DE2129108C3 - - Google Patents

Description

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Basis dieses Additionstransistors ist ferner der KoI- Stromverstärkung (/>') solcher Transistoren nornialer-

lektor und mit seinem Emitter die Basis eines Vor- weise 1 bei ungefähr 5 MHz beträgt. Der Transistor

Spannungstransistors verbunden, dessen Emitter-Ba- kann daher im oberen interessierenden Frequenzbereich

sis-Strecke wiederum mittels einer Diode überbrückt praktisch durch einen Draht (Kurzschluß) ersetzt wer-

ist. Eine mit komplementären Transistoren aufge- :> den.

baute entsprechende Schaltung ist zur Lieferung des Bei Verwendung eines Widerstandsspannungsteilers Speisestroms für diese Addierschaltung mit ihr zu- sollte eine Emitterfolgerstufe vorgesehen sein, damit sammengeschaltet, wobei die Kollektoren der beiden die Differenz\erstärkereingangsstufe nicht belastet Vorspannungstransistoren über einem Widerstand wird und damit Kapazität sowie eine Phasenversehiemiteinander verbunden sind und die Kollektoren des i° bung in den Signalweg eingeschaltet wird.
Addiertransistors mit seinem Pendant an der Signal- Ein weiteres, bei den meisten bekannten Schaltungsausgangsklemme zusammengeschaltet sind, ausführungen auftretendes Problem ergibt sich in Ver-

Die Anstiegsgeschwindigkeit (S) eines Verstärkers bindung mit der Last der Differenzverstäikereingangsbestimmt die maximale Änderungsgeschwindigkeit der stufe. Besteht sie aus bipolaren Lateraltransistorcn. AusgangsspaniHing des Verstärkers bei einer sprung- 15 so gelten die obigen Ausführungen in noch stärkerem artigen Änderung des Eingangssignal und ist somit ein Maße, da durch die effektive Abnahme des Ausgangs-Maß für das Großsignal\erhalten des Verstärkers. Die Widerstandes dieser Tiansistoren mit zunehmender Anstiegsgeschwindigkeit hängt mit der Bandbreite fur frequenz das Signal praktisch kurzgeschlossen wird. Kleinsignale zusammen, während jedoch letztere ein Bei Verwendung von Widerständen (wie in dei oben-Maß für den Kleinsignal-Frequenzgang des Verstär- 20 genannten USA.-Palentschrift) ergeben sich zusätzliche kers ist, ist erstere weit mehr durch die Kapazität an Probleme. Sind die Widerstände verhältnismäßig irgendeinem Schaltungspunkt und oder die Sättigung niederohmig, in der Größenordnung von Kiloohm, so (Spannung oder Strom) irgendeiner Stufe begrenzt. erhöht sich die Verlustleistung, und ein Teil des Während also ein Verstärker eine Bandbreite in der Smnals wird durch die Widerstände effektiv kurz-GrößenOrdnung von 1 bis 2MHz haben kann, kann 25 geschlossen. Sind sie dagegen verhältnismäßig noenseine Anstiegsgeschwindigkeit in der Größenordnung olinug, so erniedrigt sich der zur ersten Stufe gelanvon 1 bis 2 Volt pro Mikrosekunde liegen. nende Strom, wodurch sich die Steilheit und die Ver-

Eine Schwierigkeit ergibt sich daher, wenn Ver- Stärkung der Eingangssture erniedrigen. Vußerdem

stärker, insbesondere monolithisch aufgebaute, mit beanspruchen die größeren Widerstände einsprechend

Anstiegsgeschvvindigkeiten von mehr als 50 Volt pro 30 der zusätzlichen Länge zwischen den Anschlußenden

Mikrosekunde ei wünscht sind. Einige der resultieren- mehr Platz auf der verhältnismäßig kleinen Fläche de>

den Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden, Schaltungsplättchens, und ferner wird durch sie eine

seien nachstehend erörtert. zusätzliche Parallel- oder Nebenschlußkapazität an

Damit die nötige Verstärkung erzielt wird, haben einem empfindlichen Punkt der Schaltung eingebracht. manche der derzeit gebräuchlichen Verstärker zwei 35 Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, cmc oder mehr Verstärkungsstufen, woraus zwei oder mehr Verstärkerschaltung zu schaffen, welche die oben erPole im Niederfrequenzgebiet resultieien. Diese Ver- örterten Schwierigkeiten behebt,
stärker werden normalerweise in geschlossener Schlei- Diese Aufgabe wird bei einem Verstärker der einfenschaltung und häufig mit Verstärkungsfaktor 1 be- gangs erwähnten Art durch die im Kennzeichenteil trieben, was im Hinblick auf Stabilität die ungünstigste 40 des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.
Betriebsbedingung ist. Um die Stabilität bei einem in Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Schleifenschaltung mit Verstärkungsfaktor I arbeiten- Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt
den Mehrpol-Operationsverstärker sicherzustellen, Fig. 1 das Schultschema eines Eintakt-Dilfereii'-muß man gewöhnlich irgendwelche Maßnahmen zur Verstärkers gemäß einer Ausfiihrungsform dei Erlin-Frequenzkompensation treffen. Für die Kompensa- 45 dung und

tionsnetzwerke braucht man normalerweise zusätzliche F i g. 2 das Schaltschema eines Gegentakt-Dil'fe-

Kondensatoren, durch welche die Eigenbandbreite und renzverstärkers gemäß einer Ausfiihrungsform der

die Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers beschränkt Erfindung.

werden. In den nachstehend beschriebenen -Uisfiihrun»·,-

Ein weiteres schwerwiegendes Problem eigibt sich 50 formen der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung

bei herkömmlichen monolithischen Differenzveistär- werden Flächentransistoren (Bipolartransistoren) de"

kern hoher Arbeitsgeschwindigkeit auf Grund des einen Leitungst>ps und Isolierschicht-Feldeflekuransi-

Pegelschiebernetzwerkes, das die Differenzverstärker- stören eines zweiten, entgegengesetzten Leituimstvps

eingangsstufe mit dem übrigen Teil des Verstärkers verwendet. Und zwar sind die Bipolartransistoren

koppelt. Das Pegelschiebernetzwerk arbeitet normaler- 55 npn-Transistoren (wegen ihrer hohen Arbeitsgeschwm-

weise mit entweder einem bipolaren Lateralüansistor digkeit) und sämtlich mit vertikalem Schichtaufbau.

(gewöhnlich pnp), wie z. B. in der USA.-Patentschrift Die Feldeffekttransistoren sind MOS-Transistoren

3 451001 beschrieben, oder einem Λ-Teilernetz- mit p-Kanal (weil sie funktionell und herslellunes-

^werk· mäßig am besten mit den npn-Transistoren verträglich

Der bipolare Lateraltransistor ist in seinem Fre- 60 _sj_nd). Ein weiterer Grund für die Verwendungen

quenzgang beschränkt. Er hat einen niedrigen Ver- Isolierschicht-Feldeffekttransistoren ist ihre ausge-

stärkungsgrad, und damit er die erforderlichen Strom- zeichnete Frequenzcharakteristik sowie ihre niednee

stärken verarbeiten kann, muß er in seinen Abmessun- Elektrodenkapazität. Man kann stattdessen auch

gen groß dimensioniert sein. Dadurch vergrößert sich pnp-Bipolartransistoren mit veitikalem Vufbau in

die Sperrschichtkapazität, und es wird eine Phasen- ⁶5 Verbindung mit geeigneten Typen von Feldefl'eki-

verschiebung sowie ein Niederfrequenzpol in den Ver- transistoren verwenden. Ein wichtiges Merkmal de

stärker eingeführt. Wie groß das Problem ist, ersieht ?rfindungsgemäßen Schaltung ist die Verwendung von

man am besten aus der Tatsache, daß die Durchlaß- Bipolartransistoren mit vertikalem Aufbau in Verbin-

dung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren bei weitmöglichster Vermeidung bipolarer Lateralt^ransistorcn. Einer der Hauptgründe für die Verwendung von Isolierschicht-! eldeffekilransisloren an Stelle \on bipolaren Lateraltransistoren liegt dai in. daß auf Grund von Lauf/eitiiberlegungen ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit ähnlichen räumlichen Abmessungen wie ein Bipolartransistor von Haus aus einen I requenzbereich hat. der nahezu 40mal so groß ist \\ie der eines entsprechenden Bipolartransistor. Vernachlässigt man die Flektrodenkapazilät. so kann man voraussetzen, daß der Frequenzbereich des Bipolartransistors durch die Basislaufzeit (γι,) und der Frequenzbereich des Isolierschicht-Feldeffekttrans.-stors durch die Quellen-Abflußlaufzeit (;',) begrenzt ist. Die Basislaufzeit eines Bipolartransistors ist durch die folgende Gleichung gegeben:

H-

Gleichung (1)

Basisbreite,

Diffusionskoeffizient für Minor.tatslrager in der Basis,
Konstante (^ 2.4).

Die entsprechende Gleichung für die Kanallaufzeit eines p-leitenuen Isolierschicht-Feldeffekttransistors

Gleichung (2)

V₁- -

Kanallänge,

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

yi>

Gleichung (4)

(bm den Vergleich zu verdeutlichen, wird der p-leitende Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit dem pnp-Bipolartransistor verglichen.) Der DiffusionsKoeffizient D₁, eines pnp-Bipolartransislors läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrucken:

D₁,

<■] Gleichung (5)

^{Set2t man} Gleichung (5) in Gleichung (4) em, so ^{erglbt Slcn:}

γι, KT

40

Gleichung (6)

	Lp(Va-	Vt)
η D	υ-
		Gleichung (3)

Das sich aus den Gleichungen (1) und (2) ergebende Verhältnis von y_e zu γ,, ist:

Vb

Vc- V_T ist eine Konstante und kann annähernd gleich /; gesetzt werden. Die Zonen des bipolaren Lateraltransistors werden in ähnlicher Weise hergestellt wie die Quellen- und die Abfluß-Zone eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors, so daß die Abmessungen und Toleranzen für W und L annähernd gleich angenommen werden können. Das Verhältnis von ye zu Yb läßt sich daher durch die folgende Gleichung ausdrücken:

Unter diesen vereinfachten Voraussetzungen sieht man, ^^d^ ^tm Isolierschicht-Feldeffekttransistor, dessen Kanallänge gleich der Basisbreite eines Bipolartransistors ist, einen annähernd 40mal größeren Frequenzbereich hat als der äquivalente Bipolartransistor, ^us den Gleichungen (1) und (2) wird der unter_schjed,_{iche Arbe}itsmechanismus von Bipolar- und Isolierschicht-Feldeffekttransistoren ersichtlich. Beim Bipolartransistor erfolgt eine Diffusion von Minoritätsträgern durch die Basis hindurch. Beim FeId-

₃„ effekttransistor wandern Majoritätsträger unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes durch den Kanal hindurch. Es wird also beim Feldeffekttransistor den wandernden Ladungen ein wesentlich größeres Bewegungsmoment erteilt, so daß die Laufzeiten entsprechend kürzer sind.

Die Resultate der Gleichung (5) beruhen auf der Voraussetzung, daß die Basisbreite des Bipolartransistors gleich der Kanallänge ist. Diese Voraussetzung gilt für den Vergleich des Lateraltransistortyps mit dem

_4<J Isolierschicht-Feldeffekttransistor. Dagegen ist die Basisbreite (W) von typischen Bipolartransistoren mit vertikalem Aufbau durch die Differenz zweier gut kontrollierbarer Vertikalabmessungen im Siliziumkörper bestimmt, während die Kanallänge (L) eine Oberflächenabmessung ist, die durch das Auflösungsvermögen der derzeitigen lithographischen Verfahrenstechniken beschränkt ist.

So ist die Basisbreite von gegenwärtig verfügbaren Bipolartransistoren mit vertikalem Aufbau wesentlich kleiner als die Kanallänge von derzeit verfügbaren Isolierschicht-Feldeffekttransistoren. Wenn man je^doc _f ^{h die} Kanallange (L) durch geeignete Diffusions, verfahren kontrollieren kann, erhalt man äußerst schnell arbeitende Transistoren.

Die oben erörterten Prinzipien sind bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung berücksichtigt. Der Verstärker nach F i g. 1 enthält eine Differenzverstärkereingangsstufe mit npn-BipoIartransistoren 10 und 12, die mit ihren Basen an Signal-Eingangsklemmen 3 bzw. 2 angeschlossen sind. Die Eingangsklemme 2 stellt den Umkehreingang dar, da die ihr zugeführten Signale bewirken, daß an der Klemme 6 ein gegenphasiges Signal erzeugt wird. Die Eingangsklemme 3 stellt den normalen Eingang dar, da die ihr zugeführten Signale bewirken, daß an der Ausgangsklemme 6 ein gleichphasiges Signal erzeugt wird. Die Transistoren 10 und 12 sind beide mit ihren Emittern ^an den Kollektor eines npn-Bipolartransistors 14 an-

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geschlossen. Letzterer sorgt als Stromquelle dafür, stehend gezeigt) auf einem verhältnismäßig festen Wert daß der gemeinsame Emitteranschluß der Differenz- gehalten, der gleich dem Wert der Spannung an der verstärkereingangsstufe mit einem relativ konstanten Klemme 7 (V_rr) abzüglich des Spannungsabfalls am Strom gespeist wird. Der Kollektor des Transistors 10 Widerstand 32 und der Summe der Schwellenspanist an eine Betriebsspannungsklemme 7 angeschlossen, 5 nungsabfälle der Transistoren 34 und 36 ist.
während der Kollektor des Transistors 12 mit dem Der Transistor 20 verschiebt den Pegel der Span-

Schaltungspunkt 22, dem Ausgang der Differenzstufe, nung am Ausgangspunkt 22 der Differenzstufe auf verbunden ist. einen anderen Wert gegenüber dem Schaltungspunkl

Eine positive Spannung der Amplitude V_ce (typi- 24, so daß, wenn die Differenzverstärker-Eingangsscherweise 10 Volt) kann der Klemme 7 zugeleitet io signale 0 Volt betragen, die Spannung am Verstärkerwerden, und eine negative Spannung der Amplitude ausgang 6 ebenfalls OVoIt ist. Dieses wichtige Erfor- V,e (ebenfalls typischerweise 10 Volt) kann der dernis eines Operationsverstärkers macht es geKlemme 4 zugeleitet werden. Vorzugsweise, jedoch wünschtenfalls möglich, zwischen die Eingangsklemnicht notwendigerweise, sind V„ und V_ee von gleicher men (2, 3) und die Ausgangsklemme 6 des Verstärkers Größenordnung, damit sich symmetrische deich- 15 ein Rückkopplungsnetzwerk zu schalten. Da ferner Stromverhältnisse ergeben (d. h. die Nullspannung in der Transistor 20 mit seiner Steuerelektrode an einer der Mitte zwischen V,■<■ und V_ee liegt). festen Gleichspannung liegt, d. h. in Steuerelektroden-

Die Lastimpedanz der Differenzverstärkereingangs- grundschaltung ausgelegt ist, überträgt er den Signalstufe enthält einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor strom vom Ausgangspunkt 22 auf den Schaltungs-16. Er ist mit seiner Abflußelektrode an den Schal- 20 punkt 24. Ein wichtiges Merkmal dieser Schaltungstungspunkt 22 und mit seiner Quellenelektrode über ausführung besteht darin, daß der effektive Eingangsden Widerstand 18 an die Klemme 7 angeschlossen. widerstand, an der Quellenelektrode des Transistors 20 Der als Konstantstromquelle arbeitende Transistor 16 gesehen, verhältnismäßig niedrig (1 bis 10 Kiloohm) ist durch einen Transistor 34 in Durchlaßrichtung ist, während sein Ausgangswiderstand am Schaltungsvorgespannt, so daß er den Transistor 12 und das an 95 punkt 24, d. h. an der Abflußelektrode des Transistors den Schaltungspunkt 22 angeschaltete Pegelschieber- 20 gesehen, sehr hoch (größer als 5 Megohm) ist.
netzwerk mit einem festen Strombetrag speist. Ein Die Emitterfolger-Ausgangsstufe enthält den npn-

wichtiges Merkmal dieser Konstantstromquelle ist Bipolartransistor 30, der mit seiner Basis an den ihre extrem hohe Ausgangsimpedanz, die über einen Schaltungspunkt 24, mit seinem Emitter an die Ausbreiten Frequenzbereich von Null bis oberhalb 30 gangsklemme 6 und mit seinem Kollektor an die 10 MHz relativ konstant bleibt. Im Gegensatz hierzu Klemme7 angeschlossen ist. Ander Ausgangsklemme6 müßte bei Verwendung eines ohmschen Widerstandes erzeugt der Verstärker entsprechend den den Eingangs-(wie im Falle der bekannten Schaltung nach der klemmen 2 und 3 zugeführten Signalen ein eintaktiges USA.-Patentschrift 3 851 001) dieser, um die gleiche Ausgangssignal, das an einer Lastimpedanz Zi₄ erdynamische Impedanz aufzuweisen, wie der Isolier- 35 scheint. Der übrige Teil der Ausgangsstufe enthält schicht-Feldeffekttransistor, außerordentlich hoch- einen npn-Bipolartransistor 44, der mit seinem KoI-ohmig sein, so daß er eine übermäßig große Parallel- lektor an die Klemme 6 und mit seinem Emitter über kapazität bilden und, bei Ausführung in monolithischer einen Widerstand 48 an die Klemme 4 angeschlossen Form, so viel Platz beanspruchen würde, daß diese ist. Der Transistor 44 ist normalerweise in Durchlaß-Lösung unpraktikabel wäre. Ferner wäre, um den 40 richtung vorgespannt und wirkt als Stromsenke, deren gleichen Vorspannstrom bereitzustellen, wie er mit Stromwert, bei symmetrischen Eingangsverhältnissen, dem Isolierschicht-Feldeffekttransistor erhalten wird, gleich dem zur Klemme 6 fließenden Emitterstrom des eine äußerst hohe Betriebsspannung erforderlich, was Transistors 30 ist. Wenn der Emitterstrom des Tranfür integrierte Schaltungen unpraktikabel ist. Bei Ver- sistors 30 gleich dem Kollektorstrom des Transistors wendung eines Lateraltransistors wäre der Frequenz- 45 44 ist, fließt in der Lastimpedanz Zt kein Strom, und bereich verhältnismäßig eng und müßte der Transistor, die Spannung an der Ausgangsklemme 6 ist praktisch damit er die erforderlichen Stromstärken verarbeiten gleich 0 Volt.

kann, so groß ausgebildet werden, daß er im oberen Das die Steuerelektrodenspannung der Transistoren

Teil des interessierenden Frequenzbereiches praktisch 16 und 20 und die Ruheströme des Verstärkers beeinen Kurzschluß bilden würde. Ferner ist selbst im 50 stimmende Vorspannungsnetzwerk ist zwischen die nutzbaren Arbeitsfrequenzbereich der Ausgangswider- Klemmen 7 und 4 geschaltet und besteht aus dem stand des Lateral-pnp-Transistors erheblich niedriger Widerstand 32, den Isolierschicht-Feldeffekttransisto- als der eines entsprechenden Isolierschicht-Feldeffekt- ren 34 und 36, den Widerständen 38 und 42 und dem transistors. npn-Bipolartransistor 46. Letzterer ist als Diode ge-

Zwischen den Ausgangspunkt 22 und den Schal- 55 schaltet, d. h. sein Kollektor ist mit seiner Basis vertungspunkt24 ist die Quellen-Abfluß-Strecke eines bunden. Der Widerstand 32 ist mit seinem einen Ende Isolierschicht-Feldeffekttransistors 20 geschaltet. Fer- an die Klemme 7 und mit seinem anderen Ende an den ner sind an den Schaltungspunkt 24 die Basis eines Verbindungspunkt zwischen der Klemme 5 und der Transistors 30 und der Kollektor eines Konstant- Quellenelektrode des Transistors 34 angeschlossen. Stromquellentransistors 26 angeschaltet. Der Ruhe- 60 Abflußelektrode und Steuerelektrode des Transistors strom des Transistors 20 fließt im wesentlichen voll- 34 sind gemeinsam mit der Steuerelektrode des Transiständig in den »Senken«-Transistor 26, der als eine stors 16 und der Quellenelektrode des Transistors 36 an den Schaltungspunkt 24 angeschaltete hohe Ersatz- verbunden. Abflußelektrode und Steuerelektrode des impedanz (1 bis 2 Megohm) erscheint. Die Steuer- Transistors 36 sind gemeinsam mit der Steuerelektrode elektrode des Transistors 20 ist mit der Steuerelektrode 65 des Transistors 20 und dem einen Ende des Wider- und der Abflußelektrode eines Transistors 36 zusam- Standes 38 verbunden. Das andere Ende des Widermengeschaltet. Die Gleichspannung an den Steuer- Standes 38 ist mit dem Schaltungspunkt 40 verbunden, elektroden der Transistoren 20 und 36 wird (wie nach- an den das eine Ende des Widerstandes 42 und die

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Basis des Transistors 44 angeschlossen sind. Das Der übrige Teil der Vorspanniingsquclle besteht aus

andere Ende des Widerstandes 42 ist an den Schal- den Widerstünden 38 und 42 und dem als Diode ge-

tungspunkt 28 angeschlossen, an den außeidem die schalteten Transistor 46. Dei Strom/« bildet den

Basis und dei Kollektor des Transistors 46 sowie die Kollcklorstrom für den Transistor 46 sowie den

Basen der Transistoren 14 und 26 angeschlossen sind. 5 Basisstrom für die Transistoren 14, 26, 46 und 44.

Die Emitter der Transistoren 14, 26 und 46 sind ge- Der Emilterstiom der Transistoren 14, 26 und 46 ist

meinsam an die Klemme 4 angeschlossen. der Fläche des jeweiligen Basis-Emitter-Übergangs

Die Wideistände 18 und 32 sowie die Klemmen I direkt proportional. Indem man die Flächen der und 5, zwischen die ein Potentiometer 50 geschaltet Übergänge dieser Transistoren entsprechend bemißt, sein kann, dienen zur Feineinstellung der Ströme in den u> kann man erreichen, daß die Emitterströme der Tranverschiedenen Schaltungszweigen des Verstärkers. LJm sistoren 14 und 26 in einem gegebenen bekannten Verdie nachstehende Erläuterung zu vereinfachen, se; je- hältnis zum Kollektorstrom des Transistors 46 stehen, doch angenommen, daß die Klemmen 1 und 5 mit der Ferner kann man diese Transistoien so ausbilden, daß Klemme 7 verbunden, also die Widerstände 18 und 32 sie eine verhältnismäßig hohe Stromverstärkung (ß) kurzgeschlossen sind. 15 haben, so daß ihre Kollektorströme einen im voraus

Die Transistoren 34 und 36 sind so geschaltet, daß bekannten festen Wert haben, der auf den Wert /_/;

sie als »MOS«-Dioden arbeiten. Ihre Steuerelektrode bezogen ist.

ist jeweils mit der Abflußelektrode verbunden, so daß Man kann ferner zeigen, daß der Emitterruhestrom die Spannung Vas zwischen Quellenelektrode und l_E des Transistors 44 im wesentlichen gleich dem Steuerelektrode jeweils gleich der Quellen-AbIIuIi- 20 Strom /« im Reihenschaltungszweig ist. Der Span-Spannung Vds ist, die ihrerseits gleich der Schwellen- nungsabfall am Widerstand 42 (In-R₁.,) plus dem spannung Vth ist. Obwohl V-rn sich in Abhängigkeit Basis-Emitter-Spannungsabfall (Vhe) des Transistors vom Quellen-Abfluß-Strom//),s- ändert, kann es als 46 ist gleich dem Basis-Emitter-Spannungsabfall (Vhk) konstant angenommen werden, wenn man in erster des Transistors 44 plus dem Spannungsabfall am Näherung den Wert des Stromes Ids (der Einfachheit 25 Widerstand 48 (I _E · R_iH). Mathematisch ausgedrückt: halber als /« bezeichnet) im Vorspannungsnetzwerk er- InR₁₃+ V_liK — //.;Λ₁₈ |- V_liK. Da das V_HK des Tranrechnet, sistors 46 im wesentlichen gleich dem Vn_K des Transistors 44 ist, folgt, daß das Produkt In-R₁., gleich

I ^ V<■!■ — ( VtA 2\Vrn Vhe ^_em p_rodukt I_F. · /?i₈ ist. Da bei der Schaltung nach

R_roT ,ζ 30 F i g. 1 der Widerstand 48 im wesentlichen gleich dem

. Widerstand 42 ist, ergibt sich, daß die beiden Ströme

Gleichung (/) _{jm wesent}]_{icnen g}|_{eicn sind (//{} ^ _Ie)

woiin: Es sei jetzt angenommen, daß die Fläche der Transistoren 14 und 46 im wesentlichen gleich und die

a) ν,-,- und V_ee die Werte der Betiiebsspannung an ₃₅ Fläche des Transistors 26 halb so groß ist, so daß der den Klemmen 7 bzw. 4 sind, Kollektorstrom des Transistors 26 im wesentlichen

b) 2.\ Vth die Schwellcnspannungen der Transistoren gleich /«/2 ist, während der Kollektorstrom des 34 und 36, die voraussetzungsmäßig gleich sein Transistors 14 im wesentlichen gleich //, ist. Außerdem sollen, enthält, ^^ann beün gegenwärtigen Stand der Halbleiter-

. „ , , „ , _ 40 technologie das Differenzverstärker-Transistorpaar 10

c) Vm.: der Bas.s-Em.tter-Spannungsabfall des Tran- _und ,_{2 ohne wejteres SQ hergestellt werden daß die}

sistors 36 ist und beiden Transistoren in ihren Eigenschaften gleich sind,

d) RroT.ii. der Gesamtwideistand im Reihenschal- so daß bei symmetrischen Betriebsverhältnissen (d. h. tungszweig ist, und zwar (bei kurzgeschlossenem bei gleichem Signal am Umkehr- und am Direkt-Widerstand 32) ungefähr gleich der Summe der 45 eingang) im wesentlichen der gleiche Strom /«/2 in ohmschen Werte der Widerstände 38 und 42. jedem Transistor fließt.

Der Schaltungspunkt 22 wirkt als Stromadditions-

Da die Steuerelektrode des Transistors 16 mit der punkt. Der Transistor 16 schickt einen Strom In in Steuerelektrode und der Abflußelektrode des Transi- diesen Schaltungspunkt, während der Transistor 12 stors 34 und die Quellenelektrode des Transistors 16 5° einen Strom In/2 aus dem Schaltungspunkt entnimmt, mit der Quellenelektrode des Transistors 34 zusammen- und der restliche Strom /«/2 fließt durch die Quellengeschaltet sind, ist die Steuerelektroden-Quellen- Abfluß-Strecke des Transistors 20 in den Stromspannung Vas des Transistors 16 gleich der Steuer- senkentransistor 26.

elektroden-Quellenspannung Vas des Transistors 34. Die Steuerelektrode des Transistors 20 ist mit der

Der Wert von Vrii für einen gegebenen Abfluß- 55 Steuerelektrode und der Abflußelektrode des Transi-Quellen-Strom hängt von der Flächengröße des Tran- stors 36 verbunden. Die Spannung am gemeinsamen sistors ab. Bemißt man die Fläche des Transistors 16 Punkt von Steuerelektrode und Abflußelektrode des so, daß sie in einem gegebenen Verhältnis zur Fläche Transistors 36 (bei kurzgeschlossenem Widerstand 32) des Transistors 34 steht, so kann man den Strom des liegt um zwei Schwellenspannungsbeträge unter der Tiansistors 16 kontrollieien und durch den Strom des 60 Spannung an der Klemme 7. Dies stellt sicher, daß die Transistors 34 bestimmen. Isolierschicht-Feldeffekt- Steuerelektroden-Quellenspannung des Transistors 20 transistoren, die Spannungsverstärkende Bauelemente mindestens gleich dem Vth dieses Transistors ist, so sind, können mithin dazu verwendet werden, Ströme daß der Transistor 20 in den leitenden Zustand gein verschiedenen der anderen Schaltungszweige zu er- spannt wird. So werden durch die Vorspannungszeugen. In der Schaltungsausführung nach F i g. 1 ⁶5 quelle mit zwei Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, sind die Flächen der Transistoien 16 und 34 gleich, einem als Diode geschalteten Transistor und den dazuso daß der Strom im Transistor 16 gleich dem Stiom//( gehörigen Impedanzen die Ruheströme für den geim Transistor 34 ist. samten Verstärker bereitgestellt. Außerdem wird die

Symmetric zwisthen den Stromquellen und den Stromsenken im Ruhezustand, d. h. (-.ei fehlender Eingangsspannung der Differen/verstiirkcrstufe, sichergestellt. Ferner liefert die Vorspannungsquelle zwei Gleichspannungswertc zum Vorspannen der aktiven Lastimpedanz 16 und der Pegeherschiebungsstufe 20 in den leitenden Zustand.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Verstärkers sei vorausgesetzt, daß zwischen den Eingangsklemmcn 3 und 2 ein Ciegcntaklsignal I V_n 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-Emitler-Slrecke des als Emitterfolger arbeitenden Transistors 10, während der Strom im Transistor 12 um den gleichen Betrag abnimmt. Die Stromänderung AI_C im Transistor 12 ist gleich der effektiven Steilheit gm_t der Differenzverstärkereingangsstufe, multipliziert mit dem Eingangssignal I V_lt, d. h. Ur ^m₁ ■ I V_n. Da der Transistor 16 einen relativ konstanten Strom liefert, ergibt sich eine resultierende Erhöhung von l/r des in den Transistor 20 fließenden Stromes.

Die Transistoren 16 und 12 können daher ersalzweise als ein Stromgenerator aufgefaßt werden, der ein Signal mit der Amplitude l/r liefert, das am Schaltungspunkt 22 der Quellenelektrode des Transistors 20 zugeführt wird. Der Stromgenerator speist drei effektiv parallel mit ihm geschaltete Impedanzen: die Ausgangsimpedanz des Transistors 12, die Ausgangsimpedanz 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 Transistoren 12 und 16 ist, fließt praktisch der gesamte Signalstrom I/,· in diesen Transistor, und es wird nur wenig oder gar kein Signalstrom durch die Transistoren 12 und 16 abgeleitet. Da die Eingangsimpedanz (Eingangswiderstand) des Transistors 20 verhältnismäßig 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 extrem 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 Isolierschicht-Feldeffekttransistor überträgt daher den seiner Quelle zugeleiteten Signalstrom über einen breiten Frequenzbereich (1 bis 20 MHz), während der Lateraltransistor einen zunehmend größeren Anteil des Signalstromes in seinen Basiskreis ableitet, so daß der Signalstrom der Lastimpedan/ teilweise oder ganz entzogen wird

Das \on der Abllußelektrcde des Transistors 20 her gesehene Ersatzschaltbild ist das eines Siromgeneralors. der den Schaltungspunkl 24 mit einem Signal speist, dessen Amplitude im wesentlichen immer noch gleich l/r ist. Dieser Stromgenerator wird jetzt durch drei ebenfalls effektiv parallelliegende Impedanzen nebengeschlossen: Die Ausgangsimpedanz des Transistors 20, die Ausgangsimpedanz des Transistors 26 und die Lastimpedanz; Y.\, multipliziert mit dem />' des Transistors 30. Die Ausgangsimpedanz (Ausgangswiderstand) des Transistors 20 ist extrem hoch (ungefähr 5 Megohm) und hat wenig Einfluß auf das am Schaltungspunkt 24 erzeugte Signal. Die Ausgangsimpedanz (Ausgangswiderstand) des Transistors 26 iregi in der Größenordnung von I Megohm und darüber. Die am Schaltungspunkt 24 erscheinende Lastimpedanz ist gleich der Lastimpedanz, multipliziert mit dem Durchlaßstrom des Transistors 30, und kann z. B. ebenfalls in der Größenordnung von I Megohm liegen. Das am Schaltungspunkt 24 erzeugte Signal ist somit ungefähr gleich dem Produkt l/<·, multipliziert mit der Parallelkombination der Ausgangsimpedanz des Transistors 26 und der am Schaltungspunkt 24 erscheinenden Lastimpedanz. Dieses Signal wird dann über die Emitterfolgerslufe 30 auf die Ausgangsklemme 6 gekoppelt.

Die Kapazität am Schaltungspunkt 24 enthält die Kapazität zwischen Abflußelektrode und Steuerelektrode (Cix;) und die Abflußelektroden-Substratkapazität (Cdu) des Transistors 20 sowie die Kolleklorkapazität des Transistors 26 und die (tatsächliche und wirksame) Kapazität der Ausgangsstufe 44. Auf Grund dieser summierten Kapazitäten ist der Schaltungspunkt 24 der vorherrschende Kapazitätspunkl der Schaltung. Obwohl dieser Punkt der am meisten kapazitive Punkt der Schaltung ist, liegt seine Kapazität nur in der Größenordnung von 2 pF, was sehr niedrig ist.

Da der Schaltungspunkt 24 der Ilauptkapazitätspunkt der Schaltung ist und keine anderen hohen Kapazitäten aufzuladen oder zu entladen sind, kann der Verstärker mit extrem hohen Geschwindigkeiten arbeiten. Ferner hat die Emitterfolgerausgangsstufe 30, die für die Aussteuerung der Lastimpedanz Zi. gebraucht wird, mit den Kapazitäten gekoppelt sein können, eine Strombelastbarkeit gleich der Stromverstärkung mal dem Signalstrom. Wenn also möglicherweise eine größere Kapazität vorhanden ist, sieht man für den Verstärker eine stärkere Stromerzeugungsquelle vor, was ebenfalls dazu beiträgt, daß der Verstärker schnell und mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit arbeitet.

Man sieht also, daß mit Hilfe einer einzigen Stromverstärkungsstufe (der Differenzverstärkereingangsstufe) in Verbindung mit einer einzigen Spannungsverstärkerstufe (der in Steuerelektrodengrundschaltung ausgelegten Stufe 20) ein schneller und hochverstärkender Verstärker aufgebaut werden kann. In der Praxis erprobte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verstärkers haben eine Verstärkung bei offener Schleife von 3CCO und eine Anstiegsgeschwindigkeit bei Verstärkungsfaktor I von 80 Volt pro Mikrosekunde. Die vorstehend erläuterte Merkmalskombination ergibt also eine Schaltungsanordnung, die außerordentlich gut für schnelles Arbeiten mit hoher Ansteigsgeschwindigkeit geeignet ist.

13 u

F i g. 2 zeigt einen Gegentakl-Differcnzverslärker Strom erhöht sich um einen gegebenen Betrag . I/r. gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Dadurch erniedrigt sich der Strom in der Quellen-Verstärker ist gleichartig aufgebaut wie der nach Abfluß-Strecke des Transistors20 um l/₍·. Ent-F i g. 1, wobei jedoch zusätzlich ein zweiter aktiver sprechend erniedrigt sich der vom Transistor 20 zum Lasttransistor 17 zwischen den Kollektor des Tran- 5 Schaltungspunkt 24 fließende Strom um /!/<·. Gleichsistois 10 und die Klemme 7 geschaltet ist, eine zweite zeitig erniedrigt sich der in den Transistor 10 fließende Pegelverscruebungsstufe mit einem Transistor 21 mit Strom um l/<, d. h. um den gleichen Betrag, um den dessen Quellen-Abfluß-Strecke zwischen den Schal- sich der Strom zum Transistor 12 erhöht hat. Dies hat tungspunkt 19 und den Kollektor-Basis-Anschluß zur Folge, daß der in der Quellen-Abfluß-Strecke des des Transistors 27 am Schaltungspunkt 23 geschaltet io Transistors 21 und in die Kollektor-Emitter-Strecke ist und der Transistor 27 als Diode geschaltet ist, indem des Transistors 27 fließende Strom sich um /l/r ersein Kollektor und seine Basis an die Basis des Tran- höht. Die Stromerhöhung im Transistor 27 (um A]₁) sistors26 und sein Emitter an die Klemme 4 ange- ruft eine gleiche Erhöhung des Koliektor-Emitterschlossen sind. Der Transistor 27 wirkt als Konstant- Stromes des Transistors 26 hervor. In den Transistor stromquelle, die den Ruhestrom des Transistors 21 15 26 fließt jetzt ein zusätzlicher Strom A/_r. Die resultieaufnimmt. Die Transistoren 26 und 27 sind so ge- rende Abnahme des in die Pufferstufe über den Schalschaltet, daß sie ein Gegentakt-Eingangssignal in ein tungspunkt 24 fließenden Stromes beträgt jetzt 2 Al_C-eintaktisches Ausgangssignal umwandeln. Ihre KoI- Der Verstärkungsgrad des Gegentakt-Differenzverlektor-Emitter-Ströme sind gleich. Auf Grund der stärkers ist somit doppelt so groß wie der Verstär-Verwendung zweier Ausgänge an den Schaltungs- 20 kungsgrad der eintaktigen Ausführung. Typischerpunkten 19 und 22 in Verbindung mit den Übertra- weise kann der Verstärker nach F i g. 2 mit einer gungstransistoren 20 und 21 und den Stromsenken- Emitterfolgerausgangsstufe wie der nach F i g. 1 transistoren 26 und 27 kann der Gegentakt-Verstärker eine Verstärkung bei offener Schleife in der Größendie doppelte Verstärkung der Schaltung nach Fig. 1 Ordnung von 6000 haben,
haben. as Als Pufferstufe kann jedoch eine beliebige Schal-

Es sei angenommen, daß an den Klemmen 2 und 3 tungsanordnung verwendet werden, die das am Schalein Gegentaktsignal liegt und die Spannung an der tungspunkt 24 erzeugte Signal übernehmen und an die Klemme 2 jetzt positiver als die Spannung an der Ausgangsimpedanz Zi. übertragen kann.
Klemme 3 ist. Der in den Transistor 12 fließende

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Patentansprüche: Die Erfindung betrifft einen Verstärker, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

1. Verstärker mit einer mindestens einen bipo- Aus der Zeitschrift »Funk-Technik« 1969, Nr. 11, laren ersten Transistor enthaltenden Eingangs- S. 428, ist ein mit Feldeffekttransistoren aufgebauter stufe, dessen Kollektor an eine Stromquelle und 5 Kaskodeverstärker für Frequenzen um 200 MHz bean die Eingangselektrode eines in Steuerelektro- kannt, bei welchem das zu verstärkende Eingangsdengrundschaltung betriebenen weiteren Tran- signal der Steuerelektrode eines ersten Feldeffektsistors angeschlossen ist, dessen Ausgangselek- transistors zugeführt wird, dessen Quellenelektrode trode auf den Eingang einer Ausgangsstufe ge- wechselspannungsmäßig an Masse liegt und dessen führt ist, dadurch gekennzeichnet, m Senkenelektrode mit der Quellenelektrode des zweidaß der weitere Transistor ein mit seiner Quel- ten Feldeffekttransistors verbunden ist. Die Gatelenelektrode an den Kollektor des bipolaren Tran- elektrode des zweiten Feldeffekttransistors liegt ebensistors (12) angeschlossener Feldeffekttransistor falls wechselspannungsmäßig an Masse, und an seiner (20) vom entgegengesetzten Leitungstyp (P) wie Senkenelektrode wird das Signal über einen Schwingder bipolare Transistor (12, MW) der Eingangs- 15 kreis ausgekoppelt.

stufe ist, der eine Gleichspannungspegelverschie- Aus der DT-PS 918 033 ist es ferner bekannt, als bung zwischen dem Ausgang (22) der Eingangs- Lastimpedanz für einen bipolaren Verstärkertransistufe (Transistor 12) und dem Eingang (24) der stör einen komplementären bipolaren Transistor zu Ausgangsstufe (Transistor 30) im Sinne gleicher verwenden, der so vorgespannt ist, daß er bei kleinem Ruhepegel an Eingang (2) und Ausgang (6) des 20 Gleichstromwiderstand einen hohen Wechselstrom-Verstärkers einführt, und daß an den Ausgang widerstand für die zu verstärkenden Signale gibt. Man (22) der Eingangsstufe (Transistor 12) die Haupt- erhält auf diese Weise trotz kleiner Betriebsspannung stromstrecke (zwischen Quellen- und Senkenelek- für den Verstärker einen hohen Verstärkungsgrad,
trode) eines als Konstantstromquelle geschalteten In den USA.-Patentschriften 3 451001 und zweiten Feldeffekttransistors (16) angeschlossen as 3 473 134 sowie in der DT-AS 1 038 129 sind mit ist, der mehr Strom liefert, als der bipolare Tran- bipolaren Transistoren aufgebaute Kaskodeschaltunsistor (12) führen kann, wobei der überschüssige gen beschrieben, wobei die in der DT-AS erläuterte Strom von der Hauptstromstrecke des ersten Feld- Schaltung mit zwei Transistoren gleichen Leitungseffekttransistors (20) zur Ausgangsstufe (Transi- typs, die in den beiden USA.-Patentschriften erläuterstor 30) geführt wird. 3° ten Schaltungen dagegen mit Transistoren entgegenge-

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch ge- setzten Leitungstyps arbeiten. In den beiden letztgekennzeichnet, daß an den Eingang (24) der Aus- nannten Fällen erfolgt die Zuführung des Betriebsgangsstufe (Transistor 30) eine Konstantstrom- stromes für die beiden Transistoren von der Betriebssenke (Transistor 26) angeschlossen ist, welche Spannungsquelle über einen Widerstand an den Verden vom zweiten Feldeffekttransistor (16) gelie- .15 bindungspunkt von Kollektor des Eingangstransistors ferten überschüssigen Strom aufnimmt. und Emitter des nachgeschalteten Transistors der

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Kaskodeschaltung. Im Falle der USA.-Patentschrift gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe einen zwei- 3 451 001 ist dem Kaskodeverstärker noch ein ebenten bipolaren Transistor (30) enthält, tier vom falls mit bipolaren Transistoren entgegengesetzten gleichen Leitungstyp wie der erste bipolare Transi- 40 Leitungstyps aufgebauter Gegentaktverstärker nachstor (12) ist und als Emitterfolger geschaltet ist. geschaltet, wobei die Basis des einen Gegentakttranwobei seine Basis an die Hauptstromstrecke des sistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors der ersten Feldeffekttransistors (20) angeschlossen ist. Kaskodeschaltung und über einen Widerstand mit der

4. Verstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, da- Basis des zweiten Gegentakttransistors verbunden ist. durch gekennzeichnet, daß der erste Feldeffekt- 45 Ferner ist aus der USA.-Patentschrift 3 516 003 transistor (20) mit Steuerelektrode und Quellen- ein mit zwei bipolaren Transistoren gleichen Leielektiode an eine Vorspannungsquelle (32, 34, tungstyps aufgebauter Kaskodeverstärker bekannt, 36, 38, 40, 42. 46) angeschlossen ist, welche ihn bei bei welchem die Betriebsspannung an die gleichstromfester Steuerelektrodengleichspannung in den lei- mäßige Reihenschaltung der beiden Kaskodetransitenden Zustand vorspannt. 50 stören gelegt ist und über deren Verbindungspunkt

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekenn- ein zusätzlicher Strom über einen weiteren bipolaren zeichnet, daß die Vorspannungsquelle die Reihen- Transistor entgegengesetzten Leitungstyps für den schaltung der Hauptstromstrecke eines dritten und ersten Kaskodetransistor eingespeist wird, damit dievierten Feldeffekttransistors (34. 36) enthält, deren ^{ser im} Interesse einer größeren Steilheit mit einem Steuerelektroden jeweils mit ihren Senkenelektro- 55 höheren Kollektor-Emitter-Strom arbeitet, während den verbunden sind, daß jeweils die Steuerelektio- der zweite Kaskodetransistor mit niedrigerem Strom den b/w. Quellenelektroden des zweiten und dritten betrieben wird, damit im Interesse einer höheren Ge-Feldeffektiransistors (16, 34) miteinander verbu.i- samtverstärkung ein größerer Ausgangswiderstand den sind und die Steuerelektroden des ersten und (kleine Betriebsspannung und Verlustleistung) vervierten Feldeffekttransistors (20, 36) miteinander ^6o wendet werden kann.

verbunden sind. Schließlich ist in der älteren Anmeldung

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekenn- ^{p 20 48 52}^-S ein Verstärker zur Umwandlung von zeichnet, daß die Feldeffekttransistoren mit iso- Gegentaktsignalen in Eintaktsignale beansprucht, bei lierter Steuerelektrode, p-leitendem Kanal und als dem die beiden Gegentaktsignale Basis und Emitter Anreicherungstransistoren ausgebildet sind und ⁶5 eines bipolaren Transistors zugeführt werden, der als daß die bipolaren Transistoren npn-Transistoren Additionsglied für diese beiden Signale geschaltet ist, mit vertikalem Aufbau sind. so daß ihre (Absolut-)Summe an seinem Kollektor als

Eintakt-Ausgangssignal zur Verfügung steht. Mit der