DE2345785A1 - Transistorverstaerker - Google Patents

Description

US-Ser.No. 289,355
Filed: September 15, 1972

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.^.

Transistorverstärker

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transistorverstärker mit Transistoren, deren Emitter an Masse liegen und denen temperatürkompensierte Basis-Emitter-Vorspannungen zugeführt sind, um ein thermisches "Durchgehen" der Kollektorströme zu verhindern.

Aus der OS-PS 3 102 985 ist bereits eine transistorbestückte Verstärkerschaltung mit einer Stufe bekannt, welche zwei Transistoren enthält, von denen der erste mit seinem Kollektor erstens mit der Basis des zweiten Transistors, zweitens über einen Arbeitswiderstand mit einer Betriebsspannungsquelle und drittens über einen weiteren Widerstand mit seiner Basis verbunden ist. Die Basis des ersten Transistors ist außerdem über einen Kopplungskondensator mit einer Eingangsklemme und über einen-Basiswiderstand mit Masse verbunden. Der Basis-

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ruhestrom des ersten Transistors kann also sowohl über den nach Masse führenden Widerstand als auch über den zum Kollektor führenden Widerstand fließen. Eine Temperaturstabilisierung ist hier nicht gewährleistet.

Ein Transistorverstärker mit zwei Transistoren gleichen Leitungstyps, deren Emitter durch eine vernachlässigbare Impedanz mit einem Bezugspotentialpunkt verbunden sind, einer ersten Widerstandsanordnung, die zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und eine Klemme einer Betriebsspannungsquelle geschaltet ist, einer Gleichstromkopplung zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors, einer mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbundenen Ausgangsschaltung und einer mit der Basis des ersten Transistors gekoppelten Eingangsschaltung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor und die Basis des ersten Transistors eine zweite Widerstandsanordnung geschaltet ist, welche die einzige mit der Basis direkt verbundene Schaltungsanordnung, die Ruhestrom zu führen vermag, darstellt und daß die Eingangsschaltung Eingangssignale zwischen die Basis und den Emitter des ersten Transistors liefert.

Bei der Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung ist also eine temperaturkompensierte Vorspannungsschaltung vorgesehen, die einen Hilfstransistor mit an Masse liegendem Emitter und einem zwischen Basis und Kollektor geschalteten Widerstandselement enthält. Im Ruhezustand führt ausschließlich das Widerstandselement den Basisstrom für den Hilfstransistor. Der Hilfstransistor bewirkt eine Vorverstärkung der Eingangssignale und liefert außerdem eine temperaturkompensierte BasLs-Emitter-Ruhevorspannung für den nachfolgenden Verstärker^transistor.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

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Fig* 1 das Schaltbild einer bekannten Transistorverstärkerstufe, auf das zur Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Probleme Bezug genommen wird;

Fig. 2 das Schaltbild einer Transistorverstärkerschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 ein Schaltbild eines Teiles einer Transistorverstärkerschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. ·

Der Arbeitspunkt einer Verstärkerstufe, die einen Transistor mit an Masse liegendem Emitter enthält, wird gewöhnlich durch eine Basis-Emitter-Ruhevorspannung von einer in Flußrichtung vorgespannten Halbleiterdiode stabilisiert. Als Halbleiterdiode wird manchmal ein Transistor verwendet, dessen Kollektor- und Basiselektrode miteinander verbunden sind und den einen Anschluß der Stabilisierungsdiode bilden, der andere Anschluß ist dann die Knitterelektrode des Transistors.

In Fig. 1 ist eine solche Schaltungsanordnung mit einem Transistor dargestellt, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Arbeitspunkt durch eine temperaturkompensierte Vorspannung stabilisiert ist. Die Schaltungsanordnung enthält eine Batterie 1, die eine Betriebsspannung V_cc liefert und mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand 2 und einem als Diode geschalteten Transistor 3 verbunden ist. Die Rückkopplung vom Kollektor zur Basis des Transistors 3, die durch eine direkte Verbindung zwischen der Kollektor- und Basiselektrode gewährleistet ist, bewirkt, daß die Kollektorelektrode auf dem einfachen Wert der Basis-Emitter-Offsetspannung V-.„ gehalten wird. Die Spannung V_DTn ist bei einem Transistor in einem weiten Betriebsstrombereich ziemlich konstant und hängt von dem Halbleitermaterial ab, aus dem der Transistor hergestellt ist. Bei einem Siliciumtransistor beträgt sie typischerweise 0,5 bis 0,7 V. Am Widerstand 2 fällt daher eine definierte Spannung ab, nämlich V__, - V_,„. Der Kollektor strom I__ des Transistors 3 läßt sich

CC HL· Cj

daher mittels des ohmschen Gesetzes wie folgt bestimmen:

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(D i_r, = ^vcc - ^vbe3

R₂

Dabei bedeuten:

Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors

R₂ Widerstandswert des Widerstandes 2 und V Batterie- oder Betriebsspannung.

Dem zweiten Transistor 5 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wird zwischen Basis- und Emitteranschluß die gleiche Basis-Emitter-Spannung zugeführt wie dem Transistor 3. Wenn der Transistor 5 dem Transistor 3 gleicht und beide Transistoren im gleichen thermischen Milieu angeordnet sind, fließt im Transistor 5 der gleiche Kollektorstrom I _ wie im Transistor 3. Es gilt also:

(2) Ir. = ^VCC " ^VBE3 ^R2

Da V , V- und R₂ jeweils gut definierte Größen sind, die sich mit der Temperatur nur wenia ändern, und da die Spannung V_ßE3, die sich noch am ehesten mit der Temperatur ändern kann, im allgemeinen wesentlich kleiner als V_c_, ist, ist auch I_Cc stabil definiert und praktisch temperatürunabhängig. Die Kollektor-Ruhespannung des Transistors 5 wird durch den vom Kollektorstrom I _ verursachten Spannungsabfall am Widerstand bestimmt.

Es ist ersichtlich, daß der Transistor 3 in der bekannten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 nicht zur Verstärkung der Nutzsignale beiträgt. Die Impedanz an der Kollektorelektrode des Transistors 3 kann wie folgt angegeben werden:

(3)

ΔΙ

C3 ^gm3

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wobei gm₃ die Steilheit des Transistors 3 ist. Die Eingangsr impedanz eines Transistors in Emitterschaltung, wie des Transistors 5 ist bekanntlich

(4)

^gvi5

Hierbei bedeuten:

gm₅ die Steilheit des Transistors 5, die gleich gnu ist, da I_c3 = I_c5 ist und

ßr die Vorwärtsstroinverstärkung des Transistors 5 in Emitterschaltung ist.

Da der Wert von B₅ normalerweise über 35 oder 40 liegt, ist die Eingangsimpedanz des Transistors 5 um einen entsprechenden Faktor größer als die Kollektorimpedanz des als Diode geschalteten Transistors 3. Die Kollektoriippedanz des Transistors 3 liegt für das der Basis-'elektrode des Transistors 5 abgewandte Ende einer Sekundärwicklung 7 eines Eingangstransformators 9 für Nutzsignale um wesentlichen auf Masse.

Die Eingangssignale werden von einer Signalquelle 13 einer Primärwicklung 11 des Eingangstransformators9 sugeführt* Durch die vom Transformator 9 bewirkte Kopplung M werden die Signale auf die Sekundärwicklung 7 des Transformators 9 gekoppelt und der Basiselektrode des Transistors 5 zur Verstärkung zugeführt. Die verstärkten Signale werden dann von der Kollektorelektrode des Transistors 5 über einen Kondensator 15 abgenommen und einem Verbraucher oder einer Last 17 zugeführt. Zui: Spännungsverstärkung G der tekannten Schaltung trägt lediglich der Transistor 5 bei, sie beträgt bekanntlich

(5) G = gm₅ RL

wobei Rj. die Impedanz der Kollektorbelastung des Transistors 5 als Ganzes bedeutet.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Schaltungselemente, die Schaltungselementen der bekannten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 entsprechen, mit den

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gleichen Bezugszeichen vd.e diese versehen.

Die Signalquelle 13 ist bei der Verstärkerschaltung gemäß Fig. 2 über ein kapazitives Bauelement 19 mit der Easis des Transistors 3 (Hilfstransistor) verbunden. Die Rückkopplung zv/ischen Kollektor und Basis dieses Transistors enthält hier ein resistives Schaltungselement, z.B. einen Widerstand 21. Im Ruhezustand, d.h. wenn die Signalquelle 13 kein Eingangssignal liefert, fließt der Basisstrom für den Transistor (Hilfstransistor) 3 von der Batterie 1 durch den Widerstand 2 und den Widerstand 21 in die Basis des Transistors 3. Der Widerstand 21 führt also dann in diesem Zeitpunkt den gesamten Basisstrom und keinen weiteren Strom. Anders ausgedrückt fließt im Ruhezustand der Schaltung nur der Basisstrom für den Transistor 3 durch den Widerstand 21 und der Basisruhestrom wird dabei durch den Ruhespannungsabfall am Widerstand Il bestimmt. Die zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 3 entwickelte Ruhespannung wird der Basis-Emitter-Strecke des Verstärker-Transistors 5 als temperalurkompensierte Vorspannung zugeführt. Der Transistor 3 bewirkt außerdem noch eine Vorverstärkung der von der Signalquelle 13 gelieferten Eingangssignale.

Bei der Analyse der Erzeugung der temperaturkompensierten Basis-Emitter-Spannung für den Transistor 5 ist die folgende bekannte Transistorgleichung von Nutzen:

	ι (,) ν =	bedeuten	kT In Ic
	lo; VBE	Boltzmann-Konstante
hierin	Ladung des Elektrons
k	absolute Temperatur
q	Leckstrom.
T
I.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist die Basis-Emitter-Spannung V_ßE5 des Transistors 5 etwas größer als die

4 C 9 C1//114 ε

Basis-Emitter-Spannung V_n^₀ des Transistors 3. Dies hat seine

L)TjJ

Ursache in dem Spannungsabfall an dem zwischen Kollektor und Basis geschalteten resistiven Element, also hier am Widerstand 21, infolge des Basisruhestromes des Transistors 3.

Aus der obigen Gleichung (6) folgt:

kT I₁. kT

^VBE5

Es sei nun wieder angenommen, daß die Transistoren 3 und 5 gleichartig sind und sich im gleichen thermischen Milieu befinden. Es gilt dann also

¹SS - ¹S₃ ^Und

^VBE5 - ^VBE3 - ψ

I- ergibt sich aus dem ohmschen Gesetz zu (V_cc - V ₅)/R₂ und ist auch hier wieder trotz TemperaturSchwankungen einwandfrei definiert, wenn V wesentlich größer als V_13x,,- ist. Gemäß der vorstehenden Gleichung ist also Ip₅ als Funktion von ^VBE5" ^VBE3 definiert.

Der Widerstandswert Rp. des resistiven Schaltungselements, also hier des Widerstandes 21, der erforderlich ist um ein vorgegebenes Kollektorstromverhältnis ¹CS^¹CS ^auf^rechtzuerhalten, ergibt sich aus dem ohmschen Gesetz. Setzt man den Basis--ruhe- strom des Transistors 3 gleich !(-.3/¹³T/ wobei S₃ die Vorwärts stromverstärkung des Transistors 3 in Emitterschaltung ist, so ergibt sich;

V _ V , ß- kT I

ιιλ\ ρ _ BEb - BbJ _ Δ . Cb

UO) R₂₁ =—Tjr ·= — in ■=—

iL ±_c3/ Jj₃ x_c3 q x_c3

ß₃ nimmt mit der Temperatur zu. Bei festem R₂,, festem I- und zunehmender Temperatur muß I_rt. abnehmen. Diese Änderung verläuft

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in einer Richtung, die der beiia thermischen Instakilwerden entgegengesetzt ist, da dort ja der Kollektor strom hei dem. Temperaturanstieg mehr als proportional zunirmt. Die Einschaltung des Widerstandes 21 ergibt also eine "'berkompensation der Temperatureinflüsse, vas iir allgeireinen annehmbar und in vielen Schaltungen sogar einer genauen Kompensation vorzuziehen ist, wie sie vorliegt, wenn die Basiselektrode des Transistors 3 direkt mit der Kollektorelektrode verbunden ist.

Fig. 3 zeigt einen Teil eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, das im übrigen der Schaltungsanordnung gemäß Fig. entspricht. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ein resistives Schaltungselement 31, z.B. ein Widerstand, zwischen die Kollektorelektrode des Transistors 3 und die Basiselektrode des Transistors 5 geschaltet. Durch die Einschaltung eines Widerstandes in die Kopplung zwischen der Kollektorelektrode des Transistors 3 und der Basiselektrode des Transistors 5 kann die oben in Verbindung mit Fig. 2 erläuterte Überkompensation verringert, aufgehoben oder sogar ins Gegenteil verkehrt werden. Auch wenn das Verhältnis Ipe/Ipo groß ist, werden die Einflüsse des Basisstroms des Transistors 5 auf den Stromfluß durch den Widerstand 2 (Fig. 2) relativ zum Kollektorstrom I₃ mehr ausgeprägt, was ebenfalls zu einer Verringerung, Aufhebung oder Umkehrung der überkompensation führt.

Der Beitrag des vorgeschalteten Verstärker-Transistors 3 zur GesamtverStärkung läßt sich vrie folgt errechnen, wobei festzustellen ist, daß der Beitrag des Transistors 5 zur Verstärkung in den Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 und 2 gleich ist.

Die sich bei offener Schleife ergebende Signalspannungsverstärkung G_ des Transistors 3 ist:

(11)

0 9 8 1 2/1U8

— Q —

wobei der Term in Klammern der Widerstand der Parallelschaltung aus R- und ß^/gm^ ist. Eine gute Näherung der sich bei geschlossener Schleife ergebenden Signalspannunasverstärkung K des vorgeschalteten Verstärker-Transistors 3 läßt sich ausgehend von der allgemeinen Gegenkopplungsgleichung

(12) K =

1+GH

errechnen, wobei bedeuten:

K die Spannunasverstärkung bei geschlossener Schleife G die Spannungsverstärkung bei offener Schleife H die Spannunasverstärkung der Gegenkopplungsschaltung

(13) K =*' gm₃ [R₂ || B₅

1 +

gm_ (R jl β,

gm_c

21

B₁ am.

^gm

Diese Gleichung läßt sich für verschiedene Bedingungen auswerten.

Angenommen R , die Ouellenimpedanz der Signalquelle 13, sei klein verglichen mit R₂₁ und die Eingangsimpedanz des Transistors 3 sei ß₃/gm₃ und ferner R„ sei klein verglichen mit R₂₁ und der Eingangs impedanz des Transistors 5, die ß^/gm,- ist, dann ist:

(14)

K = gm_ R„

D.h. also, daß die volle Soannungsverstärkung des Transistors 3 in Fmittersnannung erreicht wird.

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BAD ORIGiNAU

Claims (3)

1. P a t e η t a η f. ρ r ü c ^!λ. ο.

   [1·]) Transistorverstärker mit zv⁷ei Transistoren gleichen Leitunostyps, deren Firnitter durch eine vernachlnssiabare ImpeJanz mit einem Bezugspotentialpunkt verbunden sind, einer ersten T-Jiderstandsanordnung, die zwischen den Kollektor des ersten Transistors und eine Klemme einer Petrlehsspannunqsnuelle Geschaltet ist, einer Oleichstromkopnlung zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors, einer mit derr Kollektor des zweiten Transistors verbundenen Ausgangsschaltung und einer mit der Basis des ersten Transistors gekoppelten Eingangsschaltung, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Kollektor und die Basis des ersten Transistors (3) eine zweite V-iderstandsanordnung (21) geschaltet ist, die das einziae ηit der Basis direkt verbundene, Ruhestrom führende Schaltungselement darstellt, und daß die Eingangsschaltung Eincrangssignale zwischen die Basis und den Emitter des ersten Transistors liefert.
2. 2.) Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Kollektor des zweiten Transistors (5) und eine Betriebsspannung (^Vfp) führende Klemme eine dritte Widerstandsanordnung (£) geschaltet ist und daß der widerstandswert sowohl der ersten als auch der zweiten Widerstandsanordnung (2, 21) jeweils mindestens eine halbe Größenordnung größer ist als der der dritten Widerstandsanordnung (6) .
3. 3.) Transistorverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichstromkopplung zwischen den Kollektor des ersten Transistors (3) und der Basis des zweiten Transistors (5) durch ein Widerstandseleirent (31) solchen Wertes gebildet wird, daß die durch den ersten Transistor (2) und die zweite Widerstandsanordnung (21) bewirkte Temperaturkompensation mindestens zum Teil aufgehoben wird.

   /,0981 2/1U8

   BAD ORIGINAL