DE2309154B2

DE2309154B2 - Stromverstaerker

Info

Publication number: DE2309154B2
Application number: DE19732309154
Authority: DE
Inventors: Harold Allen Pennington N.J. Wittlinger (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-12-26
Filing date: 1973-02-23
Publication date: 1976-07-15
Also published as: US3835410A; DE2309154A1; JPS4991570A; CA1001240A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromverstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Unter einem Stromverstärker soll hier eine aktive Schaltung verstanden werden, deren Ausgangsstrom in einem bestimmten Strombereich vom Eingangsstrom abhängt. Der Stromverstärkungsfaktor braucht dabei picht notwendigerweise größer als 1 zu sein. Eingangsund Ausgangsstrom können Ruheströme oder veränderliche Ströme sein. Zur Klasse der vorliegenden Stromverstärker sind daher auch die gewöhnlich als »Stromspiegel« bezeichneten Schaltungsanordnungen zu rechnen.

Ein Stromverstärker mit den Merkmalen des Gattungsbegriffes des Patentanspruchs ist auf einer Veröffentlichung von Brendenkamp »A Precision Current Multiplier/Divider«, veröffentlicht in den »Proceedings of ^%he IEEE«. Band 60, Nr. 11, November 1972, S. 1440 bis 1441, bekannt. Dieser und andere Stromverstärker der hier interessierenden Art, wie sie z. B. in der DT-AS 19 44 028 und der US-PS 35 88 672 beschrieben sind, haben jedoch alle den bei manchen Anwendungen sehr störenden Nachteil, daß ihr Ausgangsstrombedarf etwas größer ist als ihr Eingangsstrombedarf. Für gewisse Anwendungen, z. B. bei der Kopplung eines symmetrischen Ausganges eines ermittelgekoppelten Differenzverstärkers mit einem unsymmetrischen Eingang eines in Emitterschaltung arbeitenden Verstärkers benötigt man dagegen einen Kopplungsverstärker, der etwas weniger Ausgangsstrom braucht alü Eingangsstrom, damit noch Basisstrom für den in Emitterschaltung arbeitenden Verstärker übrigbleibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Stromverstärker der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Ausgangsitrombedarf kleiner ist als sein Eingangsstrombedarf und bei dem das Verhältnis von Ausgangs- und Eingangsstrom im wesentlichen durch Konstruktionsparameter bestimmt ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Stromverstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Der Stromverstärker gemäß der Erfindung kann so aufgebaut werden, daß er weniger Ausgangsstrom als Eingangsstrom benötigt, so daß noch Basisstrom für eine mit seinem Ausgang gekoppelte Verstärkerstufe zur Verfügung steht Das Verhältnis von Ausgangs- und Eingangsstrom läßt sich außerdem durch die relativen Abmessungen von Transistoren bestimmen und hängt daher nicht von Schaltungsparametern ab, die durch äußere Einflüsse verändert werden könnten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Stromverstärkers gemäß der Erfindung,

Fig.2 ein Schaltbild eines Transistors, der an die Stelle einer im Stromverstärker gemäß F i g. 1 enthaltenen Halbleiterdiode treten kann und

F i g. 3 ein Diffusionsprofil einer integrierten Schaltung, das eine weitere Möglichkeit der Realisierung dieser Halbleiterdiode veranschaulicht

Der in Fig. 1 dargestellte Stromverstärker 5 enthält drei Transistoren II, 12 und 13 gleichen Leitungstyps und eignet sich besonders gut für die Realisierung in einer integrierten Schaltung, da eine thermische Kopplung zwischen den Transistoren 11 und 12 bestehen soll. Der Stromverstärker 5 hat einen Eingang 4, dem ein Eingangsstrom von einer Stromquelle 2 zugeführt wird. Der Stromverstärker 5 liefert an seinem Ausgang 6 einen dem Eingangsstrom proportionalen Ausgangsstrom, der einen Verbraucher oder eine Last 8 speist. Ein gemeinsamer Anschluß 10 des Stromverstärker liegt an Bezugspotential, z. B. Masse und zwischen Masse und die der Eingangs bzw. Ausgangsklemme 4 bzw. 6 abgewandten Klemmen der Stromquelle 2 und der Last 8 ist eine Spannungsquelle 121 geschaltet, die an die Stromquelle und die Last eine von Masse verschiedene (positive) Spannung liefert.

An den Eingang 4 ist eine Halbleiterdiode 15 angeschlossen, die einen Stromweg für den Kollektorstrom des Transistors 11 und die Basisströme der Transistoren U und 12 bildet. Der Kollektor des Transistors 11 ist über eine Gegenkopplungsverbindung 16 mit seiner Basis verbunden, die den Kollektorstrom dieses Transistors auf einen Wert regelt, der im wesentlichen gleich dem von der Stromquelle 2 an den Eingang 4 gelieferten Eingangsstrom abzüglich der Basisströme der Transistoren 11, 12 und 13 ist. Der für diesen Kollektorstrom des Transistors 11 erforderliche Emitterstrom bestimmt die Spannung an den Basen der Transistoren il und 12. Diese Spannung ist gleich dem Spannungsabfall an einem mit der Basis des Transistors 11 "erbundenen Widerstand und dem sich aus dem betreffenden Emitterstrom ergebenden Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 11. Wenn der Transistor 12 mit einem Emitter gegen Kopplungs-Widerstand 19 versehen ist. dessen Widerstandswert zu dem des Widerstandes 18 in einem Verhältnis steht, das umgekehrt zu dem der effektiven Basis-Emitterübergangsflächen der Transistoren 11 und 12 ist, so ist bekanntlich das Verhältnis der Kollektorströme der Transistoren 12 und 11 gleich dem Verhältnis der effektiven Basis-Emitterübergangsflächen dieser beiden Transistoren. Das Verhältnis (Proportionalitätsfaktor) der Kollektorströme der Transistoren 12 und 11 läßt sich daher durch ausschließlich die Geometrie der in integrierter Schaltungs.form ausgeführten Bauelemente festlegen. Mehrere Transistoren mit zusammengeschalteten Basen, zusamnengeschalteten Emittern und

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zusammen geschalteten Kollektoren ergeben einen Verbundtransistor mit vergrößerter effektiver Basis-Emitterübergangsfläche. Wenn die Widerstandswene der Emitterwiderstände 18 und 19 im wesentlichen null sind, indem sie lediglich durch den Materialwiderstand, den Kontaktwiderstand und den Zuleitungsdrahtwiderstand gebildet werden, so wird diese Proportionalität der Transistoren 12 und 11 auf jeden Fall erhalten.

Der Kollektorstrom des Transistors 13, der den in Basisschaltung arbeitenden Traiisistorverstärkertei! ι ο einer aus den Transistoren 13 und 12 bestehenden Kaskade bildet, ist gleich dem Kollektorstrom des Transistor« 12 minus dem Basisstrom des Transistors 13. Letzterer ist eine Komponente des Kollektorstroms des Transistors 12, jedoch nicht des Kollektorstroms des Transistors 13. Der Ausgangsstrom des Stromverstärkers 5 am Ausgang 6 ist dem Betrag nach gleich dem Kollektorstrom des Transistors 13, jedoch mit umgekehrtem 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 ti 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 (Übertragungsieitwerte) der beiden Transistoren fest bleibt. Das ist erwünscht, um sicherzustellen, daß der Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers durch Spannungsänderungen oder -Schwankungen am Verstärkereingang oder -ausgang nicht beeinflußt wird. Nachstehend wird erläutert, weshalb diese Kollektorspannungen gleich bleiben.

Die Kollektorspannungen der Transistoren 11 und 12 sind je in bezug auf die Spannung am Eingang 4 bestimmt. Die Kollektorspannung des Transistors 11 ist weniger positiv als die Spannung am Eingang 4 um einen Betrag, 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 (-übergängen) 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 gewünschtenfills noch da- s.s durch verbessert werden, daß man das Verhältnis der effektiven Sperrschicht- oder Übergangsflächen der Diode 15 und des Basis-Emitterübergangs des Transistors 13 gleich dem Verhältnis der Ko'lektorströme der Transistroen 11 und 12 macht. Das heißt, man kann die Stromdichten in der durchlaßgespannten Sperrschicht der Diode 15 und im Basis-Emitterübergang des Transistors 13 einander angleichen, so daß die entsprechenden Spannungsabfälle einander noch mehr angeglichen sind. ^(l?

Da die Kollektorspannungen der beiden Transistoren 11 und 12 ebenso wie ihre Basisspannungen und ihre Emitterspannungen im wesentlichen gleich sind, arbeiten diese Transistoren in im wesentlichen identischen Teilen ihrer Arbeitskennlimen. Dies ermöglicht eine genauere Proportionierung ihrer Kollektorsiröme, gegeben durch die Proportionierung der relativen Flächen ihrer Basis- Emitterübergänge. Außerdem ist aufgrund der im wesentlichen gleichen Betriebsspannungen der Transistoren 11 und 12 der Leistuiigsverbrauch jeder dieser Transistoren der Fläche des Basis-Emitterübergang 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 i 1 und 12, so daß ihr Verhältnis gleich dem Verhältnis der effektiven Basis-Emitterübergangsflächen der Transistoren ist

Fig.2 veranschaulicht eine Möglichkeit, die Halbleiterdiode 15 zu realisieren. Und zwar kann die Diode durch einen Transistor 15' vom gleichen Leitungstyp wie der Transistor 11 ausgebildet werden, wobei die Basis direkt mit dem Kollektor dieses Transistors 15' verbunden ist und wobei der Kollektor die Anode und der Emitier die Kathode der Halbleiterdiode 15 bilden. Macht man die effektiven Basis-Emitterübergangsflächen der Transistoren 12 und 13 sowie die effektiven Basis-Emitterübergangsflächen der Transistoren 11 und 15 jeweils einandei gleich, so ergibt sich eine im wesentlichen optimale Anpassung der Kollektorspannungen Jer Transistoren 11 und 12.

F i g. 3 veranschaulicht, wie die Halbleiterdiode 15 auf wirtschaftlichere Weise in einer monolithisch integrierten Schaltungsanordnung realisiert werden kann. Die Halbleiterdiode 15 wird durch einen Übergang 30 zwischen einem Kollektorgebiet 31 und einem durch nachträgliche Eindiffusion darin gebildeten Gebiet 32 des entgegengesetzten Leitungstyps gebildet. Das Kollektorgebiet ist wie üblich mit einer Kollektorelektrode ohmisch 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-Lateraltransistor auch durch Eindiffundieren des Diodenkathodengebiets in das Kollektorgebiet des Transistors realisiert werden.) Ein Basisgebiet 34 und ein Emittergebiet 35 sind mit ohmschen Kontakten 36 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, ein durchlaßgespannte Diode oder eine sperrgespannte Diode ersetzt werden.

Die Basen der Transistoren 11 und 12 können statt über die Dierektverbindung 16 und die Diode 15 auch über z. B. einen Emitterfolger oder eine Diode galvanisch (gleichstromleitend) an den Eingang 4 angeschlossen sein, wie aus der RCA Corporation Technical Note No. 914 mit dem Titel «Current Mirro Amplifier Circuits« bekannt ist.

Statt auf einen Verstärker mit zwei Transistoren (11 und 12). außer den Bauelementen 13 und 15, ist die Erfindung gleichermaßen auch auf andere entsprechende Anordnungen anwendbar. Beispielsweise 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-Emitterübergangsfläche 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 erfindungsgemäße 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Stro/nverstärker mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und einer Masseklemme, ferner mit drei Transistoren gleichen Leistungstyps, und mit einem Halbleiterbauelement (Diode oder Transistor mit Selbstvorspannung), das zwischen die Eingangsklemme und die Kollektorelektrode des ersten Transistors geschaltet und für den Kollektorstrom dieses Transistors in Flußrichtung gepolt ist wobei die Ermitterelektroden des ersten und zweiten Transistors mit der Masseklemme gekoppelt sind und der dritte Transistor mit seiner Basiselektrode an die Eingangsklemme, mit seiner Kollektoreiektrode an die Ausgangsklemme und mi! seiner Emitterelektrode an die Kollektorelektrode des zweiten Transistors angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode des ersten Transistors (11) mit seiner Basiselektrode und mit der des zweiten Transistors (12) verbunden ist.