimpedanz ist gleich der Lastimpedanz, multipli- aufnimmt. Die Transistoren 26 und 27 sind so geziert mit dem Durchlaßstrom des Transistors 30, und 25 schaltet, daß sie ein Gegentakt-Eingangssignal in ein kann z. B. ebenfalls in der Größenordnung von eintaktisches Ausgangssignal umwandeln. Ihre KoI-1 Megohm liegen. Das am Schaltungspunkt 24 er- lektor-Emitter-Ströme sind gleich. Auf Grund der zeugte Signal ist somit ungefähr gleich dem Produkt Verwendung zweier Ausgänge an den Schaltungs- AIr, multipliziert mit der Parallelkombination der punkten 19 und 22 in Verbindung mit den Ühertra-Ausgangsimpedanz des Transistors 26 und der am 30 gungstransistoren 20 und 21 und den Stromsenken-Schaltungspunkt 24 erscheinenden Lastimpedanz. Die- transistoren 26 und 27 kann der Gegentakt-Verstärker ses Signa! wird dariil über die EiTiiUcrfüigersiüfc 30 uic uoppciic VcfSiäikUiig der Scrmiiuiig nach rig. 1 auf die Ausgangsklemme 6 gekoppelt. haben.

Die Kapazität am Schaltungspunkt 24 enthält die Es sei angenommen, daß an den Klemmen 2 und 3 Kapazität zwischen Abflußelektrode und Steuer- 35 ein Gegentaktsignal liegt und die Spannung an der elektrode (Cdg) und die Abflußelektroden-Substrat- Klemme 2 jetzt positiver als die Spannung an der kapazität (Cbs) des Transistors20 sowie die Kollektor- Klemme 3 ist. Der in den Transistor 12 fließende kapazität des Transistors 26 und die (tatsächliche und Strom erhöht sich um einen gegebenen Beirag Al,-. wirksame) Kapazität der Ausgangsstufe 44. Auf Grund Dadurch erniedrigt sien der Strom in der Quellendieser summierten Kapazitäten ist der Schallungs- 40 Abfluß-Strecke des Transistors 20 um l/r. Entpunkt 24 der vorherrschende Kapazitätspunkt der sprechend erniedrigt sich der vom Transistor 2(1 /um Schaltung. Obwohl dieser Punkt der am meisten Schaltungspunkt 24 fließende Strom um I/,-. Gleichkapazitive Punkt der Schaltung ist, liegt seine Kapazi- zeitig erniedrigt sich der in den Transistor IJ fließende tat nur in der Größenordnung von 2 pF. was sehr . Strom um Air. d. h. um den gleichen Betrag, um den niedrig ist. 45 sich der Strom zum Transistor 12 erhöht hat. Dies hat

Da der Schaltungspunkt 24 der Hauptkapazitäts- zur Folge, daß der in der Quellen-Abfluß-Strecke des punkt der Schaltung ist und keine anderen hohen Transistors 21 und in die Kollektor-Emitter-Sirecke Kapazitäten aufzuladen oder zu entladen sind, kann des Transistors 27 fließende Strom sich um I/, erder Verstärker mit extrem hohen Geschwindigkeiten höht. Die Stromerhöhung im Transistor 27 (um l/< I arbeiten. Ferner hat die Emitterfolgerausgangsstufe 30, 50 ruft eine gleiche Erhöhung des Kollektor-Eniiuerdie für die Aussteuerung der Lastimpedanz Z/, ge- Stromes des Transistors 26 hervor. In den Transistor braucht wird, mit den Kapazitäten gekoppelt sein 26 fließt jetzt ein zusätzlicher Strom . l/r· Die resuluekönnen, eine Strombelastbarkeit gleich der Strom- rende Abnahme des in die Pufferstufe über den Schalverstärkung mal dem Signalstrom. Wenn also mög- tungspunkt 24 fließenden Stromes beträgt jetzt 2. l/r. licherweise eine größere Kapazität vorhanden ist, sieht 55 Der Verstärkungsgrad des Gegentakt-Differenzxerman für den Verstärker eine stärkere Stromerzeugungs- stärkers ist somit doppelt so groß xvie der Verstärquelle vor, was ebenfalls dazu beiträgt, daß der Ver- kungsgrad der eintaktigen Ausführung. Typischerstärker schnell und mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit weise kann der Verstärker nach F i g. 2 mit einer arbeitet. Emitterfolgerausgangsstufe wie der nach F i g. 1

Man sieht also, daß mit Hilfe einer einzigen Strom- 60 eine Verstärkung bei offener Schleife in der Größenverstärkungsstufe (der DifferenzverEtärkereingangs- Ordnung von 6000 haben.

stufe) in Verbindung mit einer einzigen Spannungs- Als Pufferstufe kann jedoch eine beliebige Schalverstärkerstufe (der in Steuerelektrodengrundschal- tungsanordnung verwendet werden, die das am Schaltung ausgelegten Stufe 20) ein schneller und hoch- tungspunkt 24 erzeugte Signal übernehmen und an die verstärkender Verstärker aufgebaut werden kann. In 65 Ausgangsimpedanz Zi. übertragen kann.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit einer Patentansprüche: mindestens einen bipolaren Transistor enthaltenden Eingangsstufe, deren Ausgang mit dem Eingang einer

1. Verstärker mit einer mindestens einen bipola- eine Last speisenden Ausgangsstufe gekoppelt ist.
ren Transistor enthaltenden Eingangsstufe, deren 5 Die Anstiegsgeschwindigkeit (5) eines Ver tärkers Ausgang mit dem Eingang einer eine Last speisen- bestimmt die maximale Änderungsgeschwindigkeit der den Ausgangsstufe gekoppelt ist, dadurch Ausgangsspannung des Verstärkers bei einer sprunggekennzeichnet, dall der Kollektor des artigen Änderung des Eingangssignals und ist ;omit ein bipolaren Transistors (12) an die Quellenelektrode Maß für das Großsignalverhalten des Verstärkers. Die eines in Steuerelektrodengrundschaltung betriebe- io Ansliegsgeschwindigkeit hängt mit der Bandbreite für nen ersten Feldeffekttransistors (20) angeschlossen Kleinsignale '"iammen, während jedoch letztere ein ist, dessen Senkenelektrode auf den Eingang (24) Maß für den Kleinsignal-Frequenzgang des Verstärder Ausgangsstufe (Transistor 30) geführt ist und kers ist, ist erstere weit mehr durch die Kapazität an der eine Gleichspannungspegelverschiebung zwi- irgendeinem Schaltungspunkt und oder die Sättigung sehen dem Ausgang (22) der Eingangsstufe (Tran- 15 »Spannung oder Strom) irgendeiner Stufe begrenzt, sistor 12) und dem Eingang (24) der Ausgangs- Während also ein Verstärker eine Bandbreite in der stufe (Transistor 30) einführt, und daß an den Größenordnung von 1 bis 2 MHz haben kann, kann Ausgang (22) der Eingangsstufe (Transistor 12) seine Anstiegsgeschwindigkeit in der Größenordnung die Hauptstromstrecke (zwischen Quellen- und von 1 bis 2 Volt pro Mikrosekunde liegen.
Senkenelektrode) eines als Konstantstromquelle 20 Eine Schwierigkeit ergibt sich daher, wenn Vergeschalteten zweiten Feldeffekttransistors (16) an- stärker, insbesondere monolithisch aufgebaute, mit geschlossen ist, der mehr Strom liefert als der bi- Anstiegsgeschwindigkeiten von mehr als 50 Volt pro polare Transistor (12) führen kann, wobei der über- Mikro'-'kunde erwünscht sind. Finige der resuliierenschüssige Strom von der Hauptstromstrecke des den Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden, ersten Feldeffekttransistors (20) zur Ausgangs- 25 seien nachstehend erörtert.

stufe (Transistor 30) geführt wird. Damit die nötige Verstärkung erzielt wird, haben

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn- manche der derzeit gebräuchlichen Verstärket zwei zeichnet, daß der erste Feldeffekttransistor (20) oder mehr Verstärkungsstufeii, woraus zwei oder mehr vom entgegengesetzten Leitungstyp (p) wie der bi- Pole im Niederfrequenzgebict resultieren. Diese Verpolare Transistor (12, npn) der Eingangsstufe ist. 30 stärker werden normalerweise in geschlossener Schlei-

3. Verstärkt¹ nach Anspruch 1, dadurch gekenn- fenschaltung und häufig mit Verstärkungsfaktor 1 bezeichnet, daß an den Eingang (24) der Ausgangs- trieben, w?j im Hinblick auf Stabilität die ungünstigste stufe (Transistor30) eine Konstantstromsenke Betriebsbedingung ist. Um die Stabilität bei einem in (Transistor 26) angeschlossen J='., welche den vom Schleifenschaltung mit Verstärkungsfaktor I arheitenzweiten Feldeffekttransistor (Iu) gelieferten über- 35 den Mehrpol-Operationsverstärker sicherzustellen, schüssigen Strom aufnimmt. muß man gewöhnlich irgendwelche Maßnahmen zur

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch Frequenzkompensation tieffen. Für die Kompensagekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe einen zwei- tionsnetzwerke braucht man normalerweise zusätzliche ten bipolaren Transistor (30) enthält, der vom Kondensatoren, durch welche die Eigenbandbteite und gleichen Leitungstyp wie df 1 erste bipolare Transi- 40 die Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers beschränkt stör (12) ist und als Emitterfolger geschaltet ist, werden.

wobei seine Basis an die Hauptstromstrecke de: Ein weiteres schwerwiegendes Problem ei gibt sich

ersten Feldeffekttransistors (20) angeschlossen ist. bei herkömmlichen monolithischen Diffeieii/veistär-

5. Verstärker nach Anspruch 1. 2, 3 oder'' da- kern hoher Arbeitsgeschwindigkeit auf Grund des duii Ii gekennzeichnet, daß der erste Feldeffekt- 43 Pegelschicbernetzwcrkes, das die Dirfcrcii/vcrstürkertrui'-.istor (20) mit Steuerelektrode und Quellen- eingangsstufe mit dem übrigen Teil des Verstärkers elektrode an eine Vorspannungsquelle (32, 34, koppelt. Das Pegelschiebernet/werk arbeitet iiormalcr-36, 38. 40, 42, 46) angeschlossen ist, welche ihn bei weise mit entweder einem bipolaren Latcraltiansistor fester Steuerelektrodengleichspannung in den lei- (gewöhnlich pnp). wie /. B. in der USA.-Patentschiift tenden Zustand vorspannt. 50 3 451 001 beschrieben, oder c'ncm Λ-Teilernetz-

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekenn- werk.

zeichnet, daß die Vorspannungsquelle die Reihen- Der bipolare Lateraltransistor ist in seinem Ircschaltung der Hauptstromstrecke eines dritten und quenzgang beschränkt. Fr hat einen niedrigen Vervierten Feldeffekttransistors (34, 36) enthält, deren Stärkungsgrad, und damit er die erfordc' hen Strom-Steuerelektroden jeweils mit ihren Senkenelektro- 55 stärken verarbeiten kann, muß er in seinen Abmessunden verbunden sind, daß jeweils die Steuerelektro- gen groß dimensioniert sein. Dadurch vergrößert sich den bzw. Quellenelektroden des zweiten und dritten die Sperrschichtkapazitä! und wird eine Phasen-Feldeffekttransistors (16, 34) miteinander verbun- verschiebung sowie ein Niederfrequenzpol in den Veiden sind und die Steuerelektroden des ersten und stärker eingeführt. Wie groß das Problem ist, ersieht vierten Feldeffekttransistors (20, 36) miteinander 60 man am besten aus der Tatsache, daß die Durchlaßverbunden sind. Stromverstärkung (/?) solcher Transistoren normaler-

7. Verstärker nach Anspruch (>, dadurch gekenn- weise 1 bei ungefähr 5MH/ beträgt. Der Transistor zeichnet, daß die Feldeffekttransistoren mit isolier- kann daher im oberen inteiessicrcndcn Frequenzbereich ter Steuerelektrode, p-leitendem Kanal und als praktisch durch einen Draht (Kurzschluß) ersetzt wer-Anreicherungstransistoren ausgebildet sind und 65 den.

daß die bipolaren Transistoren npn-Transistoren Bei Verwendung eines Widcrstandsspannurgsteilcrs

mit vertikalem Aufbau sind. sollte eine Ernilterfolccrsiufe vorgesehen snin. damit

die Differenzverslärkereingangsstufe nicht belastet