DE2434947A1 - Stromverstaerker - Google Patents

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 ist_ff Ssmit ® !ingangsetzen let. D@r ia des¹ zweiten Transistors f Ii@©@xide proportionalen Zugaaasaeshasig stm und zwar in einem Verhältnis_P 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. 2_t 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 (V_BE101 bzw. Vq₁,,_ΛΟ) auf Werte, bei denen Kollektorstföme fließen, die praktisch gleich ein halb I_1n sind, womit der über den Anschluß IN ihren zusammengeschalteten Kollektoren zugeführte Strom bezeichnet ist.

(Ein kleiner Bruchteil des Stromes I_T„ 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 V_ßE103 des Transistors ist gleich V_BE._Q1 und V_BE,₀₂· Es ist bekannt, daß die Basis-Emitter-Durchlaßspannung (V_ßE) 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,

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g die Ladung eines Elektrons, der Kollektorstrom des Tran der Sättigungsstrom des Transistors.

I- der Kollektorstrom des Transistors und

da*

Eine andere bekannte Gleichung drückt die Beziehung zwischen V_ߣ1 und V_ßE2 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.

Die Kollektorströme der Transistoren 101 und 102

(Iq₁₀I ^{und I}C102^ ^sind jeweils gleich 1/2 Ij»· Das muß so sein, weil ihre Durchlaßspannungen V_B_, nämlich V_BE1O1 und V_BE1Q2 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 Ι_χΝ 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

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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 V_BE201 und V_BE2O2# 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-

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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 I_1n 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 V_BE201 und V_BE2O4, die jeweils an diesen übergängen auftreten, gleich sein müssen, und dies bedingt wieder gleiche Stromdichten in ihren Basis-Emitter-Übergängen.

Gemäß Gleichung 1 ist V_BE2o4 ^{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 V_BE2O3· Mit Gleichung 2 führt dies zu

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^VBE2O3 - ^VBE2O4 " ψ

Die Basis-Emitter-Spannung V_BE2O5 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 ^{= I}S2O4 .

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 ^{+ V}BE2O4 " ^VBE2O5 (9)

^VBE2O4 - t ^{ln m } +}

( ^VBE2O4

- ^VBE2O4

IrT 0

^VBE2O2 * ^VBE2O4 " ψ ^ln "

509808/tm U

■ - 8 -

Unter Berücksichtigung der Gleichung 2 ergibt sich, daß der Transietor 202 einen Kollektorstrom -^₀UT ^{ftiliren muß}r 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 I_1n 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 - I_1n - 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

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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.

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- ίο -

Tabelle 1

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

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Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, liefert die Schaltung gemäß Fig. 2 kleinere Ströme Iq_üt im Verhältnis zum Strom I_1n 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

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durch die Beziehung

¹OUT . 1

τ —οϊ3 t

¹IN nr^N(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 I_0ÜT als der Eingangs strom I_IE_ 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.

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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)

1. 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. 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.

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3. 3.) Stromverstärker nach Anspruch 2_F 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 enthalte

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