DE2424814A1 - Verstaerkerschaltung - Google Patents

Description

7696-74/Dr. v.B/S 2 4 2 4 8 U

RCA 66,9H

US Serial Uo. 363,563

Eiled: 24 May 1973

RCA Corporation, New Tork, N.Y., Y.St.A. Verstärkerschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit einem ersten Transistor, der eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode sowie eine Kollektorelektrode hat und in Emitterschaltung einen vorgegebenen Vorwärtsstromverstärkungs faktor Beta aufweist, und mit einer Vorspannungsschaltung, die an die Basiselektrode einen vorgegebenen Ruhestrom liefert.

Insbesondere betrifft die Erfindung Vorspannungssehaltungen für im B-Betrieb arbeitende Leistungsverstärker für den Tonfrequenzbereich, die in integrierter 3Porm aufgebaut sind.

Unter dem Begriff "Verstärkerschaltung mit aufeinandergesetzten Verstärkerstufen¹¹ soll hier ein Verstärker verstanden werden, bei dem die Ausgangskreise der Verstärkerstufen bezüglich des Ruhestromes in Reihe geschaltet sind. Die Ausgangskreise der Verstärkerstufen werden normalerweise hinsichtlich des Signals im Gegentakt betrieben.

Unter dem Begriff "quasi-linearer Verstärker" soll hier ein Verstärker verstanden werden, dessen Ausgangssignal in linearer Beziehung zum Eingangssignal steht, während die einzelnen Stufen nichtlinear arbeiten. In einem quasi-linearen Verstärker arbeiten die einzelnen Stufen typischerweise im B- oder AB-Betrieb.

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Beta, ß und h~ sind verschiedene Bezeichnungen für den Yorwärtsstromverstärkungsfaktor eines Transistors in Emitterschaltung.

Unter "Übernahmeverzerrung" versteht man den Verzerrungsanteil im Ausgangssignal eines quasilinearen Verstärkers, der davon herrührt, daß das Eingangssignal die leitfähigkeit einer der Verstärkereinrichtungen (Transistoren) auf null herabsetzt, bevor es die andere der Verstärkereinrichtungen zum leiten veranlaßt.

Es ist z.B. aus der Veröffentlichung von Faran & Pulks "High Impedance Drive for the Elimination of Crossover Distortion", THE SOlID STATE JOUBITAl. August 1961, Seiten 36-40, bekannt, daß es gewisse Vorteile mit sich bringt, wenn man quasi-lineare Verstauter mit Ruhe- und Signalströmen aus hochohmigen Quellen (strombestimmte Vorspannung) anstatt von niederohmigen Quellen (spannungsbestimmte Vorspannung) betreibt. Ein Transistor ist nämlich hinsichtlich seines Beta-Wertes weniger nichtlinear als hinsichtlich seiner Steilheit g_, wenn sein Strom herabgesetzt wird. Die strombestimmte Vorspannung hat also von Natur aus den Vorzug besserer linearität gegenüber der spannungsbestimmten Vorspannung.

Wenn man mit einer strombestimmten Vorspannung arbeitet, ist es einfach, den Basisruheströmen von leistungsverstärker-Ausgangstransistoren Signalströme hinzuzufügen, ohne die Stabilisierung der Arbeitspunkte der Transistoren gegen thermisches Instabilwerden zu beeinträchtigen. Es ist jedoch eine schwierigere Aufgabe, Signalspannungen den temperaturstabilisierten Vorspannungen zu überlagern, die den Basis-Emitter-Übergängen der leistungstransistoren niederohmig zugeführt sind, wenn man mit spannungsbestimmter Vorspannung arbeitet, ohne daß man gleichzeitig ein zu hohes Risiko hinsichtlich des thermischen Instabilwerdens eingeht. Eine rasche Erwärmung der Ausgangs-

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transistoren während der Signalauswanderungen kann nämlich ihre Basis-Emitter-Offsetspannungen so schnell herabsetzen, daß die Regelung durch das Temperaturkompensationsnetzwerk bei der für die Verhinderung eines thermischen Instabilwerdens erforderlichen Verringerung der zugeführten Vorspannung nicht folgen kann.

Wenn man bei einem als integrierte Schaltung aufgebauten Verstärker mit strombestimmter Vorspannung arbeitet und die den Transistoren zugeführten Basisruheströme konstant sind, ändern sich die Kollektorruheströme der Ausgangstransistoren in Abhängigkeit von ihren Beta-Werten. Das Gleiche gilt dann auch für die Verlustleistung der Transistoren im Ruhezustand. Die Betawerte der Transistoren einer integrierten Schaltung können sich infolge von Schwankungen der Prozeßparameter von Charge zu Charge in einem weiten Bereich ändern. Die prozentualen Änderungen des Betawertes mit der Temperatur können ferner größer sein als die der Offsetspannung ν_βΕ der in Plußrichtung vorgespannten Halbleiterübergänge, welche zur Regelung der Basis-Emitter-Spannungen der Verstärkerausgangstransistoren verwendet werden.

Bei einer Ausführungsform eines Verstärkers gemäß der Erfindung wird dem Ausgangstransistor oder den Ausgangstransistoren ein Basisruhestrom zugeführt, der sich umgekehrt proportional zu seinem Betawert ändert, so daß sein Kollektorruhestrom im wesentlichen unabhängig vom Betawert ist. Der dem Ausgangstransistor oder den Ausgangstransistoren zugeführte Basisruhestrom ist proportional zum Basisstrom in einem Hilfstransistor, dessen Kollektor-Emitter-Strom auf einen vorgegebenen G-leichstromwert geregelt ist.

Dies ermöglicht es, aufeinandergesetzte Transistoren auf einen Wert vorzuspannen, der gerade ausreicht, um Übernahmeverzerrungen trotz Betaschwankungen zu vermeiden, die durch Temperaturänderungen oder Schwankungen der Verfahrensparameter

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bei der Herstellung der Einrichtungen verursacht werden. Die Ausgangstransistoren können thermisch mit dem Hilfstransistor gekoppelt werden, indem sie zusammen in einer integrierten Schaltung oder nahe beieinander auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet werden.

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

Figur 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles einer Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung;

Figur 2 ein Schaltbild einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3a, 3b und 3c Schaltbilder von bekannten Stromverstärkern, die sich für die Verstärkerschaltungen gemäß Figur 1 und 2 eignen;

Figur 4 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles der Erfindung und

Figur 5 ein Schaltbild eines bevorzugten, vierten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

In Figur 1 ist eine integrierte Schaltung 100 schematisch dargestellt, die Transistoren 101, 102, 103 und 104 enthält. Die Transistoren 101 bis 104 haben im wesentlichen gleiche Beta- bzw. h_f -Werte. Die Transistoren 101 und 102 können jedoch größere Abmessungen haben als die Transistoren 103 und 104» so daß sie eine höhere Strombelastbarkeit aufweisen. Die Transistoren 101 und 102 sind hinsichtlich der Zuführung von Betriebsspannungen über Klemmen "+ BETR.SP." und "-BETR.SP." in Reihe geschaltet oder "aufeinandergesetzt". Diese Transistoren 101 und 102 sollen als Ausgangsverstärkerstufen eines mit ihnen gebildeten quasi-linearen Verstärkers arbeiten, wobei ihren Basiselektroden Gegentaktsignale von einem nicht dargestellten Vorverstärker zugeführt werden. Diese Gegentaktsignale können Eingangsklemmen "EING. 1" und "EIIiG. 2" von einem nicht dargestellten externen Vorverstärker oder einem zur integrierten Schaltung gehörigen Vorverstärker zugeführt werden. Die Tran-

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sistören 101 und 102 speisen eine nichtdargestelle Last, die zwischen eine Ausgangsklemme "AUSG-." und die nicht dargestellte Betriebsspannungsquelle geschaltet werden kann, die zur Stromversorgung der Transistoren 101 und 102 verwendet wird. Die Transistoren 101 und 102 bilden bezüglich der Speisung der Ausgangsklemme mit dem Ausgangssignal eine Gegentakt-Parallelschaltung.

Die Emitterströme der Transistoren 101 und 104 werden durch Stromregler 105 bzw. 106 geregelt. Diese Stromregler regeln bei der in 3?igur 1 dargestellten Ausführungsform direkt die Emitterströme der Transistoren 103 und 104. Dies stellt eine zweckmäßige Möglichkeit einer weitgehenden Regelung des Emitter-Kollektor-Stromes eines Transistors dar, wenn sein Beta (h-, ) wesentlich größer als 1 ist, da der Emitter-Kollektor-Strom das h~ /(1+h« )-fache seines Emitterstroms ist. Bei normalen Transistoren ist h« typischerweise größer als 30. Damit die Transistoren 103 und 104 die geregelten Emitterströme zu liefern vermögen, müssen sie Basisströme entsprechender G-röße führen, die auch in den Eingangskreisen von Stromverstärkern 107 bzw. 108 fließen können. Die Basisströme der Transistoren 103 und 104 sind das i/h_fe-fache ihrer Emitter-Kollektor-Ströme. Der Eingangskreis der Stromverstärker 107 und 108 bildet jeweils einen Gleichstromweg für die Vorspannung der Basiselektrode des zugeordneten Transistors 103 bzw. 104. Die Eingangskreise der Stromverstärker 107 und 108 haben gewöhnlich viel niedrigere Impedanzen als ihre Ausgangskreise, die mit den Basiselektroden der Transistoren 101 bzw. 102 gekoppelt sind. Die Stromverstärker 107 und 108 sind invertierende Stromverstärker, d.h. daß die Eingangs- und Ausgangsströme beide entweder in sie hinein oder aus ihnen heraus fließen.

Die Emitterströme der Transistoren 103 und 104 werden durch die Stromregler 105 und 106 gleich gehalten. Die h_ Werte der Transistoren 103 und 104 sind im wesentlichen gleich, so daß bei gleichen Emitterströmen auch ihre Basisströme gleich

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sind. Bei gleichen Verstärkungsfaktoren der Stromverstärker und 108 und gleichen Eingangsströmen sind auch die Ausgangsströme, die den Basiselektroden der Transistoren 101 und 102 zugeführt werden, im wesentlichen gleich. Die Transistoren 101 und 102 haben im wesentlichen gleiches h_£ . Ihre Emitter-Kollektor-Ströme betragen jeweils das h» -fache des Jeweiligen Basisstromes und sind daher im wesentlichen gleich und bilden den Ruhestrom durch ihre Emitter-Kollektor-Strecken.

Dieser Ruhestrom kann gerade groß genug gewählt werden, um die Einflüsse der Übernahmeverzerrung in der durch die Transistoren 101 und 102 gebildeten Endstufe auszuschalten, ohne daß dadurch der Arbeitsbereich des quasi-linearen Verstärkers nennenswert eingeschränkt wird. Dies hält die Ruheverlustleistung der Transistoren 101 und 102 auf einem konstanten, niedrigen Wert. Der Wert des Ruhestroms läßt sich durch die folgenden Maßnahmen beeinflussen:

1. Eine Änderung des Wertes, auf den die Emitter-Kollektorströme der Transistoren 103 und 104 geregelt werden und/oder

2. eine Änderung der gleichen Stromverstärkungsfaktoren der Stromverstärker 107 und 108.

Die Transistoren 101 und 102 können mit einer wesentlich größeren Strombelastbarkeit hergestellt werden, als die Transistoren 103 und 104? die h_ie-Werte aller dieser Transistoren sind jedoch im wesentlichen gleich, da sie sich innerhalb der gleichen integrierten Schaltung 100 befinden und daher durchdie gleiche Folge von Verfahrensschritten hergestellt worden sind, Der Ruhestromwert der Transistoren 101 und 102 läßt sich daher im allgemeinen nicht durch Änderung des h„ -Wertes der Transistoren 101 und 102 bezüglich des der Transistoren 103 und verändern.

Die Tatsache, daß die h_fQ-Werte der Transistoren 103 und 104 im wesentlichen gleich denen der Transistoren 101 und 102

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sind, bedeutet, daß ihre h_fe-Werte in jeder einzelnen integrierten Schaltung unabhängig von der Exemplarstreuung von einer integrierten Schaltung zur anderen einander proportional sind. Diese Proportionalität ermöglicht es, den Kollektor-Emitter-Ruhestrom der Transistoren 101 und 102 reproduzierbar von integrierter Schaltung zu integrierter Schaltung gerade so einzustellen, daß Übernahmeverzerrungen vermieden werden. Ein höheres h_fe wird die Basisströme verringern, die die Transistoren 101 und 102 benötigen, um den gewünschten Wert des sie durchfließenden Ruhestromes aufrechtzuerhalten. Ein höheres h_f verringert das inverse Verhältnis der Basisströme der Transistoren 105 und 104 bezüglich ihrer im wesentlichen konstanten Emitter-Kollektor-Ströme. Wenn den Stromverstärkern 107 und solche kleineren Basisströme von den Transistoren 103 und 104 zugeführt werden, verringert sich der den Basiselektroden der Transistoren 101 bzw. 102 zugeführte Basisstrom. Die den Transistoren 101 und 102 zugeführten Basisströme werden wegen des höheren k^'s der Transistoren 103 und 104 im richtigen Verhält nis herabgesetzt, um den durch die Erhöhung der h_f -Werte· der Transistoren 101 und 102 verringerten Basisstromanforderungen Rechnung zu tragen. Die durch TemperatürSchwankungen verursachten Änderungen der h_f -Werte der Transistoren 101 bis 104 kompensieren sich gerade so wie die, welche durch Schwankungen der Produktionsparameter verursacht werden. Eine JSrhöhung der Ruheverlustleistung durch temperaturbedingte Erhöhung der h~ Werte der Transistoren 101 und 102 wird auf diese Weise vermieden.

"In entsprechender Weise werden durch eine Erniedrigung der h_f -Werte die Basisströme herabgesetzt, die die Transistoren 101 und 102 benötigen, um den gewünschten Wert des sie durchfließenden Ruhestroms aufrechterhalten zu können. Ein niedrigeres h« erhöht den Basisstrom der Transistoren 103 und 104 fe

wegen ihrer im wesentlichen konstanten Emitter-Kollektor-Ströme. Die vergrößerten Basisströme von den Transistoren 103 und 104, die den Stromverstärkern 107 bzw. 108 zugeführt werden, bewirken

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eine Erhöhung des Basisstromes, der den Transistoren 101 bzw. 102 zugeführt wird, wodurch deren erhöhten Anforderungen genügt wird.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die einen wirtschaftlicheren Schaltungsaufbau hat als die gemäß Figur Die Transistoren 103, 104 und die Stromregler 105, 106 des Verstärkers gemäß Figur 1 sind hier durch einen einzigen Transistor 213 mit einem einzigen Stromregler 215 ersetzt. Der Emitter-Kollektor-Strom des Transistors 213 wird durch den Stromregler 215 im wesentlichen konstant gehalten. Der Basisstrom des Transistors 213 beträgt das i/h_fe-fache seines Emitter-Kollektor-Stroms und teilt sich zu gleichen Beträgen auf die Eingangskreise der Stromverstärker 107 und 108 auf, die gleiche Eingangsimpedanzen haben. Wenn der Stromregler 215 im Transistor 213 einen Emitter-Kollektor-Strom fließen läßt, der doppelt so groß ist wie der, der von den Stromreglern 105 und 106 jeweils individuell in den Transistoren 103 und 104 verursacht wird, wird der Basisstrom des Transistors 213 doppelt so groß sein als der jedes Transistors 103 und 104. Teilt man diesen doppelten Basisstrom gleichmäßig auf die Eingangskreise der Stromverstärker 107 und 108 auf, so erhält man die selben Verhältnisse wie sie durch die Schaltungselemente 103, 104, 105 und 106 verursacht werden. Die Schaltungselemente 213 und 215 können daher als unmittelbarer Ersatz für die Schaltungselemente 103, 104, 105 und 106 dienen.

In den Figuren 3a, 3b und 3c sind typische bekannte Stromverstärkerschaltungen dargestellt, deren Stromverstärkungsfaktor jeweils ausschließlich durch die relativen Geometrien oder Abmessungen der enthaltenen Einrichtungen bestimmt wird und die sich als Stromverstärker 107 und 108 in den Verstärkern gemäß Figur 1 und 2 verwenden lassen. Die Stromverstärker enthalten jeweils einen Transistor 301, dessen Kollektorelektrode an eine Eingangsklemme EING. angeschlossen ist und dessen Basis-Emitter-Spannung durch eine Kollektor-Basis-Gegenkopplung so geregelt

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ist, daß der Transistor den der Eingangsklemme angeführten Strom im wesentlichen übernehmen kann. Die durch diese Gegenkopplung dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 301 zugeführte Spannung wird außerdem an den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors 302 gelegt und regelt dessen Kollektorstrom, der über eine Ausgangsklemme AUSG-. von der sicherstellenden Schaltungsanordnung (der Basiselektrode des Transistors 101 bzw. 102 im Verstärker gemäß Figur 1 und 2) aufgenommen wird. Da die Stromdichte im Basis-Emitter-Übergang eines Transistors durch die angelegte Basis-Emitter-Spannung geregelt wird, ist die Stromverstärkung dieser Stromverstärker durch das Verhältnis der effektiven Fläche des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 2 zu der des Transistors 301 bestimmt, also lediglich durch geometrische Parameter, die von integrierter Schaltung zu integrierter Schaltung zuverlässig reproduziert werden können. Der in Figur 3c dargestellte Stromverstärker hat den aus der Zeichnung ersichtlichen Aufbau, aus dem sich auch seine Arbeitsweise entnehmen läßt. Er ist außerdem an anderer Stelle im einzelnen erläutert (USA-Patentanmeldung Ser. No. 318 645 vom 26. 12. 1972).

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Emitter-Kollektor-Strom (oder einfach Kollektorstrom) eines Transistors 213 und nicht sein Emitterstrom durch einen Regler geregelt wird. Die als Ausgangstransistoren arbeitenden Transistoren 101 und 102 der Schaltungsanordnung gemäß Figur 7 sind, wie dargestellt, beide Verbundtransistoren und enthalten jeweils vier parallelgeschaltete Einzeltransistoren. Hierdurch wird die Strombelastbarkeit der Transistoren 101 und 102 erhöht, ohne ihr h„ wesentlich zu beeinflussen. Die Transistoren 101 und 102 sind hier npn-Typen und nicht pnp-Typen, wie bei Figur 1 und 2, und die ihnen zugeführten Betriebsspannungen sind dementsprechend umgepolt.

Den Transistoren 101 und 102 werden Basisruheströme von zwei kombinierten Stromverstärkern 400 zugeführt, die die Funktionen der Stromverstärker 107 bzw. 108 in Figur 1 und 2 er-

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füllen und entsprechend Figur 5c aufgebaut sind, sich jedoch in zwei Transistoren 401 und 403 teilen. Von der Basiselektrode des Transistors 213 wird ein Strom, der dem von den Transistoren 101 und 102 zur Yermeidung von übernahmeverzerrungen benötigten Strom proportional ist, einer Reihenschaltung aus den als Diode geschalteten Transistoren 401 und 403 zugeführt. An den jeweils als Diode geschalteten Transistoren 401 und 403 entsteht dadurch eine Basis-Emitter-Offsetspannung, wie sie für die Aufrechterhaltung dieses Stromes erforderlich ist, der hauptsächlich als Kollektorstrom durch diese Transistoren 401 und 403 fließt. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 401 wird den Basis-Emitter-Übergängen von Transistoren 405 und 406 zugeführt, so daß deren Kollektorstrom über einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor K vom Kollektorstrom des Transistors 401 abhängt. Bei gleicher Struktur der Transistoren 405 und 406 ist dieser Verstärkungsfaktor K gleich dem Verhältnis der effektiven Fläche des Basis-Emitter-Überganges eines dieser Transistoren zu der des Transistors 4°1.

Die Kollektorströme der Transistoren 405 und 406 werden mit einer im wesentlichen 1 betragenden Stromverstärkung durch in Basisschaltung arbeitende Transistoren 407 bzw. 408 den Basiselektroden der Transistoren 101 bzw. 102 zugeführt. Der von der Basiselektrode des Transistors 213 zu liefernde Basisstrom ist dann 1/K mal so groß wie der der Basiselektrode jedes Transistors 101 und 102 zuzuführende Strom, Der Kollektorstrom des Transistors 213 sollte so geregelt werden, daß er 1/K mal so groß ist wie der Kollektorruhestrom, der in den Transistoren 101 und 102 fließen soll, um Übernahmeverzerrungen zu verhindern.

In Figur 4 ist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 213 mit einem Widerstand 417 in Eeihe geschaltet und dieser Reihenschaltung liegt die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 415 parallel, der als Parallelregeltransistor arbeitet. Diese Parallelschaltung ist mit der Kollektorelektrode eines Transistors 416 verbunden, um von ihr einen Gleichstrom

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abzuführen, der größer ist als der für den Transistor 213 gewünschte Kollektorstrom. Wenn der Kollektorstrom für den Transistor 13 unter den gewünschten Sollwert sinkt, verringert sich der Potentialabfall am Widerstand 417, der den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 415 in 5¹IuBrichtung vorspannt. Der Stromfluß in der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 415 wird dann entsprechend verringert und von der Emitterelektrode des Transistors 213 wird dann mehr Strom abgenommen. Hierduroh steigt dann der Kollektorstrom des Transistors 213 an und strebt dadurch das Absinken unter den Sollwert zu korrigieren.

Durch einen etwaigen übermäßigen Kollektorstrom vom Transistor 213 wird der Spannungsabfall am Widerstand 417 erhöht und der Transistor 415 wird dadurch weiter in den Flußbereich ausgesteuert. Ein größerer, über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 415 fließender Stromanteil verringert den von der Emitterelektrode des Transistors. 213 gezogenen Strom. Hierdurch wird der Kollektorstrom des Transistors 213 im Sinne einer Korrektur des Anstieges über den Sollwert herabgesetzt.

Die Vorspannung des Transistors 416 erfolgt auf einfache Weise. Seiner Basiselektrode wird eine Flußvorspannung durch einen Spannungsteiler aus einem Widerstand 418, einem als Diode geschalteten Transistor 419 und einem Widerstand '420 zugeführt. Die Offsetspannung an dem als Diode geschalteten Transistor kompensiert die Offsetspannung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 416. Die am Widerstand 421 auftretende Spannung ist im wesentlichen gleich der Spannung am Widerstand 420. Der Widerstandswert des Widerstandes 421 wird bezüglich der an ihm liegenden Spannung gemäß dem ohmschen Gesetz klein genug bemessen, um im Transistor einen Emitterstrom einer für die Unterhaltung des erforderlichen Kollektorstromes ausreichender Größe zu erzeugen.

Dieses Erfordernis besteht, wie erwähnt, darin, daß der Kollektorstrom des Transistors 416 den Kollektor-Emitter-Strom übersteigt, der durch den Transistor 213 fließen soll. Der

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Transistor 415 kann immer teilweise leitend gehalten werden, so daß seine ParaTLelregelwirkung gewährleistet ist.

Figur 5 zeigt einen Verstärker, in dem die für die Vorspannung der Eingangskreise der Endstufen verwendeten Stromverstärker durch die Anordnung gebildet werden, die zur Erzeugung von Klasse-B-Signalen für die Zuführung zu den Eingangskreisen der Endstufen dient.

Die integrierte Schaltung 100 gemäß Figur 5 ist über eine Klemme T₁ und Masseklemmen T₂, T, mit einer Betriebsspannungsquelle 501 verbunden. Von einer Eingangssignalquelle 502 werden der integrierten Schaltung über einen Kondensator 503 und eine Eingangsklemme T. Eingangssignale zugeführt. Die Eingangsklemme T. ist mit einem nichtinvertierenden Eingangskreis eines als Vorverstärker dienenden Differenzverstärkers 505 in der integrierten Schaltung verbunden. Durch den Differenzverstärker 505 wird dieses Eingangssignal mit einem Gegenkopplungssignal verglichen, das seinem invertierenden Eingang von den Endstufen mit den Transistoren 101 und 102 zugeführt wird, so daß der Ausgangskreis des Differenzverstärkers einen Fehlersignalstrom liefert, der einem Phasenteilerverstärker 510 zugeführt wird.

Der Phasenteilerverstärker 510 gehört einem Typ an, wie er in der US-PS 3 573 645 beschrieben ist. Er erhält Eingangssignalströme und liefert unter Steuerung durch diese an die Transistoren 101 und 102, die als Verbundtransistoren ausgebildet sind, G-egentakt-Ausgangssignalströme für den Betrieb in Klasse B. Die Verbund-Transistoren 101 und 102 arbeiten jeweils wie ein pnp-Transistor in Emitterschaltung und erzeugen zusammen im G-egentakt ein Aus gangs signal einer Klemme Tj-.

Der Phasenteilerverstärker enthält Transistoren 511 bis 518, von denen die Transistoren 511 bis 513 als Dioden geschaltet sind. Die negativen Teile des Signalausgangsstromes von dem als Vorverstärker arbeitenden Differenzverstärker 505 laseen den Transistor 516 als Verstärker in Basisschaltung mit dem Ver-

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Stärkungsfaktor 1 arbeiten, so daß dieser Transistor die negativen Stromanteile ohne Inversion an den Transistor 102 weiterleitet. Gleichzeitig wird der in Emitterschaltung arbeitende Transistor 518 durch die. negativen Teile des Stromes vom Differenzverstärker 505 in den gesperrten Zustand ausgesteuert. Die positiven Teile des Signalstroms vom Differenzverstärker 505 steuern den Transistor 516 in Sperrichtung aus. Wegen des seinem Basis-Emitter-ffbergang parallelgeschalteten, als Diode arbeitenden Transistors 517 verstärkt der in Emitterschaltung arbeitende Transistor 518 diese positiven Stromanteile mit dem Verstärkungsfaktor -1 und liefert den resultierenden negativen Strom an den Transistor 101.

Der Transistor 213 ist ein pnp-Verbundtransistor. Er enthält einen pnp-Eingangstransistor 521, der in üblicher Weise mit Lateralstruktur aufgebaut ist, und einen npn-Ausgangstransistor 522, der inkonventioneller Weise mit Vertikalstruktur aufgebaut ist. Die Transistoren 521 und 522 sind hintereinander geschaltet, wobei die Kollektorelektrode des Transistors 521 direkt mit der Basiselektrode des Transistors 522 verbunden ist, so daß der Vorwärtsstromverstärkungsfaktor des Verbundtransistors 213 gleich ^f_evnv mal ^fenpn ^{ist> also dem} Produkt der

einzelnen Stromverstärkungsfaktoren für Emitterschaltung. Die Basiselektrode des pnp-Verbundtransistors 213 wird durch die Basiselektrode des Transistors 521 gebildet. Die Emitterelektrode des pnp-Verbundtransistors 213 ist die Verbindung zwischen der Emitterelektrode des Transistors 521 und der Kollektorelektrode des Transistors 522. Die Kollektorelektrode des pnp-Verbundtransistors 213 ist die Emitterelektrode des Transistors 522.

Die aus Ausgangstransifetoren arbeitenden Transistoren 101 und 102 sind ebenfalls pnp-Verbundtransistoren, sie erhalten ihre strombestimmte Basisvorspannung durch den Basisstrom des pnp-Verbundtransistors 215. Die Transistoren 101 und 102 haben gewöhnlich eine wesentlich höhere Strombelastbarkeit als der Transistor 213» da sie gewöhnlich erhebliche Ströme an die mit der Klemme T^ gekoppelte Last abzugeben.haben. Dies kann da-

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durch, erreicht werden, daß man die Fläche des Basis-Einitter-Überganges des npn-Teiles entsprechend groß macht. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, mehrere npn-Einrichtungen parallelzusehalten, wie es in Figur 5 dargestellt ist. ■. Der Strom vom Kollektor des pnp-Eingangstransistors der als Verbundtransistoren aufgebauten Transistoren 101 oder 102 wird in im wesentlichen gleichen Anteilen auf die Basiselektroden der npn-Transistoren aufgeteilt. Diese Anteile werden durch die npn-Transistoren individuell verstärkt und die verstärkten Teile werden dann summiert. Der Vorwärtsstromverstärkungsfaktor der Transistoren 101 und 102 ist im wesentlichen gleich wie der des Transistors 213.

Der Emitterstrom des Verbundtransistors 213 wird auf folgende Weise geregelt. Bezüglich Masse wird ein im wesentlichen konstantes Potential V,-₂c an einem Schaltungsknoten 526 durch einen Parallelregelkreis 525 erzeugt, der aus einem Widerstand

523 und einer Lawinendiode 524 besteht. Wenn die Lawinendiode

524 durch den in Sperrichtung vorgespannten Basis-Emittertibergang eines Transistors gebildet wird, liegt dieses Potential typischerweise in der Größenordnung von 7 Volt. Der Basisstrom des Transistors 521 spannt die als Diode geschalteten Transistoren 511, 512 und 513 in Flußrichtung vor und erzeugt an diesen eine geregelte Spannung gleich den drei Basis-Emitter-Offsetspannungen V-gg. Die Emitterspannung des Transistors 521 ist um ein ν,™ positiver als seine Basisspannung und durch die Gleichrichtercharakteristika der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 511, 512, 513 und 514 geregelt. Die Potentiale an den Enden des Widerstandes 527 sind konstant Vc₂Ir bzw. 4Vg₃₃, so daß also am Widerstand 527 die Spannung ^v,-₂,--4V_BB liegen muß. Der Widerstandswert E527 ^des Widerstandes 527 kann entsprechend dem ohmschen Gesetz so gewählt werden, daß er im Verbundtransistor 213 einen Emitters tr om Lg₂₁ 3 vorgegebenen Wertes erzeugt. Das heißt

_τ <^Y525 - ⁴W
■■■£213 ~

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Da der Vorwärtsstromverstärkungsfaktor des Verbundtransistors 213 im allgemeinen in der Größenordnung von mehreren hundert liegt, ist der Kollektorstrom dieses Verbundtransistors im wesentlichen gleich seinem Emitterstrom. Bs ist daher

^B215~ ¹Wp W «527

Der Basisstrom Ig₂13 ^^es ^aB-sis^⁰²^ 213 ist um seinen Stromverstärkungsfaktor kleiner als In₂-I-Z » also:

Der BasLsstrom I_B2i₅ des Transistors 521 wird in erster Linie durch die als Diode geschalteten Transistoren 511» 512 und geliefert.

Das Vrvg der Transistoren 511, 512 und 513 stellt sich wegen der direkten Verbindung zwischen Kollektor und Basis, die als Gegenkopplung wirkt, auf einen solchen Wert ein, daß die Kollektor- und Basisströme dieser Transistoren den geforderten Strom Iy₂-j 3 liefern. Es wird angenommen, daß die Transistoren 511, 512 und 513 unter sich und mit denen der Transistoren und 515'gleiche Geometrien haben. Die vom Transistor 513 erzeugte Basis-Emitter-Spannung wird dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 514 zugeführt, der dadurch einen Kollektorstrom zieht, der gleich dem des Transistors 513 und damit gleich 1-D₂-13 ist. Dieser Kollektorstrom wird vom Transistor 514 von der Emitterelektrode des Transistors 515 abgeleitet, so daß der Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 515 im wesentlichen gleich denen der Transistoren 511, 512, 513 und 514 ist. Die Emitterelektrode des Transistors 515 befindet sich daher auf einer Spannung, die im wesentlichen gleich dem Doppelten des für den Kollektorstrom Ig₂-ι 3 charakteristischen V™ ist. Wegen der Emüterfolgerwirkung des Transistors 515 kann der in

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Basisschaltung arbeitende Transistor 516 erheblichen Basisstrom ziehen, ohne daß die seiner Basiselektrode dargebotene Impedanz unerwünscht absinkt.

Die Spannung 2Vt™ an der Emitterelektrode des Transistors

515 teilt sich im wesentlichen gleich auf die Basis-, die Emitter-Übergänge der Transistoren 516 und 517 auf. Der Grund hierfür ist folgender: Der Emitterruhestrom des Transistors 516 ist gleich dem kombinierten Basis- und Kollektorruhestrom des Transistors 517 zuzüglich des Basisruhestromes des Transistors 518. Wenn das h_f der Transistoren 517 und 518 ziemlich groß ist,(beispielsweise 30 oder mehr, was gewöhnlich der Pail ist), sind die Basisströme der Transistoren 517 und 518 gegenüber dem Kollektorstrom des Transistors 517 vernachlässigbar. Der Emitter ruhestrom des Transistors 516 kann daher als im wesentlichen gleich dem kombinierten Kollektor- und Basisruhestrom des Transistors 517 angesehen werden, welcher wiederum gleich dem Emitterruhestrom des Transistors 517 ist. Da die Emitterruheströme der Transistoren 516 und 517 im wesentlichen gleich sind, sind dementsprechend auch ihre Basis-Emitter-Spannungen im wesentlichen gleich. Wenn dies der Fall ist, muß die halbe ZV-gg-Spannung an der Emitterelektrode des Transistors 515 im Ruhezustand jeweils an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren

516 und 517 erscheinen.

Die Stromdichten in den Basis-Emitter-Übergängen von Transistoren, die durch gleiche Verfahren hergestellt wurden, sind gleich, wenn ihre Basis-Emitter-Spannungen gleich sind. Die Ruheströme in den Transistoren 516, 517 und 518 sind daher gleich den entsprechenden Strömen in den Transistoren 511-515, wenn alle diese Transistoren die gleichen effektiven Basis-Emitter-Übergangsflachen haben. Allgemeiner gesagt können die Emitterruheströme Ige-ig bzw. Igc-io wie folgt aufeinander und auf Ig₂13 bezogen werden.

^ ⁼ ^ ^{= X = mI}B213

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wobei m das Verhältnis der Basis-Emitter-Übergangsflächen-der Transistoren 511-515 zu der der Transistoren 516-518 ist und das Symbol "=" "ungefähr gleich" bedeutet.

Die Kollektorruheströme IqC₁ g ^051T ^un<^ """C518 ^der ^^ran~ sistoren 516, 517 bzw. 518 sind ihren jeweiligen Emitterruheströmen I₈₅₁₆, I₁₅₁₇ und Ig₅₁₈ über den Faktor h_fenpn/(fc_fenpn+1)

hlt lt

proportional, wobei kf_enm der für die Emitterschaltung geltende Vorwärtsstromverstärkungsfaktor jedes dieser gleichartigen npn-Transistoren bedeutet. Für genügend großes h« (wie etwa 30 und mehr, was im allgemeinen der Pail ist) gilt:

¹GSIo ^{= 1}OSIS ^{= mI}B213 (5)

Aus den Gleichungen (3) und (5) ist ersichtlich, daß die Basiselektroden der als Verbundtransistoren aufgebauten Transistoren 101 und 102 mit Basisruheströmen Ig₁QI ^zw. ■'■

■β 102 versoret werden, die die folgenden ¥ertehaben:

I τ

¹B₁OI ■ ¹BIO₂ - h_fepnp

Der Stromverstärkungsfaktor jedes dieser Verbundtransistoren 101 und 102 beträgt h_f ^fenpn' ^Ihre 3^eweiliS^en Kollektorruheströme Iq₁₀I ¹¹²¹^^{- 1}G102 ^^{imeiL wie} folgt geschrieben werden:

^xcioi ~ ^χ

Die Kollektorruheströme der Verbundtransistoren 101 und 102 sind also im wesentlichen konstant und ihr Wert kann durch entsprechende Wahl von m, R527 ¹^ ^V525 ^{so vor}S^eS^et)e:11 werden, daß die tibernahmeverzerrungen innerhalb zulässiger Grenzen bleiben.

Gleichzeitig braucht kein zusätzlicher Ruhestrom vorgesehen werden, um Änderungen von Iq₁₀₁ ¹^¹⁰- ¹0102 ^{bei Tem}P^era'^bur-

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änderungen oder hinsichtlich, herstellungsbedingten Schwankungen von kfg-pn-p uM ^f_8n-D₁₁ Rechnung zu tragen. Der VorwärtsstromverstärkungsfaktoBder Transistoren 101, 102 und 213 ist jeweils h„ kfemm* ^^enn dieser Verstärkungsfaktor groß ist, wird I3 entsprechend absinken. Die Ströme Ig₁₀₁* ¹BIOZ S^leicil werden sinken. Der Yorwärtsstromverstärkungsfaktor h» mal ^_fenTj_n der Verbundtransistoren 101 und 102 wird jedoch zunehmen und die Abnahme von ^mIg₂₁-r kompensieren, und die Kollektorströme Iq-iqv ^0102 ^der Verbundtransistoren 101 und 102 werden durch die Erhöhung von h~ ^hfenOn ^nic-^!l"ⁱ' beeinflußt. In entsprechender Weise wird ein niedriges ^η-ρ_6Όηυ ⁿj zur Folge haben, daß den Basiselektroden der Verbundtransistoren 101 und 102 ein größerer Strom Ig₂₁₅ zugeführt wird; der kleinere Vorwärtsstromverstärkungsfaktor ⁿf b-~ dieser Transistoren wird jedoch bewirken, daß ihre Kollektorströme In₁Q₁ und In₁QP ^vcn der Änderung des Vorwärtsstromverstärkungsfaktors nicht beeinflußt werden.

Die Kollektorelektroden der Transistoren 516 und 518 sind in Figur 5 als mit den Basiselektroden der Verbundtransistoren 101 und 102 verbunden dargestellt, diese Anschlüsse können jedoch vertauscht werden. Die dargestellte Schaltung wird bevorzugt, da derVerstärkungsfaktor des in Emitterschaltung arbeitenden Transistors 518 von Kollektorspannungsschwankungen nicht beeinflußt wird, die sonst auf ihn von der Klemme T,- gekoppelt würden, so daß eine Quelle von kleineren verstärkungsgradbedingten Verzerrungen entfällt.

In den Ansprüchen soll der Begriff "Transistor" auch Verbundeinrichtungen umfassen, die mit einer Anzahl von individuellen Teiltransistoren arbeiten und den selben Typ von Stromverstärkungsfunktionen wie ein einzelner Transistor aufweisen.

Die Erfindung wurde am Beispiel von monolithischen integrierten Schaltungen beschrieben, für die sie besonders vorteilhaft ist; sie läßt sich jedoch auch auf hybride integrierte

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Schaltungen anwenden. Die Stromverstärker 107, 108 und die Stromregler 105, 106 brauchen in einer Pigur 1 entsprechenden Schaltungsanordnung nicht in der gleichen integriertenSchaltung enthalten sein wie die Transistoren 101, 102, 103 und 104. Die Stromverstärker 107, 108 und der Stromregler 215 in einer Schaltung entsprechend ligur 2 brauchen ebenfalls nicht in der selben integrierten Schaltung wie die Transistoren 101 bis 104 enthalten sein. Die Transistoren 101, 102, 103 und 104 einer Verstärkerschaltung ähnlich der gemäß Figur 1 können selektiv gepaarte diskrete Bauelemente sein, die nahe beieinander auf dem selben Kühlkörper montiert sind. Die Transistoren 101, 102 und 213 einer Schaltung entsprechend Figur 2 können ebenfalls selektiv gepaarte diskrete Bauelemente sein, die nahe beieinander auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert sind.

AO 98 5 1 /0763

Claims (6)

Patentansprüche

1. Verstärkerschaltung mit einem ersten Transistor, der eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode sowie eine Kollektorelektrode hat und in Emitterschaltung einen vorgegebenen Vorwärtsstromverstärkungsfaktor Beta aufweist, und mit einer Vorspannungsschaltung, die an die Basiselektrode des Transistors einen Ruhestrom liefert, dadurch gekennzei chn e t , daß die Vorspannungsschaltung eine Hilfstransistoranordnung (103 oder 104 oder 213) enthält, die mit dem ersten Transistor (101 oder 102) thermisch gekoppelt ist und praktisch das gleiche Beta wie der erste Transistor (101 oder 102) hat; daß in den Emitter-Kollektor-Stromkreis der Hilfstransistoranordnung eine geregelte Stromquelle (z.B. 105 oder 106 oder 215) geschaltet ist; und daß der Basisruhestrom für den ersten Transistor durch einen ersten strominvertierenden Verstärker (z.B. 107 oder 108) im wesentlichen konstanten Verstärkungsgrades geliefert wird, der auf den Basisstrom der Hilfstransistoranordnung anspricht.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der invertierende Verstärker einen temperaturunabhängigen Stromverstärkungsfaktor hat.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors (101) die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors (102) bezüglich einer zugeführten Betriebsspannung in Reihe geschaltet ist, und daß der Basisstrom des zweiten Transistors durch einen zweiten strominvertierenden Verstärker im wesentlichen konstanten Verstärkungsgrades geliefert wird, der auf den Basisstrom der Hilfstransistoranordnung anspricht.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide strominvertierenden

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Verstärker (107, 108) durch den Basisstrom des gleichen Hilfstransistors (213) gesteuert sind.

5 ο Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfstransistoranordnung zwei Hilfstransistoren enthält, deren Beta jeweils im wesentlichen gleich dem des ersten bzw. zweiten Transistors (101, 102) ist; daß für die Emitter-Kollektor-Strecken des ersten und zweiten Hilfstransistors getrennte geregelte Stromquellen vorgesehen sind und daß die Basisströme des ersten und zweiten Hilfstransistors den Eingangskreisen des ersten bzw. zweiten strominvertierenden Verstärkers zugeführt sind.

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder strominvertierende Verstärker einen Stromspiegelverstärker enthält.

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L e e r s e ί t e