DE2335314B2 - Halbleiterverstärker für kleine Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker für kleine elektrische Signale mit einer Transistor-Verstärkerstufe, der eine Emitterfolgerstufe nachgeschaltet ist, deren Ausgang an den Eingang der Transistor-Verstärkerstufe zurückgeführt ist.

Die Kombination einer die Signalspannung verstärkenden Transistorstufe und einer nachgeschalteten Emitterfolgerstufe ist bekannt und beispielsweise in der US-PS 30 42 876 und der der US-PS 35 34 277 beschrieben. Die dort gezeigten Schaltungen weisen auch Rückkopplungspfade auf, doch sind diese nicht vom Ausgang der Emitterfolgerstufe unmittelbar auf den Eingang der vorgeschalteten Spannungsverstärkerstufe zurückgeführt. Rückkopplungen bei zweistufigen Verstärkern sind ebenso bekannt und beispielsweise in der »Internationalen Elektronischen Rundschau«, 1967, Nr. 1 O.Seite 245, dargestellt.

Bei üblichen Verstärkerschaltungen und insbesondere solchen der eingangs definierten Art erfolgt die Ankopplung der Signalquelle über Kondensatoren, die je nach dem zu übertragenden Frequenzspektrum große Kapazitätswerte aufweisen müssen. Diese für Schaltungen mit diskreten Bauelementen geeignete Art der Signalankopplung stößt auf Schwierigkeiten, wenn die gesamte Verstärkerschaltung in integrierter Technik ausgeführt werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist ein Halbleiter-Verstärker für kleine Signale der eingangs definierten Schaltungsart, der ohne Zwischenschaltung eines Kondensators an eine Signalquelle anschließbar ist und sich insbesondere für den Aufbau in integrierter Technik eignet. Auch soll der Verstärker weitgehend unabhängig von Umgebungseinflüssen und Exemplarstreuungen sein.

Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß dem bekannten Verstärker an seinem Eingang ein zur direkten Ankopplung einer Signalquelle an den

Verstärker dienender Koppeltransistor vorgeschaltet ist.

Ein nach den Merkmaien der Erfindung aufgebauter Halbleiterverstärker besitzt den Vorteil einer sehr einfachen, leicht zu integrierenden Schaltung ~nd ist

Ό weitgehendst unabhängig von Änderungen der Komponentenwerte, die sich aufgrund von Umgebungseinflüssen oder Fabrikationseinflüssen ergeben. Dadurch ist es möglich, den Verstärker bzw. einzelne Komponenten zu ersetzen, ohne daü dadurch die Wirkungsweise des Verstärkers wesentlich beeinflußt wird. Der Verstärker kann an eine Signalquelle angeschlossen werden, die eine um eine Bezugsspannung, vorzugsweise Massepotential, schwankende Gleichspannung liefert, die sowohl negative als auch positive Werte annimmt.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines Verstärkers für kleine Signale gemäß der Erfindung;

F i g. 2 eine weitere Ausführungsform eines Verstärkers für kleine Signale gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. I ist eine Einrichtung zur Erzeugung kleiner Signale, im vorliegenden Fall ein Mikrofon 12, an die Klemmen 10 und 11 des Verstärkers angeschlossen. Die Klemme 11 liegt an Masse 13, wogegen die Klemme 10 mit der Basis eines PNP Transistors 15 verbunden ist. Der Transistor 15 ist mit seinem Kollektor direkt an

'5 Masse 13 und mit seinem Emitter direkt an die Basis eines NPN Transistors 16 angeschlossen. Der Emitter dieses Transistors 16 liegt ebenfalls direkt an Masse 13, wogegen der Kollektor über einen Widerstand 17 mit einer geeigneten positiven Spannurigsquelle über die Quelle 18 verbunden ist. Der kollektor des Transistors 16 liegt ebenfalls an der Basis eines NPN Transistors 20, dessen Kollektor an die Klemme 18 für die positive Versorgungsspannung angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 20 ist über einen Widerstand 21 einerseits an Masse und andererseits direkt an die Ausgangsklemme 22 angeschlossen. Ferner liegt zwischen dem Emitter des Transistors 20 und dem Emitter des Transistors 15 sowie der Basis des Transistors 16 ein Rückkopplungswiderstand 25.

Der Transistor 16 bildet die eigentliche Verstärkerstufe, deren Ausgang an eine Emitterfolgerstufe mit dem Transistor 20 angeschlossen ist. Das Ausgangssignai der Emitterfolgerstufe liegt an der Klemme 22 und wird über den Rückkopplungswiderstand 25 zum Transistor 15 zurückgespeist, um den Betriebsstrom zu liefern, sowie zum Transistor 16, um den Basisstrom zu liefern. Beim Auslegen der Schaltung werden die Transistoren 15 und 16 so gewählt, daß die Basis-Emitterspannung des Transistors 15 etwa gleich der Basis-Emitterspannung des Transistors 16 im Bereich eines vorgegebenen Verhältnisses des Betriebsstromes ist. Die Widerstände if und 25 werden derart ausgewählt, daß sie eine Ausgangsspannung an der Klemme 22 bewirken, die etwa in der Mitte zwischen der Spannung an der Klemme 18 und Masse 13 liegt, wobei das festgelegte Verhältnis des Betriebsstromes den Transistoren 15 und 16 zufließt. Wenn die Schaltung normal ausgelegt ist, werden die Vorspannungsverhält-

nisse durch die elementenabhängigen Änderungen nicht wesentlich beeinflußt. Deshalb werden Änderungen, die durch Ersatz von Schaltkreiskomponenten bzw. durch Änderungen der Umgebungseinflüsse ausgelöst werden, durch den Rückkopplungsstrom kompensiert, der dazu tendiert, die Ruhestromverhältnisse und die Gleichstromarbeiisniveaus im wesentlichen konstant zu halten.

Das Mikrofon 12 hat im wesentlichen einen Gleichstrom-Spannungsabfall von Null, so daß an der Basis-Kollektorstrecke des Transistors 15 ebenfalls im to wesentlichen der Gleichstrom-Spannungsabfall Null wirksam ist. Dadurch erscheint der Transistor 15 nur als Emitter-Basisübergang, der parallel zum Basis-Emitterübergang des Transisturs 16 geschaltet ist. Die Leitfähigkeit des Emitter-Basisübergangs des Transi- ü stors 15 wird durch die kleinen Wechselstromsignale geändert, die vom Mikrofon 12 aus an die Basis angelegt werden. Dasselbe trifft zu, wenn das Mikrofon 12 z. B. durch einen Diskriminator od. dgl. ersetzt wird, der ein um Masse sich änderndes Gleichstromsignal liefert Auch dann wird die Leitfähigkeit der Emitter-Basisstrecke des Transistors 15 entsprechend geändert. Daraus ergibt sich, daß die Leitfähigkeit des Halbleiterübergangs sich entsprechend den angelegten kleinen Signalen ändert. Entsprechend dieser Leitfähigkeitsänderung ändert sich auch der über den Emitter-Basisübergang fließende Strom und damit der Strom, der an der Basis des Transistors 16 zur Verfügung steht. Auf diese Weise ändert sich die Basisansteuerung des Transistors 16 entsprechend den kleinen Signalen vom -ίο Mikrofon 12.

Da die Basis des Transistors 15 im wesentlichen auf Massepolential liegt, schwingen die kleinen Signale etwa um dieses Massepotential geringfügig nach negativen und positiven Werten. Dabei verändern sich die Signalwerte in negativer und positiver Richtung etwa um gleiche Beträge, bis sie genügend negativ werden, um die Basis-Kollektorstrecke des Transistors 15 negativ vorzuspannen. Dieses Potential liegt etwa bei —0,6 Volt fü- Siliciumtransistoren. Da die Signale um ⁴» das Massepotential bzw. das Bezugspotential herum sich verändern, kann der Signalgenerator, z. B. das Mikrofon 12, welches auf Masse bezogen ist. direkt mit der Basis des Transistors 15 verbunden werden. Die Eliminierung eines Koppelkondensators bewirkt, daß die Schaltung ganz besonders als inl,:grierte Schaltung ausführbar ist.

In F i g. 2 wird eine weitere Ausführungsform eines Verstärkers für kleine Signale dargestellt, bei der mit der Ausführungsform genäß F i g. 1 übereinstimmende w Komponenten mit gleichen Bezugszeichen und mit einem Apostroph zur Unterscheidung versehen sind. Der Verstärker umfaßt einen NPN Transistor 16' mit einem an eine Klemme 18' über einen Widerstand 17' angeschlossenen Kollektor und einem an Masse \y angeschlossenen Emitter. Ein Emitterfolger aus einem NPN Transistor 20' isi mit der Basis an den Kollektor des Transistors 16' und mit dem Kollektor an die Klemme 18' für die Spannungsversorgung angeschlossen. Der Emitter des Transistors 20' liegt an Masse 13' über einen Widerstand 2Γ. Gleichzeitig ist dieser Emitter auch an die Basis des Transistors 16' über einen Widerstand 25' und an die Ausgangsklemme 22' angeschlossen. Die Basis des Transistors 16' liegt am Emitter eines PNP Transistors 15', dessen Kollektor direkt mit Masse 13' verbunden ist. Die Anode einer Diode 30' ist mit der Basis des Transistors 15' verbunden und liegt mit der Kathode an Masse 13'. Ein Widerstand 3Γ liegt zwischen der Basis des Transistors 15' und der Eingangsklemme 10', von der aus ein Widerstand 32' nach Masse liegt. Der Signalgenerator für kleine Signale, im vorliegenden Fall ein Mikrofon 12', ist zwischen die Eingangsklemme 10' und eine an Masse liegende Klemme 11' angeschlossen.

Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 entspricht im wesentlichen der Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 mit der Ausnahme, daC das Netzwerk aus der Diode 30' und den Widerständen 3 Γ und 32', welches zwischen das Mikrofon und den Halbleiterübergang geschaltet ist, den richtigen Funktionsablauf sicherstellt, wenn ein Koppelkondensator versehentlich in der Schaltung benutzt wird. Die Diode 30' liegt parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Transistors 15', um die an diesen Übergang angelegten Signale zu begrenzen. Der Basis-Kollektorübergang des Transistors 15' dient der Begrenzung der negativen Auslenkung der Signale, so daß beide sowohl negative als auch positive Auslenkungen begrenzt werden für den Fall, daß die Amplitude des Eingangssignals verhältnismäßig groß wird. Der Widerstand 32' dient der impedanzanpassung, der Widerstand 3Γ und die natürliche Kapazität der Diode 30' bilden ein Filter, um Geräusch und andere hochfrequente Signale zu unterdrücken, die auftreten können. Der beschriebene Verstärker für kleine Signale kann sehr leicht in integrierter Schaltkreisform ausgeführt oder in eine solche Schaltung integriert werden und ist direkt an den Signalgenerator anschließbar. Als Signalgsneratcr kann ein Mikrofon, ein Diskriminator, ein Signalniveau-Umformer od. dgl. verwendet werden, deren Gleichstromoder Wechselstromsignale verstärkt werden. Die Schaltung ist selbsteinstellend, so daß die betriebscharakteristischen Werte verhältnismäßig stabil sind, obwohl die Werte der einzelnen Komponenten geringfügig verschieden sein können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verstärker für kleine elektrische Signale mit einer Transistor-Verstärkerstufe, der eine Emitterfolgerstufe nachgeschaltet ist, deren Ausgang an den Eingang der Transisior-Verstärkerstufe zurückgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker an seinem Eingang ein zur direkten Ankopplung einer Signalquelle (12) an den Verstärker dienender Koppeltransistor (15,15') vorgeschaltet ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Koppeltransistor (15') ein aus einer Diode (30') und zwei Widerständen (31', 32') gebildetes Riter vorgeschaltet ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (16) der Verstärkerstufe und der Koppeltransistor (15) Transistoren von gegensinnigem Leitfähigkeitstyp sind.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Koppeltransistors (15) mit der Basis des Verstärkungstransistors (16) und der Kollektor des Koppeltransistors mit dem Emitter des Verstärkungstransistors verbunden ist, wobei die Basis des Koppeltransistors das Steuersignal empfängt

5. Verstärker nach einem de<- Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gegebenen Verhältnis dci Betriebsströme des Koppeltransistors (15) und des Verstärkungstransistors (16) an beiden etwa gleiche Basis-Emitterspannungen auftreten.