DE2337138A1

DE2337138A1 - Verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2337138A1
Application number: DE19732337138
Authority: DE
Inventors: Masayuki Hongu; Yoshio Ishigaki; Takashi Okada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-07-22
Filing date: 1973-07-20
Publication date: 1974-02-07
Also published as: JPS5620723B2; JPS4932566A; DE2337138B2; SE406253B; CA1006589A; AU476772B2; JPS4932565A; NL7310252A; FR2194079B1; JPS4932570A; US4021749A; AU5839373A; NL181065B; JPS5620722B2; GB1400133A; FR2194079A1; NL181065C

Description

PATENTANVZALTE HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER

DR. PHIL.

TELEX: 05 2» 8»2 HNKL D TBLEPON: (Ol 11) «6 31 97, 66 30 91-92 TELEGRAMME: ELLIPSOID MÖNCHEN

DIPL.-ING.

DR. RER. NAT.

DIPL.-ING.

EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 D-8000 MÜNCHEN 90

DIPL.-ING.

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND WECHSELBANK MÜNCHEN NR. 318-85 IU POSTSCHECK: MCHN 162147 — 809

Sony Corporation Tokio, Japan

2 a JUL11973

VERSTÄRKERSCHALTUNG

Die Erfindung betrifft eine Signaiverstärkerschaltung mit stabilisierter Verstärkung, die sich insbesondere als integrierte Schaltung herstellen läßt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Verstärkerschaltung ist eine Eingangssignalquelle 1 Über einen Widerstand 3 an die Basis eines Transistors 2 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 2 ist seinerseits einmal mit einer Signalausgangsklemme 4 und zum anderen Über einen Lastwiderstand 5 mit einer Spannungsquelle +Vcc verbunden, während sein Emitter am Bezugspotential, z.B. auf Masse liegt. Die Basis ist ebenfalls an die Bezugsspannungsquelle angeschlossen, z.B. Über einen als Diode geschalteten Transistor 6, dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind.

Bei einer derartigen Verstärkerschaltung ist der über den Transistor 6 fließende Eingangsstrom Hn praktisch gleich dem Über den Lastwiderstand 5 fließenden Ausgangsstrom lout, da die Basis-Emitterspannung Vbel des als Diode geschalteten Transistors 6 praktisch gleich der Basis-Emitterspcnnung Vbe2 des Transistors 2 ist. Für den Stromverstärkungsgrad ß gilt daher: ß = lout/iir. = 1.

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Bildet diese Schaltung jedoch einen Teil einer in Massenfertigung herzustellenden integrierten Schaltung, so zeigt sich der Nachteil, daß der Stromverstärkungsgrad ß in Abhängigkeit von veränderlichen Größen der integrierten Schaltung weiten Schwankungen unterliegt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Basis-Emitterspannung Vbe in Abhängigkeit von der Emitter-Stromkennlinie des Transistors 2 nicht genau derjenigen des Transistors 6 entspricht.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Signalverstärkerschaltung zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist, die sich also insbesondere in eine größere integrierte Schaltung einbeziehen läßt, und dann stabilisierte Verstärkungseigenschaften aufweist, so daß sie sich in vorteilhafterweise als Verstärkungsgrad-Steuerschaltung eignet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Schaltungsmaßnahmen, deren vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der bereits erläuterten bekannten Signalverstärkerschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Signalverstärkerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 und 4 Schaltbilder weiterer Signal Verstärkerschaltungen mit Merkmalen nach der Erfindung, und

Fig. 5-8 Schaltbilder einer Verstärkungsgrad-Steuerschaltung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Signal verstärkerschaltung.

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Gemäß Fig. 2, in welcher die den in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Teilen entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffem bezeichnet sind, weist die dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Signalveistärkerschaltung weiterhin einen sog. Kompensationstransistor 7 sowie diesem zugeordnete Vorspanndioden 8 und 9 auf. Dabei ist der Kollektor des Transistors 2 über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 7 an den Lastwiderstand 5 angeschlossen. Die Basis des Transistors 7 ist einmal über die als Dioden geschalteten Transistoren 8 und 9 mit dem Bezugspotential und zum anderen über einen Widerstand 10 mit der Spannungsquelle +Vcc verbunden. Hierdurch wird die Basis des Transistors 7 mit einer Vorspannung gespeist, so daß die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 2 praktisch der Vorwärts- bzw. Durchlaßspannung des Diodenelements entspricht. Dabei ist das Basispotential des Transistors 2 demjenigen des Transistors 6 gleich, während die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 2 ebenfalls praktisch der Basis-Emitterspannung Vbel des Transistors 6 gleich ist, so daß die Basis-Emitierspannung Vbe genau in Abhängigkeit vom Emitterstrom Ie der Transistoren 2 und 6 festgelegt ist.

Der über den Transistor 6 fließende Eingangsstrom lin entspricht dem!«· ebenfalls genau dem über die Transistoren 2 und 7 und den Lastwiderstand 5 fließenden Ausgangsstrom lout, so daß der Stromverstärkungsgrad ß dieser Schaltung gleich 1 (ß = 1) ist, und zwar unabhängig von den individuellen Transistoreigenschaften.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein als Diode geschalteter Transistor 6 als gemeinsame Vorspanndiode für Transistoren 2 und 7 dient. Hierdurch wird die Zahl der erforderlichen Transistor_elemente verringert, während die Wirkungsweise ansonsten derjenigen der Schaltung gemäß Fig. 2 entspricht. Bei dieser Ausführungsform dient ein Transistor 11 als Konverter zur Umwandlung der Eingangssignalquelle 1 in eine Stromquelle.

Fig. 4 zeigt eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Verstärkerschaltung durch pnp = Transistoren gebildet ist. Im übrigen entspricht

30988fi/1in/i ^/4

diese Anordnung hinsichtlich ihrer Wirkurigsweise und Vorteile vollständig der Schaltung gemäß Fig. 2,

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform einer Verstärkungsgrad-Steuerschaltung dargestellt, bei der eine erfindungsgemäße Signal verstärkerschaltung verwendet ist und welche in Verbindung mit dem als Diode geschalteten Transistor 6 gemäß Fig. 2 weiterhin Widerstände 12 und 12' sowie eine Steuer-Gleichspannungquelle 13 aufweist. Dabei ist der Widerstand 12 zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors 6 geschaltet, während die Steuer-Gleichspannung 13 über den Widerstand 12' an die Basis dieses Transistors angeschlossen ist. Bei einer derartigen Schaltung variiert der gesamte Stromverstärkungsgrad ß in Abhängigkeit von der Größe der Steuer-Gleichspannung 13.

Im folgenden sei nunmehr angenommen, daß die Steuer-Gleichsponnung 13 im Betrieb ein Gleichspannungspotential von Null Volt besitzt. Dabei fließt dann praktisch der gesamte Eingangsstrom Im über den Transistor 6.

Das Verhältnis zwischen der Spannung Vbel über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 6 und dem Eingangsstrom lin läßt sich dann durch folgende Gleichung ausdrücken:

.. . e Vbel ,.,

Ii η = Is exp —-r-= (1)

in welcher k die Bolzmann-Konstante, T die Absoluttemperatur in Grad Kelvin, e die Ladung eines Elektrons und Is den Sättigungsstrom des Transistors bedeuten.

Auf ähnliche Weise gilt für den über den Transistor 2 fließenden Ausgangsstrom lout die folgende Gleichung:

,.ι ε Vbe2 . .

lout = Is exp —n? (2)

^r kT ^x '

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3 0 9 8 8 6 / 1 UU

Wenn die Steuer-Gleichspannung 13 Null Volt beträgt - unter Vernachlässigung des kleinen Basistroms der Transistoren 2 und 6 - ergibt sich die Beziehung: Vbel = Vbe2.

Wenn als nächstes angenommen wird, daß die Steuer-Gleichspannungsquelle 13 eine positive Gleichspannung liefert, so entsteht ein entsprechender Stromfluß über die Widerstände 12 und 12', und zwar in solcher Richtung, daß der Transistor 6 weiter durchgeschaltet wird. Dann läßt sich die Basis-Emitterspannung Vbe2 des Transistors 2 durch die Gleichung

Vbe2 = Vbel - R_ß I_ß (3)

ausdrucken, in welcher R„ den Widerstandswert des Widerstands 12 darstellt.

Bei Einfügung der Gleichung (3) in die Gleichung (2) ergibt sich der Ausgangsstrom lout zu

, . . e (Vbel - R_R L)
lout = Is exp __ B B'

TT
Damit läßt sich der Stromverstärkungsgrad wie folgt definieren:

Hn

exp(eR_B.

Dies bedeutet, daß der Stromverstärkungsgrad ß mit stabilisierter Verstärkungskennlinie durch Änderung des Stroms Is, d.h. der Steuer Gleichspannung 13 gesteuert werden kann.

Da außerdem das Potential des Kollektors des Transistors 2 auf eier Dioden-Durchiaßspannung Vbe gehalten wird, ist dis Schaltung frei von der. durch die Unter-

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schiede der einzelnen integrierten Schaltkreise hervorgerufenen Schwankungen der Verstärkungseigenschaften«

Fig. 6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Verstärkungsgrad-Steuerschaltung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung. Die Arbeitsweise und die Vorteile dieser Verstärkungsgrad-Steuerschaltung selbst sind in der DT-Patentanmeldung P 23 08 835.9 beschrieben. Der Stromverstärkungsgrad ß wird dabei, ebenso wie bei der Schaltung gemäß Fig. 5, über einen weiten Bereich mit stabilisierter Verstärkungskennlinie gesteuert.

In Fig. 7 ist noch eine weitere Ausführungsform einer Verstärkungsgrad-Steuerschaltung mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt, bei welcher die Koliekfor-Emitrerspannung des Transistors 2 geregelt und dadurch der Stromverstärkungsgrad ß linear variiert wird. Zu diesem Zweck ist ein Widerstand 15 zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors 9 eingeschaltet, während die Basis des Transistors außerdem über einen Widerstand 16 mit einer Steuer-Gleichspannungsquelie 17 verbunden ist. Damit wird das Basis- Vorspann potential des Transistors 7 in Abhängigkeit von der Steuer-Gleichspannung 17 varüerr, und die KoUekior-Emitterspannung des Transistors 2 entsprechend geregelt. Bei Erhöhung der Spannung 17 erhöht sich dabei der Steuerstrom Ic und außerdem auch die Spannung über dem Widerstand.!5, so daß sich die Kollektor-Emitterspannung Vce3 des Transistors 9 durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

Vce3 = Vbe3-Rclc,

in weicher Vbe3 die Basis-Emitterspannung des Transistors 9 und Rc den Widerstandswert des Widerstands 15 bedeuten.

Durch Erhöhung des Steuerstroms Ic wird also die Koüektor-Emifrerspannunq des Transistors 9 reduziert, und die Ko!fekfor-Emitterspannung des Transistors ?. wird

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3098 8 6/110/.

wird ebenfalls herabgesetzt. In Abhängigkeit von dieser Änderung nimmt der Ausgangsstrom lout ab, und als Resultat wird der Stromverstärkungsgrad ß in Abhängigkeit vom Strom Ic reduziert.

Da die Kollektor-Basisspannung des Transistors 2 innerhalb eines Bereichs von -0,7 V bis 0 V variiert, ist die Basis-Emitterspannung in Abhängigkeit von der Emitterstromcfiarakteristik des Transistors 2 praktisch gleich derjenigen des Transistors 6. Folglich kann der Stromverstärkungsgrad ß ebenfalls durch Änderung des Steuerstroms Ic mit stabilisierter Verstärkungscharakteristik gesteuert bzw. geregelt werden.

Fig. 8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Verstärkungsgrad eines Differentialverstärkers unabhängig von der Änderung der Transistorkennlinie regelbar ist.

Bei dieser Schaltung ist zur Bildung des Differentialverstärkers ein Transistor T parallel zum Transistor 7 geschaltet. An die Basis-Elektroden der Transistoren 7 und 7' wird eine Vorspannung durch als Dioden geschaltete Transistoren 8 und 9 sowie als Dioden geschaltete Transistoren 8' und 9'angelegt. Die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 8' wird, wie bei der Schaltung gemäß Fig. 7, in Abhängigkeit von der Steuer-Gleichspannung 17 variiert. Es wird also der Stromverstärkungsgrad des Differential Verstärkers durch Änderung der Steuerspannung geregelt.

Zusammenfassend wurde mit der Erfindung eine Signalverstärkerschaltung mit einem Verstärkertransistor geschaffen, der zur Aufnahme eines Eingangssignais an eine Eingangssignal quelle angeschlossen ist. Eine erste Bezugs-Vorspannung wird Über eine mit der Eingangsschaltung verbundene Diode erzeugt. Mit dem Verstärkertransistor ist ein Kompensationstransistor in Reihe geschaltet, und eine zweite Bezugs-Vorspannung wird über eine Anzahl von Dioden erzeugt, die mit dem

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Eingangskreis des Kompensationstransistors verbunden sind, so daß der Stromverstärkungsgrad des Verstärkers unabhängig von Änderungen der Transistorkennlinien konstant gehalten werden kann.

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3 0 9 8 8 R / 1 1 0 h

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Sjgiakerstärkerschaltung, deren an eine Eingangssignaiqueüe angeschlossener Eingang mittels einer ersten Referenzspannungseinrichtung durch eine erste Bezugsspannung beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsschaltung (7) mit der Signal verstärkerschaltung (2) in Reihe geschaltet ist, und daß im Eingangskreis der Kompensationsschaltung (7) eine zweite Bezugsspannungseinrichtung liegt, die den Eingangskreis mit einer zweiten Bezugspannung beaufschlagt, um den Ausgang (4) auf einem bestimmten Potential zu halten.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Referenzspannungseinrichtung einen Transistor (6) aufweist, dessen Basis und Kollektor zusammengeschaltet sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung einen Verstärkertransistor (2) aufweist.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Signalverstärkerschaltung auf einem praktisch der Bezugsspannung entsprechenden Potential gehalten wird.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung (8, 9) mindestens einen Transistor aufweist, dessen Kollektor-Emitterstrecke mit dem Signal verstärker in Reihe geschaltet ist.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bezugsspannung nahezu doppelt so groß wie die erste Bezugsspannung ist.

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7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bezugsspannungseinrichtung durch zwei Diodenelemente (8, 9) gebildet ist.
8. Signa!verstärkerschaltung, bestehend aus einem in Emitter-Grundschaltung geschalteten und basisseitig mit einer Eingangssignaiquelie verbundenen Verstärkertransistor, einem parallel zur Basis-Emitterstrecke des Verstärkertransistors geschalteten zweiten Transistor, dessen Basis und Kollektor zusammengeschaltet sind und welcher die Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors mit einer Bezugsspannung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (7) vorgesehen ist, dessen Kollektor-Emitterkreis mit dem Kollektor-Emitterkreis des Verstärkertransistors (2) in Reihe liegt und dessen Kollektor über einen Lastwiderstand (5) an eine Stromversorgung C+Vcc) angeschlossen ist, und daß eine Vorspanneinrichtung mit zwei Diodenelementen (8, 9) und einem dazu in Reihe liegenden zweiten Widerstand (10) vorhanden ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen der beiden Diodenelementen und dem zweiten Widerstand mit der Basis des dritten Transistors verbunden und dadurch der Kollektor des Verstärkertransistors auf der Bezugsspannung gehalten ist (Fig. 2).
9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bezugsspannungseinrichtung ein Diodenelement (ό) aufweist, das in Vorwärts richtung zwischen den Eingangskreis der Kompensationsschaltung (7) und den Eingang des Signalverstärkers (2) geschaltet ist.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dlodeneiement ein als Diode geschalteter Transistor (ό) ist, der einerseits die erste Referenzspannung bildet und gleichzeitig einen Teil der zweiten Bezugsspannung festlegt, und daß die Eingangssignalqueffe (I) über einen

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Konverter (11) auf den Verstärkereingang gelangt,-

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11. Schaltung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Verstärkungsgrads des Signalverstärkers zusätzlich eine Einrichtung zur Änderung der ersten Bezugsspannung vorgesehen ist.
12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung der ersten Bezugsspannung aus einem von einer änderbaren Steuer-Gleichspannungsquelle (13) gesteuerten Transistor (6) besteht, dessen Kollektor-Emitter-Ausgangsspannung die Eingangs-Vorspannung des Verstärkers (2) festlegt.
13. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung der ersten Bezugsspannung eine änderbare Steuer-Gleichspannungsquelle (13) aufweist, die über einen Trennverstärker (18, 19) mit Verstärkungsgrad Eins die Vorspannung am Eingang des Verstärkers (2) festlegt, und daß eine aus einem als Diode geschalteten Transistor (6) bestehende weitere Bezugsspannungseinrichtung über einen Widerstand (14) ein Festpotential für den Eingang des Verstärkers 2 vorgibt, das gleichzeitig die zweite Bezugsspannung für die Kompensationsschaltung festlegt.
14. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Verstärkungsgrads der Verstärkerschaltung in Abhängigkeit von der zweiten Bezugsspannung zusätzlich eine Einrichtung zur Änderung der zweiten Bezugsspannung vorgesehen ist.
15. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der zweiten Bezugsspannung durch eine änderbare Gleichspannungsquelle (17) erfolgt, die einen Transistor (9) steuert, dessen Kollektor-Emitterstrecke

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im Eingangskreis der Kompensations-Schal rung liegt.
16. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation-Schaltung einen aus zwei Transistoren (7, 7') bestehenden Different! al verstärker aufweist, der in Reihe zum Ausgangskreis des Verstärkers\2 )l iegt, und daß die Schaltschwel !werte des Differential Verstärkers durch eine veränderbare Gleichspannungsquelle (17) vorgebbar sind.
17. Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der veränderbaren Gleichspannungsquelle 17 Über einen als Diode geschalteten Transistor (8') einerseits das Eingangspotential des einen Transistors (7^r) des Differential Verstärkers festlegt und andererseits das durch Vorspanndioden (8, 9) vorgegebene Eingangspotential des anderen Transistors (7) des Differential Verstärkers beeinflußt.

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