DE2416680B2 - Stromverstaerker - Google Patents

Description

7. Stromverstärker nach einem der vorstehenden Unabhängigkeit des Stromverstärkungsfaktors des Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verstärkers von den Stromverstärkungsfaktoren dei dem Kollektor des dritten Transistors (105) und in ihm enthaltenen Transistoren. Dieser Nachtei die Basen des ersten und zweiten Transistors (104, 60 zeigt sich besonders deutlich, wenn die beiden Tran· 106) als galvanischer Koppelzweig mindestens ein sistoren Lateraltransistoren in einer monolithischer in Kollektorgrundschaltung arbeitender Ver- integrierten Schaltung sind.

Stärkertransistor (510, 611, 612) geschaltet ist. Wenn die Kollektor-Emitter-Spannungen der beider

8. Stromverstärker nach einem der Ansprüche 3 Transistoren verschieden sind, ist auch die Verlust bis 7, gekennzeichnet durch seine Verwendung 65 leistung der Transistoren und damit die in ihnen ent zur Regelung des zwischen dem Ausgangsan- stehende Wärme verschieden. Auch dies beeinträchtig Schluß (102) und dem gemeinsamen Anschluß (103) die Anpassung der Steilheiten der Transistoren, di fließenden Stromes mit einem zwischen Eingangs- die Steilheit eines Transistors von der Temperatur

abhängt. Wenn die beiden Transistoren nicht mit Strombegrenzungswiderständen versehen sind, kann ein solcher Stromverstärker außerdem thermisch instabil werden, wobei dann dei Strom im Stromverstärker immer mehr ansteigt und die Transistoren schließlich durch Überhitzung zerstört werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht dann, einen Stromverstärker der im Anspruch 1 vorausgesetzten Art anzugeben, der die oben geschilderten Nachteile der bekannten Stromverstärker vermeidet und sich insbesondere durch eine verbesserte Unabhängigkeit seiner Gesarntstromverstärkung von den einzelnen Stromverstärkungen der Teiltransistoren auszeichnet und der außerdem ein verbessertes Temperaturverhalten zeigt und nicht zu thermischen Instabilitäten neigt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmaie des Anspruchs 1 geiöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

F i g. 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 F i g. 5 bzw. 6 enthalten.

Der in Fig.l als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Stromverstärker 100 hat eine Eingangsklemme 101, der ein Eingangsstrom //.γ von einer Stromquelle 10 zuführbar ist. Eine Ausgangsklemme 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 eine Potentialdifferenz gegenüber dem Potential einer gemeinsamen Klemme 103 erzeugt.

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 —Iin gehalten wird (dieser Wert ergibt sich im Idealfalle, wenn man die Basisströme der Transistoren 104 und 105 sowie eines pnp-Transistors 106 vernachlässigt). Der pnp-Transistor 106 ist mit seiner Basis-Emitter-Strecke der des Transistors 104 parallel geschaltet; sein Kollektorstrom /cioe. der als Ausgangsstrom I_Out der Ausgangslast 20 zugeführt wird, ist daher proportional zum Strom Zc₁₀₄ im Transistor 104. Die Proportionalitätskonstante ist dabei das Verhältnis der effektiven Transkonduktanz oder Steilheit g_miOe des Transistors 106 zur effektiven Steilheit g_mwi des Transistors 104. Im Idealfall gilt also:

'our

llN

ff "M 06 Sm 104

Wenn die Transistoren 104 und 106 ohne Emittergegenkopplungswiderstände betrieben werden, wie es bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig.l der Fall ist, und wenn sie entsprechende Diffusionspiofile 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-Emitter-übergänge. 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 ίο 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:

—Ii ν = Zcio4 + ^s₁₀4 + Ibios + I Bim > (2)

wobei Ibio4, /ßios und Ιβ_1Οβ die Basisströme der Transistoren 104, 105 bzw. 106 sind. Durch die Vorwärts-Stromverstärkung des Transistors 106 wird im allgemeinen Ib\os wesentlich kleiner sein als sein Kollektorstrom Zb₁₀₄ + 'fiioe- Die Einflüsse der Basisströme Zbi₀₄ und Ibibs ^auf die Proportionalität 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-Emitter-Kreise der Transistoren 104 und 106 grob kompensieren.

Die Kollektor-Emitter-Spannung Vcewb des Transistors 106 wird durch die von der Betriebsspannungsquelle 30 gelieferte Betriebsspannung +Ecc abzüglich des Spannungsabfalls F₂₀ an der Ausgangslast 20 bestimmt. Es ist also:

Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung FcE₁₀₄ des Transistors 104 einen ähnlichen Wert wie Vcewv haben soll, sollte die durch die Spannungsquelle 40 erzeugte Vorspannung Ebias um den Betrag der Basis-Emitter-Offsetspannung Vbeik des Transistors 105 positiver sein als V_so. Wenn also die Vorspannung diesen Wert hat, wird Ebias abzüglich der Basis-Emitter-Spannung Vbews des Transistors 105 die Eingangsklemme 101 auf demselben Potential halten wie die Ausgangsklemme 103. Vcek» ist dann also gleich ι. Als Gleichung geschrieben gilt also:

wenn

Ebias = F₄₀ +

Wenn man Vce\_M gleich FcB₁₀₈ 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 Transistorer wird dann also in erster Linie durch die jeweiligen Geometrien bestimmt, und der Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers 100 ist dann im wesentlichen unabhängig von den nicht mit den Geometrien zusammenhängenden Parametern der einzelnen Transistoren 104 und 106. Dies setzt voraus, daß die jeweiligen Parameter der Transistoren 104 und 106 gul angepaßt oder gepaart sind, was bei integrierter Schaltungen der Fall ist. Bei vielen Anwendunger

der Stromverstärker gemäß der Erfindung genügt bildet den Ausgangspunkt für Stromverstärker mit

auch schon eine mehr oder weniger gute Annäherung einer höheren dynamischen Ausgangsimpedanz als

an diese Bedingungen. Stromverstärker, deren Ausgangssignale von der

F i g. 2 zeigt das Schaltbild eines Stromverstärkers Kollektorelektrode eines eine Lateralstruktur auf-200, bei dem das der Basiselektrode des Transistors 105 5 weisenden Transistors cinsr integ ierten Schaltung zugeführte Potential durch direkten Anschluß der abgenommen werden. Der dynamische Kollektor-Basiselektrode an die Ausgangsklemme 102 gleich K₂₀ widerstand eines Transistors mit Lateralstruktur in ist. Zwischen den Kollektor des Transistors 104 und einer integrierten Schaltung ist gewöhnlich um Größendie Verbindung der Ausgangsklemme 101 mit dem Ordnungen kleiner als der von Transistoren mit VerEmitter des Transistors 105 ist eine Diode 207 mit der io tikalstruktur. Durch Zusatz eines Transistors 409 zum aus der Zeichnung ersichtlichen Polung geschaltet. Stromverstärker 200 (F i g. 2) erhält man einen Strom-Würde man die Diode 207 weglassen und an ihrer verstärker 400 (F ig. 4), dessen dynamische Aus-Stelle wie bei der Schaltungsanordnung gemäß gangsimpedanz um ein Vielfaches größer ist als die des F i g. 1 eine direkte Verbindung verwenden, so wäre Stromverstärkers 200 gemäß F i g. 2.

15 Die Kollektor-Basis-Gigenkopplung des Tran-

I⁷CEi₀₈ = Ecc — K₂₀ = KcS₁₀₁-K/jEios (4) sistors409 durch den als Verstärker in Kollektorschaltung arbeitenden Transistor 105 regelt seinen

Das heißt, Vceioo wäre dann etwas kleiner als Kollektorstrom Ze₄₀, auf einen Wert gleich dem K_CEio4, nämlich um KbEi₀₅, die Spannung an dem in Kollektorstrom Z_Cloe des Transistors 106 mit Aus-Flußrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergang 20 nähme des kleinen Basisstromes Zs₁₀₅, der vom Trandes Transistors 105 (bei einem Siliciumtransistor wäre sistor 105 benötigt wird. Der Emitterstrom Iew* des KuEi₀₅ etwa 650 mV). Wenn man jedoch die Diode 207 Transistors 409 wird dann im wesentlichen gleich einschaltet, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, tritt an seinem Kollektorstrom Ictnt ^sem< der Unterschied ihr durch den sie in Flußrichtung durchfließenden ist lediglich der Basisstrom Ζ«_40β, der zur Aufrecht-Kollektorstrom Zci₀₄ ein Spannungsabfall K₂₀₇ auf, 25 erhaltung des gewünschten Kollektorstroms Ic_iOs °eder im wesentlichen gleich K;je₁₀₅ ist, und V_CE\_ni ist nötigt wird. Wenn die Kollektor-Basis-Gegenkopplung dann im wesentlichen gleich V_CE\_m- des Transistors 409 durch eine direkte Verbindung

Die Diode 207 kann durch einen Transistor ge- bewirkt würde, wäre sein dynamischer Kollektorbildet werden, dessen Basis- und Kollektorelektrode Emitter-Widerstand gleich dem Reziproken seiner durchverbunden sind und mit der Emitterelektrode 30 Steilheit (l/g_m4Oe)· Zwischen Kollektor- und Emitterdie Anode bzw. Kathode der Diode 207 bilden. An- elektrode des Transistors 409 erscheint jedoch eine d r.'rseits kann c'ie Diode 207 auch durch ein diffun- wesentlich höhere effektive Impec'a iz, da die Mhdiertes Gebiet in der Kollektorzone des Transistors 104 kopplungss:hleife, die durch die als Transi Uorvergebildet werden. stärker in Emitters;naltung arbeite ideri Transistjren

Die Transistoren 104 und 105 sind als Transistor- 35 1 -»5 und 106 gebildet wird, c'er Kolliktor-Sasis-Gegen-

verstärker in Emitter- bzw. Basisschaltung in eine kopplung des Transiitors 4 9 entgegen wirkt. Die

Rückkopplungssjhleife geschaltet. Hierdurch wird Herabsetzung der Verstärkunj einer Gegenkopplungs-

der effektive Verstärkungsfaktor des Transistors 105 schleife erhöht die Imp:danz, die sich darbietet, wenn

als Verstärkeltransistor in Emitterschaltung in der man in einen Punkt der Schleife bli.kt. Der an der

MitkopplungsEchleife herabgesetzt, die durch ihn und 40 Ausgangsklemme 102 ersch.-inende dynamische Aus-

den Transistor 106 gebildet wird, der ebenfalls als gingswiderstand kann si ;h sehr weitgehsnd dem dy-

Transistorverstirker in Emitterschaltung arbeilet. namischcn Kollektorwiderstand des npn-Transistors

Wenn die Quellenimpedanz der Stromquelle 10 ge- 409 nähern.

nügend groß ist, wird der Verstärkungsfaktor der Mit- Die F i g. 5 und 6 zeigen andere Möglichkeiten,

kopplungsschleife unter 1 eingehalten, so daß keine 45 ^die Verstärkung der die Transistoren 105 und 106

Schwingungen entstehen können. Die Mitkopplung enthaltenden Mitkopplungsschleife und damit die

zwischen Kollektor und Basis des Transistors hat die Ausgangsimpedanz an der Ausgangsklemme 102 zu

vorteilhafte Wirkung, daß der scheinbare dynamische erhöhen.

Kollektorwiderstand zwischen Ausgangsklemme 102 Bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 5 wird

und gemeinsamer Klemme 103 erhöht wird. 50 der Kollektorstrom des Transistors 105 durch einen

Die durch die Diode 207 bewirkte Verbesserung als Verstärker in Kollektorschaltung arbeitenden Tran-

der Anpassung von Vceim ^und ^cEioe kann auch sistor 510 verstärkt, der mit den Transistoren 104

alternativ durch einen pnp-Emitterfolgetransistor 308 und 106 in Kaskade oder Reihe geschaltet ist. Dei

bewirkt werden, wie es bei dem in F i g. 3 dargestellten Transistor 510 kann z.B. als pnp-Substrattransistoi

Stromverstärker 300 der Fall ist. Beim Transistor 308 55 ausgebildet sein, der weniger Fläche des Schaltungs-

kann es sich um einen Typ handeln, der seinen KoI- plättchens beansprucht als ein pnp-Lateialtransistor

lektor im Substrat der aus Silicium bestehenden Bei F ig. 6 sind die Transistoren 104 und 106 mil

monolithischen integrierten Schaltung hat, in dem die Transistoren 611 bzw. 612, die eine Lateralstruktui

Transistoren 104 und 106 als Lateraltransistoren ge- haben können, zu Darlington-Schaltungen verbunden

bildet sind, während der Transistor 105 ein Vertikal- 60 Im übrigen ist die Schaltung ähnlich wie die dei

transistor in einer Isolierwanne ist. Der Emitterfolge- F i g. 4.

transistor 308 ist mit einem Emitterwiderstand zur F i g. 7 zeigt, wie ein Zweipol-Stromregler mi

Emitterstromversorgung dargestellt, er kann jedoch Klemmen 103 und 714 unter Verwendung des Strom

auch alternativ von der Kollektorelektrode eines Verstärkers 500 gemäß F i g. 5 aufgebaut werden kann pnp-Transistors gespeist werden, dessen Basis-Emitter- 65 Zwischen die Eingangsklemme 101 und die Ausgangs

Übergang denen der Transistoren 104 und 106 parallel klemme 102 des Stromverstärkers 500 ist ein Wider

geschaltet ist. stand 713 geschaltet, an dem die Basis-Emitter-Offset

Die in F ig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung spannung des Transistors 409 eine geregelte ode

stabilisierte Spannung liegt. Aufgrund des Ohmschen Gesetzes ist dann auch der den Widerstand 713 durchfließende Strom geregelt. Der den Widerstand 713 durchfließende Strom bewirkt, daß der Stromverstärker 500 einen AusgangEStrom Ιουτ ähnlichen Wertes liefert. Der Stromregler 700 hält daher zwischen den Klemmen 103 und 714 so lange 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 erforc'erlich sind. Dieser konstante Strom ist doppelt so groß wie der den Widerstand 713 durchfließende Strom.

F ig. 8 zeigt einen ähnlichen Zweipol-Stromiregler 890 mit den Klemmen 103 und 814, der den Stromverstärker 600 gemäß F ig. 6 anstelle des Stromverstärkers SOO enthält.

Sowohl beim Stroniregler 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 irgendeine von vielen 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

ίο Verbundtransistoren anstelle der verschiedenen einfachen Transistoren, die in der Zeichnung dargestellt sind. Solche Abwandlungen können von einem Fachmann für integrierte Schaltungen ohne erfinderische Tätigkeit gefunden werden und fallen in den Rahmer der vorliegenden Erfindung.

Anstelle der dargestellten Bipolartransistoren könner selbstverständlich auch andere Arten von Transistorer verwendet werden. Die Begriffe »Emitter«, »Basis« unc »Kollektor« sind also nicht einschränkend auszulegen sondern sollen auch äquivalente Elektroden andere; geeignetet Transistortypen einschließen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

«09538/·

Claims (5)

ι kJ 2 und Ausgangsanschluß (101, 102) eingeigten Patentansprüche: Widerstandselement (713).

1. Stromverstärker, dessen Eingangsanschluß

galvanisch mit dem Kollektor eines ersten Tran- 5

sistors und dessen Ausgangsanschluß galvanisch
mit dem Kollektor eines zweiten Transistors

gleichen Leitungstyps verbunden ist, deren Basen Die Erfindung betrifft einen Stromverstärker, wie zusammengeschaltet sind und deren Emitter gal- er im Anspruch 1 vorausgesetzt ist. Insbesondere vanisch an einen gemeinsamen Anschluß des io handelt es sich um einen solchen Stromverstärker, Stromverstärkers angeschlossen sind, mit einem dessen Gesamtstromverstarkungsfaktoi von den eingalvanischen Rückführungszweig zwischen Kollek- zelnen St Omverstärkungsfaktoren der in ihm enttor und Basis des ersten Transistors, dadurch haltenen Transistoren unabhängig ist und der sich gekennzeichnet, daß ein hinsichtlich des besonders für einen Aufbau in monolithischer inte-Rückführungszweiges in Basisgrundschaltung ar- 15 grierter Form eignet.

beitender dritter Transistor (105) vom entgegen- Unter einem Stromverstärker soll hier eine aktive gesetzten Leitungstyp wie der erste und zweite Schaltungsanordnung verstanden werden, deren Aus-Transistor (104, 106) im Rückführungszweig ent- gangsstrom vom Eingangsstrom abhangt und in minhalten ist und mit seinem Emitter galvanisch an destens einem Teil des Eingangsstrombereiches diesem den Eingangsanschluß (101) und mit seinem KoI- so proportional ist; der Stromverstarkungsfaktor muß lektor galvanisch an die Basen des ersten und nicht unbedingt größer als Eins sein. Die Eingangszweiten Transistors (104, 106) angeschlossen ist. und Ausgangsströme können Ruhestrome oder ver-

2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch änderliche Ströme sein. Unter den Begriff Stromgekennzeichnet, daß zwischen den gemeinsamen verstärker sollen hier auch solche Schaltungsanord-Anschluß (103) und die Basis des dritten Tran- 35 nungen fallen, die generell als »Stromspiegel« bezeichsistors (105) eine Festspannungsquelle (30, 40) ge- net werden.

schaltet ist. Es sind Stromverstärker der oben definierten Art

3. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch bekannt, die zwei Transistoren gleichen Leitungstyps gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten enthalten, deren Emitter mit einem gemeinsamen Transistors (106) galvanisch mk der Basis des 30 Anschluß des Verstärkers, deren Kollektoren mit dritten Transistors (105) verbunden ist. einem Eingangs- bzw. Ausgangsanschluß des Ver-

4. Stromverstärker nach Anspruch 3, dadurch stärkers gekoppelt sind und deren Basen miteinander gekennzeichnet, daß ein vierter Transistor (308) verbunden und mit dem Eingangsanschluß direkt entgegengesetzten Leitungstyps wie der dritte gekoppelt sind. Durch entsprechende Bemessung der Transistor (105) in Kollektorgrundschaltung gal- 35 Geometrien der ersten beiden Transistoren und etvanisch zwischen den Kollektor des zweiten Tran- waiger Emitter-Gegenkopplungswiderstände kann man sistors (106) und die Basis des dritten Transistors erreichen, daß die Stromverstärkung eines solchen (105) eingefügt ist. Stromverstärkers im wesentlichen von diesen Para-

5. Stromverstärker nach Anspruch 3, dadurch metern abhängt und praktisch unabhängig von den gekennzeichnet, daß ein fünfter Transistor (409) 40 Stromverstärkungsfakloren der einzelnen Teiltrangleichen Leitungstyps wie der dritte Transistor sistoren ist, vorausgesetzt, daß deren Stromver-

(105) mit seiner Basis galvanisch an den Ein- Stärkungsfaktoren größer als etwa 5 sind und daß gangsanschluß (101), mit seinem Kollektor gal- ihre Steilheiten gleich sind.

vanisch an den Kollektor des zweiten Transistors Die direkte oder gleichstromdurchlässige Kopplung

(106) und mit seinem Emitter galvanisch an den 45 des Eingangsanschlusii.es mit den verbundenen Basen Ausgangsanschluß (102) angeschlossen ist, derart, des ersten und zweiten Transistors wurde bei den daß er mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke einen bekannten Transistoren entweder durch eine direkte galvanischen Koppelzweig zwischen dem Kollektor Verbindung oder einen Transistorverstärker in KoI-des zweiten Transistors (106) und dem Ausgangs- lektorschaltung bewirkt. Diese Art von direkter oder anschluß (102) bildet. 50 Gleichstromkopplung hat zui Folge, daß die Kollektor-

C. Stromverstärker nach Anspruch 3 oder 5, Emitter-Spannung des ersten Transistors bei vielen, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsan- wenn nicht allen Schaltungsanordnungen, in denen Schluß (101) mit dem Kollektor des ersten Tran- der Stromverstärker verwendet wurde, wesentlich kleisistors (104) über einen einen Halbleiterübergang ner als die des zweiten Transistors ist. Diese Bedin· (207) enthaltenden galvanischen Koppelzweig ver- 55 gung beeinträchtigt jedoch die Anpassung der Steilbunden ist. heiten des ersten und zweiten Transistors und die