DE2144897A1 - Transistorverstärker - Google Patents

Description

FPHN.5564 dJo/EVH.

Dipl.-fng. ERICH E. WALTHER

Anmelder: «.Υ.-^iIlFS¹ GLQE!LAK?£HFABRIEKBI Akte: PHN- 5364

Anmeldung νοίκι 6. Sep"fc» 1971

Transistorverstärker.

Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker mit Mittel zum Zuführen eines zu verstärkenden Eingangssignal zwischen Basis- und Emitterelektrode eines Verstärkertransistors und eine im Kollektorzweig des Transistor liegende Kollektorimpedänz Ober der das verstärkte Ausgangssignal abnehmbar ist.

Bekanntlich wird ein solcher Transistorverstärker, inbesondere in einer Stufe, die zwei nach Art eines Differenzverstärkers mit dem Emitter über eine gemeinsame Impedanz zusammengeschalteten Transistorverstärker enthält, allgemein in Form integrierter Schaltungen verwendet. Die etwaigen, erwünschten Selektivitätseigenschaften werden durch ausserhalb des Verstärkers angeordnete Abstimmkreise erhalten, die wenigstens vor dem betreffenden Verstärker geschaltet sind.

Es ist auch bekannt, dass der übliche Verlauf der Kurve der Verstärkung als Funktion der Frequenz bei einem Transistorverstärker

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ohne induktive Abstimmittel eine Kurve ist, deren Maximum mit Ausnahme der IDntkopplungswirkungen den niedrigen Frequenzen entspricht und die eine nahezu horizontale Schulter aufweist, die umso "beträchtlich ist je niedriger der Wert des im Kollektor eingeschlossenen Ladewiderstandes ist.

Die Verstärkung nimmt bei höheren Frequenzen ab infolge der Wirkung der Innen- und Streukapazitäten des Transistors und der Laufzeit der Ladungsträger in der Basis des Transistors.

Sine solche Kurve der Verstärkungsänderung mit der Frequenz genügt im Falle eines Breitbandverstärkers z.B. eines Videofrequenzverstärkers, aber sie ist nicht die günstigste im Falle eines Verstärkers, der mit einem Hingangskreis für ein Durchlasstand von etwa 28 bis etwa 38 MHz zusammenwirken soll, z.B. im Falle der Zwischenfrequenzverstärker eines 819-Zeilen-Fernsehempfängers.

Obgleich das Durchlassfilter am Eingang des Zwischenfrequenzverstärkers das für die der Basis des üüngangstransistors des Z.F.Verstärkers zugeführten Signale erwünschte Durchlassband aufweist, können infolge zufälliger und unerwünschter Kopplungen Signale niedriger Frequenz z.B. von dem Videofrequenzverstärker, wo Signale hoher Amplitude erscheinen, in dem Verstärker induziert werden. Wenn das Maximum der Ansprechkurve des Verstärkers in der Nähe der niedrigen Frequenzen liegt, werden die auf diese Weise induzierten Streusignale mit einem Faktor verstärkt, der höher ist als der Verstärkungsfaktor der Signale, die in dem besonderen Durchlassband der Bildsignale auf dem Pegel der Zwischenfrequenz liegen, was sehr unerwünscht ist.

Die Jürfindung bezweckt, einen Verstärker zu sohaffen, der sich leicht in Form eines integrierten Schaltkreises verwirklichen läset, wobei dae Maximum der Verstärkungskurve in der Nähe des mittleren

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Gebietes des Geaamtdurchlassbande-s liegt und wobei die Verstärkung wesentlich abnimmt, wenn die Frequenz der im Verstärker erscheinenden Signale verhältnismäßig niedrig ist, z.B. im Frequenzband der Videofrequenz-Bild signale.

Nach der Erfindung wird ein Transistorverstärker mit Mittel zum Zuführen eines zu verstärkenden Eingangssignals zwischen Basis- und Smitterelektrode eines Verstärkertransiatora und eine im Kollektorzweig des Transistors liegende Kollektorimpedanz über der das verstärkte Ausgangssignal abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dasa die Kollektorimpedanz einen weiteren, nicht gesättigten Transistor des gleichen Leitfähigkeitatypa wie der Verstärkertransistor enthält, dessen Emitter mit dem Kollektor des Veratärkertransistors verbunden ist und dessen Basis- und Kollektorkreis je einen für die Signalfrequenzen wirksamen Widerstand enthalten.

Infolge der Verwendung einer Kollektorimpedanz vorerwähnter Art ist die Verstärkung eines solchen Verstärkers für die niedrigsten Frequenzen niedrig; sie nimmt zu und erreicht ein Maximum, dessen Lage von dem Wert des Basis- und Kollektorwiderstandes des weiteren Transistors abhängt und sie nimmt darauf in Abhängigkeit von den Merkmalen und der Struktur dea Verstärkertransistors ab. Man erhält auf diese Weise einen Verstärkerkreis, der unabhängig von den Abstimmkreisen und von den betreffenden Bandfiltern eine bestimmte Eigenselektivität aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand beiliegender Zeichnung näher erläutert. Ea zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Verstärkers nach der Erfindung mit zwei aufeinanderfolgenden Differenzverstärkerstufen, Fig. 2 eine graphische Darstellung mit drei Kurven der

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Verstärkungsänderungen als Punktion der Frequenz des Trans istorverstärker-s.

In dem Verstärker nach der Erfindung nach Fig. 1 wird

die erste Verstärkerstufe durch die npn-Typ Transistoren 1 und 2 gebildet, deren Kollektorkreise die npn-Typ Transistoren 3 bzw. 4 einschliessen. Die zweite Verstärkerstufe wird durch zwei npn-Typ Transistoren 6 und 8 gebildet, deren Kollektorkreise die npn-Typ Transistoren 9 bzw. einschliessen. Der Verstärkertransistor 6 wird durch den Transistor P über einen Puffertransistor'5 gesteuert, der als Emitterfolger geschaltet ist und der Verstärkertransistor 8 wird durch den Transistor über einen Emitterfolger-Puffertrans is tor 7 gesteuert.

Die unterschiedlichen Elemente der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 werden über eine untere, negative Leitung 11 gespeist,
die mit einer Klemme 12 verbunden ist, die der Minusklemme Vb einer Gleichspannungsquelle Vb (nicht dargestellt) entspricht, welche Klemme weiterhin mit dem Erdungspunkt 13 verbunden ist, sowie über eine obere, positive Leitung 15» die mit einer Klemme 15 verbunden ist, die der . Plusklemme der Quelle Vb entspricht.

Die Emitter der Transistoren 1 und 2 sind miteinander
verbunden und werden durch die negative Leitung 11 über einen gemeinsamen Widerstand 16 gespeist. Die Bases der Transistoren 1 und 2 werden durch einen Spannungsteiler mit gleichem Potential vorgespannt, der durch zwei Widerstände I7 und 18 gebildet wird, die in Reihe zwischen der negativen Leitung 11 und der positiven Leitung I4 eingeschaltet sind. Die Rückführung der Basis des Transistors 1 zum Verbindungspunkt der Widerstände 17 und 18 erfolgt über einen Basiswiderstand 19 und die Rückführung der Basis des Tranaistors 2 zu dem gleichen Punkt
erfolgt über einen Widerstand 20.

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Der Kollektor des Transistors 1 und der Emitter des Transistors 3 sind mit einem diesen beiden Elektroden gemeinsamen Funkt 21 verbunden; der Kollektor des Transistors 2 und der Emitter des Transistors 4 sind mit einem diesen beiden Elektroden gemeinsamen Punkt 22 verbunden. Die Bases der Hilfstransistoren 3» 4» 9 und 10 werden durch einen Punkt 23 eines Spannungsteilers vorgespannt, der durch einen festen Widerstand 24 zwischen der positiven Leitung 14 und dem Punkt 23 und durch einen einstellbaren Widerstand 25 zwischen dem Punkt 23 und Erde 13 gebildet wird. Das obere Ende des veränderbaren Widerstands 25 und somit der Punkt 23 werden gegen Erde 13 durch einen Kondensator 26 entkoppelt. Die Verwendung eines steuerbaren Widerstands ist vorteilhaft bei bestimmten Verwendungen der Schaltung nach der Erfindung, da das mittlere Gleichspannungspotential der Bases und der Emitter der Transistoren 3» 4» 9 und 10 dadurch genau eingestellt werden kann, was bei Verwendung bestimmter Demodulatorschaltungen vorteilhaft ist. Der veränderbare Widerstand 25 kann durch einen in der Schaltung integrierten, festen Widerstand ersetzt werden, in welchem Falle der Entkopplungskondensator 26 entbehrlich ist. Die Bases der. Transistoren 3 und 4 sind über die Widerstände 27 bzw. 28 mit dem Punkt 23 verbunden. Der Kollektor dee Transistors 3 wird über die positive Leitung 14 durch einen Ladewiderstand 29 und der Kollektor des Transistors 4 wird über die positive Leitung 14 durch einen Ladewiderstand 30 gespeist. Deutlichkeitshalber sind mit unterbrochenen Linien zwei Kondensatoren 31 und 32 angegeben, die den Innenkapazitäten einerseits zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 3 und andererseits zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 4 entsprechen.

Die erste, vorstehend beschriebene VeratSrkerstufe ist

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mit zwei Eingangsklemmen 33 und 34 versehen; die Klemme 33 ist mit der Basis des Tranaistors 1 und die Eingangsklemme 34 ist mit der Basis des Transistors 2 verbunden; in dem dargestellten Beispiel wird die Klemme 34 durch einen Kondensator 35 gegen Erde entkoppelt, um eine asymmetrische Erregung der Schaltung an der Klemme 33 zu ermöglichen; eine solche Verstärkerstufe kann zwei gegenphasige Signale an den zwei Klemmen 33 und 34 in Abwesenheit des .Sntkopplungskondensators 35 oder ein einziges Signal an einer der beiden Klemmen 33 oder 34 empfangen, in welchem Falle die andere Klemme durch einen Kondensator angemessenen Wertes gegen Erde entkoppelt wird.

Die Struktur der zweiten Stufe unterscheidet sich etwas von der der ersten Stufe, da die Transistoren 6 und 8 symmetrisch erregt werden: die Emitter der Transistoren 6 und 8 werden über einen gemeinsamen Widerstand J6 gespeist und die Bases der Transistoren 6 und sind mit den Emittern der Transistoren 5 bzw. 7 verbunden und.werden durch die negative Leitung 11 über gleiche Ladewiderstände 37 "bzw. 38 gespeist. Die Kollektoren der Transistoren 5 und 7 sind unmittelbar mit der positiven Leitung 14 und die Bases dieser Transistoren sind mit den Punkten 21 und 22 der ersten Stufe verbunden. Der Kollektor des Transistors 6 und der Emitter des Transistors 9 sind mit einem diesen beiden Elektroden gemeinsamen Punkt 39 verbunden, der eine der zwei. Ausgangeklemmen der Stufe bildet. Der Kollektor des Transistors 8 und der Emitter des Transistors 10 sind mit einem diesen beiden Elektroden gemeinsamen Punkt 40 verbunden, der eine zweite Ausgangsklemme der Stufe bildet. Die Kollektoren der Transietoren 9 und 10 werden durch die positive Leitung 14 über zwei gleiche Ladewideratände 43 bzw. 33 gespeist.

Infolge der bekannten Wirkung der symmetrischen oder Differenzverstärker bringt die Zuführung eines zu verstärkenden Signale

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zwiachen der rJingangaklemme 33 und iCrde I3 die ülrscheinung zweier veratärkter, nahezu gleicher, gegenphaaiger Signale an den Punkten 21 und 22 mit sich, die darauf den Bases der Veratarkertranaistoren 6 und der zweiten Stufe über die Puffertranaiatoren 5 und 7 zugeführt werden. Schließlich treten an den Punkten 39 und 40 zwei, nahezu gleiche, verstärkte, gegenphaaige Signale auf.

Fig. 2 zeigt drei Kurven der Aenderungen der Auagangawechselapannung V von Weitbandverstärkern, die ala Ordinate aufgetragen sind, gegen die Frequenz F einea Signals konstanter Amplitude am hüngang, die als Abszisse aufgetragen ist. Solche Kurven, die auf dem Schirm einea rflektronenstrahloszilloskopa sichtbar gemacht werden können, zeigen die Art der Verstärkungsänderungen der Verstärker in Abhängigkeit von der Frequenz. Die drei Kurven der Fig. 2 sind rait 51» 55 und 59 bezeichnet.

Die Kurve 51 entspricht der Veratärkungsänderung mit der Frequenz in einem Breitbandverstärker nach der Erfindung. Die Kurve 55 entapricht der üblichen Form der Veratärkungaänderung einea Transistorverstärkers, bei denen die Kollektoren der Veratarkertranaistoren durch einen Widerstand mittleren Wertes belastet werden..

Die Kurve 59 entspricht einem Verstärker nach der Erfindung, in dem kleine zusätliche Kondensatoren zwischen dem Kollektor und der Basis jedes der Hilfstransistoren 3» 4» 9 und 10 eingeschaltet sind.

Aua der Kurve 5I der Fig. 2 ist ersichtlich, dass die

Verstärkung einer Gleichspannung oder einer Spannung niedriger Frequenz sehr gering ist und dass sie mit einer Zunahme der Frequenz des zugeführten Signals entsprechend zunimmt (Teil 52 der Kurve); die Verstärkungazunahme verringert sich allmählich bis zu einer Maximalverstärkung im Teil 53 der Kurve, worauf die Verstärkung allmählich nahezu linear entsprechend dem Teil 54 der Kurve 51 herabsinkt.

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Die Kurve 55 wird durch eine nahezu horizontale Schulter nach dem den niedrigen Frequenzen entsprechenden Teil der Kurve gebildet, acwie durch einen abgerundeten Teil 57» der eine Verbindung mit einem Teil 58 herstellt,.der nahezu linear herabsinkt und mit dem Teil 54 der Kurve 5"¹ zusammenfällt; bei den zwei Kurven 51 und 55 wird angenommen, dasa die gleichen Verstärker-transistoren und identische Ladewiderstände in den Kollektorkreisen verwendet werden.

Der Mechanismus des Ueberganges einer Verstärkungskurve

wie Kurve 55 in eine Kurve wie 5I in einem Verstärker nach der Erfindung lässt sich wie folgt erklären.

Vährend der Wirkung der zwei Verstärkerstufen ist infolge der Symmetrie und der entgegengesetzten Phasen der Stromänderungen und infolge der Anwesenheit des Sntkopplungskondensators 26 das Potential des Punktes 23 nahezu unveränderlich. Mit Rücksicht auf den niedrigen Wert der Widerstände 27 und 28 sind dadurch die durchschnittlichen Gleichspannungspotentiale der Basea der Transistoren 3 und 4 auch unveränderlich, was auch für die durchschnittlichen Gleichspannungspotentiale der Emitter der Transistoren 3 und 4 und somit der Punkte 21 und 22 zutrifft. Dies ermöglicht, eine galvanische Kopplung unmittelbar mit den Bases der Puffertransistoren 5 und 7 <3^er zweiten Verstärkerstufe herzustellen.

Bei einem Eingangssignal niedriger Frequenz, für welches der Hünfluss der Innen- und Streukapazitäten, die durch die Kondensatoren 31 und 32 dargestellt werden, vollkommen vernachlässigbar ist, liegt für die Kollektorstromänderungen der Tranaistoren 1 und 2 an den Emittern der Transistoren 3 und 4 eine sehr niedrige Eingangsimpedanz vor, da unter diesen Verhältnissen das Verhalten der Hilfstransistoren 3 und 4 nahezu dem von Transistoren gleichgestellt werden

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kam, deren Bases geerdet sind. In einer zweiten Annäherung kann die iingangsimpedanz nach dem Resultat der Teilung des Wertes eines Basiswiderstandes 27 oder 28 durch den Stromverstärkungskoeffizienten des Transistors abgeschätzt werden, was in der Literatur durch A, h/21^e oder h/f angedeutet wird; dies ergibt z.B. Warte der Eingangs impedanz von etwa 20 bis 40 Ohm. Dadurch ist die Verstärkung der sehr niedrigen Freouenzen vernachlässigbar.

Die unbedeutenden Fotentialänderungen der Emitter der

Transistoren 3 und 4 werden im übrigen an den Kollektoren dieser Transistoren durch als "nonnal" zu betrachtender Wechselspannungen begleitet, die dem Produkt des Ladewiderstandes der Kollektoren und der Intensität der Wechselstromkomponente im Kollektor entsprechen.

Wenn die Frequenz des zu verstärkenden Signals höher ist, ist der einfluss der Kopplung der Kollektoren der Transistoren 3 und 4 mit den betreffenden. Bases infolge der Innen- und Streukapazitäten, die durch die Kondensatoren 31 und 32 dargestellt werden, nicht mehr vernachlässigbar; es entsteht dadurch eine Rückkopplung von den Kollektoren zu den Basen durch kapazitive Kopplung und von dort auf die jümitter durch die in der Durchlassrichtung vorgespannten Basis-ßmitter-Uebergänge. Dadurch wird die iüingangsimpedanz der Transistoren 3 und 4 höher und die Amplitude des verstärkten Signals auf dem Pegel des Punktes 21 oder 22 nimmt entsprechend der Zunahme der Frequenz zu; dies entspricht dem ansteigenden Teil 52 der Kurve 51. Die Abweichung zwischen den Kurven 51 und 55 verringert sich somit. Bei weiterer Erhöhung der Signalfrequenz wird die Frequenz erreicht, die dem abgerundeten, geneigten Teil 57 der Kurve 55 erreicht, wo die Hochfrequenzeigenachaften der Veratärkertranaiatoren 1 und 2 eine Verringerung der StromveratSrkung dieser Transistoren hervorrufen, wodurch eine Verzögerung

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der Zunahme der Verstärkung mit der Frequenz eintritt und schlieaslich eine Abnahme einsetzt. Dies entspricht dem abgerundeten Teil 53 der Kurve, der dem Maximum der Verstärkung der Schaltung entspricht. Wenn die Frequenz des zu verstärkenden Signals zunimmt, verschwindet allmählich die Abweichung zwischen den Kurven 55 und 51» so dass die nahezu gradlinigen, abneigenden Teile 58 und 54 dieser Kurve praktisch zusammenfallen.

Infolge der vorstehend geschilderten Wirkung und der Anwesenheit der Kapazität zwischen der Basis und dem Kollektor der Hilfstransistoren 3 und 4 einerseits und der Transistoren 9 und 10 andererseits bei einem Zweistufenverstärker nach Fig. 1 ändert sich eine Kurve 55 in eine Kurve 51» es ist möglich, die Kurve 51 ^zu ändern und die Lage des Punktes der Maximalverstärkung im Verhältnis zu dem Wert der Frequenz zu verschieben, indem parallel mit dem Basis-Emitterübergang jedes der Hilfstransistoren ein kleiner, fester Kondensator mit einer Kapazität von einigen pF geschaltet wird: der Punkt der Maximalverstärkung wird auf diese Weise in Richtung auf eine etwas niedrigere Frequenz verschoben, während die Verstärkung bei niedrigen Frequenzen minimal bleibt. Die Kurve 51 wird somit in die Kurve 59 umgewandelt, die einen ansteigenden Teil 60, ein Maximum 61 und weiterhin einen abgerundeten, abneigenden Teil 62 und einen nahezu linearen, abneigenden Teil 63 aufweint, der praktisch mit den abneigenden Teilen und 58 der Kurven 51 bzw. 55 zusammenfällt. Statt der Einschaltung zwischen der Basis und dem Kollektor der Hilfstransistoren, kann eine Einschaltung der kleinen, vorerwShnten, unveränderlichen Kondensatoren zwischen dem Emitter und dem Kollektor der erwähnten Transistoren durchgeführt werden.

Die Verstärker nach der Erfindung können derart angeordnet

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werden, daaa die Verstärkung selbsttätig steuerbar ist; entaprechend einer bekannten Anordnung werden zu diesem Zweck die unmittelbaren Verbindungen zwischen den Emittern der Transistoren 1 und 2 eineraeits und zwischen den Emittern der Transistoren 6 und 8 andererseits weggelassen, während die geraeinsamen Emitterwiderstände wie 16 und 36 durch zwei Sonderwiderstände des doppelten Ohm'sehen Wertes ersetzt werden, die in je einen Emitterkreis aufgenommen werden, wobei eine Verbindung veränderlicher Konduktanz zwischen den zwei abgesonderten Emittern mittels zweier anti-parallel-geschalteter Dioden oder mittels eines Transistors vorgesehen wird. Bei Verwendung einer positiven Steuerspannung werden die Kathoden der Dioden mit den Emittern verbunden, während die miteinander verbundenen Anoden über einen Lade- und Entkopplungswiderstand durch den selbsttätigen Veratärkungaregelkreia auf veränderliche Weise vorgespannt werden. Wenn die auf diese Weise zwischen den Emittern der Verstärkertransistoren erhaltene Konduktanz maximal ist, ist die Verstärkung ebenfalls maximal, während die Verstärkung durch Verringerung der Konduktanz der Dioden von Hand oder selbsttätig verringert wird. Vorteilhafterweise lassen sich die zwei anti-parallel-geachalteten Dioden durch einen Transistor, insbesondere einen symmetrischen Transistor ersetzen.

Beispielsweise werden nachstehend die Daten der Elemente angegeben, die in einem Prüfverstärker nach der Erfindung verwendet worden sind; die verwendeten Bezugsziffern finden sich in Fig. 1. Transistor 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 = BF194 oder dgl. Widerstandes 16, 36 = 5OO Ohm 25 = 10 kOhm

17 = 2,7 kOhm 29, 30 = 1,8 kOhm

18 =12 kOhm 37,38 =2,2 kOhm

19, 20, 27, 28, 41, 42 = 3,9 kOhm 43, 44 = 56O Ohm

24 =8,2 kOhm.
Speisespannung Yb = 12 V.

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Claims (4)

FPM.5364. PATSNTANS PRUiJCHE:

1.. ' Transistorverstärker mit Mittel zum Zuführen eines zu verstärkenden Eingangssignals zwischen Basis- und Emitterelektrode eines Verstärkertränsistors und eine im Kollektorzweig des Transistors liegende Kollektorimpedanz über der das verstärkte Ausgangssignal abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorimpedanz einen weiteren, nicht gesättigten Transistor des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Verstärkertransistor enthält, dessen Emitter mit dem Kollektor des Verstärkertransistors verbunden ist und dessen Basis- und Kollektorkreis je einen für die Signalfrequenzen wirksamen Widerstand enthalten.

2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Basis- und Kollektorelektrode des weiteren Transistors ein Kondensator eingeschaltet ist.

3. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Basiskreis des weiteren Transistors liegende Widerstand an einem Spannungsteiler zur Vorspannung der Basis des weiteren Transistors angeschlossen ist«

4. Transistorverstärker nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler einen einstellbaren Widerstand, zur Einstellung der Basisvorspannung des weiteren Transistors enthält.

5· Transistorverstärker nach Anspruch 1 mit zwei Verstärkertransistoren, die nach Art eines Differenzverstärkers mit dem Emitter über einer gemeinsamen Impedanz zusanmengeschaltet sind und die je eine Kollektorimpedanz aufweisen, über die gegenphasigs verstärkte Ausgangssignale abnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kollektorimpedanz einen weiteren Transistor enthält, dessen Emitter mit dem Kollektor des zugehörigen Versterkerstransistors verbunden ist und dessen Basis- und Kollektorkreis je einen für die Signalfrequenzen wirksamen Widerstand aufweisen.

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