DE2438255B2 - Stromverstaerker - Google Patents

Description

Fig. 4 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromverstärkers, der für die Polaritätsumkehr von Signalströmen eingerichtet ist.

In Fig.! hat der Stromverstärker 100 einen gemeinsamen Anschluß 101, der an ein Bezugspotential

Ytef anschließbar ist, einen Eingang 103 für die Eingabe eines Eingangsstromes Iin sowie einen Ausgang 105 für die Entnahme eines Sin entsprechenden Ausgangsstromes hur- Ein FET (Feldeffekttransistor) 107 erhält durch die Emitterfolgerwirkung einer, FET 109 eine Drain-Gate-Rückkopplung, durch die der Drainstrom des FET 107 auf einen Wert eingeregelt wird, der dem Eingangsstrombedarf - //* vom Eingang 103 entspricht. Die Source-Gate-Spannung V_Csio7 des FET 107 wird durch diese regulierende Rückkopplung auf einen Wen eingesteht, der charakteristisch ist für den speziellen Wert des Drainstroms des FET 107. Dieser charakteristische Spannungswert, der zwischen Gate- und Sourceelektrode eines FET 111 gelegt wird, bewirkt, daß dessen Drainstrom zum Drainstrom des FET 107 im Verhältnis der Steilheiten (Transkonduktanzen) der FETs 111 und 107 steht, wobei dieses Steilheitsverhältnis hauptsächlich von den relativen Geometrien der FETs 111 und 107 abhängt Der Drains*rom des FET 111 bestimmt den Sourcestrom des FET 109. Der Drainstrom des FET 109 ist in seiner Amplitude im wesentlichen gleich dem Sourcestrom dieses FET 109 und somit im wesentlichen gleich dem Drainstrom des FETlIl.

Der FET 109 erzeugt eine Source-Gate-Spannung Vcsiw, die charakteristisch für seinen Drainstrompegel ist. Der Eingang 103 wird somit auf eine Spannung, die gleich der Summe von Vcsio7 und Vgsiw ist, vorgespannt. Die Drain-Source-Spannung des FET 109 kann nur bis auf den Wert seiner Sättigungsspanun_ü· V_Satio9 erniedrigt werden, da andernfalls der Drainstrom nicht aufrechterhalten werden kann. Damit der Stromverstärker 100 einwandfrei arbeitet, darf daher die Spannung am Ausgang 105 an Vref am gemeinsamen Anschluß 101 nicht näher herankommen als V_C5io7 plus Vs/tn«·

In Fig 2 hat der Stromverstärker 200 einen gemeinsamen Anschluß 201, einen Eingang 203 und einen Ausgang 205. Die beiden FETs 207 und 208 haben jeweils eine Rückkopplung in Form einer Direktverbindung zwischen Drain und Gate. Diese Rückkopplung reguliert die Source-Drain-Ströme dieser beiden FETs so, daß sie gleich dem erforderlichen Eingangsstrom - fa vom Eingang 203 sind. Jeder der Fets 207 und 208 entwickelt eine Source-Gate-Spannung (Vgsxh ^DZW· Vcjsoe), die charakteristisch für den entsprechenden Drainstromvert ist, und unter der Voraussetzung, daß diese FETs zusammenpassen, d. h. gleiche Ausbildung bzw. Geometrie haben, sind die Source-Gate-Spannungen Vcs207 und Vonoe gleich. Die Spannung am Eingang 203 sollte daher VW nicht näher kommen als die Summe von Vcsxi und Vgszos-

Ein als Verstärker in Gateschaltung arbeitender FET 209 hat einen Drainstrom, der in seiner Größe gleich dem vom Drainstrom eines FET 211 gelieferten Sourcestromes ist. Das heißt, die FETs 211 und 209 bilden im Hinblick auf die am Gate des FET 207 liegenden Source-Gate-Spannungen eine Kaskodenschaltung. Der Drainstrom des FET 211 ist in seiner Größe durch die zwischen Gate und Source liegende Spannung Vcsxi bestimmt und sieht zum Dieinstrom des FET 207 im Verhältnis der Steilheiten der beiden Transistoren, das seinerseits durch die relative Geometrien der FETs 211 und 207 bestimmt ist. Genau wie im Falle des FET 109 im Stromverstärker 100 sollte auch beim FET 209 die Drain-Source-Betriebsspannum: nicht kleiner sein als seine Sättigungsspannung V_vu:»h. Diese einschränkende Bedingung kann nur dann erfüllt werden, wenn die Spannung am Ausgang 205 dem Bezugspotential V^ef am gemeinsamen Anschluß 201 nicht näher kommt als die Summe von Vcsxn plus Vs/172O9·

P-Kanal-MOS-FETs, die sich für den Zusammenbau mit N PN-Bipolartransistoren in ein und derselben integrierten Schaltung eignen, haben Vcs-Werte von 4 bis 4,5 Volt bei einem Drainstrom von 1 Milliampere. Die Vs^rWerte solcher Transistoren betragen ungefähr 1 bis 2 Volt. Die Stromverstärker 100 und 200 nach F i g. 1 und 2 brauchen daher für ein einwandfreies Arbeiten mindestens 8 bis 9 Volt Spannung zwischen ihrem Eingang und gemeinsamen Anschluß sowie mindestens 5 bis 5,5 Volt Spannung zwischen ihrem Ausgang und gemeinsamen Anschluß. Da die für integrierte Schaltungen verfügbaren Betriebsspannungen häufig nicht größer als 10 bis 15 Volt sind, können durch die Mindesterfordernisse der Verstärker 100 und 200 die für die übrige Schaltung verfügbar bleibenden Spannungen ganz erheblich beschränkt werden.

Der Stromverstärker 200 hat gegenüber dem Stromverstärker 100 den Vorteil, daß sein Stromverstärkungsfaktor durch das Verhältnis der relativen Geometrien seiner FETs 207 und 211 besser definiert oder festgelegt ist als der Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers 100 durch das Verhältnis der relativen Geometrien seiner FETs 107 und 111. Dies kommt daher, daß die Source-Drain-Spannungen der FETs 207 und 211 einander im wesentlichen gleich sind, dagegen die Source-Drain-Spannungen der Transistoren 107 und 111 nicht. Die Source-Drain-Spannung des FET 111 ist um Vcsw kleiner als die des FET 107. Beim Stromverstärker 200 sind dagegen die Gateelektroden der FETs 208 und 209 zusammengeschaltet, so daß sie die gleiche Spannung führen. Die Drainspannungen der FETs 207 und 211 sind um Vcsoe bzw. Vc&w positiv >r als diese Spannung, und da Vest» und Vcs2w gleich gemacht werden können, ist die gewünschte Gleichheil der Source-Drain-Spannungen der Transistoren 207 und 211 erzielbar.

F i g. 3 zeigt einen Stromverstärker 300 in erfindungsgemäßer Ausbildung mit einem gemeinsamen Anschluß 301, einem Eingang 303 und einem Ausgang 305. Ein FET 307 arbeitet mit Drain-Gate-Gegenkopplung, wodurch sein Drainstrom auf einen Wert eingeregelt wird, der gleich dem Strombedarf - Iin am Eingang 303 ist, der über einen Spannungsstabilisator 308 an die Drainelektrode dieses FET angeschlossen ist. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird am Spannungsstabilisator 308 eine Spannung η Vb/rentwickelt, die der Anzahl η der vorhandenen in Reihe geschalteten Dioden proportional ist, wobei der Wert η so gewählt ist, daß diese Spannung erheblich kleiner ist als die Source-Gate-Spannung Vc<am des FET 307.

Wie obenerwähnt, besteht in Fig.3 der Spannungsstabilisator 308 aus η in Reihe geschalteten Dioden 308-1 bis 308-n. Diese Dioden sind so gepolt, daß sie durch den Drainstrom des FET 307 in Durchlaßrichtung gespannt werden. An jeder der so vorgespannten Dioden wird durch den Drainstrom des FET 307 eine Spannung Vpii erzeugt, so daß der gesamte Spannungsabfall am Spannungsstabiüsator 308 gleich η V₀/ r wird. Die Gateeiektrode de:- ΓΓΤ 309 hat gegenüber dem Bezugspotential Vt<rr am Anschluß 301 einen Span niingsunterschicd gleich Vcski plus η Voff·

Die Spannung V₁-,sw liegt zwischen Gate und Source des F⁷FT 311, wodurch in diesem FFT ein Drainstrom erzeugt wird, der zum Drainstrom des FET 307 im Verhältnis der Steilheiten (Transkonduktanzen) der

Transistoren 311 und 307 steht. Dieser Drainstrom des FET 311 wird aufgrund derGateschaltungs-Verstärkerwirkung des FET 309 mit Verstärkungsfaktor 1 auf den Ausgang 305 gekoppelt. Aufgrund des Sourcestromes, den der FET 309 somit von der Drainelektrode des FET 311 erhält, erzeugt der FET 309 eine diesem Stromwert entsprechende Source-Gate-Spannung Vgsot. Die Sourceelektrode des FET 309 führt somit eine Spannung, die gleich ist Vcsoi plus η VW minus Vgsh»· Wenn man voraussetzt, daß V_Cs309 gleich Vcssoi ist, so hat die Sourceelektrode des FET 309 gegenüber dem Bezugspotential Vref am Anschluß 301 einen Spannungsunterschied gleich im wesentlichen η Vqff- Die Anzahl η der Dioden ist so gewählt, daß η Voff größer ist als die Sättigungsspannung des FET 311. Ein Wert von η gleich 2 bis 4 genügt gewöhnlich.

Die Spannung am Ausgang 305 kann sich aem Bezugspotential Vref am Anschluß 301 bis auf η Voff plus V.SA7309. der Sättigungsspannung des FET 309, annähern. Diese Spannung (n Voff+ Vsajiw) kann nicht to mehr als nur 2,5 Volt betragen. Somit verbleibt ein erheblicher Betrag oder Anteil der einer integrierten Schaltungsanordnung mit dem Stromverstärker 300 zugeleiteten Versorgungsspannung für andere Schaltungsteile der Anordnung verfügbar.

Der Stromverstärker eignet sich für Dünnschicht-MOS-FET-Schaltungen, beispielsweise solche nach der Silicium-auf-Saphir-Technik (SOS). SOS-Transistoren mit N-Kanal weisen erhebliche Drainstromanstiege auf, wenn ihre Drain-Source-Spannung über 3 bis 3,5 Volt hinaus erhöht wird. Die Kaskoden-Ausgangsstufe mit den Transistoren 311 und 309 liefert einen hohen Ausgangswiderstand, wenn durch geeignete Wahl des durch den Spannungsstabilisator 308 erzeugten Spannungsabfalls die Source-Drain-Spannung des Transistors 311 auf einem niedrigen Wert gehalten wird.

F i g. 4 zeigt einen Stromverstärker 400, der dem Stromverstärker 300 gleichartig ist, außer daß zwischen Drain des Transistors 21 und die zusammengeschaltete Gateelektroden der FETs 307 und 311 ein zusätzlicher Spannungsstabilisator 313 geschaltet ist. Dieser Spannungsstabilisator bewirkt, daß beim FET 307 die Source-Drain-Spannung niedriger ist als die Source-Gate-Spannung. Die Summe der durch die Spannungsstabilisatoren 308 und 313 gelieferten konstanten Spannungen ist im wesentlichen gleich V_GSim. Somit ist die Drainelektrode des FET 307 gegenüber der Spannung am Eingang 303, ebenso wie die Drainelektrode des FET 311 aufgrund der Sourcefolgerwirkung des FET 309, um einen Betrag gleich Vcsm positiv. Da die Drainspannungen der FETs 307 und 311 gleich sind und da auch die Sourcespannungen dieser beiden FETs wegen der gemeinsamen Anschaltung der beiden Sourceelektroden an den gleichen Schaltungspunkt, nämlich den gemeinsamen Anschluß 301, gleich sind, sind die Source-Drain-Spannungen der FETs 307 und 311 im wesentlichen gleich. Der Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers 400 ist daher durch das Verhältnis der Steilheiten der FETs 307 und 311 bestimmt, das seinerseits durch die Abmessungen der Kanäle dieser Transistoren bestimmt ist, ohne daß durch etwaige Differenzen zwischen den Source-Drain-Spannungen dieser FETs ein Fehler entsteht.

Die Dioden der Spannungsstabilisatoren 3C8 und 313 werden typischerweise durch NPN-Transistoren gebildet, bei denen jeweils Basis und Kollektor zusammengeschaltet sind und als Anode dienen und der Emitter als Kathode dient. Stattdessen kann man auch andere Arten von Flächendioden oder Schottky-Dioden verwenden. Auch bestimmte bekannte NPN-Transistor-Spannungsstabilisatoren sind geeignet. Allgemein kann man anstelle der Spannungsstabilisatoren 308 und 313 beliebige Spannungsquellen mit den entsprechenden Spannungsabfällen verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: I

1. Stromverstärker mit einem Eingangsanschluß, einem Ausgangsanschluß und einem beiden gemeinsamen dritten Anschluß und mit drei Transistoren, deren erster und zweiter mit ihren Emittern galvanisch mit dem dritten Anschluß verbunden sind und mit ihren Basen zusammengeschaltet sind und deren dritter mit seinem Emitter an den Kollektor des zweiten, mit seiner Basis an den Eingangsanschluß und mit seinem Kollektor an den Ausgangsanschluß angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß statt bipolarer Transistoren Feldeffekttransistoren (307, 311, 309; 535, 531, 532; 535,533,534) verwendet sind, deren Source-, Drain- und Gateelektroden entsprechend Emitter, Kollektor und Basis der bipolaren Transistoren geschaltet sind, und daß ferner die Drainelektrode des ersten Feldeffekttransistors (307; 535) galvanisch an den Verbindungspunkt der Gateelektroden des ersten und zweiten Feldeffekttransistors (307,311; 535,531; 535, 533) angeschlossen ist und zwischen diesen Verbindungspunkt und den Eingangsanschluß (303; 525) ein erster Spannungsstabilisator (308; 536, 537, 538) eingefügt ist, der die Spannung zwischen diesen Schaltungspunkten wesentlich kleiner als die Source-Gate-Spannung des ersten Transistors (307, 535) hält.

2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spannungsstabilisator eine erste Mehrzahl von Dioden (308-1... 308-n; 537, 538, 539) enthält, die in Reihe zwischen den Eingangsanschluß (303, 525) und den Verbindungs punkt der Gateelektroden des ersten und zweiten Feldeffekttransistors geschaltet sind und so gepolt sind, daß sie durch den Drainstrom des ersten Transistors (307, 535) in Durchlaßrichtung gepolt sind.

3. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainelektrode des ersten Transistors (307) galvanisch an den Verbindungspunkt der Gateelektroden des ersten und zweiten Transistors über einen zweiten Spannungsstabilisator (313) angeschlossen ist, der zusammen mit dem ersten Spannungsstabilisator (308) die Spannung zwischen der Drainelektrode des ersten Transistors und dem Eingangsanschluß (303) praktisch gleich der Source-Gate-Spannung des dritten Transistors (309) hält (F ig. 4).

4. Stromverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spannungsstabilisator (313) eine zweite Mehrzahl von Dioden (313-1... 313-4) enthält, die in Reihe zwischen die Drainelektrode des ersten Transistors (307) und den Verbindungspunkt der Gateelektroden des ersten und zweiten Transistors derart geschaltet sind, daß sie vom Drainstrom des ersten Transistors in Durchlaßrichtung vorgespannt werden.

5. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanische Verbindung der Drainelektrode des ersten Transistors (307; 535) mit dem Verbindungspunkt der Gateelektroden des ersten und zweiten Transistors durch eine unmittelbare Zusammenschaltung gebildet wird (F i g. 3).

Die Erfindung betrifft einen Stromverstärker, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Stromverstärker unter Verwendung von Bipolartransistoren, deren Stromverstärkungsfaktor vom Verhältnis der Steilheiten abhängig und von der Durchlaßstromverstärkung der einzelnen Transistoren selbst im wesentlichen unabhängig ist, sind bekannt. Bestimmte dieser bekannten Schaltungen, die für Bipolartransistoren entwickelt wurden, lassen sich auch für die Verwendung von Feldeffekttransistoren (FET) vom Anreicherungstyp, beispielsweise Metall-Oxid-Silicium-Feldeffekttransistoren (MOS-FET), einrichten. Von Interesse sind hier hauptsächlich diejenigen Schaltungen, bei denen in der Ausgangsstufe in Kaskode geschaltete Transistoren verwendet werden, da eine solche Ausgangsstufe den im allgemeinen bei einem Stromverstärker erwünschten hohen Ausgangswiderstand liefert, obwohl die Transistoren nicht eine optimal flache Ausgangsstrom/Spannungscharakteristik bei fester Eingangsvorspannung aufweisen.

Bei Verwendung von Bipolartransistoren kommen Stromverstärker mit Kaskode-Ausgangsstufe mit Betriebsspannungen aus, die nicht größer sind als das Ein- oder Zweifache des Basis-Emitterspannungsabfalls eines Bipolartransistors (0,6 bis 1.4 Volt bei Siliciumtransis'oren). Verwendet man für diese Stromverstärker jedoch FETs, so sind die erforderlichen Betriebsspannungen ungefähr ein- oder zweimal so groß wie die Gate-Source-Spannung der Feldeffekttransistoren.

Da die Gate-Source-Spannung eines herkömmlich vorgespannten FET typischerweise einige Volt, beispielsweise 4 bis 4,5 Volt für 1 Milliampere Stromfluß für bei der gemeinsamen Herstellung mit NPN-Bipolartransistoren kompatiblen FETs vom Anreicherungstyp, beträgt, sind die für diese Stromverstärkerausführungen erforderlichen Betriebsspannungen in vielen Anwendungsfällen un ragbar hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dreipol-Stromverstärker unter Verwendung von in Kaskode geschalteten Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp in der Ausgangsstufe zu schaffen, dessen Stromverstärkungsfaktor im wesentlichen unabhängig von der Durchlaßstromverstärkung der einzelnen verwendeten FETs ist und der keine so hohe Betriebsspannung benötigt, sondern ebenfalls mit relativ kleiner Spannung auskommt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Dadurch wird erreicht, daß die zwischen dem gemeinsamen Anschluß und eine.seits dem Eingang sowie andererseits dem Ausgang des Verstärkers erforderlichen Spannungen kleiner sind als die bei bekannten FET-Verstärkern dieser Art erforderlichen Spannungen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 und 2 Schaltbilder neuer Stromverstärker mit in Kaskode geschalteten Feldeffekttransistoren in der Ausgangsstufe entsprechend in bekannter Weise mit Bipolartransistoren aufgebauten Schaltungen.

Fig. 3 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromverstärkers, der mit minimaler Betriebsspannung auskommt, und