DE2300540B2 - Integrierter Verstärker, insbesondere für Fernsprechgeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Verstärker mit Transistoren und Widerständen als Schaltungselemente im Verstärker, der als monolithisches Silikonplättchen hergestellt wird.

Derartige Verstärker können als Mikrophonverstärker in Fernsprechgeräten verwendet werden, wobei die Stromversorgung des Verstärkers über die Leitung des Fernsprechteilnehmers erfolgt

Das Verfahren zum Herstellen von Mikrophonverstärkern in Form integrierter Schaltungen, die aus einem monolithischen Plättchen bestehen, ist an sich bekannt wobei die Ausgangsanschlüsse des Verstärkers zugleich als Speisepunkte für die Gleichstromversorgung der Transistoren dienen. Hierbei bestehen jedoch bestimmte Schwierigkeiten, da der gesamte Ausgangsstrom aus einem Gleichstrom mit einem überlagerten Wechselstromausgangssignal besteht, so daß während der Arbeit des Verstärkers kurzzeitig ein Mindeststrom fließt Diese Mindestströme können kurzzeitig Verschiebungen bei den betreffenden Kennlinien und Isolationspotentialen in bezug auf die monolithische Unterlage und in bezug auf die Transistoren, Dioden und Widerstände im Verstärker verursachen.

Bei der üblichen monolithischen Integration wird auf einer Silikonunterlage verwendet eine p-Unterlaje, ein ^Subkollektor für obenliegende Transistoren, eine epitaktische n-Deckschicht, p-positive Basisbezirke mit n-poshiven Emitterbezirken in den erstgenannten Bezirken für n-p-n-Transistoren und p-poskiven lsolationsumrahmungen, die die betreffenden Komponenten umgeben, in einigen Fällen kann in demse&en Isolationsnshmen mehr als eine Komponente angeordnet werden. «>

Eine Isolation mit einem hohen Isolationswiderstand für eine Komponente innerhalb des zugehörigen Isolationsrahmen!;, der mit der Unterlage ohne eine Zwischengrenzschicht verbunden ist (Ohmsche Verbindung), wird '..n Prinzip dadurch erhalten, daß die Kornponenten auf einem positiven Potential in bezug auf die unterlage während des Betriebs gehalten wird, wobei das η-dotierte-Material in der epitaktischen Schicht innerhalb des Isolationsrahmens eine umgekehrte Spannung an der p-n-ObergangssteHe zur Unterlage erhält und dabei gegen die Unterlage isoliert wird. Komponenten in der integrierten Schaltung, die verschieden hohe umgekehrte Spannungen erhalten, müssen aus funktionellen Gründen auch im Betrieb die gegenseitigen Spannungspegel und Polaritäten beibehalten.

Ein Mikrophonverstärker für Fernsprechgeräte muß schaltungsmäßig so eingerichtet werden, daß die genannte Gleichstromversorgung über die Ausgangsanschlüsse des Verstärkers erfolgen kann. Dies bedeutet, daß die Schaltung eines solchen Verstärkers nicht Iediglich auf der Basis bekannter einfacher integrierter Verstärker zusammengestellt werden kann.

Der Verstärker muß, um in Fernsprechgeräten verwendet werden zu können, möglicherweise mit dem erforderlichen Zubehör, beispielsweise mit äußeren EntkopplungsKondensatoren und Widerständen, mit sehr geringen Kosten herstellbar sein, da von solchen Verstärkern sehr große Stückzahlen benötigt werden, so daß bei der sehr großen Anzahl im Gebrauch befindlicher Fernsprechgeräte ein groSer Kapitalaufwand erforderlich wird. Ein solcher Verstärker müßte vollständig integriert sein und wenn irgend möglich keine äußeren Bauteile aufweisen. Als Folge der integrierten Stromversorgung müssen jedoch Entkopplungselemente im Ventärker vorgesehen werden, die eine akustisehe Rückkopplung und eine Modulation des Signals an den Eingangsanschlüssen des Verstärkers durch Veränderungen des Ausgangsstromes verhindern. Entkopplungsschaltungen mit Kondensatoren und Widerständen können zu dem gewünschten Ergebnis führen, wo- so bei jedoch eine Lösung gefunden werden muß, die wirtschaftlich von Vorteil ist. Das Verfahren, in Verstärkern ein Widerstandselement zusammen mit einer Avalanche-Diode zum Entkoppeln in gleichfalls integrierten Verstärkern zu verwenden, ist bereits bekannt, welehe Schaltung in der üblichen Weise in der umgekehrten Richtung wirkt und die kapazitiven Elemente ersetzt. Bei integrierten Verstärkerschaltungen auf einem monolithischen Plättchen ist es oftmals sehr schwierig, geeignete Avalanche-Spannungen für integrierte Avalanche-Dioden in der Schaltung zu erhalten, da das bei der Herstellung angewendete Diffusionsverfahren dem Zweck dient, den günstigsten Wert in bezug auf gewisse Transistordaten als auch in bezug auf Widerstandsdaten zu erhalten. Die Dioden werden auf diese Weise als ein Neberlprodukt erhalten und weisen Avalanche-Spannungen von 6 bis 8 Volt auf.

Bei einem derartigen Mikrophonverstärker ist es

wichtig, die Eingangstransistoren und die Widerstände in der geeigneten Form vorzusehen. Wie bereits erwähnt, ist es besonders wichtig, daß als Folge der Stromversorgung des Verstärkers keine störende Modulation erfolgt in dem genannten Bezirk. Dies hängt davon ab, daß weder der Eingangstransistor selbst noch die zugehörigen Widerstände am monolithischen Plättchen der Einwirkung einer störenden Modulation durch Widerstandsmittel ausgesetzt werden, und die Widerstände dürfen nicht der Einwirkung einer Interferenzmodulation unterliegen, die kapazitiv über die gegendotierten epitaktischen Schichten erzeugt wird, die sie umgeben. Dasselbe gilt für die nachfolgenden Verstärkerstufen im Mikrophonverstärker; jedoch sind die Anforderungen in diesem FaHe nicht so streng.

Die Erfindung sieht einen Mikrophonverstärker vor, bei dem die genannten Mangel behoben sind und der den Anforderungen genügt, die in bezug auf die Vermeidung einer Interferenzmodulation gestellt werden, welcher Mikrophonverstäiker ferner wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Die besonderen Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen angeführt

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. Die Zeichnung zeigt den Schaltplan für einen Mikrophonverstärker nach der Erfindung.

Der Mikrophonverstärker besteht aus einer integrierten Schaltung auf einem monolithischen Plättchen, bei dessen Herstellung die an sich bekannten Verfahren angewendet werden. Der Mikrophonverstärker soll bei einem normalen Fernsprechgerät verwendet werden, das mit einem elektromagnetischen Mikrophon ausgestattet ist

Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Interferenzmodulation dadurch vermieden, daß zwischen der Spannungsverstärkungseinheit und der Ausgangseinheit des Verstärkers ein Entkopplungswiderstand eingeschaltet ist der mit einem äußeren und einen mäßig großen Kapazitätswert aufweisenden Kondensator zusammenwirkt Weiterhin ist die gegendotierte epitaktische Schicht gemeinsam für fünf Widerstände vorgesehen, die sich an der Eingangsstufe befinden. Als Folge dieser beiden Maßnahmen wird eine außerordentlich große Schwächung der Interferenzmodulation im Verstärker bewirkt.

Die in der Zeichnung dargestellte Verstärkerschaltung enthält eine Spannungsverstärkungseinheit mit den beiden Transistoren Qi und Ql und eine Ausgangsstufe mit den Transistoren Qi und QA, die im vorliegenden Falle eine Darlington-Kopplung bildet In der dargestellten Schaltung bestehen die Transistoren <?1, Q3 und QA aus n-p-n-Transistoren, während der Transistor Ql aus einem p-n-p-Transistor besteht Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellte Kombination beschränkt, sondern im Rahmen des Erfindungsgedankens können auch andere Kombinationen von Transistoren vorgesehen werden.

Der in der Zeichnung dargestellte Verstärker mit der genannten Transistorenkombination weist zwei Ausgangskontakte 15 und 16 auf, die zugleich als Anschlüsse für die Gleichstromversorgung des Verstärkers dienen. Diese Gleichstromversorgung erfolgt von den Anschlußpunkten 21 und 22 aus, die mit der Leitung des Fernsprechteilnehmers in Verbindung stehen, wobei am Eingang ferner ein Vollwellengleichrichter 18 vorgesehen ist, damit der Verstärker die Gleichspannung· mit der ordnungsgemäßen Polarität erhält, ungeachtet des Anschlusses der Teilnehmerleitung. Der Ausgangs-

kontakt 16 steht in direkter Verbindung mit der Teilnehmerleitung 21, 22 über den Vollwellengleichrichter

18, während der Ausgangskontakt 15 mit der Teilnehmerleitung 21, 22 über einen Widerstand 8 in Verbindung steht, dessen Zweck später noch erläutert wird. Der Widerstand 8 steht an dem einen Ende mit dem Ausgangskontakt 15 und am anderen Ende mit einem Ausgangspunkt 17 des Vollwellengleichrichters 18 in Verbindung.

Der Ausgangskontakt 15 speist einen »Niederpotentialleiter« 20, der über einen mit 5 bezeichneten Letter mit der Unterlage der integrierten Schaltung in Verbindung steht. Der Ausgangskontakt 16 speist über einen Entkopplungswiderstand 6 einen »Hochpotentialleiter«

19, der über den mit £ bezeichneten Leiter mit der genannten gegendotierten epitaktischen Schicht in Verbindung steht.

Die Spannungsverstärkungseinheit des Verstärkers besteht aus dem n-p-n-Transistor QX und dem p-n-p-Transistor Ql. Die Basiselektrode des Transistors Ql empfängt eine geeignete Arbeitsspannung über einen Widerstand 1, der zwischen die Basiselektrode und den Leiter 19 geschaltet ist, während ein weiterer Widerstand 3 zwischen die Basiselektrode und den Leiter 20 geschaltet ist Im vorliegenden Falle weist der Leiter 19 ein positives Potential in bezug auf den Leiter 20 auf. Die Emitterelektrode des Transistors QX steht in direkter Verbindung mit dem Leiter 20, während die Kollektorelektrode des Transistors QX über einen Widerstand 2 mit dem Leiter 19 und mit der Basiselektrode des Transistors Ql direkt verbunden ist, welche letztgenannte Basiselektrode über einen Widerstand 4 mit dem Leiter 20 in Verbindung steht Die Emitterelektrode des Transistors Ql steht in direkter Verbindung mit dem Leiter 19, während die Kollektorelektrode des Transistors Ql über einen Widerstand 5 mit dem Leiter 20 und mit der Basiselektrode des Transistors Q3 direkt in Verbindung steht, welcher Transistor einen Teii der Ausgangsstufe des Verstärkers bildet Die Kollektorelektrode des Transistors Q3 steht in direkter Verbindung mit dem Ausgangskontakt 16, und ebenfalls steht die Emitterelektrode des Transistors Q3 in direkter Verbindung mit der Basiselektrode des zweiten Transistors Q* der Ausgangsstufe des Verstärkers. Die Kollektorelektrode des Transistors QA ist direkt verbunden mit dem Ausgangskontakt 16, während die Emitterelektrode direkt verbunden ist mit dem Leiter 20 und damit direkt verbunden mit dem Ausgangskontakt 15. Die Transistoren QH und Qi bestehen aus n-p-n-Transistoren.

Das Signal wird dem Verstärker an den Eingangskontakten 13 und 14 zugeführt, von denen der Eingangskontakt 13 mit der Basiselektrode des Transistors QX direkt verbunden ist, während der Eingangskontakt 14 über den genannten Widerstand 8 mit dem Ausgangskontakt 15 verbunden ist

Im vorliegenden FaDe ist an die Eingangskontakte 13, 14 ein elektromagnetisches Mikrophon 11 angeschlossen, das einen Teil des Teilnehmergerätes bildet und über einen Kondensator 10 mit dem Eingangskontakt 13 verbunden ist, um zu verhindern, daß der Gleichstromwiderstand des Mikrophons 11 die Charakteristik des Transistors QX ändert die von den Widerständen 1 und 3 bestimmt wird.

Damit der vorgenannte Mindeststrom die Einheitsspannung des Verstärkers und damit in erster Linie den Transistor QX mit den zagehörigen Widerständen 1 und 3 nicht stören kann, wurde der bereits genannte Entkopplungswiderstand 6 eingeführt. Im vorliegenden Falle wirkt dieser Widerstand mit einem Entkopplungskondensator 9 zusammen, der an der; einen Seite am Verbindungspunkt 12 mit dem zum Ausgangskontakt 16 entfernten Ende des Widerstandes 6 am Leiter 19 verbunden ist. Die andere Seite des Kondensators 9 steht mit dem Ausgangskontakt 15 und damit mit dem Leiter 20 über einen Widerstand 7 in Verbindung, der für den Verstärker nicht unbedingt erforderlich ist und

ίο auch weggelassen werden kann. Auf diese Weise wird die erwünschte Entkopplung in bezug auf die Transistoren QX und Ql erzielt

Die Widerstände 7 und 8 haben sekundäre Aufgaben zu erfüllen in bezug auf die Einstellung der Ausgangs-

IS impedanz und der Verstärkung.

Bei einer Integration nach den herkömmlichen Verfahren ist es üblich, für jedes Schaltungselement einen besonderen Isolationsrahmen vorzusehen. Bei einem Verstärker mit der in der Figur dargestellten Schaltung kann jedoch eine starke Vereinfachung dadurch erreicht werden, daß die Widerstände 1 bis 5 in demselben Isolationsrahmen angeordnet werden, welche Maßnahme möglich wird, da das η-Material der epitaktischen Schicht innerhalb des betreffenden Rahmens ohne Grenzschichten eine direkte Verbindung aufweist mit dem Ende des Entkopplungswiderstandes 6, der direkt mit dem Leiter 19 verbunden ist und damit mit dem Speisepunkt für die Eingangsstufe.
Der bereits genannte Kondensator 9 übt außer der genannten Entkopplungsfunktion noch eine weitere wichtige Funktion aus, nämlich die Aufladung des Transistors QA als Folge eines an den Eingangskontakten des Verstärkers auftretenden Signals, wobei das Potential am Kontaktpunkt 12 und damit auch am Speiseleiter 19 konstant gehalten wird in bezug auf das Potential am Kontaktpunkt 15 und das Potential am Speiseleiter 20. Der Kondensator 9 stellt daher ein Zusatzelement bei der tatsächlichen monolithischen Schaltung und damit ein »äußeres« Schaltungselement dar, aufgrund des Umsiandes, daß der Kondensator 9 eine Kapazität von ungefähr 1 Mikrofarad aufweisen soll.

Der Widerstand 6 kann in die monolithische Schaltung aufgenommen werden, kann jedoch in diesem Falle nicht gänzlich in demselben Isolierrahmen angeordnet werden wie die Widerstände 1 bis 5 oder wie die Transistoren Q& und QA. Andererseits kann ein Teil des Widerstandes 6 in dem Isolierrahmen für die Widerstände 1 bis 5 angeordnet werden, während der übrige Teil des Widerstandes 6 mit einem eigenen Isolierrahmen versehen wird. Beide Transistoren Ql und QZ sind mit einem eigenen Isolierrahmen versehen, während die Transistoren Q3 und Qi in einem gemeinsamen lsolierrahmen angeordnet werden können.

Bei einem integrierten Verstärker mit der dargestell-

SS ten Schaltung wurde unter Berücksichtigung der oben angeführten Erwägungen im Betrieb eine Spannungsverstärkung von ungefähr dem tausendfachen Wert erreicht der fur ein Fernsprechgerät mehr als ausreichend ist Die erfindungsgemäße Schaltung weist noch

te den weiteren Vorzug auf, daß eine verhältnismäßig große Ausgangsleistung erzieh wind und daß die Speisespannung auf einige Volt oder auch auf nur ein Volt absinken kann, ohne daß die Verstärkung zu weit absinkt Der gesamte Verstärker kann zusammen mit zu-

6s gehörigen äußeren Schaltungselemente!!, wenn überhaupt solche vorgesehen sind, ober du* Teilnehmerleitung und über den Vollwellengteichrichter 18 mit Strom versorgt werden, wobei die zugeführte Span-

nung immer die ordnungsgemäße Polarität aufweist, ungeachtet des Anschlusses der Teilnehmerleitungen. Die in Betracht kommenden Teile des Fernsprechgerätes sind nicht dargestellt, da sie für die Erfindung nicht wesentlich sind.

Die Erfindung ist auf die beschriebene Ausführungsform nicht beschränkt. Beispielsweise kann unter Beibehaltung der genannten Prinzipien in bezug auf die Integration der Gruppe von Widerständen der Spannungsverstärkungseinheit und des Widerstandes 6 der Verstärkungsgrad noch weiter angehoben werden dadurch, daß anstelle des Transistors Ql mehrere Transistoren in der sogenannten Darlington-Kopplung nach der USA.-Patentschrift 2 663 806 verwendet werden. Es ist ferner möglich, den Kondensator 9 durch eine für eine niedrige Spannung bemessene Avalanche-Diode zu ersetzen, in welchem Falle die Avalatiche-Spannung dieser Diode 3,5 Volt betragen kann. Dies kann unter gewissen Umständen verwirklicht werden; jedoch darf

in einer solchen Schaltung die Speisespannung nicht auf einen zu niedrigen Wert absinken. Der Kondensator 9 in der Schaltung weist eine günstigere Wirkung in bezug auf die Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung auf und gestattet die Zuführung einer niedrigeren Speisespannung.

In der Verstärkertechnik ist das Verfahren bekannt, einen Entkopplungskondensator durch eine Konstantstromschaltung zu ersetzen, die in bezug auf die Speisung der Transistoren Ql und Q2. so angeschlosser werden kann, daß sie als Konstantstromgenerator wirkt. Eine derartige Schaltung kann einen oder mehrere Transistoren sowie eine Avalanche-Diode mit einei niedrigen Avalanche-Spannung enthalten und könnte den Kondensator 9 ersetzen, weist jedoch denselber Nachteil auf wie eine einfache Avalanche-Diode, inso fern, als die Speisespannung nicht unter einen so niedri gen Wert absinken darf_: wie dies bei Verwendung de; Kondensators 9 zulässig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Integrierter Verstärker, bestehend aus einem monolithischen SiUkonplättchen mit mehreren integrierten Widerständen und mit mindestens drei integrierten Transistoren, die eine Spannungsversiärkungseinheit mit Signaleingangskontakten und eine Ausgangsstufe mit Signalausgangskontakten bilden, wfelcher Verstärker besonders als Mikrophonverstärker für Fernsprechgeräte geeignet ist wobei das Mikrophon mit den Signaleingangskontakten und die Signalausgangskontakte mit der Anscjilußleitung des Femsjjrechgepätes verbunden %5ä?^eo «nd \ wobei die Stromversorgung des Verstärkers ä«fs der Fernsprechleitung über die Signalausgangskontakte erfolgt dadurch gekennzeicjinet, daß zwischen die Spannungsverstärkungseinheit (Qi, Ql) und die Ausgangsstufe (Q3, Q4) und zwischen einen Speiseletter (19) für die Spannungsverstärkungseinheit und einen Signalausgangskontakt (16) für die Speisung der Ausgangsstufe ein Widerstand (6) eingeschaltet ist der eine Entkopplung bewirkt und in das monolithische Plättchen integriert ist daß der genannte Widerstand zum Entkoppeln der Spannungsverstärkungseinheit von der Ausgangsstufe mit einem weiteren beispielsweise kapazitiven oder die Spannung konstant haltenden Schaltungselement (9) zusammenwirkt das außerhalb des integrierten Verstärkers angeordnet ist, daß mindestens die zur Eingangsstufe (Qi) gehörenden Widerstände (1, 3) der Spannungsverstärkungseinheit innerhalb eines einzelnen Isolationsrahmens am monolithischen Plättchen angeordnet werden, daß alle Widerstände (1 bis 5) der Spannungsverstäikungs· einheit erzeugt werden durch Diffusion in ein gegendotiertes Material im monolithischen Planchen, welches Material ohne Grenzschichten mit demjenigen Ende des Entkopplungswiderstandes (6) in Verbindung steht, das der Spannungsverstärkungseinheit zugewandt ist, und daß die Ausgangsstufe in einem oder mehreren getrennten Isolationsrahmen am monolithischen Plättchen angeordnet ist.

2. Integrierter Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das weitere Schaltungselement (9) aus einem außerhalb des eigentlichen integrierten Verstärkers angeordneten Kondensator (9) besteht der an der einen Seite mit dem der Spannungsverstärkungseinheit zugewandten Ende des Entkopplungswiderstandes (6) in Verbindung steht und der an der anderen Seite mit dem Ausgangskontakt (15) des Verstärkers in Verbindung steht, welcher Kontakt die entgegengesetzte Polarität in bezug auf den Entkopplungswiderstand aufweist.

3. Integrierter Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das weitere Schaltungselement (9) aus einer Avalanche-Diode besteht, die zwischen das der Spannungsverstärkungseinheit zugewandte Ende des Entkopplungswiderstandes (6) und den Signalausgangskontakt (15) eingeschaltet ist, der die entgegengesetzte Polarität des Verstärkers aufweist, und daß der Avalanche-Diode im Betrieb die entgegengesetzte Spannung zugeführt wird.

4. Integrierter Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Schaltungselement aus einer Konstantstromschaltung besteht, die mindestens einen Transistor und eine Avalanche-Diode aufweist und zwischen das der Spannungsverstärkungseinheit zugewandte Ende des Eiitkopplungswiderstandes (6) und den genannten Speiseleiter (19) eingeschaltet ist

5. Integrierter Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß dem Kondensator (9) ein Widerstand (7) und möglicherweise eine Reaktanz nachgeschaltet ist

6. Integrierter Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Ausgangskontakt (IS) und einen Punkt (17) für die gesamte Stromversorgung des Verstärkers ifi ejnen> Stromkreis zwischen dem Verstärker

ύηύ der Fernsprechleitung eine zusätzliche Impedanz (8) in Form eines Widerstandes und möglicherweise idne Reaktanz eingeschaltet ist

7. Integrierter Verstärker nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet daß die Spannungsverstärkungseinhei* mindestens zwei Transistoren (Ql, Ql) aufweist von denen ein Paar aus je einem n-p-n-Transistor und einem p-n-p-Transistor besteht

8. Integrierter Verstärker nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet daß in der Spannungsverstärkungseinheit eine erste Stufe als Darlington-Koppler mit zwei Transistoren geschaltet ist.

9. Integrierter Verstärker nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß die Ausgangsstufe als Darlington-Koppler mit zwei Transistoren ausgebildet ist.

10. Integrierter Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Entkopplungswiderstand (6) zum Teil im Isolationsrahmen für die Widerstände (1 bis 5) der Spannungsverstärkungseinheit angeordnet ist oder innerhalb eines Isolationsrahmens für die Ausgangsstufe, während der übrige Teil des Entkopplungswiderstandes innerhalb eines gesonderten Isolationsrahmens angeordnet ist der am monolithischen Plättchen für den betreffenden Teil des Entkopplungswiderstandes (6) vorgesehen ist