DE2354340A1

DE2354340A1 - Vorspannungsschaltung fuer einen transistor

Info

Publication number: DE2354340A1
Application number: DE19732354340
Authority: DE
Inventors: Ahmed Adel Abdel Aziz
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-16
Also published as: CA1003056A; FR2204922B1; AU6186873A; DE2354340C3; AU472533B2; CH570739A5; JPS535184B2; GB1446068A; SE389242B; JPS4979149A; US3878471A; FR2204922A1; BE806762A; ATA918773A; DE2354340B2; NL7314954A; AT346905B

Description

^RCA62·⁹¹⁴ '" 8. Oktober 1973

ÜS-Ser.No. 302,866 7624-73 Dr.v.B/E

Filed: November 1,1972 ' -,.

RCA Corporation

New York, N.Y. (V.St.A.)

Vorspannungsschaltung für einen Transistor

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorspannungsschaltung für einen mit einem Kollektorstrom/Basisstrom-Verstärkungsfaktor arbeitenden Transistor in Emitterschaltung mit Widerstandsbelastung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Vorspannung eines stromverstärkenden Transistors mit Kollektor-Arbeitswiderstand, die die Kollektorruhespannung unabhängig von Schwankungen der Vorwärtsstromverstärküng h_f des in Emitterschaltung arbeitenden Transistors macht, trotzdem die Basiselektrode durch einen eingeprägten Strom vorgespannt ist.

409 820/07 8 2

Führt man einem Transistor einen durch äußere Maßnahmen bestimmten Basisruhestrom zu, arbeitet man also mit einer Vorspannung durch einen eingeprägten Basisstrom, so kann man der Stromquelle, die den Basis strom für den Transistor liefert, eine so hohe Impedanz geben, daß die Eingangsimpedanz, die der Transistor einem Signal darbietet, nicht nennenswert herabgesetzt wird. Eine Vorspannung durch einen eingeprägten Basisstrom hat jedoch den Nachteil, daß schon kleine Änderungen des Vorwärtsstromverstärkungsfaktors h^_Q des Transistors (von Einheit zu Einheit oder infolge von Temperaturänderungen) bei Transistorverstärkern mit Ohm'schem Arbeitswiderstand im Kollektor untragbar große Änderungen der Kollektorruhespannung zur Folge haben.

Das derzeit bevorzugte Verfahren zum Vorspannen von Transistoren besteht daher darin, eine stabilisierte Spannung zwischen Basis- und Emitterelektrode des Transistors anzulegen (Spannungsvorspannung). Diese stabilisierte Spannung kann außerhalb des Transistors, z.B. durch den Spannungsabfall an einem in Flußrichtung vorgespannten pn-übergang eines Halbleiterbauelements erzeugt werden. Man kann die stabilisierte Vorspannung aber auch durch den Transistor selbst erzeugen, indem man seinen Emitterstrom entweder direkt (z.B. durch eine Stromquelle im Emitterkreis) oder indirekt durch eine den Transistor enthaltende Rückkopplungsschleife (z.B. durch einen Emitter-Gegenkopplungswiderstand und eine genügend niederohmige Basisvorspannungsschaltung) stabilisiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorspannungsschaltung für einen mit Stromverstärkung arbeitenden Transistor in Emitterschaltung anzugeben, bei der die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen zur Vorspannung eines Transistors durch einen eingeprägten Basisstrom vermieden werden.

40-9820/0782

Diese Aufgabe wird durch eine Vorspannungsschaltung für einen mit einem Kollektorstrom/Basisstrom-Verstärkungsfaktor arbeitenden Transistor.in Emitterschaltung mit Ohm¹ schein Lastwiderstand vermieden, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine Stromquelle mit zwei Klemmen, die zwei Gleichströme liefern, deren Verhältnis im wesentlichen umgekehrt proportional zu dem Kollektorstrom/Basisstrom-Verstärkungsfaktor des Transistors ist und von denen der erste der Basiselektrode des Transistors und der zweite der Kollektorelektrode des Transistors aufgeprägt werden", so daß der zweite Strom der Neigung der in Abhängigkeit vom ersten Gleichstrom fließenden Komponente des Kollektorstroms, in den Lastwiderstand zu fließen, entgegenwirkt.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorspannungsschaltung für einen Transistor enthält eine Quelle für Bezugs- und Betriebspotentiale und eine Stromquelle, die einen ersten und einen zweiten Strom liefert. Diese Stromquelle enthält eine Anordnung, die auf die absolute Temperatur des Transistors anspricht und die Amplituden des ersten und zweiten Stromes in einem Verhältnis hält, das gleich der Vorwärtsstromverstärkung h- des Transistors ist. Die Vorspannung sschaltung enthält ferner Mittel, um den ersten und zweiten Strom der Kollektor- und Basiselektrode des Transistors einzuprägen und eine Anordnung, um die Emitterelektrode des Transistors mit dem Bezugspotential zu koppeln. Mit der Kollektorelektrode ist eine Kollektorlastanordnung gekoppelt, die einen Gleichstromweg für die Betriebsspannung bildet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, enthält noch einen zweiten Transistor, der so angeordnet ist, daß er Temperaturänderungen erfährt, die denen des bereits erwähnten, ersten Transistors entsprechen. Der Basisstrom und der Kollektorstrom des zweiten Transistors werden gemessen, um geeignete Basis- und Kollektorströme zu bestimmen, die dem er-

AOS820/0782

sten Transistor aufgeprägt werden. Der zweite Transistor wird durch eine Vorspannungsanordnung, die die Basis mit einer Spannung (im Gegensatz zu einem Strom) vorspannt/ in einen Zustand gebracht werden, in dem eine Kollektorstrom/Basisstrom-Verstärkung möglich ist. Eine Anordnung, die durch den Basisstrom des zweiten Transistors gesteuert wird, um einen diesem proportionalen ersten Strom zu erzeugen, liefert den erwähnten ersten Strom an die Basiselektrode des ersten Transistors. Eine Anordnung, die durch den Kollektorstrom des zweiten Transistors gesteuert wird, um einen diesem propoertionalen zweiten Strom zu erzeugen, liefert den erwähnten zweiten Strom an die Kollektorelektrode des ersten Transistors.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein zum Teil in Blockform gehaltenes Schaltbild zur Erläuterung des Grundprinzipes der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, das besonders dann nützlich ist, wenn gepaarte Transistoren komplementärer Leitungstypen mit hoher Stromverstärkung (>1O) zur Verfügung stehen;

Fig. 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, das besonders dann nützlich ist, wenn Transistoren komplementären Typs zur Verfügung stehen, bei denen nur der des einen Typs eine hohe Stromverstärkung aufweist und

Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sich für Darlington-Verbundtransistoren eignet, deren Einzeltransistoren infolge der unterschiedlichen

409820/0782

Betriebsströme verschiedene Vorwärtsstromverstärkungen aufweisen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen Transistor 101, dessen Basiselektrode von einer Stromversorgung oder Stromquelle 103 ein Basisruhestrom I₁ zugeführt wird. Die Stromquelle 103 liefert ferner einen zweiten Strom I₂ an einen Schaltungsknoten 105 an der Kollektorelektrode des Transistors 101. Der Strom I₂ ist um den Faktor 3 größer als der Basisruhestrom I-., was innerhalb der Stromquelle 103 bestimmt wird. Die Stromquelle 103 spricht auf die durch eine thermische Kopplung 102 abgefühlte Temperatur des Transistors 101 an und hält 3 im wesentlichen gleich der Vorwärtsstromverstärkung h~ des Transistors 101 in Emitterschaltung.

In der vorliegenden Beschreibung und den zugehörigen Ansprüchen soll der Begriff "Stromquelle" eine stromliefernde Anordnung oder Einrichtung bedeuten, deren Innenimpedahz oder Innenwiderstand groß im Vergleich su den an sie angeschlossenen Schaltungselementen ist, so daß sie im Effekt als Stromquelle oder Stromsenke (Quelle für einen Strom entsprechend anderer Richtung) oder Kombinationen hiervon im Sinne der elektronischen Schaltungstheorie darstellt. Der Betrag eines abgegebenen Stromes wird also innerhalb der Stromquelle bestimmt und nicht durch.die an die Stromquelle angeschlossene Belastung, solange sich diese innerhalb des in Frage 'kommenden Bereiches befindet.

Der Basisruhestrom I.» läßt im Transistor 101 in-.. folge der bekannten Transistorwirkung einen um das h_f -fache größeren Kollektorruhestrom fließen« Der Kollektorruhestrom des Transistors 101 und I₂ sind dem Betrag nach gleich, der eine fließt jedoch in den Schaltungsknoten 105 hinein und der

409820/0782

andere aus diesem heraus. Gemäß dem Kirchoff'sehen Stromverzweigungsgesetz fließt daher kein Ruhestrom durch einen mit seinem einen Ende an den Schaltungsknoten 105 angeschlossenen Kollektorlastwiderstand 107. Am Kollektorlastwiderstand 107 kann daher kein Ruhespannungsabfall auftreten, so daß der Schaltungsknoten 1O5 dasselbe Ruhepotential annimmt wie ein Schaltungsknoten 109, mit dem das andere Ende des Kollektorlas twiderStandes 107 verbunden ist.

Da das Ruhepotential am Schaltungsknoten 105 durch eine Anordnung unabhängig vom Transistor 101 festgelegt wird, solange 3 gleich dem h_f des Transistors 1Ol gehalten wird, beeinflussen gleichartige 'Änderungen der Parameter ß und h_f das Kollektorruhepotential des Transistors 101 nicht. Die Änderungen des h_f des Transistors 101 werden durch Änderungen von β kompensiert und beeinflussen daher aas Kollektorruhepotential des Transistors 101 nicht.

Die anderen Schaltungselemente, die in Fig. 1 dargestellt sind, vervollständigen die Schaltung des Transistors 101 zu einer Verstärkerstufe 110 in Emitterschaltung. Mit der Basiselektrode des Transistors 101 ist über einen Kondensauür 113 eine Eingangssignalquelle 111 gekoppelt. Der zur Vorspannung dienende Basisstrom von der Stromquelle 1Ο3 kann mit einer höheren Eingangsimpedans zugeführt werden als der von einem konventionellen Basisvorspannungs-Widerstandsspannungsteiler wie er für eine stabile Vorspannung des Transistors 101 erforderlich ist.

Eine den Schaltungsknoten 1Ο9 mit eliiefik Bezugspotential verbindende Spannuagsquelle 115 uad eia die Emitterelektrode des Transistors 1 mit dem Bezugspotential verbindendes, gleichstromdurchlässiges Kupplungselement 117 vervollständigen die Kollektor-Emitter-Schleife für die Verstärker-" signale vom Transistor 101. Das Kopplungselement 117 { das als

£09820/078 2

versteilbarer Widerstand dargestellt ist) kann auch ein Festwiderstand oder eine direkte Verbindung sein. Das Kopplungselement 117 im Emitterkreis des Transistors 1Ol dient wie üblich dem Zweck, die Verstärkung der Stufe 110 zu bestimmen. Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, daß das Kopplungselement 117 das Kollektorruhepotential des Transistors 101 e'xakt festlegt, wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird.

Die Stromquelle 103 ist bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsahordnung durch in Reihe geschaltete Gleichspannungsquellen 119a und 119b mit dem Schaltungsknoten 1O9 verbunden, um das Schließen der Stromkreise zu erleichtern, in denen die Ströme I- und I₂ fließen. Setzt man voraus, daß die von der Gleichspannungsquelle 119a gelieferte Gleichspannung groß genug ist, um die Stromquelle 103 ordnungsgemäß vorzuspannen, so haben Änderungen der von der Gleichspannungsquelle 119b gelieferten Gleichspannung keinen Einfluß auf die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung. Die Betriebspotentiale der Schaltungsanordnung sind bezüglich der Gleichspannungsquelle 115 fixiert. ■

Andererseits kann die Kollektorruhespannung des . Transistors 1 auch durch die Eingangsvorspannungsschaltung einer nachgeschalteten, gleichspannungsgekoppelten Stufe bestimmt werden.

In Fig. 1 ist der Erfindungsgedanke in Anwendung •auf eine Verstärkerstufe in Emitterschaltung dargestellt, er läßt sich jedoch ganz allgemein bei jedem kollektorbelasteten Transistorverstärker anwenden. So wird durch die Erfindung die Realisierung eines Verstärkers in Basisschaltung mit hoher Eingangsimpedanz erleichtert und das gleichspannungsdurchlässige Kopplungselement 117 kann in diesem Falle dann aus einer Stromquelle hoher Impedanz bestehen, was die Realisierung eines solchen Verstärkers weiter erleichtert.

4 09820/0782

Fig. 2 zeigt ein genaueres Schaltbild der Stromquelle 103.Es ist ein Transistor 201 vorgesehen, der im Aufbau mit dem Transistor 101 übereinstimmt und sich im gleichen thermischen Milieu^pefindet wie dieser, so daß sein Kollektorstrom und Basisstrom im selben Verhältnis stehen wie beim Transistor 1Ol. Diese Bedingungen werden z.B. von benachbarten Transistoren einer monolithischen integrierten Schaltung erfüllt.

Der Transistor 101 erhält von einem Stromverstärker 203 einen Basisruhestrom, der im wesentlichen gleich dem Basisstrom des Transistors 201 ist. Der Stromverstärker 203 liefert einen Ausgangsstrom, dessen Amplitude gleich der seines Eingangsstromes ist und stellt einen sogenannten "Stromspiegel^H dar. Eine Stromspiegelschaltung, wie sie durch den Stromverstärker 203 gebildet wird, enthält typischerweise zwei im Aufbau übereinstimmende Transistoren, die nebeneinander in einer monolithischen integrierten Schaltung gebildet und wie die Transistoren 205 und 207 in Fig. 2 geschaltet sind. Da die Transistoren 101 und 201 gleiche Basisströme führen und das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom bei ihnen gleich ist, sind auch ihre Kollektorströme gleich. Der Emitterstrom des Transistors 201, der im wesentlichen gleich seinem Kollektorstrom ist, wird dem Schaltungsknoten 105 über einen in Basisschaltung arbeitenden Transistorverstärker 210 zugeführt, der einen Transistor 211 sowie einen Widerstand 213 enthält und dessen Stromverstärkungsfaktor im wesentlichen 1 beträgt. Da die dem Schaltungsknbten 105 von den Transistoren 101 und 201 zugeführten Ruheströme gleiche Beträge und bezüglich des Schaltungsknotens 1O5 entgegengesetzte Richtungen haben, fließt durch den Kollektorlastwiderstand 107 des Transistors 101 praktisch kein Ruhestrom. Wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 ist daher das Potential an der Kollektorelektrode des Transistors 101 im wesentlichen gleich dem am Schaltungsknoten 109.

409820/0 7 82

Die Basisruheströme der Transistoren 101 und 201 werden auf folgende Weise bestimmt: Die Reihenschaltung aus dem als Diode geschalteten Transistor 205 und dem Basis-Emitter-übergang des Transistors 201 erzeugt einen Spannungsunterschied von 2V_,_ zwischen einem Schaltungsknoten 215 und der Emitterelektrode des Transistors 201. (V-,« ist dar Ruhespannungsabfall an einem in Flußrichtung vorgespannten Halbleiterpn-Übergang und beträgt bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial etwa 650 mV.) Zwischen der Emitterelektrode des Transistors 211 und einem Schaltungsknoten 217 besteht ein durch den Basis-Emitter-Übergang dieses Transistors erzeugter Spannungsunterschied von l^vö_Er Die Spannung V₃₁₃ am Widerstand 213 wird gleich der von der Gleichspannungsquelle 119a zwischen den Schaltungsknoten 217 und 215 erzeugten Spannung V^g₃ ^ab~ züglich der Spannungsabfälle 2V_ßE und 1 V_gE gehalten. Die an den Widerstand 213 angelegte Spannung V»,- bestimmt den diesen Widerstand durchfließenden Strom I₂₁₃, welcher den Emitter^- strom der Transistoren 201 und 211 bildet. Der Emitterstrom eines normal vorgespannten Transistors, wie des Transistors 201, ist die Summe seines Basis- und Kollektorstroms. Da das Verhältnis (h_fe) zwischen diesen Basis- und Kollektorströmen bekannt ist, können sie leicht errechnet werden, da man den Emitterstrom I₂i3 ^kennti» ^Der Kollektorstrom des Transistors 201 ist (h_f ¹OtV ^ "*" **f ) t und sein Basisstrom ist ^213^ (1 + h_fe). Wegen der Stromspiegelschaltung fließt im Transistor 101 ein entsprechender Basisruhestrom.

Aus Fig. 2 kann ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung entnommen werden: Ein Transistor, der soweit es die Vorwärtsstromverstärkung angeht, dem mit einem Basisstrom vorzuspannenden Transistor angepaßt ist, kann durch eine die Basis mit einer Spannung versorgende Anordnung vorgespannt werden und sein Basis- und Kollektorstrom können als Bezugsströme zur Bestimmung des Basis- und Kollektorstromes des mit einem Strom vorgespannten Transistors verwendet werden.

AQ9820/0782 '

• Die Einflüsse der Basisruheströme der. Transistoren 205, 207 und 211 wurden außer acht gelassen, da ihr Einfluß auf die Schaltung vernachlässigbar ist; diese Annahme ist zulässig, wenn ihr h- größer als etwa 2O ist. Die Basisströme der Transistoren 205 und 207 verringern die Stromverstärkung des als Stromspiegel arbeitenden Stromverstärkers 203 gegenüber dem Wert 1, was erforderlichenfalls durch Verwendung einer aufwendigeren Stromspiegelschaltung vermieden werden kann. Wenn der Basisruhestrom des Transistors 211 dem des Transistors 2Ol angeglichen ist (was der Fall sein wird, wenn die hf der Transistoren gleichgemacht werden), sind auch die Kollektorströme der Transistoren 201 und 211 gleich, was den Abgleich der Kollektorströme der Transistoren 1Ol und 211 verbessert.

Der in Basisschaltung arbeitende Transistorverstärker 210 kann im Rahmen der dargestellten Schaltungsanordnung als regelndes Schaltungselement angesehen werden, das den ihn durchfließenden Strom konstant hält und man kann daher eine andere bekannte, wirkungsgleiche Schaltungsanordnung für die Verbindung der Emitterelektrode des Transistors 201 mit dem Schaltungsknoten 105 verwenden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem Transistoren komplementären Leitungstyps (pnp) mit kleineren h_f verwendet werden können als bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2. Ausführungsbeispiele dieses Typs eignen sich besonders für monolithische integrierte Schaltungen mit einem Substrat aus p-Silizium, bei denen npn-Transistoren überwiegen und die pnp-Transistoren wegen ihrer Lateralstruktur ein niedriges h_f haben. Es ist ferner eine Anordnung dargestellt, die die Ausbildung des Transistors 101 als Verbundtransistor ermöglicht, der eine Anzahl m von Einzeltransistoren 3Ol, 3O2... umfaßt, die, wie dargestellt, eine Darlington-Kaskadenschaltung bilden. Der Stromverstärkungs-

409820/0782

faktor h_f des als Verbundtransistor ausgebildeten Transistors 101 ist ziemlich genau gleich dem Produkt der Stromverstärkungsfaktoren h_f der Einzeltransistoren 301, 302. Nimmt man an, daß die Stromverstärkungsfaktoren h_fe 301 und h_fe 302 der Einzeltransistoren 301 und 302 gleich sind, was in einem gewissen Strombereich zulässig ist, so ist der Stromverstär-

kungsfaktor h_f des Verbundtransistors ziemlich genau h_fe 301.

Bekanntlich gilt für die Differenz zwischen den Basis-Emitter-Offsetspannuhgen (V_ßE) zweier Transistoren die folgende Beziehung:

_v kT 1n i₂

wobei bedeuten: ■

k Planck'sches Wirkungsquantum T absolute Temperatur

q Ladung eines Elektrons

±2 Emitterstrom des ersten Transistors i- Emitterstrom des zweiten Transistors

Solange die Ströme der beiden Transistoren nicht um Größenordnungen verschieden sind, sind die jeweiligen V_B_,-Werte annähernd gleich. '

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung enthält ferner Transistoren 310, 311 und 312, deren Basis-Emitter-Ubergänge in Flußrichtung vorgespannt sind, so daß zwischen der Emitterelektrode des Transistors 310 und einem Schaltungsknoten 315 ein Spannungsunterschied gleich der Summe der Basis-Emitter-Offsetspannungen V__ der einzelnen Transistoren herrschtο In entsprechender Weise erzeugen die in FLußrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergänge von Tran-

409820/0782

sistoren 32O, 321 und 322 das zwischen der Emitterelektrode des Transistors 320 und dem Schaltungsknoten 315 ein Potentialunterschied gleich der Summe der einzelnen Offsetspannungen V_ßE herrscht. Da die individuellen Offset-Spannungen der Transistoren 310, 311, 312, 320, 321 und 322 ungefähr gleich sind, ist auch der Potentialunterschied zwischen dem Spannungsknoten 315 einerseits und den Emitterelektroden der Transistoren 310 und 320 andererseits im wesentlichen gleich und die Potentiale dieser Emitterelektroden stimmen daher im wesentlichen überein. Diese gleichen Spannungen werden an Widerstände 331 bzw. 332 gleichen Widerstandswerts angelegt und bewirken, daß in den Transistoren 310 und 320 Emitterströme gleicher Größe fließen.

Die Basis- und Kollektorelektroden der Transistoren 311, 312, 320, 321 und 322 sind jeweils miteinander verbunden, so daß diese Transistoren als Halbleiterdioden arbeiten. Da die als Dioden geschalteten Transistoren 320, 321 und 322 in Reihe liegen, sind ihre Emitterströme gleich und gleich dem des Transistors.310; daher sind auch die Basis-Emitterspannungen V_n_ der Transistoren 310, 320, 321 und 322 gleich. Der Basisstrom des Transistors 310 ist um den Stromverstärkungsfaktor h_f 310 kleiner als sein Emitterstrom. Der Basisstrom des Transistors 310 ist der Emitterstrom der als Dioden geschalteten Transistoren 311 und 312. *

Um der Gleichung (1) zu genügen, wird also jeder der Transistoren 311, 312 ein tarn den in der Gleichung (2) angegebenen Betrag kleineres V„„ haben als der Transistor 310

JD£i

(und 320, 321 und 322) :

kT
^ÄVBE 310-311 "" q~ ^{1n h}fe 310 ^<2)

Zwischen äen Basiselektroden swaier als Differenzverstärker geschalteter und mit ihren Emittern gekoppelter pnp-Tran-

409820/0782

-13-sistoren 333 und 334 liegt eine Spannung

^2ÄVBE 310-311 - ² ψ ^{1n h}fe 310 ^m ψ ^U ^^ 310 ⁽³>

Oa sich die Emitterelektroden der Transistoren 333 und 334 auf demselben Potential befinden/ unterscheiden sich ihre Basis-Emitterspannungen V_ßE um einen Betrag

^AVBE 334-333 ^{= 2AV}BE 310-311 ~ "q ^{1n h} fe 310

Gemäß Gleichung (1) ist das Verhältnis der Kollektorströme und I₂ der Transistoren 333 bzw. 334

¹Z ^hfe 31Ο²

Da I₀ »"I.J+I2 ist, folgt

^I1 " ^l0 ' ⁺ kf. 310 " - ^(6a>

und h²

T=T fe 310 _lttM

I₂ = Iq —— *^6b'

^{1 + h} fe 310

Führt man den Strom I₁ dem Verbund-Transistor 101, dessen

Stromverstärkungsfaktor mit h * _3Q, angenommen worden war, als Basisruhestrom zu, so ergibt sich ein Kollektorruhestrom des Wertes I₂, wenn h. _3Q1 gleich h_f j_1Q ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Ruheströme der Transistoren 301 und 310 gleich macht.

4038 20/0782 ·

. -14-

Der Kollektorstrom des Verbundtransistors 101 und der Kollektorstrom I- des Transistors 334 bilden gleiche Eingangs- und Ausgangs-Ruheströme für den Schaltungsknoten 105. Durch den Kollektor-Lastwiderstand 107 fließt kein Ruhestrom zum Schaltungsknoten 105 und dieser nimmt daher gemäß dem ersten Kirchoff*sehen Satz das dem Schaltungsknoten 1O9 aufgedrückte Potential an, das von Schwankungen des Stromverstärk_^ungsfaktor h_f des Verbund-Transistors 101 praktisch nicht beeinflußt wird. Der Potentialunterschied zwischen den miteinander verbundenen Emitterelektroden der Transistoren 333, 334 und dem Schaltungsknoten 315 beträgt 2 V₀₁,, wie man aus den Basis-Emitter-Offsetspannungen V_ßE die die Transistoren 312, 311, 310, 333 und 322, 321, 320 und 334 beitragen, errechnen kann. Diese Potentialdifferenz wird einem Widerstand 33.5 aufgedrückt und bestimmt den diesen durchfließenden Strom I_Q. Iq kann gleich I, gemacht werden, indem man unter Anwendung des 0hm'sehen Gesetzes die Widerstandswerte der Widerstände 331 und 332, den Widerstandswert des Widerstandes 335, die an ihm liegende Spannung von 2 ν_β_ und die durch die Gleichspannungsquellen 119a und b gelieferte Spannung in richtige Verhältnisse zueinander bringt.

Da I, (gemäß Gleichung 6b) den Hauptteil von I_ bildet, ist I- mit ziemlich guter Näherung I_Q « τ . Der Emitterruhestrom des Transistors 301 stimmt sehr weitgehend mit seinem Kollektorruhestrom überein, welcher praktisch den ganzen Kollektorruhestrom des Verbund-Transistors 1Ol bildet und gleich I₂ ist. Der EmitterruhestDm des Verbund-Transistors 101 ist also gleich I und daher ist h_fe 3Ol gleich h_fe 31Ο, wenn die Transistoren gleichartig sind.

Bei dem Ausführungsbeispi.el gemäß Fig. 3 ist m gleich 2. m kann jedoch auch irgend eine andere positive ganze Zahl sein. Es gilt ganz allgemein:

-409820/0782

T Vi^m

^X2 ⁿ fe 310

In Fig. 4 ist das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, das anstelle des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 3 hinsichtlich der Vorspannung eines Verbund-Transistors 101 verwendet werden kann, wenn die Stromverstärkungs=·

faktoren h^ der Einzeltransistoren 301 und 302 verschieden te ■

sind, weil der Emitterstrom des. Transistors 301 das (h- 301"^^" fache desjenigen des Transistors 302 ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 enthält eine Schaltungsanordnung 430, die gleiche Ströme I-, I„ sowie I» liefert und gleichartige npn-Transistoren 431, 432 und 433 _ΰ gleichartige pnp-Transistoren 434 und 435, angepaßte bzw. aneinander angeglichene Widerstände 436,. 437 und 4 38 sowie abgeglichene Widerstände 439 und 440 enthält. Da die Emitter-Ströme I- und I„ der Transistoren 410 bsw. 420 gleich sind, sind ihre-Basis-Emitterspannung V_B„ gleich,, und da der Emitterstrom I-, auch durch den Transistor 421 fließt, ist dessen V_Q„ gleich dem von Transistoren 410 und 420. Die Transistoren 410 ₈ 420 und ein Transistor 421 haben alle den gleichen Stromverstärkungsfaktor h_f. ^₁₀ wie der Transistor 410. Die Emitter= ströme von Transistoren 411 und 422„ deren Schaltung aus Fig«4 ersichtlich ist, sind um den Faktor h^ -,'_o kleiner als die der Transistoren 410, 420 und 421_O Der Emitterstrom-eines sistors 412 ist nochmals um einen Faktor h^ 411? &^en Strom verstärkungsfaktor des Transistors 411 kleiner» Der Emitter strom des Transistors 412 ist um das (h~ _mri h- -»,j-fa

, ie ^LO xe 411

kleiner als der der Transistoren 410^ 420 und 421, so daß sein V_BE gemäß Gleichung (1) um den folgenden Betrag kleiner ist als das V_ßE dieser Transistoren:

^AVBE 412-410" "^ ^ίΆ ^hfe 410 ^hfe 411

40^82.0/0782

Die durch die Transistoren 410 und 420 erzeugten Basis-Emitter-Offsetspannungen sind gleich, dasselbe gilt für die der Transistoren 411 und 422. Der Unterschied der Basis-Emitter spannungen der Transistoren 412 und 421, der gleich dem der Transistoren 412 und 410 ist, wird den Basiselektroden den einen Differenzverstärker bildenden Transistoren 433 und 434 zugeführt, um Kollektorströme I₂ und I₁ zu erzeugen, die im Verhältnis h_{fe 410} ^hf_e 411^:* stehen. Da I_Q « I_{1 +} I₂ ist, müssen die folgenden Gleichungen erfüllt sein:

<^9a>

^ftfe 410 ^ftfe 411

₍
^{1 + h}fe 41O ^hfe 411

Der Strom I₁, der dem Verbund-Transistor 101 als Basisruhestrom zugeführt wird, erzeugt den Kollektorruhestrom

τ - fe 3Ol ^hfe 302 _/1Λ.

^{c 1O1} Γ77 h

^{1 + n}fe 410 ⁿfe 411

Der Kollektorruhestrom I ._. ist gleich I,, wenn ^hfe 301 ^hfe 302 ^{gleich h}fe 410 ^hfe 411 ^ist* ^{Dies ist der Fal1}' da die Ruheströme in den Transistoren 301 und 410 ebenso gleih sind.wie die Ruheströme der Transistoren 3Ο2 und 411, die ihnen Basisstrom liefern.

Aufgrund des ersten :rchoffsehen Satzes fließt kein nennenswerter Ruhestrom durch den Kollektor-Lastwiderstand 107, so daß der Schaltungsknoten 105 das Potential des Schaltungsknotens 1Ο9 annimmt, das von Schwankungen des Stromverstärkungsfaktors h- des Verb und-Trans is tors 101 im wesentlichen unabhängig ist. ^09820/0782

Zn der vorliegenden Beschreibung und den zugehörigen Ansprüchen ist die für bipolare Transistoren übliche Terminologie verwendet worden, da die durch die vorliegende Erfindung behobenen Probleme hinsichtlich der thermischen Stabilität bei diesen Transistoren ausgeprägter sind als bei anderen Transistortypen, die Erfindung läßt sich jedoch auch bei anderen Transistortypen anwenden. Die Begriffe "Basiselektrode", "Emitterelektrode" und "Kollektorelektrode¹¹ sind also nicht einschränkend auszulegen, sondern sollen die Eingangselektrode, Ausgangselektrode und gemeinsame Elektrode von Transistoren anderer Typen mit umfassen. Per Begriff "Transistor" soll auch Verbundtransistoren umfassen, z.B. Darlington-Verbundtransistoren oder solche, bei denen einem Ausgangstransistor Transistorverstärker in Kollektorschaltung vorgeschaltet sind.

409820/0.782

Claims

Patentansprüche

l) Vorspanriungsschaltung für einen mit Kollektorstrom/Basisstrom-Verstärkung arbeitenden Transistor/der als Verstärker, insbesondere in Emitterschaltung geschaltet und mit einer Widerstandsbelastung verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (1O3) mit zwei Klemmen, die zwei Gleichströme (I*, I,) liefern, deren Verhältnis im wesentlichen umgekehrt proportional zum Kollektorstrom/Basisstrom-Verstärkungsfaktor des Transistors (101) ist und von denen der erste der Basiselektrode des Transistors und der zweite der Kollektorelektrode des Transistors aufgeprägt werden, so daß der zweite Strom der Neigung der als Antwort auf den ersten Gleichstrom fließenden Komponente des Kollektorstroms, in die Widerstandsbelastung (107) zu fließen, entgegenwirkt. ■
2. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle enthält: Einen zweiten Transistor (2O1) der den gleichen Temperaturänderungen wie der erste Transistor (101) ausgesetzt ist; eine die Emitterelektrode des zweiten Transistors mit der Kollektorelektrode des ersten Transistors verbindende Stromquelle (210); und einen Stromverstärker (203), welcher einen Ausgangsstrom gleicher Amplitude wie der ihm zugeführte Eingangsstrom liefert, welcher ferner mit der Basiselektrode des zweiten Transistors (201) gleichstromgekoppelt ist und den Eingangsstrom von dieser erhält, und welcher den Ausgangsstrom an die Basiselektrode des ersten Transistors (1O1) liefert.

OBiGlNAL

409820/07 8 2
3. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (103) einen zweiten und einen dritten Transistor mit jeweils einer Kollektor-, Emitter- und Basiselektrode und einem Leitungstyp, der zu dem des ersten Transistors (101) komplementär ist, enthält, daß der zweite und dritte Transistor als emittergekoppelter Differenzverstärker geschaltet sind und den ersten und zweiten Strom (I", I₃) von den jeweiligen Kollektorelektroden abgeben, und daß die Basiselektrode» des zweiten und dritten Transistors mit einer Spannungsquelle

' ' dos

verbunden sind, die zwischen ihnen eine der Temperatur ersten Transistors proportionale Spannung erzeugt»
4. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle, die das der absoluten Temperatur des ersten Transistors (101) proportionale Spannung liefert, einen vierten, fünften, sechsten und siebten Transistor enthält, die jeweils gleichartig mit dem ersten Transistor sind und jeweils eine Kollektor-, Emitter- und Basiselektrode aufweisen; daß die Emitterelektrode des vierten Transistors* mit der Basiselektrode des fünften Transistors gleiehstromgekoppelt ist; daß die Basiselektrode des vierten Transistors mit der gleichen Betriebsspannun g gleichstromgekoppelt ist wie die Kollektor- und Basiselektrode des sechsten Transistors; daß die Emitterelektrode des sechsten Transistors mit der Kollektor- und Basiselektrode des siebten Transistors gleichstroxngekop-. pelt ist? daß die Emitterelektroden des fünften und siebten Transistors mit den Basiselektroden des zweiten bzw» dritten Transistors gleichstromgekoppelt sind und daß eine Quelle für einen dritten und vierten Strom gleicher Werte vorgesehen ist, von denen der dritte· Strom zwischen der Emitterelektrode des fünften Transistors und den KoIlektorelektröden des viertera-und "fünften Transistors zugeführt wird, während der vierte Strom zwischen der Emitterelektrode des siebten Tran-

40-9 8 20/07 8?

sistros und der mit der Kollektorelektrode verbundenen Basiselektrode des sechsten Transistors zugeführt wird.
5. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten und einen dritten Transistor mit jeweils einer Kollektorelektrode und einer Basis- und Emitterelektrode mit einem Basis-Emitter-Halbleiterübergang zwischen diesen, die mit verbundenen Emitterelektroden als emittergekoppelter Differenzverstärker geschaltet sind und den ersten und den zweiten Strom von "der einen bzw. anderen ihrer Kollektorelektroden liefern; eine erste und eine zweite Mehrzahl von Transistoren aus m+1 Transistoren, die jeweils eine Xollektorelektrode und eine Basis- und Emitterelektrode mit mindestens einem dazwischen liegenden Basis-Eraitter-Halbieiterübergang aufweisen, wobei die Basis-Emitter-Übergänge der ersten Mehrzahl von Transistoren in eine erste Reihenschaltung geschaltet sind und die Basis-Emitter-Übergänge der zweiten Mehrzahl von Transistoren in eine zweite Reihenschaltung geschaltet sind und die Basis-Ernitter-Ubergänge in der ersten und der zweiten Reihenschaltung zwischen einem ersten und einem zweiten Ende der ersten bzw. zweiten Reihenschaltung gleich gepolt sind; ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode jedes der Transistoren der ersten Mehrzahl von Transistoren jeweils mit der Kollektorelektrode verbunden sind mit der Ausnahme eines vierten Transistors, dessen Emitter ein Ende der ersten Reihenschaltung darstellt; daß die Basiselektrode jedes der Transistoren der zweiten Mehrzahl von Transistoren mit der zugehörigen Kollektorelektrode verbunden ist; daß die ersten Enden der ersten und zweiten Reihenschaltung jeweils mit der Basiselektrode des zweiten bzw. dritten Transistors verbunden sind; daß dl« zweiten Enden der ersten und der zweiten Reihenschaltung miteinander verbunden sind und daß eine erste und eine zweite Stromquelle vorgesehen sind, welche mit dem ersten Ende der ersten bzw. zweiten Reihenschaltung gekoppelt sind

409820/0782

und bewirken, daß gleiche Ströme durch die eisten Enden fließen und welche mit der Verbindung und der Kollektorelektrode des vierten Transistors gekoppelt sind, so daß der Stromkreis für die gleichen Ströme geschlossen iste
6. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine dritte Stromquelle die Ruheströme, welche jeweils den gleichen Strömen in der Amplitude gleich sind, an die verbundenen Emitterelektroden des ersten und zweiten Transistors liefern.

409820/0782 /