DE2314015B2 - Signalverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Signalverstärker, bei welchem ein als Schalter wirkender Transistor, der in

ίο der Nähe seines Schwellenwertes in gesperrtem

Zustand gehalten und durch ein Eingangssignal leitend

wird, die Umladung einer Kapazität im Ausgangskreis auf eine Kapazität im Eingangskreis bewirkt

Signalverstärker, bei denen Transistoren als aktive

is Elemente dienen, sind an sich bekannt So ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3286189 ein Signalverstärker mit einem Feldeffekttransistor beschrieben, dessen Verstärkung dadurch vergrößert wird, daß der Feldeffekttransistor anstelle einer durch einen Widerstand gebildeten Last mit einem weiteren Feldeffekttransistor beiastet wird.

In der US-Patentschrift 35 64 290 ist eine logische Schaltung mit Feldeffekttransistoren beschrieben, bei der zwischen dem Gate und der Source des Feldeffekttransistors ein Kondensator angeordnet ist, um zu erreichen, daß das Gate dem Potential der Source folgt Die Ladung des Kondensators wird gesteuert, um den Feldeffekttransistor leitend oder nichtleitend zu machen, so daß der Schaltkreis mit kleinen Spannungen betrieben werden kann.

In der US-Patentschrift 32 68 827 ist ein Verstärker mit einem Feldeffekttransistor beschrieben, bei dem eine hohe Verstärkung ohne Signalverzerrung in der Weise herbeigeführt wird, daß ein Feldeffekttransistor als Verstärker mit gemeinsamer Source und dem Gate als Signaleingang und ein zweiter Feldeffekttransistor als Verstärker mit gemeinsamen Gate und der Source als Signaleingang geschaltet ist Dadurch erhält man eine Kaskadenverstärkerschaltung, bei der Feldeffekttransistoren sowohl im Ausgangskreis als auch im Eingangskreis des Verstärkers als aktive Elemente wirken.

Weiterhin ist durch eine Veröffentlichung in »IEEE Journal of Solid-State Circuits«, Vol. SC-4, Nr. 3, Juni 1969, Seiten 131 bis 134, insbesondere Fig. 6, eine Ausgangsstufe einer Eimerkettenschaltung bekannt bei der über einen Emitterfolger das Signal aus der letzten Stufe der Schaltung wiedergewonnen wird. Für das einwandfreie Arbeiten dieses Emitterfolgers ist es

so notwendig, die Ladung der parasitären Kapazität am Ausgang des Verstärkers zu einem geeigneten Zeitpunkt rasch abzuführen. Zu diesem Zweck ist ein einen Transistor und eine Kapazität enthaltender Stromkreis vorgesehen. Der während einer Periode des Steuersignals gesperrte Transistor wird in der anderen Periode leitend, so daß die Ladung der parasitären Kapazität über den Transistor abfließen kann.

In einer weiterhin durch die US-Patentschrift 35 75 614 bekannten Schaltung werden kleine Eingangssignale in Ausgangssignale bestimmter Höhe, wie sie für gegebene Schaltungen erforderlich sind, umgewandelt Zu diesem Zweck sind zwei in Serie geschaltete Transistorstufen vorgesehen, eine Eingangsstufe, deren Transistor in der Nähe des Schwellenwertes gehalten wird, und eine zweite Stufe, über die eine in der Ausgangsleitung liegende Kapazität aufgeladen wird. Der Transistor der Eingangsstufe ist durch die Ladung einer im Eingangskreis liegenden Kapazität gesperrt In

diesem Falle entspricht die Ausgangsspannung der Ladung der Kapazität des Ausgangskreises. Wenn durch ein Signal die im Eingangskreis liegende Kapazität entladen wird, so wird die Eingangsstufe leitend mit der Folge, daß sich die im Ausgangskreis liegende Kapazität fiber die Eingangsstufe entlädt Das Ausgangssignal nimmt somit einen der beiden durch die Ladung oder Entladung der Ausgangskapazität gegebenen Werte an.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker zur Entdeckung and Verstärkung kleiner Signale anzugeben, dessen Ausgangssignal derart vom Eingangssignal abhängt, daß eine lineare Verstärkung erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Signalverstärker der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprachen gekennzeichnet

Der erfindungsgemäße Signalverstärke., der gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine proportionale Verstärkung eines kleinen Eingangssignals ermöglicht hat darüber hinaus den Vorteil, daß er unabhängig von der Schwellenwertspannung des darin benutzten aktiven Schaltelements ist da sich durch die Schaltung jeweils automatisch ein dem Schwellenwert benachbarter Wert bei der Sperrung des Transistors einstellt Die Schaltung ist außerdem unabhängig von Toleranzschwankungen der verwendeten Halbleiterbauelemente und läßt sich, nicht zuletzt deshalb, leicht in der Technik der integrierten Schaltungen herstellen.

Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das schematische Schaltbild des Signalverstärkers unter Verwendung von Feldeffekttransistoren und F i g. 2 ein Diagramm von Spannungen an verschiedenen Punkten der Schaltung in einem Arbeitszyklus.

In Übereinstimmung mit der Feldeffekttransistortechnik ist im folgenden die dem Erdpotential benachbarte Elektrode des Feldeffekttransistors als Source oder als der Ladungsträger liefernde Anschluß bezeichnet während die am höchsten vorgespannte Elektrode, d.h., die vom Erdpotential am weitesten entfernte Elektrode als Drain oder als die Ladungsträger aufnehmende Elektrode bezeichnet ist, und die dritte Elektrode, die den Schaltzustand des Feldeffekttransistors steuert als Gate bezeichnet ist

In F ί g. 1 ist ferner angenommen, daß alle Feldeffekttransistoren sogenannte N-Kanalfeldeffekttransistoren sind. Der verstärkende Feldeffekttransistor 10 ist mit seiner Source U über den Speicherkondensator Cs und dem zweiten Feldeffekttransistor 12 mit Masse verbunden. Seine Gateelektrode 13 ist zum Signaleingang 14 über den Blockkondensator 15 und über den Feldeffekttransistor 16 mit einer positiven Reverenzspannungsquelle 17 verbunden. Die Drain 18 des Feldeffekttransistors 10 ist mit der Ausgaugsleitung 19 verbunden, die über den Feldeffekttransistor 20 mit der positiven Spannungsquelle 21 und den Kondensator Co mit Masse verbunden ist

Die Gates 24 und 25 der Feldeffekttransistoren 12 und 16 sind mit einem (nicht dargestellten) Taktimpulsgenerator Φ-ί verbunden, während das Gate des Feldeffekttransistors 20 mit einer anderen (nicht dargestellten) Taktimpulsquelle Φ-2 verbunden ist

Als Beispiel sei angenommen, daß die beschriebenen Feldeffekttransistoren N-K&nal-Anordnungen sind mit einem Breite-zu-Länge Verhältnis von 1, einer Beweglichkeit von ungefähr 400 cm/V-sec, einer Schwellenwertspannung von ungefähr 1 V und einer FET-Steilheit von ungefähr 30 Micro ohm/V. Mit diesem Bauelementen beträgt die Größe des Kondensators Cs vorzugsweise ungefähr 10 pF und des Kondensators Co ungefähr 04 pF. Die Spannungsquelle 21 liefert eine positive Spannung von ungefähr 10 V, während die Referenzspannungsquelle 17 eine positive Spannung von ungefähr 4 V liefert Die Impulse der beiden Taktimpulsquellen Φ-i und Φ-2 betragen ungefähr 12 V. Mit den beschriebenen Bauelementen werden positive Eingangssignale verstärkt

Die Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltung wird in Verbindung mit den in Fig.2 gezeichneten Spannungen beschrieben. Zur Zeit T-O sind die Transistoren 12 und 16 eingeschaltet durch Anlegen des Taktimpulses Φ-ί an ihre Gates, und der Transistor 20 ist ebenfalls eingeschaltet da der Taktimpuls Φ-2 an seinem Gate anliegt Die Taktimpulse befinden sich auf relativ hohen Spannungspegeln um sicherzustellen, daß die Transistoren 12,16! und 20 nicht in der Sättigung betrieben werden.

Wenn der Transistor 20 einschaltet wird die Spannung der Spannungsquelle 21, in diesem Falle + 10V, der Ausgangsleitung 19 zugeführt, deren Potential auf den durch die Kurve 30 dargestellten Wert unter Ladung des Kondensators Co ansteigt Wenn der Transistor 12 einschaltet wird der Kondensator Cs entladen, und wenn der Transistor 16 einschaltet wird das Gate 13 des Feldeffekttransistors 10 auf die durch die Bezugsspannungsquelle 17 gelieferte Spannung vorgespannt wie dies in der Kurve 31 der Fig.2 dargestellt ist Für die beschriebenen Bauelemente liegt das Gate 13 ungefähr bei 4 V, wenn die Bezugsspannungsquelle 17 4 V beträgt Diese Spannung am Gate 13 bewirkt daß das Gate 13 positiver ist als die Source 11 um mindestens die Schwellenwertspannung und weniger positiv ist als die Drainspannung. Daher wird der Feldeffekttransistor 10 leitend im Sättifiungsbereich.

Zur Zeit T— 1 verschwindet der Taktimpuls Φ-ί mit der Wirkung, daß die Transistoren 12 und 16 gesperrt werden. Da das Gate 13 durch den Blockkondensator 15 vom Eingang getrennt ist, hält sich das Gate auf der Referenzspannung, selbst wenn es jetzt durch die Sperrung des Transistors 16 von der Spannungsquelle 17 getrennt ist Dadurch bleibt das Gate 13 positiver als die Source 11 um mehr als eine Schwellenwertspannung, und der Feldeffekttransistor 10 bleibt im leitenden Zustand. Wenn der Transistor 12 gesperrt wird, beginnt die Ladung des Kondensators Cf auf eine Spannung, die der Spannung am Gate 13 (4 V) abzüglich der Schwellenwertspannung des Transistors 10 (ungefähr 1 V) entspricht Entsprechend wird der Kondensator Co auf die volle Spannung der Spannungsquelle 21 aufgeladen. In F i g. 2 ist die Aufladung des Kondensators Cs durch die Kurve 32 und die Aufladung des Kondensators Co durch die Kurve 29 dargestellt

Wenn der Kondensator Cs seine Spannung erreicht, d. h, die Gatespannung (4 V) abzüglich der Schwellenwertspannung (ungefähr 1 V) des Transistors 10, wird der Transistor 10 gesperrt, da das Gate 13 nunmehr nicht mehr positiver ist als die Source 11 als eine Scixvellenwertspannung. Zu einer bestimmten Zeit T— 2, nachdem der Kondensator Cs vollgeladen ist, verschwindet der Taktimpuls Φ-2, wobei der mit der Ausgangsleitung 19 verbundene Kondensator Co vollgeladen bleibt. Die Leitung 19 und der Kondensator

Co bleiben geladen, da sie von der Spannungsquelle 21 durch den Transistor 20 und vom Kondensator Cs durch den Transistor 10 getrennt sind.

Die Schaltung bleibt in diesem Zustand, in welchem der Transistor 10 leitend werden kann, sobald die Spannung am Gate 13 ansteigt.

Zur Zeit 7"-3 wird ein kleiner Eingangsimpuls AV von beispielsweise ungefähr 100 mV an den Eingang 14 angelegt Dieser kleine Eingangsimpuls kann beispielsweise ein Ausgangsimpuls von einem integrierten Halbleiterspeicher sein. Dieser Eingangsimpuls stellt einen Zuwachs zu der Gate-Sipannungskurve 31 dar und ist in Fig.2 durch die Kurve 33 dargestellt. Dieser Spannungszuwachs am Gate 13 des Transistors 10 bewirkt, daß der Transistor 10 wieder leitend wird. Dies geschieht deshalb, weil die Gate-Spannung wieder positiver ist als die Sourcespannung einschließlich des Schwellenwertes.

Wenn der Transistor 10 einschaltet, steigt die Ladung des Kondensators Cs wieder an bis zum positiveren Wert des Gates 13. Dies ist in F i g. 2 durch die die Kurve 32 aberlagernde Kurve 34 dargestellt

Da der Kondensator Cs ungefähr 20mal größer (10 pF) als der Kondensator Co (03 pF) ist wird nunmehr der Kondensator Co zum größten Teil entladen, wobei das Potential auf der Ausgangsleitung 19 entsprechend sinkt Das heißt daß die Änderung der

Ausgangsspannung dem Eingangssignal proportional ist.

In dem beschriebenen Beispiel, in welchem Cs=IOpF, Co = 0,5 p_F und das Eingangssignal 100 mV sind, würde die Änderung auf der Ausgangsleitung 2000 mV betragen. Damit wird das Eingangssignal invertiert und um den Faktor 20 verstärkt

Nach der Verstärkung eines Eingangssignals muß die Schaltung durch erneutes Anlegen der Taktimpulse Φ-1 und Φ-2 an die Gates der Transistoren 12,16 und 20 und Wiederholung des beschriebenen Arbeitszyklus zurückgestellt werden.

Durch das Oberführen der Ladung auf den Kondensator Cs in der beschriebenen Weise arbeitet die Schaltung auch, wenn für den verstärkenden Transistor 10 Feldeffekttransistoren mit anderen Schwellenwert-Spannungen verwendet werden.

Es ist ferner offensichtlich, daß auch P-Kanal-Feldeffekttransistoren verwendet werden können. In diesem Fall ist es notwendig, daß die Polarität der angelegten Spannungen umgekehrt wird

Die Erfindung wurde zwar an einem Beispiel mit Feldeffekttransistoren beschrieben; die Schaltung arbeitet jedoch auch, wenn PNP und NPN bipolare Transistoren anstelle der Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Signalverstärker, bei welchem ein als Schalter wirkender Transistor, der in der Nähe seines Schwellenwertes in gesperrtem Zustand gehalten und durch ein Eingangssignal leitend wird, die Umladung einer Kapazität im Ausgangskreis auf eine Kapazität im Eingangskreis bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Transistor (10) in Reihe geschalteter Kondensator (Cs) und ein im Ausgangskreis (19) parallel zu der Reihenschaltung angeordneter Kondensator (Co) durch Ober taktgesteuerte Schalter (12, 16, 20) zugeführte Spannungen unter Sperrung des Transistors (10) aufladbar sind, und daß durch ein über die Steuerelektrode (13) des Transistors zugeführtes Signal, dis den Transistor leitend macht, ein von der (lohe des Signals beeinflußter Teil der Ladung des im Ausgangskreis liegenden Kondensators (Co) auf den anderen Kondensator (Ό/überführbar ist

2. Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromflußelektrode (U) des Transistors (10) Ober einen durch einen taktgesteuerten Schalter (12) überbrückbaren Kondensator (Cs) mit einem Bezugspotential verbunden ist, daß an die andere Stromflußelektrode (18) des Transistors (10), die über einen taktgesteuerten Schalter (20) mit einer ersten Spannungsquelle (21) verbindbar ist, der Signalausgang (19) und über einen Kondensator (Co) ein Bezugspotential angeschlossen ist, und daß die Steuerelektrode (13) des Transistors (10), an die Ober einen Kondensator (15) der Signaleingang (14) angeschlossen ist, über einen taktgesteuerten Schalter (16) mit einer zweiten Spannungsquelle (17) verbindbar ist

3. Signalverstärker nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Verstärkers durch Aufladen des im Ausgangskreis liegenden Kondensators (Co) und des im Stromkreis des Transistors (10) liegenden Kondensators (Cs) die Schalter (12, 16,20) durch Taktimpulse derart steuerbar sind, daß in jedem Arbeitszyklus zunächst durch einen Taktimpuls (Φ-l) der im Eingangskreis liegende Schalter (16) und der den Kondensator (Cs) überbrückende Schalter (12) und durch einen längeren Taktimpuls (Φ-2) der im Ausgangskreis liegende Schalter (20) geschlossen werden.

4. Signalverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Stromkreis des Transistors (10) angeordnete Kondensator (Cs) eine größere Kapazität aufweist als der im Ausgangskreis liegende Kondensator (Co).

5. Signalverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der im Eingangskreis (13) liegenden Spannungsquelle (17) kleiner ist als die Spannung der im Ausgangskreis (19) liegenden Spannungsquelle (21), jedoch größer ist als die Schwellenwertspannung des Transistors (10).

6. Signalverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) sowie die die Ladung und Entladung der Kondensatoren (Cs, Co) steuernden Schalter (12,16, 20) als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.

7. Signalverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor

(10) sowie die die Ladung und Entladung der Kondensatoren (Cs, Co) steuernden Schalter (12,16, 20) als bipolare Transistoren ausgebildet sind.