DE2513906A1

DE2513906A1 - Stromspiegelverstaerker

Info

Publication number: DE2513906A1
Application number: DE19752513906
Authority: DE
Inventors: Jonathan Samuel Radovsky
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-04-11
Filing date: 1975-03-27
Publication date: 1975-10-23
Also published as: GB1493721A; JPS50137456A; FR2267658A1; US3887879A; CA1029099A; DE2513906B2; FR2267658B1

Description

7784-75 Ks/Sö

U.S. Serial No: 459,952
Filed: April 11, 1974

ROA CORPORATION New York, N. Y., V. St.v. A.

StromspiegelTerstarker

Die Erfindung bezieht sich, auf Stromverstärker eines besonderen Typs, der gemeinhin mit "Stromspiegelverstärker" (engl. "current mirror amplifier") bezeichnet wird.

Solche Stromspiegelverstärker sind Verstärkerschaltungen mit drei Anschlüssen oder Klemmen, in denen einierster uid ein zweiter Transistor jeweils mit ihren Emitterelektroden an die "gemeinsame" Klemme angeschlossen sind, während der Kollektor des einen Transistors an die Eingangsklemme und der Kollektor des anderen Transistors an die Ausgangsklemme angeschlossen ist. Der erste Transistor ist mit einer Kollektor-Basis-Rückkopplung versehen, welche die Amplitude des Kollektorstroms dieses Transistors auf einen Wert regelt, der im wesentlichen gleich ist der Amplitude eines über die Eingangsklemme gelieferten oder gezogenen Stroms. Die Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors wird an den Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors gelegt, so daß dessen Kollektorstrom, der über die Ausgangsklemme geliefert oder gezogen wird, in proportionaler Weise vom Eingangsstrom (d.h. dem Kollektorstrom des ersten Transistors) abhängt, wobei der Proportionalitätsfaktor durch das Verhältnis der "Transkonduktanz" (Steilheit oder Gegenwirkleitwert) des zweiten Transistors zur Transkonduktanz des ersten Transistors bestimmt st.

— 2 —

3/0612

In einer monolithischen integrierten Schaltung sind die Transkonduktanzen von Transistoren mit gleichen Diffusionsprofilen proportional den Flächen ihrer Basis-Emitter-Übergänge, so daß sich die Stromverstärkung eines integrierten Stromspiegelverstarkers weitgehend durch die relativen geometrischen Größen seiner einzelnen Transistoren vorbestimmen läßt.

Die Genauigkeit dieser Vorbestimmung kann jedoch sehr stark durch die Transistor-Basis-Stromflüsse beeinflußt werden, wenn die Stromverstärkungen der Transistoren im Stromspiegelverstärker niedrig sind (z.B. geringer als 10). In diesem Pail kann die wegen der Rückkopplungsschaltung auftretende Zumischung von Transistorbasisströmen zum Kollektorstrom des ersten oder des zweiten Transistors die Stromverstärkung des Stromspiegelverstarkers in unerwünschter Weise beeinflussen, Dieses Problem macht sich besonders dann bemerkbar, wenn die Stromspiegelverstärker integrierte pnp-Transistorschaltungen in Lateralbauweise enthalten.

Man kann dieses Problem dadurch lösen, daß man für eine Stromverstärkung in der Kollektor-Basis-Rückkopplung sorgt, um die Menge des Stroms zu vermindern, die entweder vom Eingangsoder vom Ausgangsstrom des Stromspiegelverstarkers entnommen wird, um die bei der Stromspiegelurg verwendeten Basisstromflüsse zum ersten md zweiten Transistor zu unterstützen« Das Problem ist nun, einen Stromverstärker zu finden, der gleichstrommässig in die negative Rückkopplung eingefügt werden kann und gleichzeitig keine merkliche Erhöhung der am Eingang des Stromspiegelverstarkers benötigten Offsetspannung bewirkt. Außerdem muß der in der Rückkopplung verwendete Stromverstärker eine Verstärkung'skennlinie haben, die eine genügende Phasenreserve für die zusammen mit dem ersten Transistor gebildete Rückkopplungsschleife bildet, damit Zustände positiver Rückkopplung , die zur Selbsterregung führen können, im Stromspiegelverstärker vermieden v/erden. Es ist wünschenswat, daß der Stromverstärker einen Verstärkungsfaktor von mindestens 1 für solche Frequenzen hat-, die eindeutig niedriger

609843/0012'

sind als die Frequenzen, bei welchen die Vorwärtsstromverstärkungen in Emitterschaltung des ersten und des zweiten Transistors auf 1 fallen, und daß gleichzeitig der Verstärkungsfaktor des Stromverstärkers eine möglichst kleine Phasenverschiebung bringt,um die Phasenreserve aufrechtzuerhalten. Schließlich sollte der Stromverstärker keine große Fläche beanspruchen, wenn er innerhalb einer monolithischen integrierten Schaltung mit ausgebildet wird.

Die. vorliegende Erfindung wird realisiert bei einem Stromspiegelverstärker, bei welchem die Kollektor-Basis-Rückkopplung des ersten Transistors einen dritten Transistor aufweist und einen vierten Transistor des komplementären Leitungstyps enthält. Der dritte Transistor ist in Emitterschaltung angeordnet, wobei seine Basis mit der Eingangsklemme und sein Kollektor mit der Basis des vierten Transistors verbunden ist. Der vierte Transistor ist in Emitterschaltung angeordnet und sein Kollektor ist mit den zusammengekoppelten Basen des ersten und des zweiten Tranistors verbunden. Wegen der Verstärkung des den vierten Transistor enthaltenden Emitterverstärkers ist die Menge des Basisstroms, die zum Ziehen ausreichender Basisströme aus dem ersten und dem zweiten Transistor vom dritten Transistor her fließen muß, vernachlässigbar klein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromspiegelverstärkers, der - ein typischer Anwendungsfall für Stromspiegelverstärker - in einem aktiven Symmetrierglied für den Ausgang eines emittergekoppelten Transistorverstärkers verwendet wird}

Figur 2 ist das Schaltbild eines Stromspiegelverstärkers, der demjenigen nach Figur 1 ähnlich ist uid zur Ansteuerung einer nachgeschalteten Darlington-Verstärkerstufe verwendet wird;

5098^3/0612 ^

Figuren 3 und 4- zeigen Stromspiegelverstärker mit Stromver-

Stärkungen von -2 und - ^- , jeweils ii erfindungsgemäßer Ausführung;

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die einen Stromspiegelverstärker· mit mehreren Ausgängen darstellt;

Figur 6 veranschaulicht mittels zweier Schaltbilder das bekannte Äquivalent eines Doppelkollektor-Transistors mit einer Schaltung aus zwei Transistoren, deren Basen zusammengekoppelt sind und deren Emitter zusammengekoppelt sind.

Die Fig. 1 zeigt einen Differentialverstärker 10, bei dem die Kollektorlast für zwei emittergekoppelte Transistoren 11 und 12 durch einen Stromspiegelverstärker 20 gebildet wird. Aus nicht besonders dargestellten Quellen wird zwischen die Eingangsklemmen 14· und 15 des DifferentialVerstärkers 10 ein Eingangssignal gelegt, welches als eine Gleich- oder Vorspannung angesehen werden kann, deren Wert zwischen den Potentialen des positiven und negativen Pols einer Versorgungsquelle 13 liegt. Die Eingangsklemme 14- ist mit der Basis des Transistors 11, und die Eingangsklemme 15 mit der Basis des Transistors 12 verbunden. Die Kollektorströme der Transistoren 11 und 12 ändern sich im Gegentakt zueinander abhängig vom Eingangssignal. Im Ruhezustand, d.h. wenn das Eingangssignal vom Wert 0 ist und jede der Basiselektroden auf derselben Vorspannung liegt, dann sind die Kollektorruheströme der Transistoren 11 und 12 einander gleich, vorausgesetzt die Transkonduktanzkennlinien der Transistoren 11 und 12 sind einander angepaßt.

Der bei diesem Anwendungsfall eingesetzte Stromspiegelverstärker 20 muß, wenn er an seiner Eingangsklemme 21 einen bestimmten Strom zieht, einen gleich großen Strom an seiner Ausgangsklemme 22 liefern, d.h. seine Stromverstärkung muß -1 betragen. Diese Forderung ist besonders zwingend für die Gleichstromverstärkung des Verstärkers 20, da die gewünschte Reaktion auf

509843/0612 -5-

das Ziehen des Kollektorstroms des Transistors 11 von der Klemme 21 darin beetekt-y an der Klemme 22, einen Strom zu liefern, der gleich ist dem entsprechend großen, vom Transistor

12 verlangten Kollektorruhestrom. Entsprechend dem Kirchhoff sehen Gesetz fließt dann überhaupt kein Ruhestrom über die Ausgangsklemme 16 zur Ohmschen Last 17· Nach dem Ohmschen Gesetz fällt dann auch keine Ruhespannung ander Ohmschen Last 17 ab, und die Ausgangsklemme 16 wird stabil auf das Potential gespannt, welches am Verbindungspunkt zwischen dem positiven Pol der Spannungsquelle 13 und dem negativen Pol der Spannungsquelle 18 vorhanden ist· Für einen praktischen Anwendungsfall des DifferentialVerstärkers 10 bedeutet dies, daß die Ausgangsklemme 16 auf ein Potential vorgespannt werden kann, welches den Forderungen der dem Different!alverstärker 10 nachfolgenden Schaltungen entspricht, ohne daß diese Schaltungen eine vom Vorspannen des DifferaitialVerstärkers 10 übrig bleibenden Ruhestrom akzeptieren müssen.

Es ist auch erwünscht, daß der Stromspiegelverstärker 20 für SignalStromänderungen einen Verstärkungsfaktor von -1 hat. Dann führen nämlich Kollektorstromänderungen am Transistor 11 (die an die Eingangsklemme 21 übertragen werden) zu entsprechenden Änderungen des von der Klemme 22 des Verstärkers gelieferten Stroms, und diese Änderungen addieren sich aufbauend mit den Änderungen des Kollektorstroms eines Transistors an dar Klemme 22. Die Folge ist dann ein Stromfluß zur Ohmschen laßt 17· Anders ausgedrückt arbeitet der Stromspiegelverstärker 20 in diesem Fall als eine aktive symmetrierende Last für die emittergekoppelten Differentialverstärkertransistoren 11 und 12, welche die Gegentakt-KoTLektorstromänderungen des Verstärkers in einen Eintakt-Signalstrom an der Ausgangsklemme 16 umwandelt.

Der gemeinsame Anschluß 23 des Stromspiegelverstärkers 20 wird von den miteinander in Reihe geschalteten Spannungsquellen

13 und 18 auf eine Betriebsspannung gelegt. Der Transistor 24-

5098A3/061 2

liegt mit seinem Kollektor an der Eingangsklemme 21 des Stromspiegelverstärkers 20 und mit seinem Emitter an dem besagten gemeinsamen Anschluß 23. Die letztgenannte Verbindung geht im dargestellten Fall über einen Widerstand 25, sie kann Jedoch auch direkt erfolgen, wie es weiter unten noch erläutert wird. Die Spannung zwischen der Basis des Transistors 24 und dem gemeinsamen Anschluß 23 ist so reguliert, daß der Transistor 24- einen Kollektorstrom liefert, der im wesentlichen gleich dem vom Transistor 11 verlangten Kollektorstrom ist. Diese Regulierung erfolgt mittels einer Kollektor-Basis-Gegenkopplung am Transistor 2\ wie es nachstehend beschrieben wird.

Die regulierte Spannung zwischen der Basis des Transistors und dem gemeinsamen Anschluß 23 erscheint nicht nur zwischen den Enden der Serienschaltung aus dem Widerstand 25 uid dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 24- sondern auch zwischen den Enden der Serienschaltung, die durch den Widerstand 26und dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 27 gebildet ist. Hierdurch steht der über den Widerstaiä 26 und die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 27 fließende Strom in bestimmter Relation zu dem über dem Widerstand 25 und die Emitber-Kollektor-Strecke des Transistors 24- fließenden Strom. Diese Relation des Emitterstroms I-o₀r> des Transistors 27 zum Emitterstrom I-gpA. ^^es Transistors 24· hängt bekanntlich ab von der Transkonduktanz g_mo/i ^un<i B_mpn ä-^er Transistoren 24- und 27 und den Werten Rpj- und Rp,- der Widerstände 25 und 26, und zwar nach folgender Beziehung:

¹E	27	Jm	27 ⁺	Xt	1
¹E	24			F	26
g_m	24 ⁺	25

Die Proportionalität zwischen den Transkonduktanzen g 04. ^und g 27 läßt sich bei einer monolithischen integrierten Schaltung durch Proportionierung der effektiven Flächen der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 24 und 27 genau zu einander bemessen.

509843/0612

Die Proportionalität zwischen den Widerständen Rpc und Rpc. kann genau bemessen werden, indem man die Flächen der Diffusions- oder Implantationsbereiche, welche die Widerstände in einer monolithischen integrierten Schaltung bilden, im entsprechenden Verhältnis zueinander auslegt. Wenn statt der Widerstände 25 und 26 jeweils eine direkte Verbindung vorgesehen ist, dann sind die Widerstandswerte E^r und ~Rpß O, so daß folgende Beziehung gilt:

¹E 27 = ^sm 27

E 24 ^em 24

V/enn die Transistoren 24tnd 27 gleiche Stromverstärkung haben, dannverharten sich die Kollektorströme der Transistoren 27 und 24 zueinander wie I^ pn/ ί'ττ 24* ^Wenn ^^eT ⁱⁿ ^^{e K}°H^ektor-Basis-Rückkopplung 30 des Transistors 24 umgeleitete Strom vernachlässigbar ist, dann gibt dieses Verhältnis gleichzeitig auch die Stromverstärkung des Stromspiegelverstärkers 20 an.

Die in den beiden vorangegangenen Abschnitten angestellten Überlegungen für einen Stromspiegelverstärker sind allgemein bekannt. Der Stromspiegelverstärker 20 nach Fig. 1 unterscheidet sich jedoch vom Stand der Technik durch die Kollektor-Basis-Rückkopplung 30, die dazu dient, das Basispotential des Transistors 24 relativ zum Potential des gemeinsamen Anschlusses 23 zu stabilisieren . Beim bisherigen Stand der Technik bestand die Rückkopplung aus einer Gleichstromverbindung oder einfach einem Emitterfolger. Jede dieser beiden Alternativen führt zu einer zu kleinen Stromverstärkung, insbesondere wenn die Transistoren 24 und 27 selbst eine niedrige Vorwärts-Stromverstärkung in Emitterschaltung (d.h. einen niedrigen sogenannten h~ -Parameter) haben. Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Kollektor-Basis-Rückkopplung 30 aus einer Kaskadenschaltung zweier Verstärkertransistoren 31 und 32 jeweils in Emitterschaltung, die von entgegengesetztem und komplementärem Leitungstyp sind.

509843/0612 - 8 -

Jeder der beiden als Emitterverstarker angeordneten Transistoren 31 und 32 bringt eine invertierende (d.h. negative) Stromverstärkung, so daß der vom ersten Emitterverstarker der Kaskadenschaltung gezogene kleine Basisstrom einen hohen nichtinvertierten Kollektorstrom am Transistor 32 hervorruft. Nun wird vom Transistor 24 ein bestimmter Kollärborstrom dazu benötigt, um dsn Strom von der Eingangsklemme 21 zu ziehen. Um diesen Kollektorstrom fließen lassen zu können, muß aus der Basis des Transistors 24 ein Basisstrom gezogen werden, der vom h_f -Parameter dieses Transistors abhängt. Dieser Basisstrom ist ein Teil des durch die Rückkopplung 30 gezogenen AusgangsStroms.Der Rest dieses Ausgangsstrom setzt sich zusammen aus dem Basis-Strom des Transistors 27 und dem durch einen Kollektorwiderstand 33 fließenden Strom. Je höher die Stromverstärkung der Kollektor-Basis-Rückkopplung 30 ist, desto weniger beeinflußt der Eingangsstrom dieser Rückkopplung den Stromfluß über die Klemme 21, so daß der Kollektorstrom des Transistors 24 praktisch den gesamten von der Klemme 21 benötigten Strom liefert.

Bei monolithischen integrierten Schaltungen kommt es häufig vor, daß für einen Transistor eines bestimmten Leitungstyps der h_f -Parameter, d.h. die Vorwärts-StromverStärkung in Emitterschaltung, ziemlich niedrig ist. So sind z.B. die h„ -Parameter von Transistoren mit lateralen pnp-Strukturen in einerintegrierten Schaltung mit p-Substrat notorisch klein. Gleichzeitig kann der h~ -Parameter eines Transistors des anderen Leitungstyps relativ hoch sein, und, um beim vorstehenden Beispiel zu bleiben, ist dies auch beiöransistoren mit vertikalen npn-Strukturen bei integrierten Schaltungen mit p-Substrat allgemein der Fall. Wenn man nun wie im vorliegenden EaIl in der Rückkopplung 30 eine Kaskadenschaltung aus Emitterverstärkern verwendet, welche Transistoren 3I und 32 entgegengesetzten und komplementären Leitungstyps enthält, dann kann ein zu kleiner h^-Parameter beim Transistor des einen Leitungstyps durch einen höheren h_f -Parameter beim Transistor

50 9 8 43/0812 ~⁹~

des anderen Leitungstyps ausgeglichen werden. In jedem Fall ist die Gesamt-StromverStärkung der Kaskade das Produkt der h_f -Parameter der Transistoren 31 und 32. Falls die h« -Parameter beide über eins liegen, ist die Stromverstärkung der aus den Transistoren 31 und 32 gebildeten Kaskade größer als die Stromverstärkung jedes einzelnen der beiden Emitterverstärker für sich.

Die Schaltung nach Figur 1 zeigt gewisse Verfeinerungen dieses Grundgedankens, in der Rückkopplung 30 eine Emitterverstärker-Kaskade aus Transistoren komplementären Leitungstyps zu verwenden. Der Emitterverstärker-Transistoren 31 kann emitterseitig einfach über eine Gleichstromverbindung oder über einen Widerstand oder über eine eine Offsetspannung erzeugende Einrichtung an die gemeinsame Klemme 23 angeschlossen sein, in der Ausführungsform nach Fig. 1 ist er jedoch in Bootstrapschaltung mit der Kollektorlast des Transistors 32 (d.h. den Basis-Eingangs-Impedanzen dsx Transistoren 24 und 27 und dem Widerstand 33) verbunden. Diese Verbindung ist nicht deswegen vorgesehen, um die mit einer Bootstrapschaltung üblicherweise angestrebten Vorteile (etwa eine Verminderung des Eingangsstroms zum Transistor 31) zu erreichen, denn im vorliegenden Fall würde die gesamte Gegenkopplung des Transistors 24 und die Kollektor-Basis-Rückkopplung 30 diesen Vorteil verhindern oder unnötig machen, falls man ihn suchte. Der zu gewinnende Vorteil wird bemerkbar, wenn man einen Kondensator 34 dazu verwendet, die Verstärkung der kaskadengeschalteten Emitterverstärker (d.h. des m.t den Transistoren 31 und 32 gebildeten Verstärkers) bei hohen Frequenzen zu vermindern, um so die Phasenreserve der aus dem Transistor 24 und den kaskadengeschalteten Emitterverstärker-Transistoren 31 und bestehenden Rückkopplungsschleife zu erhöhen. Eine größere Phasenreserve ist deswegen erwünscht, weil damit bekanntlich die Stabilität der Schleife gegenüber ungewollten Eigenschwingungen sehr viel besser wird.

Für den Kondensator 3^ wird gewöhnlich eine Kapazität von nur wenigen Picofarad benötigt, so daß sie mittels einer der

509843/0612

— 1 \J """

bekannten Methoden mit integriert werden kann. Beispielsweise läßt sich hierzu die Kapazität eines in Sperrichtung gespannten Halbleiterübergangs ausnutzen.

Wenn man den Kondensator 34 in der ±i Pig. 1 gezeigten Weise verwendet, dann werden relativ hochfrequente Änderungen des aus der Klemme 21 gezogenen Stroms nicht über die durch beide Transistoren 31 und 32 gebildete Emiterverstärker-Kaskade auf die Basis des Ausgangstransistors 27 gekoppelt. Die besagten hochfrequenten Änderungen können jedoch von der Klemme 21 durch Emitterfolgerwirkung des Transistors 31 auf die Basis des Transistors 27 gelangen. Dasheißt, bei diesen relativ hohen Frequenzen bildet der Kondensator 34- eine niederohmige Kollektorlast für den Transistor 31 und überbrückt gleichzeitig die Basissteuerstrecke des Transistors 32, die für die Bootstrap -Wirkung erforderlich ist. Dies führt gemeinsam dazu, daß der Transistor 31 für die besagten relativ hohen Frequenzen einen Verstärker in Kollektorschaltung bildet. Der Widerstand 33 wirkt als Hochzieheinrichtung ("pull-up"), er stellt einen Entladeweg für die Streukapazität am Emitter des Transistors 31 während positiv gerichteter Ausschläge des Emitterpotentials dieses Transistors dar. Die Ansprechempfindlichkeit gegenüber dem an der Klemme 21 angelegten Signalstrom reicht über eine weitere Bandbreite als gegenüber dem Strom, der über die Rückkopplung 30 am Verbindungspunkt zwischen den Basen der Transistoren 24 und 27 zur Verfügung steht.

Ob die Kollektor-Basis-Rückkopplung des Transistors 24 mittels der Emitterverstärkerwirkung der Transistoren 31 und 32 oder mittels der Emitterfolgerwirkung des Transistors 31 zustandekommt, in beiden Fällen wird die Spannung zwischen der gemeinsamen Klemme 23 und dem Verbindungspunkt der Basen der Transistoren 24 und 27 so reguliert, daß der Transistor 24 zur Abgabe eines Kollektorstroms veranlaßt wird, der zusammen mit dem Basisstrom des Transistors 31 gleich ist dem über die Eingangsklemme 21 gezogenen Strom. Die an der Basis des Transistors 27 liegende Spannung bewirkt auch, daß dieser Transistor einen

5 0 9 β 4 3 / 0 6 1 2 _ _ΛΛ

Kollektorstrom an die Ausgangsklemme 22 liefert, der demjenigen des Transistors 24- entspricht. Der Stromverstärkungsfaktor des Stromspiegelverstärkers 20 ist im wesentlichen konstant über die Frequenzbereiche jeder der beiden verschiedenen Betriebsarten und auch im dazwischenliegenden Frequenzbereich, wo sich die beiden Betriebsarten überschneiden.

Die Gleichstromverstärkung (und die Stromverstärkung bei relativ niedrigen Frequenzen) läßt sich noch unabhängiger von den Basisströmen der Transistoren 24 und 2? machen, indem man für den Transistor J2 eine Transistorkombination mit sehr hoher Stromverstärkung (über 1000) verwendet. Beispielsweise kann man statt eines einfachen npn-Transistors eine Darlingtonschaltung aus kaskadengeschalteten npn-Transistoren verwenden. Das in den Patentansprüchen verwendete Wort "Transistor" soll auch eine Transistorkombination umfassen. Wenn ein Stromspiegelverstärker als aktive symmetrierende Last für die Kollektoren eines emittergekoppelten Transistorverstärkers verwendet werden soll, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, dann ist es meist wichtiger, mit dem Ausgangsstrom ein exaktes Abbild der Gleichstromkomponente des Eingangsstrom zu geben, als ein exaktes Abbild des Wechselstrom-Eingangssignals zu erhalten. Stromspiegelverstärker, die wie der Verstärker 20 ausgebildet sind, können eine solche Forderung erfüllen.

Die Verwendung zweier kaskadengeschalteter Emitterverstärker in der Rückkopplung 30 zur Erzielung einer hohen Stromverstärkung hat gegenüber der Verwendung eines anderen hochverstärkenden Stromverstärkers (etwa einer Kaskade aus Kollektorverstärkern) den Vorteil, daß hierbei keine wesentliche Erhöhung der Gleich - oder Ruhespannung zwischen der Eingogsklemme 21 und der gemeinsamen Klemme 23 erforderlich ist, um eine bessere Stromspiegelwirkung zu erzielen.

In der Schaltung nach Fig. 1 muß diese Gleichspannung lediglich gleich seincbr Summe der Basis-Emitter-Offsetspannungen

- 12 509843/0612

der Transistoren 24· und 31 plus dem Spannungsabfall am Widerstand 25. Der Spannungsabfall am Widerstand 25 ist gewöhnlich kleiner als 0,5 Volt und kann ganz eliminiert werden, indem man den Widerstand 25 durch eine Direktverbindung (mit einem Widerstandswert von im wesentlichen 0) ersetzt. Wie bereits oben erwähnt wurde, kann der Emitter des Transistors 31 auch direkt mit der gemeinsamen Klemme 23 verbunden sein, was allerdings zu einer gewissen Einbuße an der Stromspiegelverstarkung hoher Frequenzen führt. Diese alternative Verbindungsart erlaubt es, die Ruhespannung zwischen den Klemmen 21 und 23 auf einen Wert zu vermindern, der gerade groß genug ist, um den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 31 in Durchlaßrichtung vorgespannt zu halten.

Zur Aufrechterhaltung der Stromspiegelverstarkung fet zwischen der Klemme 23 und dem Emitter des Transistors 32 eine Ruhespannung erforderlich, die in gute Näherung nur um die Sättigungsspannung des Transistors 32 größer zusein braucht als die Ruhespannung, die zur Aufrechterhaltung der Stromspiegelverstarkung zwischen den Klemmen 21 und 23 erforderlich ist. Wenn der Transistor 32 eine Transistorkombination in Form einer Darlingtonschaltung einfacher Transistoren ist, dann muß zur Aufrechterhaltung der Stromspiegelverstarkung zwar die Spannung zwischen dem Emitter des Transistors 32 und der gemeinsamen Klemme 23 etwas höher sein, nicht aber die Spannung zwischen den Klemmen 21 und 23.

In dieser Hinsicht ist der durch die Kaskadenschaltung 30 gebildete Stromverstärker einem Stromverstärker aus mehreren kaskadengeschalteten pnp-Transistoren in Kollektorschaltung überlegen. Zum einen hat die Kaskadenschaltung aus den Transistoren 31 und 32 komplementären Leitungstyps einen besseren Phasengang als eine Kaskade aus pnp-Transistoren, weil npn-Vertikaltransistoren eine größere Bandbreite als pnp-Lateraltransistoren haben. Zum anderen nimmt eine Darlingtonschaltung aus einfachen Transistoren zur Bildung des Transistors 32 in einer integrierten Schaltung weit weniger Platz ein als eine

509843/0612 - 13 -

Kaskadenschaltung aus pnp-Transistoren in Kollektorschaltung. Dies liegt teilweise daran, daß ein npn-Vertikaltransistor auf einem integrierten Schaltungsplattchen weniger Platz beansprucht als ein pnp-Lateraltransistor. Da ferner ein npn-Vertikaltransistor eine höhere Stromverstärkung in Emitterschaltung hat als ein pnp-Lateraltransistor, benötigt man zur Erzielung eines gewünschten Stromverstärkungsmaßes weniger npn-Transistoren als pnp-Transistoren. Außerdem bringt es die geringere Anzahl der zur Erzielung einer bestimmten Stromverstärkung notwendigen npn-Transistoren mit sich, daß der Stromverstärker mit geringeren ■Versorgungsspannungen betieben werden kann und daß die Phasenverschiebung über den Stromverstärker kleiner ist.

Wie oben erwähnt, können die Emitter der Transistoren 24-ind 27 statt über Widerstände 25 nid 26 auch direkt mit der gemeinsamen Klemme 23 verbunden sein. In diesem Fall kann der "pull-up"· Widerstand 33 durch eine Diode ersetzt werden, die so gepolt ist, daß sie durch die kombinierte Wirkung des Emitterstroms des Transist ors 31 und des Kollektorstroms des Transistors in Durchlaßrichtung gespannt wird.

Bei Stromspiegelverstärkern vom Typ der Schaltung 20 kann der Widerstand 33 dann weggelassen werden, wenn der Verstärker nfcht derart hochfrequente Signale verstärken muß, daß sich Streukapazitäten als Scheinleitwert bemerkbar machen, oder wenn lediglich Gleichströme bemessen werden sollen. Der Transistor 31 muß in diesem Fall keine merklichen Signalströme liefern, da seine Wirkung als Emitterfolger bei tieferen Frequenzen nicht erforderlich ist. Die Größe dieses Transistors kann daher klein gehalten werden. Dies hat zur Folge, daß die Ansprechbandbreite des Transistors 31 größer ist und daß man für eine ausreichende Phasenreserve zur Vermeidung von Eigenschwingungen einen Kondensator 3^- geringerer Kapazität verwenden kann.

509843/0612

Die Fig. 2 zeigt den Fall, daß der Stromspiegelverstärker 20 sein Ausgangssignal über einen nachfolgenden Verstärker 170 auf die Last 17 gibt. Dies ist eine bevorzugte Methode zur Belastung des .Differentialverstärkers 10. Der Verstärker 170 besteht aus zwei Transistoren I7I und 172 in Darlingtonschaltung, einem Emittergegenkopplungswiderstand 173, einem Kollektorwiderstand "Ϊ74- und einer Gleichstrom-Gegenkopplungsschaltung 175· Die Gleichstrom-Gegenkopplungsschaltung 175 kann ausgangsseitig lit einer oder beiden Eingangsklemmen 14- und 15 verbunden sein und kann dazu dienen, den kombinierten Kollektorruhestrom der Transistoren 17I und 172 in einem festen Verhältnis zu den Kollektorruheströmen der Transistoren 24 und 27 zu halten. Dies macht es möglich, den Wert des Widerstands 173 so zu wählen, daß die an ihm abfallende Spannung gleich ist der Spannung an den Emittergegenkopplungswiderständen 25 und 26. Hierdurch wird das Ruhepotential an der Klemme 21 (welches um die Summe des Spannungsabfalls am Widerstand 25 und der kombinierten Basis-Emitter-Offsetspannungen der Transistoren 24- und 3I niedriger ist als das Potential an der Klemme 2J) gleich dem Ruhepotential an der Klemme 22 (welches um die Summe des Spannungsabfalls am Widerstand 173 und der kombinierten Basis-Emitta?-Offsetspannungen der Transistoren I7I und I72 niedriger ist als das Potential an der Klemme 23). Dies hat zur Folge, daß die Kollektorspannungen an den Differentialverstärkertransistoren 11 und 12 einander gleich sind,wenn die Kollektorruheströme dieser Transistoren einander gleich sind. Hiermit wird verhindert, daß zwischen den Basen der Transistoren 11 und 12 eine Fehlerspannung und eine Spannungsverschiebung entsteht. Die Darlingtonschaltung mit den Transistoren I7I rad 172 belastet die Klemme 16 sehr wenig und führt zu keiner merklichen Störung der Gleichheit der Kollektorruheströme der Transistoren 11 und 12, die der Stromspiegelverstärker 20 herzustellen sucht.

Wenn an die Stelle der Gegenkopplungswiderstände 25 uad 26 Jeweils eine Direktverbindung tritt, dann kann man zur Auf-

509843/0612 - 15 -

rechterhaltung desselben Potentials an den Klemmen 21 und 22 den Widerstand 173 ebenfalls durch eine Direktverbindung ersetzen. Diese Potentialgleihheit wird beim Fehlen der Emittergegenkopplungswiderstände 25, 26 und 173 auch ohne die Mithilfe der Gleichstrom-Gegenkopplungsschaltung 175 erreicht. Dies ist deswegen so, weil der Potentialunteschied zwischen den Klemmen 23 und 21 durch die stabilisierten Spannungen der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 24 und 31 bestimmt ist und weil der Potentialunterschied zwischen den Klemmen 23 und 22 durch die stabilisierten Spannungen an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 171 und 172 bestimmt ist.

Die Figur 3 zeigt einen Stromspiegelverstärker 20', der sich von der Verstärkeranordnung 20 darin etwas unterscheidet, daß er einen Stromverstärkungsfaktor von -2 hat. Der Stromverstärkungsfaktor von -2 resultiert daraus, daß die Spannung an der Serienschaltung aus dem Widerstand 25 und dem Emitter-Basis-Übergang des Transistors 24- (die über die Rückkopplung 30 v/eiterführt) gleich ist der Spannung an der Serienschaltung aus dem Widerstand 26 und den beiden parallelen Emitter-Basis-Übergängen des Transistors 27'. Diese Spannung wird durch die Ittickkopplung 30 aufrechterhalten, welche den Kollektorstrom den Transistors 24 auf den Wert des aus der Klemme 21 (von einer nicht dargestellten Einrichtung her) gezogenen Stroms regelt. Die Emitter-Basis-Übergänge des Transistors 27' sind jeweils gleich dem Emitter-Basis-Übergang des Transistors 24. Der Wert R/2 des Widerstands 26 beträgt die Hälfte des Werts Ii des Widerstands 25. Somit hat die Serienschaltung aus dem Widerstand 26 und den parallelen Emitter-Basis-Übergängen des Transistors 27' einen halb so großen Widerstandswert wie die Serienschaltung aus dem Widerstand 25 und dem Emitter-Basis-Übergang des Transistors 24. Nach dem Ohmsehen Gesetz sind dann die Emitterströme des Transistors 27' zusammengenommen doppelt so groß wie der Emitterstrom des Transistors 24.

- 16 509843/0612

Da die Transistoren 24 und 27' mit Ausnahme des zusätzlichen Emitter-Basis-Übergangs vom gleichen Typ sind, sind ihre Stromverstärkungen in Basis-Schaltung (h_f oder c< ) einander gleich. Somit stehen die Kollektorströme der Transistoren 27' und 24 zueinander im Verhältnis 2:1, da auch die kombinierten Emitterströme des Transistors 27' einerseits und der Emitterstrom des Transistors 24 andererseits im Verhältnis 2:1 stehen.

Der Kollektorstrom des Transistors 27' kann in entsprechender Weise gleich einem beliebigen Vielfachen m des Kollektorstroms des Transistors 24 gemacht werden, indem man die wirksame Gesamtfläche der Emitter-Basis-Übergänge des Transistors 27' um das m-fache größer macht als diejenige des Transistors 24 und indem man den Wert des Widerstands 25 auf das m-fache des Werts des Widerstands 26 bemißt. Äquivalente oder ähnliche Schaltungen lassen sich auch dadurch bilden, daß man mehrere Transistoren 27 einander parallel schaltet oder daß man einen Transistor 27 mit einem einzelnen Emitter-Basis-Übergang verwendet, dessen Fläche größer ist als beim Transistor 24.

Die Figur 4 zeigt einen Stromspiegelverstärker 2O¹', der ii seinem Aufbau etwas vom Verstärker 20 abweicht, um einen Stromverstärkungsfaktor von -1/2 zu erreichen. Im Verstärker 20'' wird im Grunde dieselbe Methode zur Stromproportionierung verwendet wie im Stromspiegelverstärker 20', nur wird diese Methode hier an anderer Stelle praktiziert. Im Verstärker 20'' hat der Transistor 24' zwei Emitter-BssLs-Übergänge, deren jeder dem Emitter-Basis-Übergang des Transistors 27 gledbht. Der Wert des Widerstands 25 ist mit R/2 halb so groß,wie der Wert R des Widerstands 26. Stromspiegelverstärker eines dem Verstärker 20'' ähnlichen Aufbaus und mit Stromverstärkungen von -1/m lassen sich realisieren, indem man dem Transistor 24' eine m-mal so große Emitter-Basis-Übergangsfläche gibt wie dem Transistor 27, und indem man den Wert des Widerstands 25 1/m-mal so groß wie denjenigen des Widerstands 26 macht. Es können auch äquivalente oder ähnliche Schaltungen dadurch realisiert werden, daß man mehrere parallele Tran-

509843/0612 - 17 -

sistoren 24- oder einen Transistor 24- mit einem einzelnen Emitter-Basis-Übergang verwendet, dessen Fläche größer ist als beim Transistor 27.

Die Fig. 5 zeigt einen Stromspiegelverstärker 20¹¹¹, der neben der Ausgangsklemme 22 eine zusätzliche Ausgangsklemme 22' aufweist, die mit dem Kollektor eines Transistors 27'' verbunden ist, der in gleicher Weise wie der Transistor 27 vorgespannt ist. Es sind auch Schaltungen möglich, die in ähnlicher Ausbildung eine Vielzahl von Ausgangsklemmen aufweisen. Auch bei einem Stromspiegelverstärker mit einer Vielzahl von Ausgangsklemmen können die in den Verstärkern 20' und 20'· benutzten Methoden zur Stromproportionierung angewendet werden.

Anordnungen der in Verbindung mit den Figuren 3» 4- und 5 beschriebenen Art können mit genau definierten vorgegebenen Stromverstärkungen betrieben werden, wenn die Rückkopplungsverbindung 30 kaskadengeschaltete Emitterverstärker gemäß der Erfindung enthalten. Wenn m groß ist, also bei Anordnungen wie sie die Stromspiegelverstärker 20', 20" und 20' " darstellen, kann der Wert der kombinierten Basisströme von m+1 Emitter-Basis-Übergängen dem Wert des Kollektorstroms eines der Transistoren 24 und 27 nahekommen, wenn die entsprechenden h- Parameter niedrig sind (z.B. zwischen 1 und 10).

Bei den bisher bekannten Stromspiegelverstärkern, in denen diese Basisströme mit einem Kollektorstrom entsprechend dem Eingangsstrom oder dem Ausgangsstrom des Verstärkers kombiniert werden, wird der Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers durch solche Basisströme sehr verschlechtert. Die Proportionierung der Eingangs- und Ausgangsströme auf der Grundlage der relativen Transkonduktanzen der Transistoren führt bei diesen bekannten Stromspiegelverstärkern nicht zu genau vorbestimmten Stromverstärkungsfaktoren.

509843/0612 -18-

Bei Stromspiegelverstärkern, die wie die Anordnung 20* oder 20'' die erfindungsgemäße Rückkopplungsverbindung 30 enthalten, werden die kombinierten Basisströme für die Transistoren 24 und 27' oder 24-* und 27 durch den Kollektorstrom des Transistors. 32 bereitgestellt, und wegen der hohen Stromverstärkung der Transistorkaskade 31, 32 ist der Basisstrom des Transistors 31 gegenüber dem Kollektorstrom des Transistors 24 oder 24-' vernachlässigbar klein. Daher werden die Stromverstärkungsfaktoren von Stromspiegelverstärkern wie 20' und 20", die von einer Rückkopplung über kaskadengeschaltete Emitterverstärker Gebrauch machen, nicht merklich durch von Basisstromflüssen herrührende Probleme berührt.

Bei einem Stromspiegelverstärker der Ausführungsform 20" ' können die kombinierten Basisströme des Transistors 24· und der mehrfach vorhandenen Ausgangstransistoren (27, usw.) den Wert des Kollektorstroms des Transistors 24- erreichen, wenn die h„ Parameter der Ausgangstransistoren und des Transistors 24 niedrig sind, (z.B. zwischen 1 und 10) und/oder wenn die Ausgangstransistoren (27, usw.) in großer Anzahl vorhanden sind, wenn man diese kombinierten Basisströme dem Eingangsstrom des Stromspiegelverstärkers hinzuaddiert, wie es bei den bekannten Schaltungen geschieht, dann wird die Proportionierung der Ausgangsströme bezüglich des EingangsStroms sehr störend beeinflußt. Bei einem Stromspiegelverstärker wie 20¹¹¹, der'kaskadengeschaltete Emitterverstärker in der Rückkopplungsverbindung 30 enthält, werden die kombinierten Basisströme für den Transistor 24 und die Ausgangstransistoren (27, usw.) durch den Kollektorstrom des Transistors 32 geliefert. Wegen der hohen Stromverstärkung der Transistorkaskade 31, 32 ist der Basisstrom des Transistors 31 gegenüber dem Kollektorstrom des Transistors 24 vernachlässigbar klein. Daher werden die Stromverstärkungsfaktoren von Stromspiegelverstärkern wie 20' " durch das Vorhandensein von Basisstromflüssen nicht merklich beeinträchtigt.

509843/0612

- 19 -

Die Fig. 6 zeirt als Schaltung 500 die in Fig. 1 gezeigte Teilkombination aus den Elementen 24, 25, 26 und 27 und eine äquivalente Schaltung 500', welche die Teilkombination 500 ersetzen kann. Diese Äquivalentschaltung 10O¹ besteht aus einem Doppelkollektor-Transistor 510 mit einem Emittergegenkopplunp-swiderstand 520, dessen Leitwert gleich der Summe der Leitwerte der Widerstände 25 und 26 ist. Die Basis des Doppelkollektor-Transistors 510 ist mit einer Klemme 502' verbunden, die der Klemme 502 entspricht, welche in der Teilkombination 500 an den zusammengekoppelten Basen der Transistoren 24 und 27 liegt. In ähnlicher Weise entsprechen die Klemmen 510', 503' und 504' der Äquivalentschaltung 500' in elektrischer Hinsicht den Klemmen 501, 503 und 504 der Teilkombination 5OO. Die alternative Anordnung 500' wird häufig dann verwendet, wenn Lateraltransistoren im Stromspiegelverstärker benutzt werden, da es relativ einfach ist, die Emitterzone, welche in die Basiszone des Lateraltransistors eingepflanzt ist, mit mehreren Kollektorzonen zu umgeben. In den Patentansprüchen ist ein Doppelkollektor-Transistor als Transistorpaar zu betrachten, in welchem die beiden Basiselektroden miteinander verbunden sind und die beiden Emitterelektroden miteinander verbunden sind.

- Patentansprüche -

509843/0612

Claims

Patentansprüche

1. Stromverstärker mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme ind einer gemeinsamen Klemme; ferner mit ehern ersten und einem zweiten Transistor eines ersten Leitungstyps, deren Emitter mit der gemeinsamen Klemme gleichstromgekoppelt sind und deren Basen miteinander gleiehstromgekoppelt sind und deren Kollektoren mit der Eingangsklemme bzw. mit der Ausgangsklemme gleichstromgekoppelt sind; ferner mit einem dritten Transistor vom ersten Leitungstyp, dessen Basis mit<fer Eingangsklemme gleichstromgekoppelt ist; und mit einem vierten Transistor entgegengesetzten Leitungstyps, der als Emitterverstärker (Transistor in Emitterschaltung) angeordnet ist und dessen Kollektor mit den Basen des ersten und des zweiten Transistors gleiciistromgelcoppelt ist und dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors gleichstromgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (3Ό gleichstrommässig mit den Basen des ersten (24) und des zweiten (27) Transistors gekoppelt ist.

2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Basis des vierten Transistors (32) ein Ableitweg (3^) für Wechselsignale angeschlossen ist.

3. Stromverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Basis des vierten Transistors (32) ange-

509843/061 2 - 2 -

schlossene Ableitweg für Wechselsignale durch einen Kondensator (3*0 gebildet ist, der zwischen der Basis des vierten Transistors und einem Punkt liegt, mit dem der Emitter des vierten Transistors verbunden ist.

4-, Verwendung eines Stromverstärkers nach einem der Ansprüche 1,2 und 3 als Verstärker für eine Eingangsstufe aus einem fünften (11) und einem sechsten (12) Transistor des entgegengesetzten Leitungstyps, die als emittergekoppelter Differentialverstärker geschaltet sind und deren Kollektoren mit der Eingangsklemme (21) bzw. mit der Ausgangsklemme (22) verbunden sind.

5. Verwendung eines Stromverstärkers nach einem der Ansprüche 1,2 und 3 zur Ansteuerung einer Ausgangsstufe aus einem fünften (171) und einem sechsten (172) Transistor des ersten Leitungstyps, wobei der fünfte Transistor mit seiner Basis an die Ausgangsklemme (22) und mit seinem Emitter an die Basis des sechsten Transistors angeschlossen ist, und wobei der Emitter des sechsten Transistors mit der gemeinsamen Klemme (23) gleichstromgekoppelt ist und wobei die Kollektoren des fünften und des sechsten Transistors an eine gemeinsame Ausgangslast (17) angeschlossen sind.

509843/061 2