DE2316458C2 - Mehrstufiger Verstärker, insbesondere Videoverstärker - Google Patents

Description

Bei der monolithischen Integration von Schaltungen mit der standardisierten bipolaren npn-Technologit ist es nahezu unmöglich, hochwertige, in den dynamischen Egenschaften den npn-Transisloren äquivalente pnp-Transistoren zu realisieren. Entsprechend den technologischen Möglichkeiten werden in begrenztem Umfang in niederfrequenten Schaltungen laterale oder Substratpnp-Transistoren verwendet, deren Eigenschaften meist eine spezielle Kombination mit npn-Transistoren erforderlich machen. Eir weser. iiches Merkmal dieser lateralen oder Substrat-S'rukturen liegt im geringen Emitterwirkungsgrad (Stronivers'irkung) und der nie deren Transitfrequenz (einige MHz). Daraus resultiert, daß ein Einsatz im höherfrequenten Bereich bisher zu unbefriedigenden Ergebnissen führte.

Eine Forderung nach Verwendung von pnp-Transi- »toren in einer integrierten Schaltung mit npn-Technologie wird insbesondere bei komplexen Schaltungen erhoben. Die galvanische Kopplung mehrerer Stufen bedingt oftmals ein Aufstocken der Betriebsspannung von Stufe zu Stufe, so daß man zu erhöhten Betriebsspannungen und erhöhten Verlustleistungen kommt und damit die Komplexität (durch hohe Zahl der Bauelemente), die Wirtschaftlichkeit oder die Funktion begrenzt. Die polaritätbedingten Eigenschaften des pnp-Transistors werden also im wesentlichen zur Verschiebung der Gleichspannung genutzt mit möglichst geringen dynamischen Nachteilen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen solche mehrstufigen Verstärker, bestehend aus einer Emitterfolgerstufe mit einem pnp-Transistor und einer galvanisch direkt oder über eine Zwischenstufe angekoppelten Doppelstufe, die aus einem pnp-Transistor und einem galvanisch angekoppelten npn-Transistor zusammengesetzt ist. die derart miteinander verbunden sirid. daß sich der Emitterstrom des pnp-Transistors und der Kollektorstrom des npn-Transistors in einem gemeinsamen Widerstand addieren, in integrierter Schaltung, vorzugsweise in standardisierter npn-Technologie mit iwei oder mehreren lateralen oder SUbstrat-pnp-Transistoren, insbesondere Videoverstärker,

Die Erfindung löst die Aufgabe, in diesem Verstärker bei Nutzung aller technologischer Möglichkeilen mit standardisierten npn*Technö!dgien den vorteilhaften Einsatz einer pnp-Transistorkambination bis zu einer oberen Frequenzgrenze von ca. 15 bis 20MHz zu erlauben, also den Frequenzbereich nach oben wesentlich zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird der Emitterstrom der Emitterfolgerstufe ganz oder zum Teil über einen Widerstand in den genannten Widerstand der Doppelstufe oder in einen Teil derselben geleitet.
Bei einem zweistufigen Röhrenverstärker ist es bekannt (Pitsch, Lehrbuch der Funkempfangstechnik, 4. Aufl. Bd. 11,1964, S. 651, Abb. 514), daß ein den beiden Röhren gemeinsamer Kathodenwiderstand positiv rückkoppelnd wirkt. Bei der Anwendung die-ses bekannten Prinzips auf den beschriebenen Fall ergibt sich jedoch wegen dei phasendrehenden Wirkung der pnp-Transistoren bei ihrer relativ zu npn-Transistoren niedrig liegenden Transitfrequenz keine gleichmäßige Rückkopplung innerhalb des Frequenzbereiches sondern eine Anhebung der Verstärkung bei den hohen Frequenzen, wie unten bei der Beschreibung der F i g. 5 näher erklärt wird.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erklärt.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen drei Schaltungsbeispiele der Erfindung,

F i g. 4 Frequenzkurven,
F i g. 5 und 6 Vektordiagramme und
F i g. 7 die zugehörige Schaltung mit Bezeichnungen für Ströme und Spannungen.

In der integrierten Schaltungsiechnik bekannt ist die Kombination aus lateralem pnp- mit einem bipolaren, isolierten npn-Tiunsistor, wie sie im rechten Teil der Fig. 1. gebildet aus Ti, Tj, Rj skizziert ist. Diese Anordnung erfüllt zumeist die Anforderungen der NF-Technik, jedoch ist im höherfrequenten Bereich die nutzbare Verstärkung gering infolge großer Rückwirkung, kleinem Eingangswiderstand und schlechtem Stromverstärkungsverlauf.
Eine wesentliche Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften bringt die Erweiterung der einfachen pnp-npn-Kombination zu einer Einheit nach Fig. 1 mit Eingang 1 und Ausgang 2. Diese Schaltung kombiniert in integrierter Technik einen Substrat-pnp-Transistor (Ti) und einen lateralen pnp-Transistor (Ti) mit einem npn-Transistor (T^) derart, daß eine Verstärkereinheit mit guter Breithandigkeit (Tiefpaßcharakteristik) und den pnp-spe/ifischen Gleichspannungsverschiebe-Eigenschaften entsteht. Die Besonderheit der Schaltung nach F i g. 1 ist darin zu sehen, daß der Emitterstrom von T\ durch die Rückkopplung über R₁ mit dem Kollektorstrom von Γι verknüpft ist. Dadurch wird aufgrund der spezifischen Eigenschaften der integrierten pnp-Transistoren ein mit der Frequenz steigender Eingangswiderätand erzielt, der bei geeigneter Dimensionierung sogar negativ werden kann und dessen kapazitive Komponente mit steigender Frequenz abnimmt bzw. induktiv wird. Unter Einbeziehung der Generatorimpedanz sind Übertragungseigenschaften, siehe Fig.4, mit Spannungsverstärkungen größer als 4 dB realisierbar. Die relative Übertragung A. die pioportional dem Verhältnis von Ausgangsspannung zum Generatorstrom ist, ist in Abhängigkeit von der Frequenz f dargestellt. Die Unterschiedlichen Kurven a bis c verdeutlichen näherungsWeise die Eigenschaften der Schaltungen nach F ί g. I bis 3 bzw. den durch entsprechende Dimensionier rung der aktiven und passiven Elemente möglichen Frequenzgang.
Für die relative Übertragung A nach Kurve a und b

eignet sich vorteilhaft eine Anordnung nach F i g. 2, bei der der Widerstand R₂ in F i g. 1 in zwei Widerstände R₂\ und Rn aufgeteilt ist, dagegen für stärkere Anhebung (Kurve c)d\e Schaltung nach Fi g, 1. Die Variation nach Fig.3 mit zusätzlichem Substrat-pnp-Transistor 71 ist zweckmäßig für hochohmige Schaltungen (Generator) und kleine Betriebsströme.

Zum Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung zeigen Fig.5 das näherungsweise Vektordiagramm für den niederfrequenten Bereich, d. h. geringer Steiiheitsphase bzw. Laufzeit beim pnp- wie npn-Transisloren, und F i g. 6 das Vektordiagramm für den Grenzfrequenzbereich, also jenes Gebiet, bei dem die pnp-Transistoren ihre Transitfrequenz /V besitzen (fr « 8 bis 12 MHz). Dagegen treten beim npn-Typ nur geringe Laufzeitänderungen auf. In F i g. 7 sind die zugehörigen Ströme und Spannungen eingetragen. Beim Vergleich der beiden Diagramme ist zu ersehen, daß bei niederen Frequenzen der Eingangswiderstand u\li\ positiv und kapazitiv ist und mit höher werdender Frequenz der Realteil der Eingangsimpedanz leicht negativ wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nutzt also unter Einbeziehung einer bestimmten Schaltungstechnik die spezifischen Eigenschaften von pnp-Transistoren (lateral- bzw. Substrat-Typ) in Schaltungen mit standardisierter npn-Technologie. Es werden die im allgemeinen als nachteilig bezeichneten ungünstigen dynamischen Stromverstärkungseigenschaft und die relativ große Basiskapazität der lateralen bzw. Substrat-pnp-Elemente in vorteilhafter Weise in

is einer rückgekoppelten Anordnung eingesetzt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Mehrstufiger Verstärker, bestehend aus einer Emitterfolgerstufe mit einem pnp-Transistor und einer galvanisch direkt oder über eine Zwischenstufe angekoppelten Doppelstufe, die aus einem pnp-Transistor und einem galvanisch angekoppelten npn-Transistor zusammengesetzt ist, die derart miteinander verbunden sind, daß sich der Emitterstrom des pnp-Transistors und der Kollektorstrom des npn-Transistors in einem gemeinsamen Widerstand addieren, in integrierter Schaltung, vorzugsweise in standardisierter npn-Technologie mit zwei oder mehreren lateralen oder Substrat-pnp-Transistoren, insbesondere Videoverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterstrom der Emitterfolgerstufe (T\) ganz oder zum Teil über einen Widerstand (R\) in den genannten Widerstand (Rj) der Doppelstufe (Ti, Tj) oder in einen Teil derselben geleitet wird.