DE2446103C2 - Stabilisierter Transistorverstärker - Google Patents

Description

aVw-flV*,+ V_m0)-dVto+r-(k+m+I)=O

m ■

?$ wobei

^a~ AVbe '

30

35

AV_BE '

40

Vio Spannungsabfall am ersten Widerstand (R\) bei einer bestimmten vorgewählten Temperatur,

V20 Spannungsabfall am zweiten Widerstand ^2) bei der vorgewählten Temperatur,

K_mo Gesamtspannungsabfall an den m Widerständen (R_n, 1 bis /?,„„,) bei der vorgewählten Temperatur,

Vto Gesamtspannungsabfall an den k Widerständen (Rt 1 bis Ru) bei der vorgewählten Temperatur,

Kr Temperaturkoeffizient des ersten und zweiten Widerstandes, der in Widerstände und der k Wider-

stände,
Kh Temperaturkoeffizient des Stromvcrstäkungsfaktors/i/v des Transistors 11,der/n Transistoren und

der kTransistoren (jeweils in Emitterschaltung),
ΔΕβ Änderur>{? der Eingangsspannung En pro Grad,
/SVbi- Änderung des Spannungsabfalles Vm- pro Grad an einem in Durchlaßrichtung vorgespannten

PN-Übergang.

K	AVbe
A	Vbe'
A	EB
A	Vbe'
Kx	— J. T^fJ

55

Die Erfindung betrifft einen stabilisierten Verstärker entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchesl.

Es ist bekannt, daß der Arbeitspunkt eines Transistors temperaturabhängig ist. Zur Frage der Stabilisierung des Arbeitspunktes liegen bereits zahlreiche Untersuchungen vor (vgl. e'wa »IRE Transactions on Circuit Theory«, Sept. !957, S. 194 bis 202). So ist bekannt, daß der Kollektorsperrstrom, der in einem normal betriebenen Transistor fließt, wenn dessen Emitterstrom Null ist, bei zunehmender Temperatur ansteigt, während die Emitter-Basis-Spannung bei zunehmender Temperatur absinkt. Man hat versucht, diese schädlichen Auswirkungen auf das Verhalten einer Schaltung durch geeignete Maßnahmen zu reduzieren (»Bulletin Technique PTT«, 1961, S. 88-99).

So sind verschiedene Lösungen unter Verwendung nicht linearer Widers .ände bzw. Dioden im Basisspannungsteiler bekannt (US- PS 34 95 182,35 66 293 und 32 64 571).

Zur Temp^raturstnhilisierung eines Transistorverstärkers mit hochohmigen Eingangswiderstand ist es weiterhin bekannt, den Emitter des Transistors über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode mit dem Emitterwiderstand zu Verbinden (DE-AS 11 43 234). Weilerhin ist es auch bekannt, zur Temperaturstabilisierung einen

Emitterwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten zu verwenden (»Wireless World«, 1957, S. 98).

Allen bisherigen Lösungen haftet jedoch der Nachteil an, daß sie grundsätzlich nur einzelne Einflußgrößen

berücksichtigen, jedoch keinen allgemein gültigen Ansatz enthalten, der sämtliche innerhalb und außerhalb der Schaltung liegenden Einflußgrößen berücksichtigt (beispielsweise nicht nur temperaturbedingte Änderungen

der Eigenschaften von Halbleitern, sondern auch Änderungen der Versorgungsspannung, der Widerstände usw.).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Transistorverstärker der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art dahingehend zu verbessern, daß er innerhalb eines weiten Bereiches der Umgebungstemperatur mit hoher Stabilität arbeitet, wobei nicht nur temperaturbedingte Änderungen der Eigenschaften von Halbleiterelementen, sondern auch Änderungen der Versorgungsspannung und Änderungen der in der Schaltung vorhandenen Widerstände berücksichtigt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches I gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des Transistorverstärkers nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.
Eine weitere Lösung der oben genannten Aufgabe ist Inhalt des Anspruches 5.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in einer solchen Dimensionierung der Schaltung, daß die drei Temperaturkoeffizienten der Eingangsspannung, des ersten und zweiten Widerstandes und der Basis-Emitter-Spsnnuüg gegenseitig ausgelöscht (kompensiert) werden. Durch die Berücksichtigung dieser drei Temperaturkoeffizienten wird ein Transistorverstärker mit nahezu perfekter Temperaturstabilisierung erreicht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der F i g. 1 bis 18 beispielsweise erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild eine«; bekannten stabilisierten Transistorverstärker,
Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild zur Messung der Eigenschaftendes Kreises in Fig. 1,
F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Eigenschaften des Kreises in F i g. 1 und 2,
F i g. 4 ein Prinzipschaltbild des Transistorverstärkers gemäß der Erfindung,

:5 F i g. 5 ein Schaltbild eines Beispiels zum Erhalt der Eingangsspannung En in dem Kreis der F i g. 4,
F i g. 6 bis 11 praktische Ausführungsformcn des Kreises der F i g. 4,

Fig. 12 ein Schaltbild einer Ausführungsform, bei der die Ein^angsspannung En von einer Konstantspannungsquelle geliefert und unabhängig von der Umgebungstemperatur in dem Kreis der F i g. 4 konstant gehalten wird,

Fig. 13 ein Schaltbild einer Ausführungsform, bei der die Eingangsspannung Eb durch Anpassung einer Konstantstromquelle in dem Kreis der F i g. 4 erhalten wird,

Fig. 14 ein Schaltbild eines Beispiels der Konstantstromquclle des Kreises in F i g. 13,

Fig. 15 und 16 weitere Beispiele zum Erhalt von Konstantstromquellen bei praktischen Ausführungsformen des Kreises der F i g. 4,
F i g. 17 ein weiteres Prinzipschaltbild des Transistorverstärker gemäß der Erfindung, und

Fig. 18 ein Schaltbild eines Beispiels zum Erhalt der Eingangsspannung Eb in dem Kreis der Fig. 17.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst anhand der Fig. i ein bekannter Transistorverstärkerkreis beschrieben. Bei dem bekannten, in Fig. 1 dargestellten Transistorverstärkerkreis ist ein Vorspannungsgleichstrom für einen Transistor unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung konstant.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Transistorverstärkerkreis ist zwischen die Basis des Verstärkungstransistors 1. dessen Emitter geerdet ist. und Erde eine Diode 2 und zwischen die Basis des Transistors 1 und eine Spannungsquelle + £ ein Widerstand 3 geschaltet. Wenn bei diesem Kreis der Durchlaßvorspannungsabfall über dem PN-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 1 entsprechend der Umgebungstemperaturänderung geändert wird, wird der Durchlaßvorspannungsabfall über der Diode 2 in gleicher Weise geändert. Daher ist der Vorspannungsgleichstrom Ic. der durch den Kollektor des Transistors 1 fließt, unabhängig von der Umgibungstemperatu'-"'1»rung konstant, unter der Annahme, daß der Widerstandswert des Widerstands 3 unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung konstant ist.Tatsächlich jedoch wird der Widerstandswert des Widerstands 3 entsprechend der Umgebungstemperaturänderung geändert so daß der Vorspannungsgleichstrom k nicht konstant gehalten wird. Wenn der in Fi g. 1 gezeigte Kreis auf einer einzigen Halbleiterscheibe als k.iegrierter Kreis gebildet wird, wird der Temperaturkoeffizient des Widerstands 3 positiv und relativ hoch. Daher ist der Vorspannungsgleichstrom Ic bestrebt, entsprechend der Zunahme der Umgebungstemperatur abzunehmen.

F i g. 2 zeigt eine Schaltung zur Messung des Vorspannungsgleichstroms /r des obigen Kreises in Form eines

integrierten Kreises. Bei der Ausführungsform der Fi g. 2 wird ein Transistor 2, der im Aufbau im wesentlichen gleich dem Transistor 1 ist. und dessen Basis und Kollektor direkt verbunden sind, anstelle der Diode 2 der Ausführungsform der F i g. 1 verwendet, und der Widerstandswert des Transistors 3 wird zu etwa 101dl gewählt Wenn eine Gleichspannung von 6 V an den Kollektor des Transistors 1 angelegt wird, eine Gleichspannung + E an die Reihenschaltung des Widerstandes 3 und der Diode 2 angelegt wird, und der Vorspannungsgleichstrom Ic, der durch den Kollektor des Transistors 1 fließt, für die Umgebungstemperatur gemessen wird, erhält man das in F i g. 3 gezeigte Ergebnis, bei dem die Gleichspannung £ von 6 bis 20 V um 2 V geändert v/ird. In F i g. 2 ist mit A\ ein in den Kollektorkreis des Transistors 1 geschaltetes Amperemeter bezeichnet

Wie F i g. 3 zeigt, wird die Kompensation der Diode 2 für den Transistor 1 eine Überkompensation und damit hat der Gleichspannungsvorstrom /₍ eine negative Tempcratureharaktcrisiik.

Ein stabilisierter Transistorverstärker gemäß der Erfindung, bei dem der Vorspannungsstrom unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung zwangsläufig konstant gehalten wird, wird anhand der Zeichnungen beschrieben.

Wie F i g. 4 zeigt ist bei der Erfindung der Emitter eines Transistors 11 über m Dioden D, \ bis D_Jm (wobei m eine positive ganze Zahl ist) und einen Widerstand R\ mit einem Bezugsspannungsanschluß wie dem Erdan-

Schluß verbunden, cine Eingangsspannung £«wird an die Basis des Transistors 11 über einen Widerstand , k Dioden Dw bis Dw (wobei k eine positive ganze Zahl ist) angelegt, und verschiedene Kreiskonstanten sind so gewählt, daß sie im wesentlichen die folgende Gleichung (I) erfüllen:

aV\a—ßVm+y—(k + m+l)=0 (1)

wobei:

— J\B- J\H 1«

' AV ' ⁽²⁾

Δ V_BE

und νιο eine Anschlußspannung über dem Widerstand R\ bei einer bestimmten, vorgewählten Temperatur To, V20 eine Anschlußspannung über dem Widerstand Ri bei einer bestimmten, vorgewählten Temperatur To, Kr den Temperaturkoeffizienten der Widerstände Ri und Ro. Kn den Temperaturkoeffizienten des Stromverstärkungsfaktors fiFEdes Transistors 11, wenn er in Emitterschaltung geschaltet ist, 4Eb die Änderung der Eingangsspannung Eb pro Grad, und dVar. die Änderung des Durchlaßvorspannungsabfalls der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 11 und der jeweiligen Dioden bzw.des PN-Übergangs pro Grad darstellt.

Hierbei können die Anzahl mund Arder Dioden D₃, \ bis D_jm und Dm bis Dh Null und die Widerstandswerte der Widerstände Ri und R₂ Null sein.

In der Praxis wird der Kreis in F i g. 4 auf einer gemeinsamen Halbleiterscheibe als integrierter Kreis ausgebildet.

Wenn bei dem in F i g. 4 gezeigten Kreis die Eingangsspannung £»0 und der Durchlaßvorspannungsabfall über dem PN-Übergang bei der vorgewählten Temperatur 7Ό Vo ist, ergibt sich die folgende Gleichung (3):

	Kr
A	Vbe
A I A	Eb

0 (3)

'Venn angenommen wird, daß bei der Temperatur 7Ό der Widerstandswert des Widerstandes R\ R\o ist, daß derjenige des Widerstands R₇ Rk ist, der Vorspannungsgleichstrom, der durch den Emitter des Transistors 11 fließt, Λ ist, der Strom, der in die Basis des Transistors 11 fließt, /20 ist. und der Stromverstärkungsfaktor des Transistors 11 /ίο ist, ergibt sich die folgende Gleichung (4):

K₁₀=A₁₀-/,, K₂₀=A₂₀ Z₂O = A₂₀ -f. (4)

"0

Wenn angenommen wird, daß bei einer bestimmten Temperatur T= To+ 7*die Eingangsspannung Eb ist, die Anschlußspannung über dem Widerstand R\ V\ ist, diejenige über dem Widerstand Rt V₇ ist, und der Durchlaßvorspannungsabfall über dem PN-Übergang Vecist, ergibt sich die folgende Gleichung (5):

=Q (5)

Um den Vorspannungsgleichstrom l\ selbst bei einer beliebigen Temperatur 7"= 7"o+^7"konstant zu machen, genügt es, daß die Spannungen V₁ und V₂ in der Gleichung (5) unter der Annahme, daß der Stromverstärkungsfaktor des Transistors 11 hm und der Strom, der in die Basis des Transistors 11 fließt, /2 ist. wie folgt ausgedrückt werden:

V₁ -A₁ ■/,, V₁= R₁-1₂= R₁ -£-. (6)

"FE

Da sich die folgende Gleichung (7) ergibt:

A₁ = Ä,of/+ Kr ΔΤ) (7)

erhält man die folgende Gleichung (8):

V₁ = R_n. I₁(I+Kr-/IT)

= V₁₀(I+ K_R- ΔΤ) (8)

Da außerdem die folgende Beziehung besteht:

_R JT) (9)

-AT) (10)

kann die Spannung V2 wie folgt ausgedrückt werden:

^l+K* ' ■* T (Ha)

1KAT'

A₀ 1+K₁,-AT

Da man hierbei näherungsweise die folgende Gleichung (11 b) erhält:

:"I + (K_K-K„)AT (lib)

I + K_R A T

5 1 + KhA T

kann die Spannung V₂ wie folgt ausgedrückt werden:

V₂= V₂₀[I+(K_R-K„)JT\ (11)

Da sich die folgenden Gleichungen (12) und (13) ergeben:

En-Eno + JEn-JT (12)

V/ΗΓ= Vo+dVm- ΔΤ (13)

erhält man die folgende Gleichung (14) durch Substitution der Gleichungen (8) und (11) bis (13) in der Gleichung

■ JT)-Vioii+Kh-JT)-V₂₀\i+(K_K-K_n)JV₁ - (k + n+!)(Vo+4V_sr-4T)=Q (14)

Die folgende Gleichung (15) kann durch Substitution der Gleichung (3) in der Gleichung (14) erhalten werden: -Kh- V₁₀-(Kn-K₁₁)V_2n-Uc +m +l)JV_BI;=0 (15)

(16)

25 Wenn die Gleichung (15) durch Δ Vbh geteilt und geordnet wird, erhält man die folgende Gleichung (16):

T4^

^VBE a. VBE

30 Wenn die Gleichung (2) in der Gleichung (16) substituiert wird, ergibt sich die Gleichung (1).

Wenn daher die Kreiskonstanten so gewählt werden, daß sie die Gleichung (1) im wesentlichen erfüllen, kann der Vorspannungsgleichstrom h unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung stets konstant gehalten werden. Dies bedeutet, daß der Kollektorvorspannungsstrom /r des Transistors 11 konstant gehalten wird.

Eine praktische Ausführungsform, die die Eingangsspannung En erzeugen kann, wird nun anhand der F i g. 5 35 beschrieben. Wie F i g. 5 zeigt, wird als Eingangsspannung £_B in Betracht gezogen, daß eine Spannung + Edurch eine Reihenschaltung eines Widerstandes Ra und η Dioden D₁-1 bis D,.„ und eine Reihenschaltung eines Widerstandes R₃ und / Dioden D_d, bis ungeteilt wird. Hierbei kann die Anzahl η und /der Dioden und die Widerstandswerte der Widerstände /?j und Ra Null sein.

Wenn die Eingangsspannung Es durch den obigen Schaltungsaufbau erhalten wird, wird angenommen, daß die 40 vorgewählte Temperatur T₀ ist, die Anschlußspannung über dem Widerstand R₃ V₃₀ ist, diejenige über dem Widerstand Ra V40 ist, und die Änderung pro Grad der Versorgungsspannung + E JE ist. Damit erhalt man die folgende Gleichung (17):

45 ^ ^VBE

Hierbei wird der folgende Faktor (18) in der Gleichung (1) anstelle von ^substituiert:

^30 + ^40

Damit ergibt sich die folgende Gleichung (19):

(19)

^K₁₀JSK₂₀₊

'30 ⁺ "40

Wenn die Kreiskonstanten so gewählt werden, daß sie die obige Gleichung (19) nahezu erfüllen, wird der gewünschte Zweck erreicht
In diesem Fall erhält man bei der vorgewählten Temperatur To die folgende Gleichung (20a):

60 V₃o₊/Vo=V,o-rV₂o₊^₊m₊/;Vo (20a)

so daß sich die nächste Gleichung (20) ergibt:

-V₁₀- V₂₀₊ V_x+IVo-(k+m + I)Vn=Q (20)

Wenn angenommen wird, daß bei der vorgewählten Temperatur T₀ der Widerstandswert des Widerstandes Rjn und der durch den Widerstand R₁ fließende Strom l_m ist, wird die Spannung V₃₀ wie folgt ausgedrückt:

V_x=R₃₀-Ι_Μ (21)

Weite: hin unter der Annahme, daß bei der vorgewählten Temperatur T_n die Versorgungsspannung Eo ist, der Widerstandswert des Widerstandes R, Rw ist, der Strom /₂₀ der durch die Basis des Transistors 11 fließt, vernachlässigt wird, und der Gleichstrom Im durch beide Widerstände Rt und Rn flicßl, kann der Strom I₃₀ wie folgt ausgedrückt weiden:

. _ E₀-(n + t) V₀

Wenn die Gleichung (22) in der Gleichung (21) und dann in der Gleichung (20) substituiert wird, erhält man die folgende Gleichung (23):

+ Λιο njo + /V4o

(23) 15

Wenn der Gleichstrom durch die Widerstände R₃ und /?₄ fließt, wie oben beschrieben wurde, ergibt sich die folgende Gleichung (24):

Wenn die Anschlußspannung über dem Widerstand R₃ bei der beliebigen Temperatur T= To+/ST V₃ ist, erhält man die folgende Gleichung (25a):

V₇ +(k + m + l)V_m; (25a)

Demgemäß ergibt sich die nächste Gleichung (25):

30

- V₁-V₂+ V₃ + /V_Sfc-('it + m+/;V_fl/_: = 0 (25)

Wenn der Strom, der durch den Widerstand Rt bei der beliebigen Temperatur T= To+ Tzu I₃ angenommen wird, erhält man die folgende Gleichung (26):

35 V₃-R₃-I₁ (26)

Wenn außerdem dabei angenommen wird, daß der Strom /₂, der in die Basis des Transistors 11 fließt, vernachlässigt wird, sowie der Gleichstrom durch die Widerstände R₃ und Rt fließt, *cann der Strom /3 wie folgt ausgedrückt werden:

j _ E-(n + l)V_BE ³ R₃+R₄ ^{ll)

Wenn daher die Gleichung (27) in die Gleichung (26) und dann in die Gleichung (25) substituiert wird, erhält man die folgende Gleichung (28):

ΤΓ¹^

^{KlK2 +} ^"^ΐΤΓ¹^

K₃ + Λ4 Λ3 + /C4

50

Um den Vorspannungsgleichstrom Λ selbst bei der beliebigen Temperatur T= T₀+dT konstant zu machen, genügt es, daß bei der Gleichung (28) die Spannungen V\ und V₂ durch die Gleichung (6) und damit (8) und (11) erhalten werden.

Damit erhält man die folgenden Ausdrücke (29) bis (31):

55 A3 = «30(7+ Kr -AT) (29)

A₄=R₄₁(I+ K_r- AT) (30)

E=E₀+AE AT (31)

und Vbe ist durch die Gleichung (13) gegeben; wenn die Gleichungen (8), (11), (29) bis (31) und (13) in die Gleichung (28) substituiert werden, erhält man die nächste Gleichung (32): -K₁₀ (I+K_R AT)-V_x {1 + {K_R-K„) A T]

AT)-n(V₀+AV_BE-AT)}

/ (K₀ +A V_BE ■ A T) - (k+m + 1) (V₀ +AV₈E-AT) = O. (32)

Wenn die Gleichung (23) in die Gleichung (32) substituiert wird, erhält man die nächste Gleichung (33):

{AE-nAV_BE) ₊ I AV_BE~ {k + m + I) A V_BE = 0.

Ä v— — ·· — ■ BCJ · _D .η ·-"■"«£ v· ■"···/■" ^rBE

30 +-«MO «30 +·**« g5

(33) i

Wenn die Gleichung ( 33) durch Vbe und die Gleichung (24) darin substituiert wird, erhält man die nächste gj Gleichung (34): f|

ίο ti

κ -κ \av ~ⁿ

iV ~ *^v Tv '20 "· Ϊ7—T^r (fc+iW+O =0 . {34) ®

Wenn daher «,/und / in den Gleichungen (34) wie kn Falle der Gleichungen (2) und (17) verwendet werden, ΰ

können sie wie bei der Gleichung (19) ausgedrückt werden.

Wie sich aus dem Vorangegangenen ergibt kann, wenn die Eingangsspannung Eb von dem in F i g. 5 gezeigten ■ ' Kreis erzeugt wird und die Kreiskonstanten so gewählt werden, daß sie die Gleichung (19) im wesentlichen ;J:

erfüllen, der Gleichspannungsvorstrom /ι unabhängig von der Umgebungsstemperaturänderung stets konstant

gemacht werden. ^t

Basierend auf dem in F i g. 5 gezeigten Kreis werden nun verschiedene praktische Ausführungsformen be- -^; i

trachtet F i g. 6 zeigt eines solcher Beispiele, bei dem der Vorspannungskreis für den Transistor 11 nur aus den ■.;

Widerständen Ri bis R₄ besteht Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem nur die Diode Da\ in Reihe zu dem Widerstand Rj des Vorspannungskreises in F i g. 6 geschaltet ist F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsforrn, bei

der nur die Diode D₁-I in Reihe zu dem Widerstand R₄ des Vorspannungskreises in F i g. 6 geschaltet ist. F i g. 9 ί

zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem nur die Diode D₁ 1 in Reihe zu dem Widerstand Ri des Vorspannungskreises '

in Fig.6 geschaltet ist und Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die Diode D&i mit der Basis des , ι Transistors 11 verbunden ist Es ist also möglich, daß mehrere Dioden D₁ \, D₁2, D_c\ und Dd\ wie in Fig. 11 geschaltet werden. In jedem Fall ist es notwendig, daß die Kreiskonstanten der obigen Kreise so gewählt werden, daß sie die Gleichung (19) erfüllen.

Bei der obigen Erläuterung ist zu beachten, daß die Gleichung (19) ein besonderer Fall der Gleichung (1) ist und damit erstere Gleichung in letzterer enthalten ist Dies bedeutet daß einige andere Gleichungen von der Gleichung (1) abgeleitet werden können, wenn bestimmte besondere Bedingungen gegeben sind.

Wenn solch eine Bedingung darin besteht daß die Eingangsspannung Eb in Fig.4 unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung konstant gehalten wird, werden die Kreiskonstanten so gewählt, daß sie die folgende Gleichung (35) nahezu erfüllen, um den in F i g. 4 gezeigten Kreis bezüglich der Umgebungstemperatur stabil zu machen: -

aV_lo-0V_x-(k₊W₊I)=O (35)

Wenn im einzelnen die Eingangsspannung En durch einen Konstantspannungskreis 12 in der Vorstufe erzeugt wird, wie F i g. 12 zeigt da AEb-Q in der Gleichung (2) beibehalten wird, wird γ Null. Wenn daher die Kreiskonstanten so gewählt werden, daß sie die Gleichung (35) im wesentlichen erfüllen, was das gleiche wie im Falle y= 0 *5 in Gleichung (1) ist, werden die Vorspannungsgleichströmc Λ und Ic unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung stets Null. Dagegen ist im Falle, daß die Eingangsspannung Eb von dem in F i g. 5 gezeigten Kreis erhalten wird, selbst wenn die Versorgungsspannung £ von der Umgebungstemperatur abhängt die Gleichung (18) entsprechend y\n Gleichung (1) Null. Wenn daher die folgende Gleichung (36) erfüllt wird:

so [/-D)V_x+IVt₀-O (36)

wird die Eingangsspannung Eb unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung konstant. Wenn daher unter dieser Bedingung die Gleichung (35) erfüllt wird, werden die Vorspannungsgleichströme l\ und I₁ unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung konstant gemacht.

Wie F i g. 13 zeigt ist unter der Annahme der Bedingung, daß die Eingangsspannung £_B von der Versorgungsspannung + £ über die Reihenschaltung des Widerstandes R₄ und π Dioden D₁-I bis Dm zugeführt wird, der durch ι den Widerstand R₄ fließende Strom unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant. Wenn hierbei die Anschlußspannung über dem Widerstand R₄ bei der vorgewählten Temperatur To V₄₀ und in der Gleichung (1) anstelle von V₁₀ (Vu,+ V₄₀) verwendet wird. /, das durch die Gleichung (17) erhalten wird, anstelle von y

no verwendet wird, und (n ₊ k + /»+1) anstelle von (k + m*1) verwendet wird, erhäh man die folgende Gleichung (37):

ö5 Wenn daher die Krciskonsianten so gewählt werden, daß sie die Gleichung (37) erfüllen, erhält man die gegebene Bedingung.

Hierbei erhält man bei der Temperatur T_n die nächste Gleichung (38a):

E₀= V₁₀₊ V_x+ V_w+(n+k+m+l)V₀ (38a)

Damit erhält man die nächste Gleichung (38):

-(Vw+V^-Vn+Eo-in+k+m+l^O (38)

Bei der beliebigen Temperatur T= 7ö+i4Terhält man die folgende Gleichung (39a):

E= V, + V₂+ V*+(n+k+m-r I)V₈H=O (39a)

Damit erhält man die nächste Gleichung (39):

-(Vi+V*)-V₂+E-(n+k+m+l)V_BE=0 (39)

Da hierbei der Strom /4, der durch den Widerstand R* fließt, stets konstant ist, kann die Spannung V« wie folgt ausgedrückt werden:

V₄ = Ra I<

= Κ«,-Hl+Kr AT)

= V₁₀(I+ K_R AT) (40)

Um den Vorspannungsgleichstrom Λ bei der beliebigen Temperatur T= Ta+ATkonstant zu machen, genügt es, daß in der Gleichung (39) V₁ und V₂ durch die Gleichung (6) und damit (8) und (11) erhalten werden. Wenn daher die Gleichungen (8), (11), (13), (31) und (40) in die Gleichung (39) substituiert werden, erhält man die nächste Gleichung (41):

V«>)(1+Kr ■ AT)- V₇^l+(Kr-KtI)AT) +(Eo+AE- AT)-(n+k+m+I)(V₀+AVbh- AT)=O (41)

Wenn dann die Gleichung (38) in die Gleichung (41) substituiert wird, erhält man die nächste Gleichung (42):

-AVV₁₀+ Vw)-(Kr-Kh) Vjo+AE-(n+k+m+l)AVBt=O (42)

Somit erhält man die folgende Gleichung (43) durch Teilung der Gleichung (42) durch V_Bc.

^r ^v*>⁺inr - ο·+*+»+ο - ο. (43)

Δ V se Δ VgE

Wenn man daher λ./?und / in der Gleichung (43) wie im Falle der Gleichungen (2) und (17) verwendet, erhält man die Gleichung (37).

Wenn bei dem in Fi g. 13 gezeigten Kreis der Strom U. der durch den Widerstand R₄ fließt, durch Wahl der Kreiskonstanten konstant ist, um die Gleichung (37) im wesentlichen zu erfüllen, kann der Gleichspannungsvorstrom /ι konstant gemacht werden.

Um den Strom U, der durch den Widerstand R* in dem Kreis der F i g. 13 fließt, konstant zu machen, sind zwei Verfahren möglich. Das erste Verfahren besteht darin, daß, wie F i g. 14 zeigt, ein Transistor 13 in die Vorstufe des Kreises geschaltet wird, die Eingangsspannung En als die Kollektorspannung des Transistors 13 abgenommen wird, und ein Stromsteuerkreis 14 mit der Basis des Transistors 13 verbunden wird, um den Kollektorstrom des Transistors 13 konstant zu machen. Das zweite Verfahren besteht darin, daß, wie F i g. 5 zeigt, im Falle der Einschaltung des Widerstandes R₃ und / Dioden Dj \ bis D_di in den zur Erde liegenden Teil des Kreis-, wenn der Strom h, der in die Basis des Transistors 11 fließt, vernachlässigt wird und damit die Ströme /j und U, die durch so die Widerstände Rj und Ra fließen, als gleich angenommen werdtn, es notwendig ist, die Ströme unabhängig von der Temperatur konstant zu machen.

Das zweite Verfahren wird nun im einzelnen beschrieben. Wenn Ii=U = I, kann der Strom / ähnlich der Gleichung (27) wie folgt ausgedrückt werder,:

Wenn die Gleichungen (29) bis (31) und (13) in die Gleichung (44) substituiert werden, kann / wie folgt ausgedrückt werden:

_f _ (Ep+AE ■ AT) - (n + l) (V₀+AV_BE ■ AT) (Ä3o +Ä«o) (/+*« A T)

I AF-(n + n AV 1

V⁺ '^AT\U-^K*^AT)

E₀- («+/) V₀ V₁₊ J AE-Qi+t)AV_aE __κ\ _Τ1 ₍₄₅₎

Wenn daher das folgende Glied (46a) Null ist:

AE-{n+I)AV_BE _r _ AE- (w+/) A V_iE-K_K (K₃₀+ Κ« _(46a)

/) K₀ * K + K

to oder die folgende Gleichung (46) erfüllt ist:

V_w)+/IE-(n+1)JVbe=0 (46)

wird der Strom /konstant.

Wenn die Gleichung (46) durch AVeb geteilt wird, erhält man die nächste Gleichung (47a) und damit die Gleichung (47):

V»E A ^yBE

a (K₃₀ + K₄₀) + / - (n+0 = Ö. (47)

Wenn daher in letzterem Fall die Kreiskonstanten so gewählt werden, daß sie die Gleichungen (47) und (37) erfüllen, wird der Gleichspannungsvorstrom Λ konstant.

Wenn hierbei (*+m+/j=/und A₂=O bzw. V₂₀=O wie im Fall der F i g. 15 bzw. 16, wird Vi₀= V_x erfüllt Daher stimmt die Gleichung (47) mit der Gleichung (37) überein, so daß es hierbei ae.ffeicht, die Kreiskonstanten so zu wählen, daß sie die Gleichung (37) oder (47) erfüllen.

Bei den in den Fig.4 und 5 und 7 bis 16 gezeigten Kreisen werden mehrere Dioden verwendet, und in der Praxis werden die Dioden aus Transistoren gebildet, deren Basen und Kollektoren direkt verbunden sind, es kann jedoch, möglich sein. Transistoren, deren Basen und Kollektoren durch Widerstände verbunden sind, anstelle von Dioden zu verwenden, wie später beschrieben wird.

F i g. 17 zeigt einen Kreis, bei dem ein Transistor, dessen Basis und Kollektor über einen Widerstand verbunden sind, anstelle der Diodfr in dsm Kreis der F i g. 4 verwendet ist.

Bei dem Kreis der Fig. 17 ist der Emitter des Transistors 11 mit dem Bezugsspannungsanschluß wie dem Erdanschluß über m Transistoren T_n,, bis T_mm deren Basen und Kollektoren über Widerstände R_n,, bis R_111n, verbunden sind, und den Widerstand R\ verbunden. Die Basis des Transistors 11 erhält die Eingangsspannung Er über den Widerstand /?₂ und über k Transistoren T_k \ bis 7"**, deren Basen und Kollektoren über Widerstände R_k ι bis Ru verbunden sind.

Wenn die Kreiskonstanten des in F i g. 17 gezeigten Kreises so gewählt werden, daß sie die nächste Gleichung (48) im wesentlichen erfüllen:

aV_t0-fi(V_M+V_mO)-oVi,_B+y-(k+m+lh0 (⁴⁸)

wird der Kreis der Fig. 17 für die Umgebungstemperatur stabil, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird. In der Gleichung (48) wird rf wie folgt ausgedrückt:

6 - ^kk~^2Kh (49)

A Vbe

V_m0 ist die Gesamtspannung der Anschlußspannungen über den jeweiligen Widerständen R_n, ι bis R_mm, die mit

den Transistoren T_n, ι bis T_mn, verbunden sind, die wiederum mit dem Emitter des Transistors 11 bei der

vorgewählten Temperatur T₀ verbunden sind, und V_i0 ist die Gesamtspannung der Anschlußspannungen über

den jeweiligen Widerständen R_k ι bis Rkk, die mit den Transistoren Ti ι bis T_kk verbunden sind, die wiederum mit

der Basis des Transistors 11 bei der vorgewählten Temperatur To verbunden sind.

Hierbei kann es möglich sein, daß die Anzahl m und Ar der Transistoren und die Widerstandswerte der Widerstände R] und R₂ Null ist.

Die Gleichung (48) wird wie folgt abgeleitet: In dem Kreis der Fig. 17 erhält man die folgende Gleichung (50) bei der vorgewählten Temperatur T₀:
60

Ego- V₁₀- V₂₀- V_m„- V_ko-( (⁵⁰>

Wenn angenommen wird, daß bei der vorgewählten Temperatur T₀ der Gesamtwiderstandswert der Widerstandswerte der Widerstände R_n, \ bis /?„„„ Λ,,,ο ist, derjenige der Widerstände R_k ι bis R_kk Rko ist, der durch die Widerstände R_n, ι bis R„„_n fließende Strom /,„„ ist, und der durch die Widerstände R_k ι bis R_kk fließende Strom h ο ist, wird der Strom/,„η und/*o wie folgt ausgedrückt:

/-0--J-. 4o--fe. (51)

«ο «ο*

Daher werden die Spannungen V_mOund V_k0 wie folgt ausgedrückt:

Wenn bei der beliebigen Temperatur T= To+^iTangenommen wird, daß die Gesamtanschlußspannung über den Widerständen R_n, ι bis R_mm V_n, und die Gesamtanschiußspannung über den Widerständen R_t ι bis /?« V_k ist, erhält man die folgende Gleichung(54):

Eb-V₁- V₂- Vm- Vt- (k+m+l)V_BF_=Q (54)

Um den Vorspannungsgleichstrom U selbst bei der beliebigen Temperatur T= Tq+ΔΤ konstant zu machen, sind die Spannungen V\ und V₂ in der Gleichung (54) durch die Gleichung (6) und damit durch die Gleichungen (8) und (11) gegeben. Wenn außerdem bei der beliebigen Temperatur T= T₀+ATder durch die Widerstände R_m ι bis Rmm fließende Strom zu l_m und der durch die Widerstände Rt ι bis R_kk fließende Strom zu /* angenommen wird, können sie wie folgt ausgedrückt werden:

"FE "FE

Wenn daher bei der beliebigen Temperatur T= T₀+zfTder Geuamtwiderstandswert der Widerstände R_m 1 bis Rmm zu Rm und derjenige der Widerstände Rk 1 bis /?« zu R_k angenommen wird, genügt es, daß die Spannungen V_m und Vt wie folgt ausgedrückt werden:

V.-Rm'lm-Rm-l*-, (56) *

"FE

V_k= RkIt=R* A-. (57)

Da der Widerstandswert R_m wie folgt ausgedrückt wird:

Rm = RmO(I+ Kr ■ ΔΤ) (58)

und der Faktor Aredurch die G leichung (10) gegeben ist, wird lie Spannung V_n, wie folgt ausgedrückt:

ν -Ä h.

^m0 A

A₀ l+K„-AT

= V_m0{l+(K_R-K,i>AT). (59)

Da außerdem der Widerstandswert Rk durch

Kt = Rko(l+ Kr ■ ΔΤ) (60) so

ausgedrückt wird, wird die Spannung V_k wie folg» ausgedrückt: _{v D} Ζ,

^y-*

Da das Glied

11

^(61a) 55

näherungsweise ausgedrückt wird durch 1+KfjAT _β l+K_KAT

"

(I+K_RAT)(I-2K„AT)

AT)² I+2K„AT

- 1 + (Κ,-2Κ_Η)ΑΤ wird die nächste Gleichung (61) erhalten:

(61b)

(61)

Wenn daher die Gleichungen (8), (11) bis (13), (59) und (61) in die Gleichung (54) substituiert werden, erhält man die nächste Gleichung (62):

(E_ao +JE₀ ■ AT)- V_n(I+ K_K ■ AT)- VjJ(I+(Kk- -V_mJil+(K_K-K„}dT)-V_kf\l+(KH-2K„)dT\ - (k + m + I)(V₀ + A VfB ■ AT)=0

(62)

Wenn dann die Gleichung (50) in die Gleichung (62) substituiert wird, erhält man die nächste Gleichung (63):

V_mn)-(K_K-2K„)V_k0

-(k+m +I)AVbF=O (63)

Wenn die Gleichung (W) durch AV_R, geieiit und dann geordnet wird, erhält man. die nächste Gleichung (64):

Vbe

(64)

Wenn somit die Glieder α,β.γ\χχ\ά δ in den Gleichungen (64) wie im Falle der Gleichungen (2) und (49) erhalten werden, ergibt sich die Gleichung (48).

Dies bedeutet, daß, wenn die Kreiskonstanten so gewählt werden, daß sie im wesentlichen die Gleichung (48) erfüllen, der Vorspannungsgleichstrom / unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung stets konstant gemacht werden kann.

Als eine praktische Ausführungsform, die die Eingangsspannung Eh erzeugt, wird ein Kreis in Betracht gezogen, wie er in Fig. 18 gezeigt ist, bei dem die Versorgungsspannung + £ durch eine Reihenschaltung des Widerstandes Rt und η Transistoren T_n ι bis T_11n. deren Basen und Kollektoren über Widerstände R₁, ι bis R„„ verbunden sind, und eine Reihenschaltung des Widerstandes Rs und /Transistoren Tn bis Tn. deren Basen und Kollektoren über Widerstände Rn bis Rn verbunden sind, geteilt wird. Hierbei könnten die Anzahl π und /der Transistoren und die Widerstandswerte der Widerstände Ri und R* Null sein.

Wenn die Eingangsspannung £« von dem oben beschriebenen Kreis erzeugt wird und angenommen wird, daß die Anschlußspannungen über den Widerständen Ri bis R* bei der vorgewählten Temperatur To Vi₀, V20. Vy, und V40, die Gesamtspannungen def Widerstände R_m \ bis R_mm Ri ·, bis Ra. R- > bis R^ und Ri 1 bis Rn bei der vorgewählten Temperatur T₀ V_m0. V₄₀, V„_o und Vosind, und die Faktoren «,/£/ und cJwie in den Gleichungen (2), (17) und (49) bestimmt sind, erhält man die folgende Gleichung (65):

+K

₄₀

(65)

Wenn daher die Kreiskonstanten so gewählt werden, daß sie die obige Gleichung (65) im wesentlichen erfüllen, wird der gewünschte Zweck erreicht.

Wie oben beschrieben wurde, kann bei dem Kreis gemäß der Erfindung der Vorspannungsgleichstrom unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung stets konstant gemacht werden und damit kann ein so stabiler Verstärkungsvorgang durchgeführt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

12

Claims (5)

40 Patentansprüche:

1. Stabilisierter Verstärker, enthaltend einen Transistor (11) mit Basis, Emitter und Kollektor, ferner enthaltend m Dioden (Da\ bis Da_n.) sowie einen ersten Widerstand (R 1) zur Verbindung des Emitters des Transistors mit einem Bezugsspannungsanschluß, wobei m eine Zahl 0, t, 2,3... ist und der erste Widerstand einen Widerstandswert R ä 0 besitzt, weiterhin enthaltend k Dioden (Db\ bis D6*) und einen zweiten Widerstand (R 2) zur Verbindung der Basis des Transistors mit einem Eingangsspannungsanschluß (Eb), wobei k eine Zahl 0,1,2,3... ist und der zweite Widerstand einen Widerstandswert R δ 0 besitzt dadurch gekennzeichnet,
daß die Werte des Verstärkers so gewählt sind, daß sie die folgende Gleichung erfüllen:

wobei bedeuten:

V20 Kr Kh ΔEb

J TT

A Ea
^-AVbT'

Spannungsabfall avn ersten Widerstand (R 1) bei einer bestimmten vorgewählten Temperatur, Spannungsabfall am zweiten Widerstand (R 2) bei der vorgewählten Temperatur, Temperaturkoeffizient des ersten und zweiten Widerstands, Temperaturkoeffizient des Stromverstärkungsfaktors /?/7_:desTransistors in Emitterschaltung, Änderung der Eingangsspannung Eb pro Grad,

Änderung des Spannungsabfalis Vbe pro Grad an einem in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übergang.

2. Verstärker nach Anspruch ;, gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

a) es sind eine Reihenschaltung von / Dioden (Dj \ bis Dj/) und einem dritten Widerstand (Ri) sowie eine Reihenschaltung von η Dioden (D_c\ bis D₁₁₁) und einem vierten Widerstand (R*) vorgesehen, wobei /und η Zahlen 0,1,2,3... sind und die beiden Widesrstände (R_k R*) einen Widerstandswert R S besitzen;

b) die beiden Reihenschaltungen liegen in Serie zwischen einem Versorgungsspanungaitnschluß (E) und einem Bezugsspannungsanschluß, wobei der Verbindungspunkt der beiden Reihenschaltungen den Eingangsspannungsanschluß (En) bildet,

c) die Werte des Verstärkers sind so gewählt, «aß sie die folgende Gleichung erfüllen:

45

wobei bedeuten:
so AE

Vj₀ Spannungsabfall am dritten Widerstand (Rj) bei einer bestimmten vorgewählten Temperatur, Vio Spannungsabfall am vierten Widerstand (RJ bei einer bestimmten vorgewählten Temperatur, ΔΕ Änderung der Versorgungsspannung (E)pro Grad.

3. Verstärker nach Anspruch !,gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

bo a) es ist eine Reihenschaltung von η Dioden (D₁-1 bis D₁-,,) und einem Widerstand (Ri) vorgesehen, wobei η eine Zahl 0.1,2,3... ist und der Widerstand (R₄) einen Wideisiiindswcrt R > 0 besitzt.

b) es ist ferner «.-in Konstunlstromkrcis (I.J. 14) vorgesehen, der in Serie mil der Reihenschaltung der η Dioden (D₁- \ bis D,„) und des Widerstandes (Wi) zwischen einem Vcrsorgungsspanmingsanschluß (Ii)und einem Bc/.ugsspannungsanschluß angeordnet ist. wobei der Verbindungspunkt des Konstantstromkreises mit der Reihenschaltung den F.ingangsspannungsanschlul.) (l^:.n) bildet,

c) die Werte des Verstärkers sind so gewählt, daß sie die folgende Gleichung erfüllen:

-(n + k + w+ I)=O

fe wobei bedeuten:

H V₄₀ Spannungsabfall am Widerstand (Rt) bei einer bestimmten vorgewählten Temperatur,

|| AE Änderung der Versorgungsspannung Epro Grad

4. Vers:ärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstromkreis einen Transistor (13) und eine mit der Basis des Transistors verbundene Stromsteuereinrichtung (14) enthält.

5. Stabilisierter Verstärker, enthaltend einen Transistor (11) mit Basis, Emitter und Kollektor, ferner enthaltend m Transistoren (T_mi bis T_mm) sowie einen ersten Widerstand (R₁) zur Verbindung des Emitters des Transistors (11) mit einem Bezugsspannungsanschluß, wobei m eine Zahl 0, 1, 2, 3 ... ist und der erste Widerstand (R]) einen Widerstandswert (R ä 0) besitzt, wobei Basis und Kollektor der m Transistoren durch

£*; Widerstände (R_mi bis R_mm) verbunden sind und die Kollektor-Emitter-Strecken dieser m Transistoren mit

: ; dem ersten Widerstand (Rf) in Reihe geschaltet sind, ferner enthaltend k Transistoren (Tt 1 bis Tu) und einen

iff. zweiten Widerstand (R₂) zur Verbindung der Basis des Transistors (11) mit einem Eingangsspannungsan-

j ' schluß (Eb), wobei k eine Zahl 0,1,2,3... ist und der zweite Widerstand einen Widerstandswert (R äO) besitzt,

-,ι wobei Basis und Kollektor der k Transistoren durch Widerstände (Rt 1 bis Rtk) verbunden sind und die

sg Kollektor-Emitter-Strecken dieser ^Transistoren mit dem zweiten Widerstand (R₂) in Reiht geschaltet sind,

te dadurch gekennzeichnet, daß die Werte des Verstärkers so gewählt sind, daß sie die folgend?, Gleichung

§ erfüllen: