DE2434947C3

DE2434947C3 - Stromverstärker

Info

Publication number: DE2434947C3
Application number: DE2434947A
Authority: DE
Inventors: Adel Abdel Aziz Annandale N.J. Ahmed (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1979-07-26
Also published as: SU578024A3; DE2434947B2; AR200611A1; DK392274A; FR2238283A1; DK142438B; ES428238A1; GB1473897A; FR2238283B1; BE817717A; NL7409507A; BR7405907D0; AU7092274A; ATA604874A; FI213774A; JPS5435905B2; US3868581A; DE2434947A1; AT349528B; SE7408791L

Description

benötigt Die Durchlaßstromverstärkungen hr_c für Emitter-Grundschaltung dieser Transistoren übersteigt r. ormalerweise den Wert 30, und die Basisströme sind vernachlässigbar klein im Vergleich zu den Kollektorströmen der Transistoren 101 und 1OZ Die Wirkung des Basisstroms auf die Verstärkungsfaktoren der hier beschriebenen Stromverstärker ist hiet nicht berücksichtigt, die Verfahren zur Berechnung ihrer Auswirkungen sind dem Fachmann der Transistor-Elektronik bekannt)

Die Basis-Cmitter-Spannung Vbe103 des Transistors 103 ist gleich Vbe ιοί und Vbevb, Es ist bekannt, daß die Basis-Emitter-Durchlaßspannung (Vbe) eines Transistors eine logarithmische Funktion der mittleren Stromdichte in seinem Basis-Emitter-Obergang ist Diese Beziehung wird oft in folgender Weise ausgedrückt:

hierbei ist

k die Boltzmann Konstante,

T die absolute Temperatur,

q die Ladung eines Elektrons,

Ic der Kollektorstrom des Transistors und

Is der Sättigungsstrom des Transistors.

Eine andere bekannte Gleichung drückt die Beziehung zwischen VeE₁ und Vbe2 des ersten und zweiten Transistors, die jeweils gleiche Diffusionsprofile haben, für denselben Kollektorstromwert aus, wobei die effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche des ersten Transistors m mal so groß wie diejenige des zweiten ist, also:

F»M =

kT , , lnm.

Aus dieser Gleichung läßt sich die Beziehung zwischen den Is 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 f/cioi und /C102) sind jeweils gleich '/2 //m Das muß so sein, weil ihre Durchlaßspannungen Vbe, nämlich Vbhioi und Vflf 102 gleich sind, da ihre Basis-Emitter-Übergänge parallel geschaltet 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 '/2 Im sein.

Die Verstärkung des in F i g. 1 dargestellten Stromverstärkers ist daher Mm, 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 in ihrer Geometrie übereinstimmen. Allgemeiner ausgedrückt, ist die Verstärkung eines Stromverstärkers l/m, wobei m das Verhältnis der Summe der effektiven Basis-Emitter-Übergangsfläche(n) des oder der als Diode geschalteten Transistoren im Eingangskreis zur Summe der effektiven Basis-Emitter-Übergangsfläche(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 F i g. 1 benötigt m + 1 Transistoren gleicher Geometrie für eine Stromverstärkung von Mm, wobei m eine positive ganze Zahl ist Bekannte Stromverstärker benötigen für eine Stromverstärkung von 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-Übergang eines Ausgangstransistors 202 zugeführte Spannung bestimmt Jedoch wird zwischen Vbe2oi und Vfl5202, den Basis-Emitter-Übergängen 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 hf_C 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 Geometrien 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-Übergangsfläche jedes der Transistoren 201 und 203 sei als m mal so groß angenommen wie die effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche jedes der Transistoren 202,204 und 205.

Der dem Eingangsanschluß IN zugeführte Stroni I_iN teilt sich auf in (t) eine Komponente /1, 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 = m/i.

Diese Beziehung folgt daraus, daß die Parallelschaltung der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 201 und 204 erfordert, daß die Potentiale V_Be2o\ und Vbexx, die jeweils an diesen Übergängen auftreten, gleich sein müssen, und dies bedingt wieder gleiche Stromdichten in ihren Basis-Emitter-Übergängen.
Gemäß Gleichung 1 ist VßE204 durch den nachstehenden Ausdruck gegeben:

Der Strom I\ fließt ebenfalls durch den als Diode geschalteten Transistor 203 und bewirkt in diesem einen Basis-Emitter-Spannungsabfall Vbe?d3· Mit Gleichung 2 führt dies zu

V₁

BE2O3

Die Basis-Emitter-Spannung Vß£205 des Transistors 205 ist durch den folgenden Ausdruck gegeben.

'S2OS

(6)

Da die als Dioden geschalteten Transistoren 204 und 205 gleiche Geometrien haben, ist

'S2O5

X204·

(7)

Setzt man die Gleichungen 3 und 7 in Gleichung 6 ein, so erhält man

, kT,

Ί)Ε205 = -Γ¹""¹

'S204

kT ,I₁ kT , In j-⁵—I In m.

1 's204 R

(8)

Die zwischen Basis und Emitter des Transistors 202 angelegte Spannung Vß£202 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.

VBElOi

Die Transistoren 201 und 203 können aus rr parallelgeschalteten Transistoren der gleichen Geome trie wie die Transistoren 202, 204 und 205 gebildet werden, wenn m eine positive ganze Zahl ist. Die Transistoren 202, 204 und 205 können durch rr 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 man eine äquivalente Schaltung au! Transistoren üblicher Geometrie, so kann man die füi verschiedene Verstärker mit einer speziellen Stromver Stärkung benötigten Flächen des integrierten Halbleiterplättchens vergleichen. In der folgenden Tabelle isi der relative Flächenbedarf für Stromverstärker einei vorgegebenen Stromverstärkung in den Ausbildungen gemäß den F i g. 1 bzw. 2 angeführt Dieser Flächenbedarf ist ausgedrückt durch die Anzahl von Transistorer üblicher Geometrie (Transistoreinheiten), die für das gewünschte Verhältnis Ιουτ zu Im für die jeweilige Schaltungsausbildung erforderlich ist

Tabelle

Flächenbedarf für Stromverstärker in integrierter
Schaltung

Iovt/¹ik Anzahl der benötigten Transistoreinheiten Fig. 1 Verstärker Fig. 2 Verstärker

15

- — Inmj

(kT \ ^be204 + — In m J

= ^vbeio*- 2 — lnm

^KBE2O4

(9)

= ^V

BE20*

(10)

1210

35

40

Unter Berücksichtigung der Gleichung 2 ergibt sich, daß der Transistor 202 einen Kollektorstrom -Ιουτ führen muß, der gleich demjenigen eines Transistors mit

derselben Durchlaßspannung V_gE wie der Transistor 204

ist, aber eine effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche ₄₅ hat, die rrfi mal kleiner als diejenige des Transistors 204 ist Das bedeutet, daß die Stromdichte im Basis-Emitter-Übergang des Transistors 202 nur l/m² mal so groß wie im Basis-Emitter-Übergang des Transistors 204 ist Daher gilt

1211

901

811

577

25

23

21

19

50

393	17
253	15
151	13

(H)

Da //ν gleich der Summe aus /1 und /2 ist, ergibt sich I₁=I_1n-I₂.

55

(12) J_

Setzt man Gleichung 3 in Gleichung 12 ein und ordnet die Ausdrücke um, so erhält man

81

37

13

11

h — I in — ^mh ⁼

m + 1 *

(13)

Setzt man wiederum I\ aus Gleichung 13 in Gleichung 11 ein, so ergibt sich

(14)

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, liefert di Schaltung gemäß Fig.2 kleinere Ströme Ιουτ ir Verhältnis zum Strom Iin mit einem erheblich geringe

ren Flächenbedarf als die Schaltung gemäß F i g. 1, wenn hurlliN wesentlich kleiner als Eins ist.

F i g. 3 zeigt, wie ein Transistor 206 als Verstärker in Basis-Grundschaltung für den Kollektorstrom des Transistors 202 geschaltet werden kann, um den Strom — /our als Kollektorstrom 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 Basis-Emitter-Spannung praktisch eine Spannung vom Wert 1 VflEwie 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 unterschiedlicher Kollektor-Emitter-Spannungen stark herabgesetzt werden.

F i g. 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-Übergangsfläche gleich derjenigen des Transistors 201 den als Diode geschalteten 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 Mm 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 F i g. 1 angewendeten Überlegungen läßt sich zeigen, daß die Stromverstärkung des in Fig.4 dargestellten Stromverstärkers sich beschreiben läßt durch die Beziehung

(15)

wobei für /V=I der Ausdruck in die Gleichung 14 übergeht. Für eine Ausführungsform mit /V= 2 und m=6 ergibt sich für IoutUm ein Wert von 1/9072, wofür nur 22 Transistoreinheiten benötigt werden.

Für eine Ausführungsform mit N= 3 und m—A wird hurfliN gleich 1/20 480, wozu lediglich 21 Transistoreinheiten erforderlich sind. Für eine Ausführungsform mit Λ/=4 und m=3 wird das Verhältnis Iout/Iin 1/26 244, wozu ebenfalls nur 21 Transistoreinheiten benötigt werden.

ίο Diese grundsätzliche Aufbau läßt sich auch für Stromverstärker mit einem größeren Ausgangsstrom Iout&Is der Eingangsstrom /w 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 204 und 305-1 bis 305-n m mal so groß macht. Ein solcher Stromverstärker

. hat theoretisch eine Verstärkung von

I_1n (m + 1)

(16)

Der Vorteil des Flächenbedarfs gegenüber üblichen Stromverstärkern ist jedoch nicht so groß gegenüber üblichen Stromverstärkern, wenn die Verstärkung den Wert Eins überschreitet, als es der Fall ist, wenn die Verstärkung kleiner als Eins ist. Auch sind die Auswirkungen der Basisströme nicht soweit vernachlässigbar.

In bestimmten Fällen können andere Verhältnisse der effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen von Transistoren, wie sie in den Stromverstärkern gemäß den F i g. 2,3 und 4 verwendet sind, von Vorteil sein. Die 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromverstärker mit drei mit ihren Emittern aiii einen gemeinsamen Anschluß (z.B. Erde) des Stromverstärkers zusammengeschalteten Transistoren, deren erster und zweiter mit ihren Basen ebenfalls zusammengeschaltet und zusammen mit dem Kollektor des ersten an einen ersten Sr-haltungspunkt angeschlossen sind, während der Kollek - , tor des zweiten und die Basis des dritten Transistors an einen zweiten Schaltungspunkt angeschlossen sind, wobei ferner der Kollektor des dritten Transistors mit dem Ausgangsanschluß des Stromverstärkers verbunden ist und dessen Eingangsan- schluß mit dem ersten und zweiten Schaltungspunkt über einen ersten bzw. zweiten galvanischen Verbindungszweig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden galvanischen Verbindungszweige in gleicher Anzahl zusammen 2N (wobei N eine positive ganze Zahl ist) Halbleiterdioden (303 bzw. 305) enthalten, die so gepolt sind, da£ die Halbleiterdioden (303) des ersten Verbindungszweiges zusammen mit dem ersten Transistor (204) einen Teil (I1) des dem Eingangsanschluß zugeführten Stromes (Hn) und die Halbleiterdioden (305) des zweiten Verbindungszweiges zusammen mit dem zweiten Transistor (201) den anderen Teil (12) des Eingangsstromes führen, daß die Halbleiterdioden des ersten Verbindungszweiges bezüglich ihrer Basis-Emitter-Übergangsflächen gegenüber den Halbleiterdioden des zweiten Verbindungszweiges derart bemessen sind, daß der vom Stromteil (11) an den Halbleiterdioden (303) des ersten Verbindungszweiges hervorgerufene Spannungsabfall einen anderen Wert hat als der vom Stromteil (I2) an den Halbleiterdioden (305) des zweiten Verbindungszweiges hervorgerufene Spannungsabfall, wodurch zwischen den Basis-Emitter-Übergängen des zweiten Transistors (201) und des dritten Transistors (202) ein Potentialunterschied aufrechterhalten wird.

2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der 2N Halbleiterdioden (303 bzw. 305) durch einen sich selbst vorspannenden Transistor gebildet wird und daß die Basis-Emitter-Übergangsfläche der Transistoren (303-1... 303-/>; im ersten galvanischen Verbindungszweig und die Basis-Emitter-Übergangsfläche des zweiten Transistors (201) m mal größer als die Basis-Emitter-Übergangsflächen des ersten und dritten Transistors (204, 202) und der Transistoren (305-1 ...305-n) des zweiten galvanischen Verbindungszweiges sind, derart, daß eine Stromverstärkung zwischen Eingangs- und Ausgangsanschluß des Stromverstärkers praktisch der Größe 1 lrrß^N (m+\) herrscht.

3. Stromverstärkung nach Anspruch 1 oder 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Transisto r (206) in Basisgrundschaltung mit seiner Basis an einen Punkt des zweiten galvanischen Verbindungszweiges gelegt ist, der von dem zweiten Schaltungs- punkt (P2) um eine der Halbleiterdioden (305-n) entfernt ist, und mit seinem Emitter an den Kollektor des dritten Transistors (202) sowie mit seinem Kollektor an den Ausgangsanschluß angeschlossen ist.

Die Erfindung betrifft Stromverstärker, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt sind.

Bekannte in integrierter Schaltung ausgebildete Stromverstärker verwenden einen ersten und einen zweiten Verstärkertransistor mit geerdeten Emittern, von denen der erste dem zweiten in Form einer gleichspannungsgekoppelten Kaskade vorgeschaltet ist und mit einer Kollektor-Basis-Gegenkopplung versehen ist, damit sein Kollektorstrom gleich dem zugeführten Eingangsstrom ist. Der in der KoUektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors fließende Ausgangsstrom steht in einem proportionalen Zusammenhang zum zugeführten Eingangsstrom, und zwar in einem Verhältnis, welches gleich dem Verhältnis der effektiven Basis-Emitter-Übergangsfläche des zweiten Transistors zu derjenigen des ersten Transistors ist. Die Verstärkung eines solchen Stromverstärkers ist gut definiert und ist praktisch unabhängig von den für Emittergrundschaltung geltenden Durchlaßstromverstärkungen des ersten und zweiten Transistors.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Stromverstärkers, der sich bei einer Verstärkung von wesentlich mehr oder wesentlich weniger als 1 auf einer kleineren Fläche einer monolithischen integrierten Schaltung unterbringen läßt, als es nach dem Stande der Technik bisher möglich war. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Die Dioden der Kollektor-Basis-Rückführung sorgen dafür, daß die zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors befindliche Spannung sich proportional mit der absoluten Temperatur des ersten und zweiten Transistors ändert Weitere Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer bekannten Schaltungsausbildung, welche eine Stromverstärkung ergibt, die einen Bruchteil von Eins ist,

Fig.2, 3 und 4 Schaltbilder verschiedener Ausführungsformfin der Erfindung.

Bezüglich F i g. 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. Die Transistoren 101 und 102 sind jeweils als Halbleiterdiode geschaltet, wobei die miteinander verbundenen Basis- und Kollektorelektroden die Anode der Diode darstellen und der Emitter die Kathode der Diode bildet.

Die parallelgeschalteten Transistoren 101 und 102 stellen in bekannter Weise das Äquivalent eines einzigen Transistors dar, dessen wirksame Basis-Emitter-Übergangsfläche gleich der Summe der effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen der beiden Transistoren ist. Wo in den Fig.2, 3 und 4 ein einzelner Transistor dargestellt ist, kann das übliche Transistorsymbol ebenfalls einen zusammengesetzten Transistor aus zwei parallelgeschalteten Tränsistorelementen bedeuten.

Die Verbindungen zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 101 und 102 sind gegenkoppelnd (negative Rückführung) und regeln die Basis-Emitter-Spannungen f VßEioi bzw. Vfl£io2) auf Werte, bei denen Kollektorströme fließen, die praktisch gleich V2 /«v sind, womit der über den Anschluß IN ihren zusammengeschalteten Kollektoren zugeführte Strom bezeichnet ist.

(Ein kleiner Bruchteil des Stromes Iin wird als Basisstrom für die Transistoren 101, 102 und 103