DE2309154A1 - Stromverstaerker - Google Patents
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Description
7488-73/Kö/S
RCA Docket No.: 62,316
Convention Date:
December 26, 1972
Die Erfindung betrifft einen Stromverstärker mit zwei Transistoren des gleichen Leitungstyps, deren einer mit seinem KoIleIc
tor gleichstromleitend an den Eingang und deren anderer mit seinem Kollektor gleichstraaleitend an den Ausgang dee Verstärkers angekoppelt ist und deren Emitter Über einen gemeinsamen Anschluß
gleichstromleitend alt einem Bezugspotentialpunkt verbunden sind, sowie mit einer den Kollektorstrom des ersten Transistors auf
einen dem Eingangsstrom am Eingang im wesentlichen gleichen Wert einregelnden Anordnung, die einen gleichartigen Direktanschluß
der Basen der beiden Transistoren an den Eingang enthält, und mit einer an den Ausgang angeschlossenen Anordnung zum Empfang des
Ausgangsstromes.
Ein "Stromverstärker" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist
eine aktive Schaltung, deren Ausgangsstrom dem Eingangsstrom über einen Teil der Strombereiche folgt bzw. proportional ist und die
nicht unbedingt eine Stromverstärkung aufzuweisen braucht. Eingangsund Ausgangsstrom können Ruheströme oder veränderliche Ströme sein.
Die gewöhnlich als "Stromspiegel" bezeichneten Schaltungen gehören
daher zur Klasse der "Stromverstärker" im vorstehend definierten Sinne.
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deren Emitter galvanisch an den gemeinsamen Pol oder Anschluß des
Verstärkers, deren Kollektoren galvanisch an den Eingang bzw. den Ausgang des Verstärkers und deren zusararaenpeschaltete Rasen direkt
an den Eingang des Verstärkers angekoppelt sind. Ein solcher be
kannter Stromverstärker arbeitet wie folgt: Der erste Transistor regelt über die Kollektor-Hasiseegenkopplunp seinen Kollektorstrora
so, daß er dem Eingangsstrom im wesentlichen gleich ist. Wegen der
Parallelschaltung der Basis-Emitterkreise der beiden Transistoren liefert der zweite Transistor als Auscancsstrom einen Kollektorstrom,
der dem Kollektorstrom des ersten Transistors proportional ist.
Bei den bekannten Stromverstärkern sind keine Maßnahmen jre troffen,
um die Kollektorspannungen der beiden Transistoren unter sämtlichen Stromleitungsbedingungen im wesentlichen gleich zu halten.
Solche Maßnahmen sind jedoch wünschenswert, um die Auswirkungen von Kollektorspannungsungleichheiten, die die Proportionalität
zwischen Ausgangs- und Eingangsstrom des Stromverstärkers beeinträchtigen, zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromverstärker zu schaffen, bei dem die Proportionierung des Ausgangs- und des
Eingangsstromes allein durch die relativen Geometrien der beiden Transistoren, insbesondere durch das Flächenverhältnis der Baais-Emittertibergänge
bestimmt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Stromverstärker
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in die gleichstromleitenden
Koppelwege zwischen den Kollektoren der beiden Transistoren einerseits und dem Eingang bzw. Ausgang des Verstärkers
andererseits eine Ausgleichsanordnung eingeschaltet ist, welche die Kollektorspannungen der beiden Transistoren his auf eine Diffe
renz, die wesentlich kleiner ist als der Spannungsabfall an einer
durchlaßgespannten Halbleitersperrschicht, einander angleicht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 das Schaltschema eines erfindungsgemäßen Stromver-■tlrkere;
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Figur 2 ein Schaltschema, das eine Möglichkeit der Realisierung der Halbleiterdiode in Figur 1 veranschaulicht; und
Figur 3 ein Diffusionsprofil, das eine andere Möglichkeit
der Realisierung dieser Halbleiterdiode veranschaulicht.
Der inFigur 1 gezeigte Stromverstärker eignet sich besonders
gut für den Einbau in eine integrierte Schaltung, da es wünschenswert
ist, daß eine thermische Kopplung zwischen den Transistoren 11 und 12 besteht. Der Einganesstrora von der Stromquelle 2 gelangt
zum Eingang 4 des Stromverstärkers 5· Der Stromverstärker erzeugt
an seinem Ausgang 6 einen dem Eingangsstrom proportionalen Ausgangsstrom,
der eine Last oder einen Verbraucher 8 speist. Der gemeinsame Anschluß 10 des Stromverstärkers 5 liegt an Massebezugspotential,
und eine Spannungsquelle 121 beaufschlagt die Stromquelle und die Last 8 mit einer gegenüber Masse verschobenen (posi_
tiven) Bezugsspannung.
Der Stromverstärker 5 enthält drei Transistoren 11, 12 und
von gleichartigem Leitungstyp. Eine Halbleiterdiode 15 bildet einen Stromweg vom Eingang 4 für den Kollektorstrom des Transistors
11 und die Basisströme der Transistoren 11 und 12. Die Gegenkopplungsverbindung l6 vom Kollektor zur Basis des Transistors 11 regelt
dessen Kollektorstrom auf einen Wert ein, der im wesentlichen gleich dem von der Stromquelle 2 an den Eingang 4 gelieferten
Eingangsstrom minus den Basisströmen der Transistoren 11, 12 und 13 ist. Der für diesen Kollektorstrom erforderliche Emitterstrom
des Transistors 11 bestimmt die Spannung an den Basen der Transistoren 11 und 12. Diese Spannung ist gleich dem Spannungsabfall
aa Widerstand 18 und dem Basis-Emitterspannungsabfall des Transistors
11 für den Wert dieses Emitterstroms. Wenn der Transistor
12 mit einem Emittergegenkopplungs-Widerstand 19 versehen ist, dessen
Widerstandswert zu dem des Widerstands 18 im umgekehrten Verhältnis me das Verhältnis der effektiven Basis-Emitterübergangs-/idcA'*
A+r T^n f iitoren 11 und 12 steht, so ist bekanntlich das
Verhältnis der Koxlektorströme der Transistoren 12 und 11 gleich
dem Verhältnis der effektiven Basis-EmitterUbergangsflachen der
beiden Transistoren. Die Proportionalität zwischen den Kollektorströmen der Transistoren 12 und 11 läßt sich daher durch aus-
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schließlich die Geometrie der in integrierter ^chaltungsform aus
geführten Bauelemente festlegen. Mehrere Transistoren mit zusammengeschalteten Basen, zusammengeschaiteten Emittern und zusammen
geschalteten Kollektoren ergeben einen Verbundtransistor mit vergrößerter effektiver Pasis-Emitterübergangsf lache. Wenn die Widerstandswerte der Emitterwiderstände 18 und 10 im wesentlichen null
sind, indem sie lediglich durch den Materialwiderstand, den Kontaktwiderstand und den Zuleitungsdrahtwiderstand gebildet werden,
so wird diese Proportionalität der Kollektorströme der Transistoren 12 und 11 auf jeden Fall erhalten.
Der Kollektorstrom des Transistors 1.3, der den in Basisschaltung arbeitenden Transistorverstärkerteil einer aus den Traneistoren 13 und 12 bestehenden Kaskade bildet, ist gleich dem
Kollektorstrom des Transistors 12 minus dem Basisstrom des Transistors 13. Letzterer ist eine Komponente des Kollektorstroms
des Transistors 12, jedoch nicht des Kollektorstroms des Transistors 13. Der Ausgangsetrom des Stromverstärkers 5 am Ausgang
ist dem Betrag nach gleich dem Kollektorstrom des Transistors 13, jedoch mit umgekehrte« Vorzeichen, um der Tatsache Rechnung zu
tragen, daß die tatsächliche Stromflußrichtung bei einem npn
Transistor der vorausgesetzten Richtung des Ausgangsstromflusses
entgegengesetzt ist.
Die Kopplung zwischen dem Eingang 4 und den Kollektoren der Transistoren 11 und 12 ist so ausgebildet, daß die Spannungen an
diesen Kollektoren im Betrieb der Schaltung im wesentlichen gleich bleiben. Dies ist wichtig, weil dadurch mit sichergestellt wird,
daß das Verhältnis der Transkonduktanzen (Übertragungsleitwerte) der beiden Transistoren fest bleibt. Das ist erwünscht, um sicherzustellen, daß der Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers durch
Spannungeänderungen oder -Schwankungen am \'erstärkereingang oder
-ausgang nicht beeinflußt wird. Nachstehend wird erläutert, weshalb diese Kollektorspannungen gleich bleiben.
Die Kollektorspannungen der Transistoren 11 und 12 sind je
in besuff auf die Spannung am Eingang 4 bestimmt. Die Kollektorspannung des Transistors 11 ist weniger positiv als die Spannung
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am Eingang 4 um einen Retrap, der gleich ist dem Spannungsabfall
an der Diode 15, die durch den Kollektorstrom des Transistors 11 durchlaßgespannt ist. Die Kollektorspannung des Transistors 12
ist weniger positiv als die Spannung am Eingang 4 um einen Betrag, der gleich ist dem Spannungsabfall am Basis-Emitterübergang des
Transistors 13, der durch den Kollektorstrom des Transistors 12 durchlaßgespannt ist. Die Spannungsabfälle an durchlaßgespannten
Halbleitersperrschichten (-Ubergängen\ des gleichen Materials
sind auch bei unterschiedlichen Geometrien der Sperrschichten und unterschiedlichen Stromdichten der durch sie fließenden Ströme im
wesentlichen gleich. Die Kollektorspannungen der Transistoren 11 und 12 sind daher im wesentlichen gleich.
Diese Gleichheit kann gewünschtenfalls noch dadurch verbessert werden, daß man das Verhältnis der effektiven Sperrschichtoder Übergangsflächen der Diode 15 und des Basis-Emitterübergangs
des Transistors 13 gleich dem Verhältnis der Kollektorströme der Transistoren 11 und 12 macht. Das heißt, man kann die Stromdichten
in der durchlaßgespannten Sperrschicht der Diode 15 und im Basis-EmitterUbergang des Transistors 13 einander angleichen, so daß
die entsprechenden Spannungsabfälle einander noch mehr angeglichen
sind.
Da die Kollektorspannungen der beiden Transistoren 11 und ebenso wie ihre Basisspannungen und ihre Emitterspannungen im
wesentlichen gleich sind, arbeiten diese Transistoren in im wesentlichen identischen Teilen ihrer Arbeitskennlinien. Dies er-■öglicht eine genauere Proportionierung ihrer Kollektorströme,
gegeben durch die Proportionierung der relativen Flächen ihrer Basis-Emitterübergänge. Außerdem ist aufgrund der im wesentlichen
gleichen Betriebsspannungen der Transistoren 11 und 12 der
Leistungsverbrauch Jeder dieser Transistoren der Fläche des Basis-EaitterUbergangs proportional. Die Temperaturen der Transistoren
11 und 12 können daher einander mehr angeglichen werden, als es sonst der Fall wäre. Durch diese Temperaturgleichheit ergibt sich
auch eine bessere Proportionierung der Transkonduktanzen der Transistoren 11 und 12, so daß ihr Verhältnis gleich dem Verhältnis der effektiven Basie-EmitterUbergangsflachen der Transistoren
ist.
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Figur 2 veranschaulicht eine Möglichkeit, die Halbleiterdiode 15 zu realisieren. Und zwar kann die Diode durch einen Traneistor
15' vom gleichen Ieitungstyp wie der Transistor 11 gebildet werden,
wobei die Basis direkt mit dem Kollektor dieses Transistors IV
verbunden ist und wobei der Kollektor die Anode und der Emitter die Kathode der Halbleiterdiode 15 bilden. Macht man die effektiven
Basis-Emitterübergangsflächen der Transistoren 12 und 13 sowie die
effektiven Basis-Emitterübergangsflachen der Transistoren 11 und
15 jeweils einander gleich, so ergibt sich eine im wesentlichen optimale Anpassung der Kollektorspannungen der Transistoren 11
und 12.
Figur 3 veranschaulicht, wie die Halbleiterdiode 15 auf wirt_
schaftlichere Weise in einer monolithisch integrierten Schaltungs_
anordnung realisiert werdeqfkann. Die Halbleiterdiode 15 wird
durch einen übergang 30 zwischen einem Kollektorgebiet 31 und einem
durch nachträgliche Eindiffusion darin gebildeten Gebiet 3 2 des entgegengesetzten Leitungetyps gebildet. Das Kollektorgebiet ist
wie üblich mit einer Kollektorelektrode ohraisch kontaktiert (nicht
gezeigt). Dies stellt auch den Anschluß an die Kathode der Diode 15 her. Ein ohmscher Kontakt 33 am Gebiet 32 bildet den Anschluß
an die Anode der Diode 15· (Baut man den Stromverstärker 5 mit pnp-Transistoren statt mit npn-Transistoren auf, so kann eine durch
Kollektorstrom durchlaßgespannte Diode in einem pnp-Lateraltran sistor
auch durch Eindiffundieren des Diodenkathodengebiets in das Kollektorgebiet des Transistors realisiert werden.) Ein Basisgebiet
34 und ein Emittergebiet 35 sind mit ohmschen Kontakten 3^
bzw. 37 versehen.
Die Grundanordnung läßt sich in verschiedener Hinsicht abwandeln. Beispielsweise können der Transistor 13 und der als Diode
geschaltete Transistor 15' aus Verbundtransistoren bestehen, die je durch eine Darlington-Kaskadenschaltung gebildet werden. Ferner
kann die Direktverbindung 16 durch einen Emitterfolger, einen
Widerstand, eine durchlaßgespannte Diode oder eine sperrgespannte Diode ersetzt werden.
Die Basen der Transistoren 11 und 12 können statt Über die
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Direktverbindung l6 und die Diode 15 auch über z.B. einen Emitte£
folger oder eine Diode galvanisch (gleichstromleitend) an den Eingang 4 angeschlossen sein. Entsprechende Ausführungen sind in
der RCA Corporation Technical Note No. 914 mit dem Titel "Current
Mirror Amplifier Circuits" (zur Post gegeben am 24. August 1072) dargestellt.
Statt auf einen Verstärker mit zwei Transistoren (11 und 12), außer den Bauelementen 1.1 und IS, ist die Erfindung gleichermaßen
auch auf andere äquivalente Anordnungen anwendbar. Feispielsweise können in der Praxis der Transistor 12 aus zwei oder drei oder
mehr parallelleitenden Transistoren und der Transistor 11 aus einem einzigen Transistor bestehen. Ferner kann die Basis-Emitter-Ubergangsflache
des Transistors 12 erheblich größer (oder kleiner) als die des Transistors 11 ausgebildet sein. Durch all dies wird
zwar der Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers, nicht dagegen
das erfindungsgeraäße Wirkungsprinzip beeinflußt.
Der Ausdruck "Halbleiterdiode" schließt einen als Diode geschalteten
Transistor ein, und der Ausdruck "Transistor" schließt
Verbundtransistoren, die durch untereinander verschaltete Einzeltransistoren gebildet sind, ein.
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Claims (7)
1. Stromverstärker mit zwei Transistoren des gleichen Leitungstyps,
deren einer mit seinem Kollektor gleichstrotaleitend an
den Eingang und deren anderer mit seinem Kollektor gleichstromleitend an den Ausgang des Verstärkers angekoppelt ist und deren
Emitter über einen gemeinsamen Anschluß gleichstromleitend mit einem Bezugspotentialpunkt verbunden sind, sowie mit einer den
Kollektorstrom des ersten Transistors auf einen dem Eingangsstrom am Eingang im wesentlichen gleichen Wert einregelnden Anordnung,
die einen gleichartigen Direktanschluß der Basen der beiden Transistoren
an den Eingang enthält, und mit einer an den Ausgang angeschlossenen Anordnung zum Empfang des Ausgangsstromes, dadurch geke nnzeichnet, daß in die gleichstromleitenden
Koppelwege zwischen den Kollektoren der beiden Transistoren (11, 12) einerseits und dem Eingang (4) bzw. Ausgang
(6) des Verstärkers andererseits eine Ausgleichsanordnung (15, 1.1)
eingeschaltet ist, welche die Kollektorspannungen der beiden Trari
sistoren bis auf eine Differenz, die wesentlich kleiner ist als der Spannungsabfall an einer durchlaßgespannten Halbleitersperrschicht,
einander angleicht.
2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgleichsanordnung eine den
Eingang (4) «it dem Kollektor des ersten Transistors (11) verbindende Halbleiterdiode (15) in solcher Polung , daß sie durch den
Kollektorstrom des ersten Transistors durchlaßgespannt wird, und einen dritten Transistor (13) enthält, der mit seiner Basis an
den Eingang (4), mit seinem Emitter direkt an den Kollektor des zweiten Transistors (12) und mit seinem Kollektor an den Ausgang
(6) angeschlossen ist.
3. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgleichsanordnung einen
dritten (15') und einen vierten (13) Transistor vom gleichen Lei-
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tungstyp wie der erste (11) und der zweite (12) Transistor enthält,
wobei der Kollektor des dritten Transistors (15') an den
Eingang (4), der Kollektor des vierten Transistors (13) an den Ausgang (6) angekoppelt, der Emitter des dritten Transistors an
den Kollektor des ersten Transistors (11), der Emitter des vierten Transistors an den Kollektor des zweiten Transistors (12) angeschlossen
und die Hasen des dritten und des vierten Transistors mit dem Eingang (4) gleichartig direktverbunden sind.
4. Stromverstärker mit zwei Transistoren, deren Basen zusammengeschaltet
und deren Emitter an einen Bezugspotentialpunkt angeschlossen sind, wobei zwischen den Basen der beiden Transistoren
und dem Kollektor des ersten der beiden Transistoren eine Gegenkopplung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch
eine Anordnung, die eine feste Beziehung zwischen den Transkonduktanzen der beiden Transistoren (11, 12) aufrechterhält und eine
Koppelschaltung zwischen Eingang (4) und Ausgang (6) des Verstärkers einerseits und den Kollektoren der beiden Transistoren andererseits
enthält, derart, daß die Kollektoren der beiden Transistoren im wesentlichen gleiche Betriebsspannungen haben.
5. Stromverstärker nach Anspruch 4, dadurch ge-·
kennzeichnet, daß die Koppelschaltung eine in Durch_
laßrichtung zwischen den Eingang (4) und den Kollektor des ersten Transistors (11) geschaltete erste Diode und eine in Durchlaßrichtung
zwischen den Eingang (4) und den Kollektor des zweiten Transistors (12) geschaltete zweite Diode enthält.
6. Stromverstärker nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Diode durch die Basis-Emitterdiode
eines mit seinem Kollektor an den Ausgang (6) angeschalteten dritten Transistors (13) gebildet ist.
7. Stromverstärker nach Anspruch 5>
dadurch gekennzeichnet , daß die Gegenkopplung aus einer gleich stromleitenden Verbindung (16) besteht. '
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