DE2434947A1 - Stromverstaerker - Google Patents
StromverstaerkerInfo
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Description
77X2-74/SCVRO.
RCA 66,923
US-Ser.No. 381,175 Filed: July 20, 1973
KCÄ Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)
S tromv©r stärker
Die Erfindung betrifft Stromverstärker, insbesondere
solche, die sich für die Verwendtamg ±n monolithischen integrierten
Schaltungen besonders gut
Bekannte in integrierter S verstärker verwenden @in@n ersten
kertransistor mit g@©rd@t@n Emittossa
zweiten in Form einer
geschaltet ist und mit .©in@r versehen istff Ssmit ®
!ingangsetzen let. D@r ia des1
zweiten Transistors f Ii@©@xide
proportionalen Zugaaasaeshasig stm
und zwar in einem VerhältnisP
der effektiven Basis-EiRittQr^
Transistors zu derjenigen des <B%Bt®n
stärkung eines solefoora
ist praktisch unabhäng
geltenden DurchlaSot£©mvarstItekissig©ii&
Tranaistors.
ausgebildete Strom©iaen zweiten Verstärdenen
der erste dem koppelten Kaskade vorgleich
d<sm zugeführten laitter-Strecke des
steht in einem Eingangsstroai,
gleich'dem Verhältnis-
des zweiten
fssmsistors ist. Die VerIst
gut definiert und Baitter-Grumdschaltung
ersten
Bei den erfindungsgemäßen Stromverstärkern enthält die
Kollektor-Basis-Rückführung Elemente, welche für ein Potential zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors sorgen, das
sich proportional mit der absoluten Temperatur des ersten und zweiten Transistors ändert. Damit lassen sich Stromverstärker,
deren Verstärkung wesentlich höher oder niedriger als Eins ist, auf einer kleineren Fläche einer monolithischen integrierten
Schaltung unterbringen, als es nach dem Stande der Technik möglich war.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen
von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer bekannten Schaltungsausbildung, welche eine Stromverstärkung ergibt, die einen Bruchteil von Eins ist,
Fig. 2t 3 und 4 Schaltbilder verschiedener AusfOhrungsformen
der Erfindung.
Bezüglich Fig. 1 sei angenommen, daß die Transistoren
101, 102 und 103 hinsichtlich ihrer Geometrie identisch sind und gleiche Betriebseigenschaften haben und dicht beieinander
innerhalb ein und derselben integrierten Schaltung angeordnet sind. Di« Transistoren 101 und 3.02 sind jeweils als Halbleiterdiode
geschaltet, wobei die miteinander verbundenen Baals- und Kollektorelektroden die Anod® der Diode darstellen und der
Emitter die Kathode der Diode bildet.
Die parallelgeechaltetoß Transistoren 101 und 102
stellen in bekannter Weise das Äquivalent ©Ines einsigen Transistors
dar, dessen wirksame Basis-Emitter-Übergangsfiäche
gleich der Summe der effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen
der beiden Transistoren ist. Wo in den Fig. 2, 3 und 4 ein
S 0 9 B 0 8 / 0 7
einzelner Transistor dargestellt ist, kann das übliche Transistorsymbol
ebenfalls einen zusammengesetzten Transistor aus zwei parallelgeschalteten Transistorelementen bedeuten.
Die Verbindungen zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 101 und 102 sind gegenkoppelnd (negative Rückführung)
und regeln die Basis-Emitter-Spannungen (VBE101 bzw.
Vq1,,ΛΟ) auf Werte, bei denen Kollektorstföme fließen, die
praktisch gleich ein halb I1n sind, womit der über den Anschluß
IN ihren zusammengeschalteten Kollektoren zugeführte Strom bezeichnet ist.
(Ein kleiner Bruchteil des Stromes IT„ wird als
Basisstrom für die Transistoren 101, 102 und 103 benötigt. Die Durchlaßstromverstärkungen h~ für Emitter-Grundschaltung
dieser Transistoren übersteigt normalerweise den Wert 30, und
die Basisströme sind vernachlässigbar klein im Vergleich zu den Kollektorströmen der Transistoren 101 und 102. Die Wirkung
des Basisstroms auf die Verstärkungsfaktoren der hier beschriebenen Stromverstärker ist hier nicht berücksichtigt, die Verfahren
zur Berechnung ihrer Auswirkungen sind dem Fachmann der Transistor-Elektronik bekannt.)
Die Basis-Emitter-Spannung VßE103 des Transistors
ist gleich VBE.Q1 und VBE,02· Es ist bekannt, daß die Basis-Emitter-Durchlaßspannung
(VßE) eines Transistors eine logarithmische
Funktion der mittleren Stromdichte in seinem Basis-Emitter-Übergang
ist. Diese Beziehung wird oft in folgender Weise ausgedrückt:
U)
hierbei ist k die Boltzmann Konstante, T die absolute Temperatur,
509808/074A
g die Ladung eines Elektrons, der Kollektorstrom des Tran
der Sättigungsstrom des Transistors.
da*
Eine andere bekannte Gleichung drückt die Beziehung zwischen Vߣ1 und VßE2 des.ersten und zweiten Transistors,
die jeweils gleiche Diffusionsprofile haben, für denselben Kollektorstromwert aus, wobei die effektive Basis-Emitterübergangsfläche des ersten Transistors m mal so groB wie
diejenige des zweiten ist, also:
VBE1 - VBE2
Aus dieser Gleichung läßt sich die Beziehung zwischen den Ig Werten unterschiedlicher Transistoren ableiten. Wenn die
Transistoren mit gleicher Geometrie ausgebildet sind und der gleichen Temperatur unterworfen sind, dann sind auch ihre
Sättigungsströme gleich.
(Iq10I und IC102^ sind jeweils gleich 1/2 Ij»· Das muß so sein,
weil ihre Durchlaßspannungen VB_, nämlich VBE1O1 und VBE1Q2
gleich sind, da ihre Basis-Emitter-Übergänge parallelgeschaltet sind und ihre Temperaturen wegen ihrer engen Nachbarschaft in
der integrierten Schaltung gleich sind, und weil schließlich wegen der gleichen Geometrie auch ihre Sättigungsströme gleich
sind. Der Kollektorstrom des Transistors 103 muß aus denselben Gründen gleich 1/2 ΙχΝ sein.
Die Verstärkung des in Fig. 1 dargestellten Stromverstärkers ist daher l/m, wobei m das Verhältnis der Anzahl der
als Dioden parallel im Eingangskreis geschalteten Transistoren zur Anzahl der im Ausgangskreis parallelgeschalteten Transistoren ist unter der Voraussetzung, daß sämtliche Transistoren
509808/0744
in ihrer Geometrie übereinstimmen. Allgemeiner ausgedrückt, ist die Verstärkung eines Stromverstärkers l/m, wobei m das
Verhältnis der Summe der effektiven Basis-Emitter-Übergangsflaehe
(A) des oder der als Diode geschalteten Transistoren
im Eingangskreis zur Summe der effektiven Bäsis-Emitter-Übergangsflache(n)
des oder der Transistoren in seinem Ausgangskreis ist.
Es ist üblich, die Flächen in alternativen integrierten Schaltungen zu vergleichen, die zur Realisierung einer bestimmten
Stromverstärkung erforderlich sind, in dem man die Anzahl der zur Realisierung dieser Verstärkung benötigten
Transistoren gleicher Geometrie zum Ausdruck bringt. Der Stromverstärker gemäß Fig. 1 benötigt m + 1 Transistoren gleicher
Geometrie für eine Stromverstärkung von l/m, wobei m eine positive ganze Zahl ist. Bekannte Stromverstärker benötigen
für eine Stromverstärkung der m einen einzigen als Diode geschalteten Transistor im Eingangskreis und m parallelgeschaltete
Transistoren im Ausgangskreis.
Fig. 2 zeigt einen Stromverstärker, in dem ein regulierender Transistor 201 die dem Basis-Emitter-Ubergang eines
Ausgangstransistors 202 zugeführte Spannung bestimmt. Jedoch
wird zwischen VBE201 und VBE2O2# den Basis-Emitter-Spannungen
dieser Transistoren, durch die Wirkung der als Dioden geschalteten Transistoren 203, 204 und 205 ein Potentialunterschied
aufrechterhalten. Die Wirkung der Basisströme auf die in den verschiedenen Zweigen der Schaltung fließenden Gesamtströme
sind im allgemeinen vernachlässigbar, da die Stromverstärkungen h~ der Transistorelemente normalerweise größer als 30 sind.
Gegebenenfalls können aber die Wirkungen dieser Basisströme nach den bekannten Regeln errechnet werden.
Für die nachfolgende Erläuterung der Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung gemäß Fig. 2 sei angenommen, daß die Geo-
509808/0744
metrien der Transistoren 201 und 203 einander gleich sind und
daß ebenso die Geometrien der Transistoren 202, 204 und 205
einander gleich sind. Die effektive Basis-Emitter-Obergangsfläche jedes der Transistoren 201 und 203 sei als m mal so
groß angenommen wie die effektive Basis-Emitter-Ubergangsflache jedes der Transistoren 202, 204 und 205.
Der dem Eingangsanschluß IN zugeführte Strom I1n teilt
sich auf in (1) eine Komponente I., welche durch die in Reihe
geschalteten Kollektor-Emitter-Strecken der als Dioden geschalteten Transistoren 203 und 204 fließt, und (2) eine
Komponente I2, welche durch die in Reihe geschalteten Kollektor-Emitter-Strecken der als Dioden geschalteten Transistoren 205
und 201 fließt. Da die effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche
des Transistors 201 m mal so groß wie diejenige des Transistors 204 ist, gilt die Beziehung
I2 -ToI1 (3)
Diese Beziehung folgt daraus, daß die Parallelschaltung der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 201 und 204 erfordert,
daß die Potentiale VBE201 und VBE2O4, die jeweils an diesen
übergängen auftreten, gleich sein müssen, und dies bedingt wieder gleiche Stromdichten in ihren Basis-Emitter-Übergängen.
Gemäß Gleichung 1 ist VBE2o4 durcn den nachstehenden
Ausdruck gegeben:
V » — In VBE2O4 q^ ln
Der Strom I. fließt ebenfalls durch den als Diode geschalteten
Transistor 203 und bewirkt in diesem einen Basis-Emitter-Spannungsabfall VBE2O3· Mit Gleichung 2 führt dies zu
09808/0744
VBE2O3 - VBE2O4 " ψ
Die Basis-Emitter-Spannung VBE2O5 des Transistors 205 ist
durch den folgenden Ausdruck gegeben.
IcT 2
» £± In γ=
(6)
q I
Da die als Dioden geschalteten Transistoren 204 und 205 gleiche
Geometrien haben, ist·
IS2O5 = IS2O4 .
Setzt man die Gleichungen 3 und 7 in Gleichung 6 ein, so erhält man
WT 1 ■ VT 1 VT BE2O5 q I5304 q I5204 q
Die zwischen Basis und Emitter des Transistors 202 angelegte Spannung V__2O2 wird bestimmt durch die regelnde Wirkung der
als Dioden geschalteten Transistoren 203, 204 und 205, wie es
in den Gleichungen 4, 5 und 8 ausgedrückt ist.
VBE2O2 VBE2O3 + VBE2O4 " VBE2O5 (9)
VBE2O4 - t ln m } +
( VBE2O4
- VBE2O4
IrT 0
509808/tm U
■ - 8 -
Unter Berücksichtigung der Gleichung 2 ergibt sich,
daß der Transietor 202 einen Kollektorstrom -^0UT ftiliren mußr
der gleich demjenigen eines Transistors mit derselben Durchlaßspannung
V_„ wie der Transistor 204 ist, aber eine effek-BE
2
tive Basis-Emitter-Übergangsfläche hat, die m mal kleiner als
diejenige des Transistors 204 ist. Das bedeutet, daß die S ^όπιο
dichte Im Basis-Emitter-Übergang des Transistors 202 nur l/m
mal so groß wie im Basis-Emitter-Übergang des Transistors 204 ist. Daher gilt
Da I1n gleich der Summe aus I. und I, ist, ergibt sich
1I - 1IN * T2' .
Setzt man Gleichung 3 in Gleichung 12 ein und ordnet die Aus drücke um, so erhält man
I1 - I1n - InI1 - ig . (13)
Setzt man wiederum I1 aus Gleichung 13 in Gleichung 11 ein,
so ergibt sich .
Die Transistoren 201 und 203 können aus m parallelgeschalteten Transistoren der gleichen Geometrie wie die Transistoren
202, 204 und 205 gebildet werden, wenn m eine positive ganze Zahl ist. Die Transistoren 202, 204 und 2Ο5 können durch
m parallelgeschaltete Transistoren der gleichen Geometrie wie die Transistoren 201 und 203 gebildet werden, wenn m gleich
Eins dividiert durch eine positive ganze Zahl ist. Betrachtet
5098 0 8/07 4U
man eine äquivalente Schaltung aus Transistoren üblicher Geometrie,
so kann man die für verschiedene Verstärker mit einer speziellen Stromverstärkung benötigten Flächen des integrierten
Halbleiterplättchens vergleichen. In der folgenden Tabelle ist
der relative Flächenbedarf für Stromverstärker einer vorgegebenen Stromverstärkung in den Ausbildungen gemäß den Fig. 1 bzw.2
angeführt. Dieser Flächenbedarf ist ausgedrückt durch die Anzahl
von Transistoren üblicher Geometrie (Transistoreinheiten),
die für das gewünschte Verhältnis Iq1Z zu I_n für die jeweilige
Schaltungsausbildung erforderlich ist.
509808/07 4 4
- ίο -
Flächenbedarf für Stromverstärker in integrierter Schaltung,
1OInZ1IN | Anzahl der benötigten | Transistoreinheiten |
Figur 1 Verstärker | Figur 2 Verstärker | |
1 Ϊ5ϊό |
1211 | 25 |
1 900 |
901 | 23 |
1 liö |
811 | 21 |
1 T76 |
577 | 19 |
1
■395 |
393 | 17 |
1 155 |
253 | 15 |
llö | 151 | 13 |
iö | 81 | 11 |
.** | 37 | .- 9 |
TT | 13 | 7 |
I | 3 | 5 |
509808/0744
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, liefert die Schaltung
gemäß Fig. 2 kleinere Ströme Iqüt im Verhältnis zum Strom I1n
mit einem erheblich geringeren Flächenbedarf als die Schaltung gemäß Fig. 1, wenn 1QUT^1IN wesentlicn kleiner als Eins ist.
Fig. 3 zeigt, wie ein Transistor 206 als Verstärker in Basis-Grundschaltung für den Kollektorstrom des Transistors
202 geschaltet werden kann, um den Strom "I0UT als Kollektor"
strom zu liefern. Die Stromverstärkung des in Basis-Grundschaltung betriebenen Verstärkers ist praktisch Eins. Die
Basis-Emitter-Durchlaßspannung des Transistors 206 spannt den Kollektor des Transistors 202 vor, und so ist seine Basis-Emitter-Spannung
praktisch eine Spannung vom Wert 1 V__ wie
DL·
es bei den Transistoren 201, 203, 204 und 205 ebenso der Fall ist. Damit neigt die tatsächlich ausgeführte Schaltung zu
einem Verhalten, welches sich noch mehr an die vorhin beschriebenen theoretischen Ergebnisse annähert, da kleinere Änderungen
der Stromverstärkungen unterhalb der Transistoren Infolge unter schiedlicher Kollektor-Emitter-Spannungen stark herabgesetzt
wird. .
Fig. 4 zeigt einen Stromverstärker, der demjenigen nach
Fig. 3 gleicht mit der Ausnahme, daß (1) eine Reihenschaltung von N als Dioden geschalteten Transistoren 303-1 bis 303-n
mit jeweils einer effektiven Basis-Emitter-Ubergangsflache
gleich derjenigen des Transistors 201 den als Diode geschalte-' ten Transistor 203 ersetzt und daß (2) eine Reihenschaltung
von N als Diode geschalteten Transistoren 305-1 bis 305-n mit
je einer effektiven Basis-Emitter-Fläche, die l/m mal so groß wie diejenige des Transistors 201 ist, den als Diode geschalteten
Transistor 205 ersetzt. Bei Weiterführung der für die Betrachtung des Stromverstärkers gemäß Fig. 1 angewendeten Überlegungen
läßt sich zeigen, daß die Stromverstärkung des in Fig. 4 dargestellten Stromverstärkers sich beschreiben läßt
509808/0744
durch die Beziehung
1OUT . 1
τ —οϊ3
t
1IN nrN(ra+l) .
wobei für N=I der Ausdruck in die Gleichung übergeht. Für eine
Ausführungsform mit N=2 und m=6 ergibt sich für 1OUT^1IN ein
Wert von 1/9072, wofür nur 22 Transistoreinheiten benötigt werden.
Für eine Ausführungsform mit N»3 und m«4 wird 1OUtZ1IN
gleich 1/20480, wozu lediglich 21 Transistoreinheiten erforderlich sind. Für eine Ausführungsform mit SN4 und m=3 wird das
Verhältnis 1OrJiZ1IN 1/26244, wozu ebenfalls nur 21 Transistoreinheiten benötigt werden.
Dieser grundsätzliche Aufbau läßt sich auch für Stromverstärker mit einem größeren Ausgangsstrom I0ÜT als der Eingangs
strom IIE_ verwenden, wenn man die Transistoren 201, 202
und 303-1 bis 303-n mit derselben Geometrie ausbildet und die effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen der Transistoren 2Ο4
und 305-1 bis 305-n m mal so groß macht. Ein solcher Stromverstärker hat theoretisch eine Verstärkung von
2N+1
Der Vorteil des Flächenbedarfs gegenüber üblichen Stromverstärkern ist jedoch nicht so groß gegenüber üblichen Stromverstärkern, wenn die Verstärkung den Wert Eins überschreitet,
ale es der Fall ist, wenn die Verstärkung kleiner als Eins ist. Auch sind die Auswirkungen der Basisströme nicht so weit vernachlässigbar.
5Q9808/0744
In bestimmten Fällen können andere Verhältnisse der effektiven Basis-Emitter-Übergangsflachen von Transistoren,
wie sie in den Stromverstärkern gemäß den Fig. 2, 3 und 4 verwendet sind, von Vorteil sein. Di© als Dioden geschalteten
Transistoren können unter geeigneten Umständen auch durch andere in integrierter Form ausgebildete Diodenstrukturen ersetzt werden.
Der in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Diode" bezeichnet
ebenso einen als Diode geschalteten Transistor wie derartige alternative Diodenstrukturen.
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Claims (3)
- Patentansprüche\lyt Stromverstärker mit einem Eingangsanschluß, einem Ausgangs-? anschluß und einem gemeinsamen Anschluß, mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die beide bei praktisch derselben absoluten Temperatur betrieben werden und jeweils mit ihrem Emitter an den gemeinsamen Anschluß angeschlossen sind und von denen der Kollektor des ersten Transistors in einer Gleichstromverbindung mit dem Eingangsanschluß und unmittelbar mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist und der Kollektor des zweiten Transistors über eine Gleichstromverbindung an 'den Ausgangsanschluß geführt ist und bei denen der erste Transistor mit einer Gleichstromgegenkopplungsschaltung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopp lungs schaltung »(205, 203, 204 oder 305-1 bis 305-n, 303-1 bis 303-n und 204) als von der absoluten Temperatur derart abhängige Verbindung ausgebildet ist, daß zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors (201) eine Potentialdifferenz angelegt wird, die proportional T ist.
- 2.) Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplungsverbindung 2N+1 Dioden (205, 204, 203 oder 305-1 bis 305-n, 303-1 bis. 303-n, 204) enthält, die jeweils bei einem Wert der absoluten Temperatur, der praktisch gleich T ist, arbeiten, daß N eine positive ganze Zahl ist, daß eine erste (204) dieser Dioden zwischen Basis und Emitter des ersten Transistors (201) parallel zu dessen Basis-Emitter-Obergang geschaltet ist, daß N weitere dieser Dioden (203 oder 303-1 bis 303-n) zwischen den Eingangsanschluß (CN) und die Basis des ersten Transistors (201) und in Reihe mit der ersten Diode (204) geschaltet sind, und daß die übrigen N Dioden (205 oder 305-1 bis 305-n) zwischen den Eingangsanechluß (IN)und den Kollektor des ersten Transistors (201) und in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors geschaltet sind.509808/0744
- 3.) Stromverstärker nach Anspruch 2F dadurch ge=· kennzeichnet 9 daß jede der 2HH1-1 Dioden durch einen als Diode geschalteten Transistor gebildet ist, dessen Kollektor und Basis zusaraaengeschaltet sind.4o) Stromverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, äadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitt©r°Str©cke eines weiteren Transistors (206) suisehen den K®ll@ktor des weiten Transistors (202) und den tosgangsansehluS geschaltet sind und das die Basis des weiteren Transistors an .©Inen Punkt in einem Strumpfad angeschlossen ist, weldbas: die Kollek^or-Emitter-Strecke des ersten Transistors ((202,) und die übrigen M Dioden enthalte5G9808/0744Leerse ite
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