DE2146418C3 - Gegentaktverstärker mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen Frequenzen - Google Patents
Gegentaktverstärker mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen FrequenzenInfo
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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 ι ο 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. ι ">
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 /7· verdoppelt wird. Daher wird die
Frequenzgrenze heraufgeschoben, bis zu der noch eine Verstärkerwirkur.g 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 in
besitzt ein Paar von Strom-Eingangsklemmen 10 und 12, über die ein Eingangsstrom h„ fließt. Ein erster
Widerstand 14 koppelt die Klemme 10 an ein? Bezugsspannungsquelle, welche eine kleine positive
Spannung liefert Entsprechend ist die Klemme 12 über r> einen Widerstand 16 an die gleiche Vorspannungsquelle
angekoppelt Die Klemme 10 ist weiterhin auf die Basis eines ηρη-Transistors 18 geführt, welcher zusammen mit
einem npn-Transistor 20 ein erstes Differenzverstärker-Transistorpaar bildet Die Eingangsklemme 12 ist an die
Basis eine« 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). -Ti
Die Emitter der Transistoren 18 und 20 sind über einen Widerstand 30 gekoppelt, dem seinerseits zur
Verbessemng der Hochfrequenzeigenschaften eine Kapazität 32 parallel geschaltet ist. Der Emitter des
Transistors 18 liegt über einen Widerstand 26 an einer >i> 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 r,
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 Aus- mi
gangsklemmen 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 h>
npn-Transistoren 46 und 48 liegt an den vorgenannten Ausgangsklemmen 42 und 44 und liefert ein Ausgangssignal
an Klemmen 50 ».'rd 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 h„ über die
Basis-Ernitterstrecken der in Serie geschalteten Transistoren 18,20,24 und 22, während .iir 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 Widerstandjwerte
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 Strcmsignal an den Emitter" der
Transistoren 22 und 24 und im Widerstand 38 zwLchen diesen Erriittern. 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 /ι des Transistors 18
bei tiefen Frequenzen etwa gleich IinRoZR], worin /?o
gleich dem Widerstandswert der Widerstände 14 und 16 und Rt 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 Eingangsitrom erhält, ist der Wert des Stromes
/3 etwa gleich Ii„Ro/R\. Die Ausgangsströme /1 und/3 ^ind
gleich, jedoch um 180r in der Phase verschoben, da die Transistoren 18 und 20 eine Gegentaktstufe bilden.
Entsprechend ist der Kollektorstrom h des Transistors
22 etwa gleich IjnR0ZRu während de<
Kollektorstrom U 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 Ausgängsströme phasenrichtig addiert Die zu einem
gegebenen Zeitpunkt in einer ersten Richtung fließenden Ströme /1 und U addieren sich an der Klemme 42
und bilden den Strom /5. Die zu diesem Zeitpunkt in einer zweiten Richtung fließenden Ströme h und /3
addieren sich an der Klemme 44 und bilden einen gemeinsamen Strom As. Diese Ströme /5 und h 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 fr, 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 />gleich Eins, da
die Verstärkung der Schaltung bei der Frequenz /V
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 Rc/R, von 4 besitzen, wäh-
-"nd der erfindungsgemäße Verstärker lediglich ein Widerstandsverhältnis Ro/Ri von 2 besitz=:·, r.iuu. 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
fr
R,
gleichgesetzt werden. Für den vorgenannten konventionellen Verstärker muß das Verhältnis Rq/R\ 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 Verstärkers 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 der Schaltung. Aufgrund dieses Abgleiche sind richer
keine zu Verzerrungen führenden Phasenciii'ierenzen
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 gleirli dem Teilstrom ;',.
Ebenso ist der Ausgangsteilstrom /g an der Klemme 52 im wesentlichen gleich dem Teilstrom 4
Das Ki-i^ept des erfindungsgemäßen Gegentaktverstärker
kann auf Stromvervielfachungen ausgedehnt werden, welche größer als 2 sind. Beispielsweise kann
der Misgangsstrom vervierfacht werden. Anstelle der
Einspeisung des Eingangsstroms in lediglich ein Paar von Transistoren 18 und 20 zwischen der Klemme 10
t:·- I Erde kann diesem Paar ein entsprechend geschaltetes
weiteres Paar in Serie geschaltet werden, wobei die Basen zwischen die Basis des Transistoren 20 und Erde
geschaltet sind. Die Ausgangssignale an den Kollektoren eines derartigen zusätzliche.·· ^ransistorpaars
werden dann im Sinne einer Phasenaddition auf die Klemmen 42 und 44 gekoppelt. Entsprechend kann ein
weiteres Transistorpaar zwischen die Basis des Transistors 24 und Erde geschaltet werden, wodurch sich eine
resultierende Vervierfachur.g des Ausgangsstroms bzw
eine weitere Erhöhung der oberen Grenzfrequenz für eine gegebene Verstärkung ergibt.
Verstärker dieser Art zur Erzielung einer weiterer Stromvervielfachung sind in der Zeichnung nicht eigen«
dargestellt, da diese im wesentlichen lediglich eine Vervielfachung des dargestellten Verstärkers bilden.
Hierzu 1 Blau Zeichnungen
Claims (6)
1. Gegentaktverstärker mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen Frequenzen mit zwei jeweils 1S
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 ι υ
Transistoren der Transistorpaare einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koflektor-Emitterstrecken jeweils eines Transistors (18,22
bzw. 20, 24) der Transistorpaare (18, 20; 22, 24) in Reihe geschaltet sind und daß jeweils der Kollektor
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 (7i, h
bzw. h, h} phasengleich zu jeweils einem über eine
Ausgangskiemme (42 bzw. 44) fließenden Strom (h
bzw. h) überlagern.
2. Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Emitter der Transistoren 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 so
Emitterkopplung der Transistoren der Transistorpaare (18, TXt; 22, 24) bei hohen Frequenzen dem
jeweils koppelnden Widerstand (30 bzw. 38) eine Kapazität (32 bzw. 4OJ parallel geschaltet ist.
4. GegentaktverstärKer nach einem der Ansprü- π
ehe 1 bis 3, gekennzeichnet cjrch 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-Emitterkreise der Transistoren der Transistor- -ι -,
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 (-f V), die Emitter der
Transistoren (18, 20, 22, 24) über jeweils einen -,<> 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- >>
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 mi
(24) des zweiter) 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 hs
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
Transisterpaare 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 fr
definiert, bei der die Kurzschluß-Stromverstärkung eines Transistorverstärkers in Emitterschaltung gleich
Eins wird. In Kaskade geschaltete Transistoren liefern bei Frequenzen, welche gleich dem Wert fr oder über
diesem Wert liegen, keine zusätzliche Verstärkung, da Kaskadenstufen, weiche 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 Differenzverstärke es 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 kiein 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 fT der Transistoren wird.
Es ist weiterhin aus der DE-AS 12 59 952 bekannt, Differenzverstärker als Eingangsstufen für Niederfrequenzverstärker tu 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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |