DE2146418B2 - Gegentaktverstärker mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen Frequenzen - Google Patents

Description

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gegentaktverstärker anzugeben, der entweder bei gegebener oberer Grenzfrequenz eine erhöhte Verstärkung bzw. bei gegebener Verstärkung eine erhöhte Grenzfrequenz besitzt.

Die Aufgabe wird bei einem Gegentaktverstärker der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kollektor-Emitterstrecken jeweils eines Transistors der Transistorpaare in Reihe geschaltet sind und daß jeweils der Kollektor des ersten Transistors der Transistorpaare und der Kollektor des zweiten Transistors der Transistorpaare derart an jeweils eine Ausgangsklemme gekoppelt sind, daß sich die Kollektorströme phasengleich zu jeweils einem über eine Ausgangsklemme fließenden Strom überlagern.

Bei dem vorstehend definierten Gegentaktverstärker wird insbesondere die Frequenz /7-bei Emitterschaltung der Transistoren verdoppelt, was mit anderen Worten heißt, daß die Verstärkung bei dem gewöhnlichen Frequenzwert fr verdoppelt wird. Daher wird die Frequenzgrenze heraufgeschoben, bis zu der noch eine Verstärkerwirkung erreichbar ist.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Diese Figur zeigt ein Schaltbild eines Gegentaktverstärker gemäß der Erfindung.

Der in der Figur dargestellte Gegentaktverstärker besitzt ein Paar von Strom-Eingangsklemmen 10 und 12, über die ein Eingangsstrom /,„ fließt. Ein erster Widerstand 14 koppelt die Klemme 10 an eine Bezugsspannungsquelle, welche eine kleine positive Spannung liefert. Entsprechend ist die Klemme 12 über einen Widerstand 16 an die gleiche Vorspannungsquelle angekoppelt. Die Klemme 10 ist weiterhin auf die Basis eines npn-Transistors 18 geführt, welcher zusammen mit einem npn-Transisior 20 ein erstes Differenzverstärker-Transistorpaar bildet. Die Eingangsklemme 12 ist an die Basis eines npn-Transistors 22 angekoppelt, welcher mit einem npn-Transistor 24 ein zweites Differenzverstärker-Transistorpaar bildet. Die Basen der Transistoren 20 und 24 liegen zusammen an einem Bezugspotentialpunkt (Erde).

Die Emitter der Transistoren 18 und 20 sind über einen Widerstand 30 gekoppelt, dem seinerseits zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften eine Kapazität 32 parallel geschaltet ist. Der Emitter des Transistors 18 liegt über einen Widerstand 26 an einer negativen Vorspannung, während der Emitter des Transistors 20 über einen Widerstand 28 ebenfalls an dieser negativen Vorspannung liegt. Zur Kopplung der Emitter des Transistors 22 und des Transistors 24 ist ein Widerstand 38 vorgesehen, dem zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften eine Kapazität 40 parallel geschaltet ist. Die Emitter der Transistoren 22 und 24 sind über Widerstände 34 bzw. 36 an die negative Vorspannung geführt.

Die Kollektoren der Transistorpaare sind an Ausgangsklemmen 42 und 44 angeschaltet. Dabei liegen die Kollektoren der Transistoren 18 und 24 an der Klemme 42, während die Kollektoren der Transistoren 20 und 22 an der Klemme 44 liegen.

Ein Gegentaktverstärker in Basisschaltung mit npn-Transistoren 46 und 48 liegt an den vorgenannten Ausgangsklemmen 42 und 44 und liefert ein Ausgangssignal an Klemmen 50 und 52. Zwischen diese Klemmen 50 und 52 ist eine Stromquelle gekoppelt. Der Emitter des Transistors 46 liegt an der Klemme 42, während sein Kollektor an der Klemme 50 liegt. Entsprechend liegt der Emitter des Transistors 48 an der Klemme 44 und sein Kollektor an der Klemme 52. Die Basen der Transistoren 46 und 48 liegen gemeinsam am Mittelabtrenngriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 54 und 56, welche in dieser Reihenfolge zwischen einer positiven Spannung und Erde liegen. Dieser Spannungsteiler liefert die geeignete Vorspannung für die Transistoren 46 und 48. Der aus diesen Transistoren 46 und 48 aufgebaute Gegentaktverstärker bildet eine Last kleiner Impedanz an den Klemmen 42 und 44, wodurch die Stromverstärkung des aus den Transistoren 18, 20, 22 und 24 gebildeten Kreises so groß wie möglich gemacht wird. Es kann daher nahezu die volle maximale Kurzschluß-Stromverstärkung der letztgenannten Transistoren ausgenutzt werden.

Im Gegentaktverstärker nach der Figur fließt ein beträchtlicher Teil des Eingangsstroms /_/n über die Basis-Emitterstrecken der in Serie geschalteten Transistoren 18, 20, 24 und 22, während der verbleibende Teil des Eingangsstroms über die Widerstände 14 und 16 fließt. Normalerweise sind die Widerstandswerte der Widerstände 26 und 28 gleich und weit größer als der Wert des Widerstandes 30. Ebenso sind die Widerstandswerte der Widerstände 34 und 36 einander gleich und gleich den Werten der Widerstände 26 und 28. Der Wert des Widerstandes 38 ist zweckmäßigerweise gleich dem Widerstandswert des Widerstandes 30. Daraus folgt, daß ein über den Emitter des Transistors 18 fließendes zunehmendes Stromsignal etwa gleich dem über den Emitter des Transistors 20 und den zwischen diesen beiden Emittern liegenden Widerstand 30 fließenden Stromsignal ist. Weiterhin ergibt sich das gleiche zunehmende Stromsignai an den Emittern der Transistoren 22 und 24 und im Widerstand 38 zwischen diesen Emittern. Die Transistorpaare 18, 20 bzw. 22, 24 wirken als Gegentaktstufen und liefern Ausgangsströme, welche über die Verstärkung der jeweiligen Stufe mit dem Eingangsstrom zusammenhängen. Beispielsweise ist der Kollektorstrom l\ des Transistors 18 bei tiefen Frequenzen etwa gleich Ij_nRoZRu worin Ro gleich dem Widerstandswert der Widerstände 14 und 16 und R\ gleich dem Widerstandswert der Widerstände 30 und 38 ist. Bei tiefen Frequenzen hängt die Verstärkung der Stufe 18, 20 vom Wert des Widerstandes 30 ab, da dieser eine merkliche Rückkopplung im Emitterzweig darstellt. Der Transistor 18 verhält sich beispielsweise nahezu so, als ob die rechte Seite des Widerstandes 30 geerdet wäre. Da der Transistor 20 weiterhin den gleichen Eingangsstrom erhält, ist der Wert des Stromes /3 etwa gleich I,-„RoZR\. Die Ausgangsströme I\ und/₃ sind gleich, jedoch um 180° in der Phase verschoben, da die Transistoren 18 und 20 eine Gegentaktstufe bilden.

Entsprechend ist der Kollektorstrom h des Transistors 22 etwa gleich Ii_nR₀ZRu während der Kollektorstrom /4 des Transistors 24 den gleichen Wert besitzt, aber um 180° in der Phase verschoben ist. Durch Kreuzung der Ausgangsleitungen der Gegentaktverstärker in der in der Figur dargestellten Weise werden die Ausgangsströme phasenrichtig addiert. Die zu einem gegebenen Zeitpunkt in einer ersten Richtung fließenden Stiome /1 und /4 addieren sich an der Klemme 42 und bilden den Strom /5. Die zu diesem Zeitpunkt in einer zweiten Richtung fließenden Ströme I₂ und /3 addieren sich an der Klemme 44 und bilden einen gemeinsamen Strom I₆. Diese Ströme /5 und 4 sind

jeweils doppelt so groß als der durch ein Transistorpaar allein gelieferte Strom.

Die Ausgangsströme werden also phasenrichtig addiert und liefern einen doppelten Ausgangsstrom. Auch bei der Frequenz ZV, bei der die Stromverstärkung eines Transistors in Emitterschaltung gleich Eins ist, liefert der Gegentaktverstärker gemäß der Erfindung eine Verstärkung von Zwei. Unter der normalen Aufnahme, daß die Stromverstärkung bei hohen Frequenzen umgekehrt proportional zur Frequenz ist, ist die Verstärkung bei der Frequenz 2 ZV-gleich Eins, da die Verstärkung der Schaltung bei der Frequenz ZV-gleich Zwei ist. Daher vermag der erfindungsgemäße Gegentaktverstärker noch bei höheren Frequenzen als Verstärker zu arbeiten, als dies bei bisher bekannten Verstärkern der Fall ist.

Es sei angenommen, daß der erfindungsgemäße Gegentaktverstärker und ein zu ihm in Vergleich gesetzter konventioneller Verstärker die gleiche Verstärkung bei tiefen Frequenzen haben. Weiterhin sei angenommen, daß der konventionelle Verstärker einem Paar der oben beschriebenen Gegentaktpaare, wie beispielsweise die Stufe 18,20 entspricht. Um bei diesen Frequenzen eine Stromverstärkung von beispielsweise Vier zu realisieren, muß die konventionelle Schaltung ein Widerstandsverhältnis R₀ZR] von 4 besitzen, während der erfindungsgemäße Verstärker lediglich ein Widerstandsverhältnis Ro/R\ von 2 besitzen muß. Dies ergibt sich aufgrund des Stromverdopplereffektes. Die Frequenz für einen Verstärker, bei der das Weglaufen beginnt, beispielsweise die Frequenz, bei der das Ausgangssignal um 3 dB vermindert ist, kann dem Wert

h.

gleichgesetzt werden. Für den vorgenannten konventionellen Verstärker muß das Verhältnis RoZR\ für eine Verstärkung von Vier gleich 4 sein, während für den erfindungsgemäßen Verstärker lediglich das halbe Widerstandsverhältnis erforderlich ist, um die gleiche Verstärkung bei tiefen Frequenzen zu erhalten. Da das Widerstandsverhältnis lediglich halb so groß ist, ist die Frequenz, bei der das Weglaufen beginnt, doppelt so groß als die entsprechende Frequenz bei dem konventionellen Verstärker.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verstär- -> kers liegt darin, daß der erforderliche dynamische Stromaussteuerbereich für jedes Transistorpaar nur halb so groß wie für einen einzigen Transistor sein muß. Darüber hinaus gewährleistet der doppelte Gegentakt-Parallelausgangskreis den richtigen Phasenabgleich in

ίο der Schaltung. Aufgrund dieses Abgleiche sind daher keine zu Verzerrungen führenden Phasendifferenzen zwischen dem Eingangskreis und Teilen des Ausgangskreises vorhanden.
Wie oben ausgeführt, bildet der aus den Transistoren 46 und 48 gebildete Gegentaktverstärker eine Last kleiner Impedanz an den Ausgangsklemmen 42 und 44. Der Ausgangsteilstrom h an der Klemme 50 ist nichtsdestoweniger etwa gleich dem Teilstrom /5 Ebenso ist der Ausgangsteilstrom k an der Klemme 52 im wesentlichen gleich dem Teilstrom Ie.

Das Konzept des erfindungsgemäßen Gegentaktverstärker kann auf Stromvervielfachungen ausgedehnt werden, welche größer als 2 sind. Beispielsweise kann der Ausgangsstrom vervierfacht werden. Anstelle der Einspeisung des Eingangsstroms in lediglich ein Paar von Transistoren 18 und 20 zwischen der Klemme IC und Erde kann diesem Paar ein entsprechend geschaltetes weiteres Paar in Serie geschaltet werden, wobei die Basen zwischen die Basis des Transistoren 20 und Erde

j(i geschaltet sind. Die Ausgangssignale an den Kollektoren eines derartigen zusätzlichen Transistorpaar! werden dann im Sinne einer Phasenaddition auf die Klemmen 42 und 44 gekoppelt. Entsprechend kann ein weiteres Transistorpaar zwischen die Basis des Transi-

j) stors 24 und Erde geschaltet werden, wodurch sich eine resultierende Vervierfachung des Ausgangsstroms bzw eine weitere Erhöhung der oberen Grenzfrequenz für eine gegebene Verstärkung ergibt.

Verstärker dieser Art zur Erzielung einer weiterer

4(i Stromvervielfachung sind in der Zeichnung nicht eigens dargestellt, da diese im wesentlichen lediglich eine Vervielfachung des dargestellten Verstärkers bilden.

Hierzu 1 Blatt Zcichiuiimcn

Claims (6)

2ί 46418 Patentansprüche:

1. Gegentaktverstärker mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen Frequenzen mit zwei jeweils einen Differenzverstärker bildenden Transistorpaaren, bei denen die Emitter jeweils eines Transistorpaares über jeweils einen Koppelzweig miteinander verbunden sind und bei denen ein zu verstärkendes Eingangssignal im Gegen takt in die Basen der ersten ι ο Transistoren der Transistorpaare einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitterstrecken jeweils eines Transistors (18,22 bzw. 20, 24) der Transistorpaare (18, 20; 22, 24) in Reihe geschaltet sind und daß jeweils der Kollektor ι ϊ des ersten Transistors (18 bzw. 22) der Transistorpaare (18, 20 bzw. 22, 24) und der Kollektor des zweiten Transistors (24 bzw. 20) der Transistorpaare derart an jeweils eine Ausgangsklemme (42 bzw. 44) gekoppelt sind, daß sich die Kollektorströme (I\, U bzw. /2, /3) phasengieich zu jeweils einem über eine Ausgangsklemme (42 bzw. 44) fließenden Strom (k bzw. /β) überlagern.

2. Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Emitter der Transisto- 2~> ren der Transistorpaare (18, 20; 22, 24) koppelnden Zweige (30,32; 28,40) jeweils einen Widerstand (30; 38) enthalten.

3. Gegentaktverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Emitterkopplung der Transistoren der Transistorpaare (18, 20; 22, 24) bei hohen Frequenzen dem jeweils koppelnden Widerstand (30 bzw. 38) eine Kapazität (32 bzw. 40) parallel geschaltet ist.

4. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprü- r> ehe 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Paar von in Gegentakt gekoppelten Transistoren (46, 48) in Basisschaltung, deren Emitter zur Bildung einer Last kleiner Impedanz jeweils an eine Ausgangsklemme (42, 44) angekoppelt sind und deren Kollektor die Verstärkerausgangsklemmen (50,52) bilden.

5. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Vorspannungskreise (14, 16, 26, 28, 34, 36, +V, -V) für die Basis- Emi tterkreise der Transistoren der Transistor- 4 ^r> paare (18, 20; 22, 24), in denen die Basen der ersten Transistoren (18, 22) der Transistorpaare über jeweils einen Widerstand (14 bzw. 16) an einem ersten Vorspannungspotential (+ V), die Emitter der Transistoren (18, 20, 22, 24) über jeweils einen ^r.o Widerstand (26, 28, 34, 36) an einem zweiten Vorspannungspotential (-V) und die Basen der zweiten Transistoren (20,24) der Transistorpaare an Bezugspotential liegen.

6. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprü- τ> ehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter eines Transistors (46) der in Gegentakt gekoppelten Transistoren (46, 48) in Basisschaltung an die Kollektoren des einen Transistors (18) des ersten Transistorpaars (18,20) und des anderen Transistors w> (24) des zweiten Transistorpaars (22, 24) und der Emitter des zweiten Transistors (48) der in Gegentakt gekoppelten Transistoren an die Kollektoren des anderen Transistors (20) des ersten Transistorpaars und des einen Transistors (22) des t>"> zweiten Transistorpaars angekoppelt ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegentaktverstärker mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen Frequenzen mit zwei jeweils einen Differenzverstärker bildenden Transistorpaaren, bei denen die Emitter jeweils eines Transistorpaares über jeweils einen Koppelzweig miteinander verbunden sind und bei denen ein zu verstärkendes Eingangssignal im Gegentakt in die Basen der ersten Transistoren der Transistorpaare einspeisbar ist

Transistorverstärker mit einer vorgegebenen Stromverstärkung bei tiefen Frequenzen zeigen oft als Funktion der Frequenz ein Weglaufen der Verstärkung, das gewöhnlich 6 dB pro Oktave beträgt. Wenn die Frequenz erhöht wird, nimmt die Verstärkung auf Eins und Bruchteile von Eins ab. Daher wird eine Frequenz /7· definiert, bei der die Kurzschluß-Stromverstärkung eines Transistorverstärkers in Emitterschaltung gleich Eins wird. In Kaskade gescnaltete Transistoren liefern bei Frequenzen, welche gleic \ dem Wert fr oder über diesem Wert liegen, keine zusätzliche Verstärkung, da Kaskadenstufen, welche jeweils eine Verstärkung von Eins oder eine noch kleinere Verstärkung besitzen, offensichtlich insgesamt keine höhere Verstärkung liefern können.

Aus der DE-OS 19 03 913 ist bekannt, daß Differenzverstärker eine breitbandige Charakteristik besitzen. Es ist dabei weiterhin bekannt, den Transistoren des Differenzverstärkers jeweils einen in Basisschaltung betriebenen Transistor zuzuschalten, wobei jeweils die Kollektoren eines Differenzverstärkertransistors und eines in Basisschaltung betriebenen Transistors kreuzgekoppelt sind. Dadurch wird eine phasenrichtige Addition der entsprechenden Kollektorströme erzielt, was neben einer Linearisierung der Verstärkungscharakteristik auch zu einer Erhöhung der Verstärkung im Vergleich zur Verstärkung des Differenzverstärkers allein führt. Die Verstärkung ist durch die Summe der Emitterströme der Differenzverstärkertransistoren und der in Basisschaltung betriebenen Transistoren gegeben, wobei jedoch der gemeinsame Emitterstrom der Differenzverstärkertransistoren klein gegen den Emitterstrom der in Basisschaltung betriebenen Transistoren sein muß. Damit ist die Verstärkungserhöhung auf einen nur geringfügig größeren Wert als Eins beschränkt, so daß das Verstärkungs-Bandbreiteprodukt der Gesamtschaltung nur etwa gleich der Grenzfrequenz /V der Transistoren wird.

Es ist weiterhin aus der DE-AS 12 59 952 bekannt, Differenzverstärker als Eingangsstufen für Niederfrequenzverstärker zu verwenden, wobei dies jedoch nicht primär aus Gründen der Verstärkung (die durch nachfolgende Stufen noch mit bestimmt wird), sondern aus Gründen der Anpassung wegen des großen Eingangswiderstandes von Differenzverstärkern erfolgt.

Es ist auch aus der US-PS 34 32 688 bekannt, Differenzverstärker für Gegentaktverstärker zu verwenden, wobei dann ein Eingangssignal im Gegentakt in die Basen von als Differenzverstärker geschalteten Transistoren eingespeist wird. In einem solchen Gegentaktverstärker werden Differenzverstärker mit Transistoren unterschiedlichen Leitungstyps in den jeweiligen Stufen verwendet, um etwa temperaturbedingte Drifterscheinungen zu kompensieren.

Schließlich ist es auch aus der US-PS 33 81 140 bekannt, zur Schaffung von schnellen Leistungsverstärkern als Eingangsstufe Differenzverstärker zu verwenden.