DE2416680A1 - Stromverstaerker - Google Patents
StromverstaerkerInfo
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Description
7679-74 Dr.V.Β/Ε
RCA 64,054
US-Ser.No. 348,723
Filed 6 April 1973 .
RCA Corporation
New York N.Y. (V.St.A.)
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromverstärker mit zwei Transistoren gleichen Leitungstyps, von denen der erste mit seinem Kollektor mit einer
Eingangsklemme, der' zweite mit seinem Kollektor mit einer Ausgangsklemme und beide mit ihren Emittern mit einer gemeinsamen
Klemme gleichstromgekoppelt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Dreipol-Stromverstärker, welche
mehrere Transistoren enthalten, einen vom Stromverstärkungsfaktor dieser Transistoren im wesentlichen unabhängigen Stromverstärkungsfaktor haben und sich beson-
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ders für einen Aufbau als monolithische integrierte Schaltung eignen.
Unter einem Stromverstärker soll hier
eine aktive Schaltungsanordnung verstanden werden, deren Ausgangsstrom vom Eingangsstrom abhängt und in mindestens
einem Teil des EingangsStrombereiches diesem
proportional ist; der Stromverstärkungsfaktor muß nicht unbedingt größer als Eins sein. Die Eingangs- und Ausgangsströme
können Ruheströme oder veränderliche Ströme sein. Unter den Begriff Stromverstärker solfnhier
auch Schaltungsanordnungen fallen, die generell als "Stromspiegel" bezeichnet werden.
Es sind Stromverstärker der oben definierten Art bekannt/ die zwei Transistoren gleichen
Leitungstyps enthalten, deren Emitterelektroden mit einer gemeinsamen Klemme des Verstärkers, deren Kollektorelektroden
mit einer Eingangs- bzw. Ausgangsklemme des Verstärkers gekoppelt sind und deren Basiselektroden
miteinander verbunden und mit der Eingangsklemme direkt gekoppelt sind. Durch entsprechende Bemessung
der Geometrien der ersten beiden Transistoren und etwaiger Emitter-Gegenkopplungswiderstände kann man erreichen,
daß die Stromverstärkung eines solchen Stromverstärkers im wesentlichen von diesen Parametern abhängt
und praktisch unabhängig von den Stromverstärkungsfaktoren der einzelnen Tei!transistoren ist, vorausgesetzt
daß deren Stromverstärkungsfaktoren größer als etwa 5 sind und daß sie gleiche Steilheiten haben.
Die direkte oder gleichstromdurchlässige Kopplung der Eingangsklemme mit den verbundenen Basiselektroden
des ersten und zweiten Transistors wurde bei'
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den bekannten Transistoren entweder durch eine direkte Verbindung oder einen Transistorverstärker in Kollektorschaltung
bewirkt. Diese Art von direkter oder Gleichstromkopplung hat zur Folge, daß die Kollektor-Emitter-Spannung
des ersten Transistors bei vielen, wenn nicht allen Schaltungsanordnungen, in denen der
Stromverstärker verwendet wurde, wesentlich kleiner als die des zweiten Transistors ist. Diese Bedingung
beeinträchtigt jedoch die Anpassung der Steilheiten des ersten und zweiten Transistors und die Unabhängigkeit
des Stromverstärkungsfaktors des Verstärkers von
den Stromverstärkungsfaktoren der in ihm enthaltenen
Transistoren. Dieser Nachteil zeigt sich besonders deutlich, wenn die beiden Transistoren Lateraltransistoren
in einer monolithischen integrierten Schaltung sind.
Wenn die Kollektor-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren verschieden sind, ist auch die
Verlustleistung der Transistoren und damit die in ihnen entstehende Wärme verschieden. Dies beeinträchtigt die
Anpassung der Steilheiten der Transistoren, da die Steilheit »ines Transistors von der Temperatur abhängt.
Wenn die beiden Transistoren nicht mit Strombegrenzungswiderständen versehen sind, kann ein solcher Stromverstärker
außerdem thermisch instabil werden, wobei dann der Strom im Stromverstärker immer mehr ansteigt und
die Transistoren schließlich durch überhitzung zerstört werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromverstärker der eingangs genannten
Art anzugeben, der die oben geschilderten Nachteile der bekannten Stromverstärker vermeidet.
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Die Erfindung geht aus von einem Stromverstärker mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme
und einer gemeinsamen Klemme sowie einem ersten und einem zweiten Transistor gleichen Leitungstyps.
Die Emitterelektroden der beiden Transistoren sind mit der gemeinsamen Klemme gleichstromgekoppelt. Die Kollektorelektrode
des ersten bzw. zweiten Transistors sind mit der Eingangsklemme bzw. Ausgangskleirane des
Stromverstärkers durch geeignete Schaltmittel gleichs tromgekoppeIt.
Gemäß der Erfindung ist die Eingangsklemme
mit den Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors durch einen Transistorverstärker in Basisschaltung
gekoppelt, welcher einen dritten Transistor enthält, dessen Leitungstyp komplementär zum Leitungstyp des ersten und zweiten Transistors ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert; es zeigen:
Fig. 1 bis 6 jeweils teilweise in Blockform gehaltene Schaltbilder von Stromverstärkern gemäß
Ausführungsbeispielen der Erfindung und
Fig. 7 und 8 Schaltbilder von Zweipol-Stromreglern,
welche einen Stromverstärker gemäß Fig.5 bzw. 6 enthalten.
Der in Fig. 1 als Ausfürhungsbeispiel der Erfindung dargestellte Stromverstärker 100 hat
eine Eingangsklemme 101, der ein Eingangsstrom I von einer Stromquelle 10 zuführbar ist. Eine Ausgangsklemme
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m m Γ* |
102 des Stromverstärkers 100 ist mit einer Ausgangslast
20 (Verbraucher) verbunden, in der ein Ausgangsstrom Ιουτ nutzbar gemacht wird. Der Stromverstärker
100 hat ferner eine gemeinsame Klemme 103, welche mit einem Pol einer Betriebsspannungsquelle 30 verbunden
ist. Mittels einer Spannungsquelle 40 wird in Verbindung mit der Betriebsspannungsquelle 30 ein Potential
erzeugt, das gegenüber dem Potential einer gemeinsamen Klemme 103 versetzt ist.
Der Stromverstärker enthält ferner einen pnp-Transistor 104, dessen Kollektorstrom durch eine
Kollektor-Basis-Gegenkopplung über einen in Basisschaltung arbeitenden Verstärker (npn-Transistor 105)
im wesentlichen auf dem Wert "^1n gehalten wird (dieser
Wert ergibt sich im Idealfalle, wenn man die Basisströme der Transistoren 104 und 105 sowie eines pnp-Transistorä
106 vernachlässigt.) Der pnp-Transistor ist mit seiner Basis-Emitter-Strecke der des Transistors
104 parallelgeschaltet; sein Kollektorstrom Ic1Og# der
als Ausgangsstrom ΙΟϋΤ der Ausgangslast 20 zugeführt
wird, ist daher proportional zum Strom I1 Q. im Transistor
104. Die Proportionalitätskonstante ist dabei das Verhältnis der effektiven Transkonduktanz oder
Steilheit gmi06 des Transistors 106 zur effektiven
Steilheit gm104 des Transistors 104. Im Idealfall gilt
also:
-m
Vi06
(1)
1IN
IN ^104 gm104
Wenn die Transistoren 104 und 106 ohne Emittergegenkopplungswiderstände
betrieben werden, wie es bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig.·1 der Fall ist, und wenn
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sie entsprechende Diffusionsprofile haben und im wesentlichen bei der gleichen Temperatur arbeiten, wird
das Verhältnis ihrer effektiven Steilheiten im wesentlichen die gleiche Proportion haben wie das Verhältnis
der effektiven Flächen ihrer jeweiligen Basis-Emitterübergänge. Der Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers
wird dann im wesentlichen durch die Geometrie der Transistoren 104 und 105 und nicht durch deren individuelle
Stromverstärkungsfaktoren bestimmt. Diese
Bedingung läßt sich auch einhalten, wenn die Transistoren 104 und 106 mit Emittergegenkopplungswiderständen
versehen sind, indem man die Leitfähigkeiten dieser Widerstände im selben Verhältnis wie die effektiven
Flächen der Basis-Emitter-Übergänge der zugeordneten Transistoren 104 bzw. 106 hält.
Genauer gesagt ist:
"1IN = JC104 + ΧΒ104 + ΣΒ1Ο5
\.jbei Iß-jo4 1BIOS und 1BIOo d*e Basisströme äer Transistoren
104, 105 bzw. 106 sind. Durch die Vorwärtsstromverstärkung des Transistors 106 wird im allgemeinen
Ig-Jos wesentlich kleiner sein als sein Kollektorstrom
Ig1Qd + 1BIOo* Die Einflüsse der Basisströme
IB104 und Ig106 auf ^ie ProPor>tionalität von Eingangsund
Ausgangsstrom des Stromverstärkers 100 wird deutlich merkbar, wenn die Vorwärts-Stromverstärkungsfaktoren
der Transistoren 104 und 106 unter etwa 10 liegen. Dieser Einfluß auf die Proportionalität ist bei
gewissen Schaltungen tragbar, er läßt sich auch durch entsprechende Bemessung der Geometrie der Basis-Emitterkreise
der Transistoren 104 und 106 grob kompensieren.
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Die Kollektor-Emitter-Spannung v CEi06 des
Transistors 106 wird durch die von der Betriebsspannungsquelle 30 gelieferte Betriebsspannung +Ecc abzüglich des
Spannungsabfalls V20 an der Ausgangslast 20 bestimmt.
Es ist also:
VCE1O6 =ECC-V2O
Wenn die Kollektor-Emitter-Spannu ng VCE1Q4 de£j Tran_
Wenn die Kollektor-Emitter-Spannu ng VCE1Q4 de£j Tran_
sistors 104 einen ähnlichen Wert wie v CEi06 haben
sollte die durch die Spannungsquelle 40 erzeugte Vorspannung Ε,.--« um den Betrag der Basis-Emitter-Offsetspannung
v beiq5 ^es Transistors 105 positiver sein als
V- . Wenn also die Vorspannung diesen Wert hat, wird EBIAS abzüglich der Basis-Emitter-Spannung νΒΕ105 des
Transistors 105 die Eingangsklemme 101 auf demselben Potential halten wie die Ausgangsklemme 103. V_j04 ist
dann also gleich ν^-ιοε* A*s Gleichung geschrieben gilt
also :
VCE104 VCE1O6 wenn
EBIAS ~ V20 + VBE1O5.
Wenn man V CE1O4 9leich v CEi06 macht' wird das Verhältnis
der Steilheiten der Transistoren 104 und 106 in erster Linie von ihren Geometrien bestimmt und durch Potentialunterschiede
an den jeweiligen Elektroden nicht unterschiedlich beeinflußt. Das Verhältnis der Kollektorströme
dieser Transistoren wird dann also in erster Linie durch die jeweiligen Geometrien bestimmt und der Stromverstärkungsfaktor
des Stromverstärkers 100 ist dann im
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wesentlichen unabhängig von den nicht mit den Geometrien
zusammenhängenden Parametern der einzelnen Transistoren 104 und 1O6. Dies setzt voraus, daß die jeweiligen
Parameter der Transistoren 104 und 1O6 gut angepaßt oder gepaart sind, was bei integrierten Schaltungen
der Fall ist. Bei vielen Anwendungen der Stromverstärker gemäß der Erfindung genügt auch schon eine
mehr oder weniger gute Annäherung an diese Bedingungen.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Stromverstärkers 200, bei dem das der Basiselektrode des
Transistors 105 zugeführte Potential durch direkten Anschluß der Basiselektrode an die Ausgangsklemme
gleich V30 ist. Zwischen den Kollektor des Transistors
104 und die Verbindung der Ausgangsklemme 101 mit dem Emitter des Transistors 105 ist eine Diode 207 mit der
aus der Zeichnung ersichtlichen Polung geschaltet. Würde man die Diode 207 weglassen und an ihrer Stelle ,
wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 eine di rekte Verbindung verwenden, so wäre
VCE1O6 = ECC * V20 ~ VCE1O4 "VBE1O5
D.h. V^ioß wäre dann etwas kleiner als v CE-j04f näm~
lieh um v be1q5' die Spannung an dem in Flußrichtung,
vorgespannten Basis-Emitter-Übergang des Transistors 105 (Bei einem Siliciumtransistor wäre VßEi05 etwa
650 mV). In vielen Fällen hätte dies einen gravierenden Einfluß auf die Arbeitsweise der Schaltung. Wenn
man jedoch die Diode 207 einschaltet, wie es in Fig.2
dargestellt ist, tritt an ihr durch den sie in Fluß richtung durchflieSenden Kollektorstrom Ip104 ein
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Spannungsabfall v"2O7 auf, der im wesentlichen gleich
VBE105 ist ""1^ VCE1O4 ist dann im wesentlichen gleich
VCE1O6*
Die Diode 207 kann durch einen Transistor gebildet werden, dessen Basis- und Kollektorelektrode
durchverbunden sind und mit der Emitterelektrode die Anode bzw. Kathode der Diode 207 bilden. Andererseits
kann die Diode 207 auch durch ein diffundiertes Gebiet in der Kollektorzone des Transistors
104 gebildet werden.
Die Transistoren 104 und 105 sind als Transistorverstärker in Emitter- bzw. Basisschaltung
in eine Rückkopplungsschleife geschaltet. Hierdurch wird der effektive Verstärkungsfaktor des Transistors
105 als Verstärkertransistor in Emitterschaltung in der Mitkopplungsschleife herabgesetzt, die durch ihn
und den Transistor 106 gebildet wird, der ebenfalls als Transistorverstärker in Emitterschaltung arbeitet.
Wenn die Quellenimpedanz der Stromquelle 10 genügend groß ist, wird der Verstärkungsfaktor der Mitkopplungsschleife
unter 1 eingehalten, so daß keine Schwingungen entstehen können. Die Mitkopplung zwischen Kollektor
und Basis des Transistors hat die vorteilhafte Wirkung, daß der scheinbare dynamische Kollektorwiderstand zwischen
Ausgangsklemme 102 und gemeinsamer Klemme 103 erhöht wird.
Die durch die Diode 207 bewirkte Verbesserung der Anpassung von v eE-|04 "1^ VCE1O6 kann aucn
alternativ durch einen pnp-Emitterfolgertransistor 308
bewirkt werden, wie es bei dem in Fig. 3 dargestellten Stromverstärker 300 der Fall ist. Beim Transistor 308
kann es sich um einen Typ handeln, der seinen Kollektor
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im Substrat der aus Silicium bestehenden monolithischen integrierten Schaltung hat, in dem die Transistoren 104
und 1O6 als Lateraltransistoren gebildet sind, während
der Transistor 105 ein Vertikaltransistor in einer Isolierwanne ist. Der Emitterfolgertransistor 308 ist mit.
einem Emitterwiderstand zur Emitterstomversorgung dargestellt, er kann jedoch auch alternativ von der Kollektorelektrode
eines pnp-Transistors gespeist werden, dessen
Basis-Emitter-übergang denen der Transistoren 104 und 106 parallelgeschaltet ist.
Die in Fig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung bildet den Ausgangspunkt für Stromverstärker
mit einer höheren dynaischen Ausgangsimpedanz als Stromverstärker, deren Ausgangssignale von der Kollektorelektrode
eines eine Lateralstruktur aufweisenden Transistors einer integrierten Schaltung abgenommen werden. Der dynamische
Kollektorwiderstand eines Transistors mit Lateralstruktur in einer integrierten Schaltung ist gewöhnlich
um Größenordnungen kleiner als der von Transistoren mit Vertikalstruktur. Durch Zusatz eines Transistors 409
zum Stromverstärker 200 (Fig.2} erhält man einen Stromverstärker 400 (Fig. 4), dessen dynamische Ausgangsimpedanz
um ein Vielfaches größer ist als die des Stromverstärkers 200 gemäß Fig. 2.
Die Kollektor-Basis-Gegenkopplung des
Transistors 409 durch den als Verstärker in Kollektorschaltung arbeitenden Transistor 105 regelt seinen Kollektorstrom
IC4QQ auf einen Wert gleich dem Kollektorstrom
IC1o& aes Transistors 106 mit Ausnahme des kleinen
Basisstromes 1D-JOS' ^er vora Transist°r 105 benötigt wird.
Der Emitterstrom 1Jj40Q des Transistors 409 wird dann im
wesentlichen gleich seinem Kollektorstrom IC4O9 sein,der
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lintcrschicd iat lediglich dor Ua3isstrom In4og» dcr zur
Aufrechterhaltung des gewünschten Kollektorstroms IC4Og
benötigt wird. Wenn die Kollektor-Basis-Gegcnkopplung
des Transistors 4O9 durch eine direkte Verbindung bewirkt würde, wäre sein dynamischer Kollektor-Emitter-Widerstand
gleich dem Reziproken seiner Steilheit (1/g 4Og). Zwischen Kollektor- und Emitterelektrode
des Transistors 409 erscheint jedoch eine wesentlich höhere effektive Impedanz, da die Mitkopplungsschleife,
die durch die als Transistorverstärker in Emitterschaltung arbeitenden Transistoren 105 und 106 gebildet wird,
der Kollektor-Basis-Gegenkopplung des Transistors 409 entgegen wirkt. Die Herabsetzung der Verstärkung einer
Gegenkopplungsschleife erhöht die Impedax, die sich darbietet, wenn man in einen Punkt der Schleife Blickt.
Der an der Ausgangsklemme 102 erscheinende dynamische Ausgangswiderstand kann sich sehr weitgehend dem dynamischen
Kollektorwiderstand des npn-Transistors 409
nähern.
Die Fig. 5 und 6 zeigen andere Möglichkeiten, die Verstärkung der die Transistoren 105 und
106 enthaltenden Mitkopplungsschleife und damit die Ausgangsimpedanz an der Ausgangsklemme 102 zu erhöhen.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig.5 wird der Kollektorstrom des Transistors 105 durch einen
als Verstärker in Kollektorschaltung arbeitenden Transistor 105 verstärkt, der mit den Transistoren 104 und
106 in Kaskade oder Reihe geschaltet ist. Der Transistor 510 kann z.B. als pnp-Substrattransistor ausgebildet
sein, der weniger Fläche des Schaltungsplättchens beansprucht als ein pnp-Lateraltransistor. Bei Fig.6
sind die Transistoren 104 und 106 mit Transistoren 611
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bzw. 612, die eine Lateralstruktur haben können, zu
Darlington-Schaltungen verbunden. Im übrigen ist die Schaltung ähnlich wie die der Fig. 4.
Fig. 7 zeigt, wie ein Zweipol-Stromregler mit Klemmen 103 und 714 unter Verwendung des Stromverstärkers
5ΘΟ gemäß Fig. 5 aufgebaut werden kann. Zwischen die Eingangsklemme 101 und die Ausgangsklemme
102 des Stromverstärkers 500 ist ein Widerstand 713 geschaltet, an dem die Basis-Emitter-Offsetspannung des
Transistors 409, eine geregelte oder stabilisierte Spannung liegt. Aufgrund des Ohm1sehen Gesetzes ist
dann auch der den Widerstand 713 durchfließende Strom geregelt. Der den Widerstand 713 durchfließende Strom
bewirkt, daß der Stromverstärker 500 einen Ausgangsstrom IQÜT ähnlichen Wertes leifert. Der Stromregler 700 hält
daher zwischen den Klemmen 103 und 714 solange einen Konstanten Stromfluß aufrecht, als die Spannung zwischen
diesen Klemmen,die etwa 2 oder 3 V übersteigt, die für eine normale Vorspannung der Transistoren 104,
105, 105, 409 und 510 erforderlich sind. Dieser konstante Strom ist doppelt so groß wie der den Wider- .
stand 713 durchfließende Strom..
Fig.8 zeigt einen ähnlichen Zweipol-Stromregler 800 mit den Klemmen 103 und 814, der den
Stromverstärker 600 gemäß Fig. 6 anstelle des Strom-Verstärkers 500 enthält.
Sowohl beim Stromregler 700 als auch beim Stromregler 800 können zusätzliche Regelelemente
zwischen die Klemmen 102 und 114 oder zusammen mit dem
Widerstand 713 geschaltet werden, um eine stromkonstante
Einrichtung zu schaffen, die irgend eine von vielen
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temperaturabhängigen oder temperaturunabhängigen Stromkennlinien
hat.
Die als Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellten Stromverstärker lassen sich in der
verschiedensten Hinsicht abwandeln, z.B. durch die Verwendung von Emitterwiderständen, die die Emitterelektroden
der Transistoren 104 und 105 mit der Klemme 103 koppeln oder die Verwendung von Verbundtransistoren anstelle
der verschiedenen einfachen Transistoren, die in der Zeichnung dargestellt sind. Solche Abwandlungen
können von einem Fachmann für integierte Schaltungen ohne erfinderische Tätigkeit gefunden werden und fallen
in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Anstelle der dargestellten Bipolartransistoren können selbstverständlich auch andere Arten
von Transistoren verwendet werden. Die Begriffe "Emitter", "Basis" und "Kollektor" sind also nicht einschränkend
auszulegen, sondern sollen auch äquivalente Elektroden anderer geeigneter Transistortypen einschließen.
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Claims (6)
- Patentansprüche[Iy Stromverstärker mit zwei Transistoren gleichen Leitungstyps, von denen der erste mit seinem Kollektor mit einer Eingangsklemme, der zweite mit seinem Kollektor mit einer Ausgangsklemme und beide mit ihren Emittern mit einer gemeinsamen Klemme gleichstromgekoppelt sind, gekennzeichnet durch eine Kompensationsschaltung mit einem dritten Transistor (105) eines dem Leitungstyp der beiden erstgenannten Transistoren (104, 106) entgegengesetzten Leitungstyps, dessen Emitter mit der Eingangsklemme (101), dessen Kollektor mit den Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors und dessen Basiselektrode mit der Kollektorelektrode des zweiten Transistors (106) gleichstromgekoppelt ist.
- 2. Stromverstärker nach Anspruch !,gekennzeichnet durch einen vierten Transistor (308) eines zum dritten Transistor (105) komplementären Typs, der als Verstärker in Kollektorschaltung geschaltet ist und eine Gleichstromkopplung zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (106) und der Basis des dritten Transistors (105)bildet.
- 3. Stromverstärker nach Anspruch !,gekennzeichnet durch einen vierten Transistor (409), der den gleichen Leitungstyp hat wie der dritte Transistor (105), dessen Basis mit der Eingangsklemme (101)direkt gekoppelt ist, dessen Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Transistors (106)409844/0883gleichstromgekoppelt ist und dessen Emitter mit der Ausgangsklemme (102)direkt gekoppelt ist, derart, daß die Kollektor-Emitter-Strecke des vierten Transistors (409) die Gliichstromkopplung zwischen der Ausgangskleinme (102) und dem Kollektor des zweiten Transistors (106) bildet.
- 4. Stromverstärker nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromkopplung zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (104) und der Eingangsklemme (101) einen Halbleiterübergang (207)(pn-übergang) enthält.
- 5. Stromverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromkopplung zwischen dem Kollektor des dritten Transistors (105) und den Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors (104, 106) mindestens einen Verstärkertransistor (510; 611, 612) in Kollektorschaltung enthält.
- 6. Stromverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Regelung des zwischen der Ausgangsklemme (102) und der gemeinsamen Klemme (103) fließenden Stromes, und durch ein Widerstandselement (713), das zwischen die Eingangsklemme (101 und die Ausgangsklemme (102) geschaltet ist.409844/0889Leerseite
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