DE2527092B2

DE2527092B2 - Signalverstaerkerschaltung unter verwendung eines feldeffekt-transistors mit stromungesaettigter trioden-charakteristik

Info

Publication number: DE2527092B2
Application number: DE19752527092
Authority: DE
Inventors: Shigeru Fujisawa Kanagawa Todokoro (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1974-06-19
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1977-06-23
Also published as: US4008442A; DE2527092A1; JPS5818333Y2; JPS51848U

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalverstärkerschaltung

,unter Verwendung eines Feldeffekt-Transistors mit

, "itromungesättigter Trioden-Charakterisiik, wobei die

Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode dieses Feldcf-

, fekt-Transistors an einen Eingang bzw. an eine

Äusgangslast oder Ausgangsschaltung angeschlossen

. 1st

. Aus der US-PS 38 28 230 ist ein Feldeffekt-Transistor ' ^u'i, mit s tromungecättigter Trioden-Charakteristik bekannt / Bei diesem Feldeffekt-Transistor ist der Abstand zwischen dem Source-Bereich und dem Kanal extrem kurz ausgebildet und weiter kann sich die Gate-Sperrschicht in einer plättenährilichen Gestalt andern, kann also beispielsweise relativ zur Richtung des Stromes, der vom Source-Bereich zum Drain-Bereich fließt, keilförmige Gestalt haben. Die Gate-Elektrode mit der plattenförmigen Gestalt usw. ist an einer Stelle angeordnet, an welcher die effektive Kanaüänge kurz

60 wird, Durch diese Konstruktion wird der Reihenwiderstand zwischen Source-Bereicb und Gate-Drain-Bereich merklich kleiner als vergleichsweise bei einem herkömmlichen Feldeffekttransistor, so daß dieser stromungesHttigte Feldeffekt-Transistor für hohe Leistungen eingesetzt werden kann, Darüber hinaus wird durch den kleinen Reihenwiderstand der Umformung». Leitwert sehr viel größer als bei den herkömmlichen Feldeffekt-Transistoren,

Gegenüber dem stromungesättigten Feldeffekt-Transistor besitzt also ein herkömmlicher Feldeffekt-Transistor einen großen Reihenwiderstand zwischen Source-Bereich und Gate-Bereich, Wenn die Drain-Source-Spannung erhöht wird, und zwar unter Konstanthaltung der Gate-Source-Spannung, so wird der durch den Kanal fließende Strom so lange erhöht, bis die Pinch-Off-Spannung erreicht ist. Wenn jedoch die Drain-Source-Spannung die Pinch-Off-Spannung überschreitet, wird der Reihenwiderstand größer, und zwar aufgrund der Expansion der Sperrschicht. Beim Herkömmlichen Feldeffekt-Transistor wird der Effekt der Stromverminderung aufgrund des erhöhten Reihenwiderstandes, d.h. also der Gegenkopplungseffekt durch den Effekt der Stromerhöhung bei erhöhter Spannung zur Stromsättigung bei einem bestimmten Wert ausgeglichen, was also den stromgesättigten Kennlinien eines sogenannten »Pentodentyps« entspricht.

Der genannte stiomungesättigte Feldeffekt-Transistor besitzt also einen extrem kleinen Reihenwiderstand, wodurch dieser Feldeffekt-Transistor von dp·· Erscheinung der Stromsättigung frei wird, die durch Gegenkopplung bei einem herkömmlichen Feldeffekt-Transistor auftritt.

Aus der Zeitschrift »British Communications and Electronics«, Oktober 1964, Seiten 702-704, sind Kaskodenschaltungen bzw. Kaskodenverstärker in verschiedener Schaltungsausführung bekannt Gemäß einer dieser Ausführungen einer Kaskodenschaltung ist der Driin-Anschluß eines herkömmlichen Feldeffekt-Transistors direkt mit dem Emitter eines bipolaren Transistors verbunden, und die Ausgangsgröße wird vom Kollektor des bipolaren Transistors abgegriffen.

Gemäß einer anderen Schaltungsanordnung ist die Emittsr-Kollektorstrecke eines bipolaren Transistors über einen Widerstand geführt, der in der Drain-Source-Strecke eines Feldeffekt-Transistors gelegen ist Diese Schaltungsanordnung ist ferner mit einer Gegenkopplung belastet, wodurch Betriebsbedingungen und die Verstärkung stabilisiert werden, gleichzeitig aber auch die Ausgangsimpedanz reduziert wird und die Eingangsimpedanz erhöht wird.

Die Tatsache, daß ein Verstärkerelement Trioden-Vakuumröhren-Eigenschaften besitzt, bedeutet, daß sich der Betriebsstrom des Verstärkerelements nicht nur in Abhängigkeit von einer Eingangssignalspannung, sondern auch von einer Variation der Speisegleichspannung ändert Bei einer Signalverstärkerschaltung unter Verwendung eines Verstärkerelements mit Trioden-Chsrakteristik wird daher eine variierende Komponente der Speisespannung, & B. eine Brummkomponenie einer Augqrongssignalspannung, überlagert Wenn zudem eine direkt gekoppelte Signalverstärkerschaltung einen Feldeffekt-Transistor mit TTrioden-Charakteristik aufweist, treten im Drain-Strom des Feldeffekt-Transistors Änderungen aus dem Grund auf, weil ein Wechselstromsignal einer Speisegleichspannung übetlagen wird, so daß die gewünschte Spannungsyersiar-

Hung nicht gewährleistet werden kann, Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Signalverstärkerschaltung unter Verwendung eines Feldeffekt-Transistors mit stromungesättigter Trioden· Charakteristik der eingangs definierten Art zu schaffen, bei welcher sich der Arbeitsstrom des Fcldeffckt-Tran' sistors nicht in Abhängigkeit von Änderungen der Speisespannung oder aufgrund eines der Spcisegleich' spannung überlagerten Weehsclstromsignals ändert, sondern nur in Abhängigkeit von einer an die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors angelegten Eingangssignalspannung variiert,

Ausgehend von der Signalysrstärkerspannung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drain-Elektrode und die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors über einen ersten und einen zweiten ohmschen Widerstand an eine Stromversorgungsquelle angeschlossen sind, und daß der eine Anschluß der Stromversorgungsquelle über eine Kopplungseinrichtung mit der Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors verbunden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Signalverstärkerschaltung sind also zwei Elektroden eines Feldeffekt-Transi- '■' stors mit stromungesättigter Trioden-Charakteristik über zwei zugeordnete Widerstandselemente an zwei verschiedene Potentialpunkte angeschlossen, während der erste Potentialpunkt über eine Kopplungseinrichtung, die beispielsweise aus einem dritten ohmschen Widerstand bestehen kann, mit der zweiten Elektrode des Feldeffekt-Transistors verbunden ist

Wenn der zwischen die zweite Elektrode des Feldeffekt-Transistors und den ersten Potentialpunkt eingeschaltete ohmsche Widerstand einen Wert besitzt, der praktisch dem Widerstandswert des zweiten ohmschen Widerstandes, multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des Feldeffekt-Transistors, entspricht, so wird dessen Drain-Strom praktisch unempfindlich "gegenüber Schwankungen der Spannung an den beiden Potentialpunkten.

Bei einer Signalverstärkerschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht die Kopplungseinrichtung aus einem Bipolar-Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem ersten Potentialpunkt und die zweite Elektrode des Feldeffekt-Transistors eingeschaltet i3L Die Basis des Bipolar-Transistors ist an eine Verzweigung eines ersten und eines zweiten ohmschen Widerstands angeschlossen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Potentialpunkt in Reihe geschaltet sind.

Wenn bei dieser zweiten Ausfuhrungsform der Widerstandswert des ersten ohmschen Widerstandes gleich dem Widerstandswert des zweiten ohmschen Widerstandes, multipliziert mit dem Spannungsverstärkungsfaktor des Feldeffekt-Trarsistors, gewählt wird, so bleibt dessen Drain-Strom prakiisch durch Änderung cj_er Spannung über den beiden unterschiedlichen ' Potentialpunkten unbeeinflußbar.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Signalverstärkerschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.2 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.3 ein Schaltbild einer direktgekoppelten Signalverstärkerschaltung gemäß einer dritten Ausföhrungsform der Erfindung, .

F i g. 4 ein Schaltbild einer direktgekoppelten Signalverstärkerschaltung gemäß einer vierten Ausführungform der Erfindung und

F i g, 5 ein Schaltbild einer direktgekoppelten Signal verstärkerschaltung gemäU einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Bei der in Fig, I dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Drain-Elektrode eines stromungesättigten n-KiinaiFeldeffekttransiMors Q\ über einen ersten bzw. Drain·Widerstand Rp an einen

ίο ersten Potcntialpunkt bzw. eine Stromspeiscklemme 7Ί (+ Vp) angeschlossen. Die Source-Elektrode des Transistors Q\ ist über einen zweiten bzw, Source-Widerstand Rs on einen zweiten Potentialpunkt bzw, eine «weite Stromspeiseklemme Ti (Masse) angeschlossen, Die

erste Klemme 71 ist dabei Über einen dritten Widerstand Rn mit der Source-Elektrode des Transistors Q\ verbunden, dessen Gate-Elektrode mit einer Eingangsklemme % verbunden ist, die ihrerseits an eine Signalquelle bzw, den Ausgang eines Vorstufcn-Signal-

Verstärkers angeschlossen ist, Die Drain-Elektrode des Transistors Q\ liegt an einer Ausgangsklemme Ta, von welcher ein über den Drain-Widerstand Rp erzeugtes Ausgangssigna! abnehmbar ist. Die Ausgangsklemme T\ kann an einen Ausgang eines Verstärkers einer nachgeschalteten Stufe angeschlossen sein.

Der Arbeits- oder Drain-Strom Ip eines Feldeffekttransistors mit stromungesättigter Trioden-Vakuumröhren-Charakteristik läßt sich etwa durch folgende Gleichung ausdrücken:

Da /ι — gm ■ r_p und gm
chung wie folgt umschreiben:

und gm —, läßt sich obige Glei-

in welcher

// den SpaJinungsverslärkungsfaktor des Feldeffekttransistors,

gm die Steilheit des Feldeffekttransistors, r_p den Eigenwiderstand des Feldeffekttransistors, V_GS die Gate/Source-Spannung des Feldeffekttransistors und

V_DS die Drain/Source-Spannung des Feldeffekttransistors

bedeuten.

Ersichtlicherweise variiert dsr Drain-Strom Ip des

erwähnten Feldeffekttransistors in Abhängigkeit von seiner Drain/Source-Spanrung Vos in einem weiten Bereich.

Wenn gemäß Fig.! der fiber den Drain-Widerstand

■60 Rdfließende Strom mit Found der über den Widerstand Rb fließende Strom mit Ib bezeichnet wird, läßt sich die Gate/Source-Spannung Vas des Transistors Q_t durch folgende Gleichung ausdrücken:

V_as=V_G-R₅[I₀+I_B), (3)

in welcher Vo die zwischen den Klemmen T₂, Ti zugeführte Eingangssparinung bedeutet.

Durch Einsetzen der vorstehenden Gleichungen (3), (4) und (5) in die oben angegebene Gleichung (2) erhält man die folgende Gleichung:

BZ

/„ =

(R_B -,iRs) R_B+Rs

^rBL·'

(9)

Bi

Ml 2

(6)

r„+ R₀+

Rb+

Die obige Gleichung (6) zeigt, daß dann, wenn Re=IiRs innerhalb des Bereichs liegt in welchem die genannten Gleichungen (2), (3) und (4) festgelegt sind, der Arbeits- oder Drain-Strom Id des genannten Feldeffekttransistors praktisch unabhängig von der Speisespannung Vb werden kann, d. h, daß der Drain-Strom Id im wesentlichen unempfindlich gegenüber Änderungen der Speisespannung Vp ist Dies bedeutet, daß der Transistor Pi bei der direktgekoppelten Signalverstärkerschaltung nur in Abhängigkeit von einem an seine Gate-Elektrode angelegten Eingangssignal betätigt wird, auch wenn der Gleichspannung an der Klemme 71 eine Wechselstrom-Signalspannung überlagert ist und er somit seine spezifische Verstärkung beibehalten kann, obgleich der Verstärkungsgrad um einen Rückkopplungsbetrag abfällt der durch die resultierende Parallelimpedanz der Widerstände Äeund Äs bestimmt wird. Aus diesem Grund bietet die erfindungsgemäße Signalverstärkerschaltung große Vorteile bezüglich der Ankopplung an eine andere Signaiverstärkerschaitung.

Die Beziehung Rb=μRs braucht nicht starr festgelegt zu sein. Infolge des Vorhandenseins des Widerstands Rb wird die zur Drain-Elektrode des genannten Transistors Pi zur Erhöhung seines Drain-Stroms übertragene Spannungsänderung auch seiner Source-Elektrode aufgeprägt um den Drain-Strom zu verringern, und umgekehrt. Im Fall von Rb=ßRssina von der Änderung der Speisespannung herrührende Anstiege und Abfälle des Drain-Stroms ausgeglichen. Die bei der erfindungsgemäßen Signaiverstärkerschaitung verwendeten Widerstände brauchen nicht unbedingt Widerstandselemente zu sein, sondern können durch andere aktive oder passive Elemente ersetzt werden, die einen elektrischen Widerstand besitzen.

Fig.2 zeigt eine Signaiverstärkerschaitung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Rückkopplungswiderstand Rb von F i g. 1 durch einen Bipolartransistor ersetzt ist Gemäß F i g. 2 ist der Kollektor eines npn-Transistors TR an die erste Stromversorgungsklemme 71 angeschlossen, während sein Emitter mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors Pi verbunden ist Widerstände Rm und Rm sind in Reihe zwischen die Klemmen 71 und T₂ eingeschaltet, und die Verzweigung zwischen den Widerständen Rd\ und Rm ist an die Basis des Transistors 77? angeschlossen.

in welcher Vesdie Basis-Emitter-Spannung des Bipolartransistors TR bedeutet.

Wenn Gleichungen (7) bis (9) in Gleichung (2) eingesetzt werden, kann der Drain-Strom h des Feldeffekttransistors Pi wie folgt ausgedrückt v/erden:

g₂

(10)

r„+R_D

jo Die obige Gleichung (10) zeigt, daß im Fall von Rbz 1

oder

Rbz 1 + /< ^Bi = /'Rbz

/gDie^Prain/Source-Spanhungi^*Iäßt^sichiwietffolgt η * GemiäßjFig.2,läßt sjc|iaje^Gafe^SoureerS^nuni^^ !!ausdrücken: ' '....'■.>■>*''/' r,v - ' ;V^ des#ej^fjeptr^

'^;'" "-. , I . ■■:. ■■ i ■ ι ' chung ausdrücken: i0h-. ψ_: Ύ< -,..■ W '"■ <>''£'·,$§■'■ |||p

•v_DS=^^i_:D^R_D-:{i_D+^im_s, (4) i ": ■>>..,*:·. ·- ;* <*. T*-&$m ■ ■■■ - ■ s- · ^=-%^..-' _: ■ - w**m

P&rVD*= h^i/RB'+Rs\Id+^Bt g^t, ergibtisjch die · ·,. . -, ■ + -■';;. ■?;'. ^. % "·. ■ ■ ^φ ...gtäm ifpigende-Gleichung:^ '· ; ' :^:i^■,. -. ^pie^praiii/S^urce!^^

• =; . -- "■ , ^äßts'ich"dürcri^:folgen|le"pieichu^

■".,ιό, λ ^Ds^^D^'I^-iRty-'n- , : llft^

Die Source-Spannung Vs des Transistors Pi genügt "^M folgender Gleichung: -*§ß

der Arbeits- oder Drain-Strom Id des Feldeffekttransistors pi durch die Speisespannung Vd nicht beeinflußt wird. Die zweite Ausführungsform gemäß Fig.2 vermag einen größeren Verstärkungsgrad zu gewährleisten als die Ausführüngsföfm gemäß Fig.i, weil der Drain-Strom Id des Feldeffekttransistors Pi überhaupt nicht vom Source-Widerstand Äs abhängig ist.

Die dritte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig.3 stellt eine direktgekoppelte Zweistufen-Signalverstärkerschaltung dar. Dabei sind die vorgeschaltete unr¹ die nachgeschaltete Stufe parallel zueinander an die Stromversorgung angeschlossen. Die erste Verstärker stufe ist von derselben Art wie in Fig. 1. Die zweite Verstärkerstufe weist einen dem Transistor Pi komplementären, stromungesättigten p-Kanal-Feldeffekttransistor Qz auf, dessen Source-Elektrode über einen zweiten Source-Widerstand Rs¹ an die erste Stromver sorgungsklemme 71 angeschlossen ist, während seine Drain-Elektrode über einen zweiten Drain-Widerstand Rd' mit der zweiten Stromversorgungsklemme T₂ verbunden ist Zwischen die zweite Klemme T₂ und die Source-Elektrode des Transistors Qi ist ein Rückkopp· lungswiderstand Rb eingeschaltet Die Gate-Elektrode des Transistors P2 ist unmittelbar mit der Drain-Elektrode des Transistors pi gekoppelt

Infolge des Vorhandenseins des Widerstands Rb' wird der Drain-Strom des nachgeschalteten Transistors Qi durch die Schwankungen der Speisespannung nicht beeinflußt Infolgedessen ermöglichen es die direktgekoppeltcn Transistoren Pi und Qi, daß ein an die Eingangskiemme T₃ angelegtes Eingangssignal in aus-

>'V reichendem Maß verstärkt wird, ohne durch die

"Schwankungen oder Änderungen der Speisespannung ^beeinflußt zu werden.

F i g. 4 veranschaulicht eine direktgekoppelte Signal-

r verstärkerschaltung gemäß einer vierten Ausführungs- ;;',· form der Erfindung, bei weicher die erste und die zweite '-'"Stufe den Stufen gemäß F i g. 2 bzw. F i g. 1 entsprechen.

-' Die direktgekoppelte Signalverstärkerschaltung gemäß dieser Ausführungsform vermag einen größeren Ver- ;_; Stärkungsgrad zu gewährleisten als die Schaltung von

, :-'v ig. 3.

/' In F i g. 5 ist eine direktgekoppelte Signalverstärker-

' - schaltung .gemäß einer fünften Äusführungsform der ,Erfindung'dargestellt, wobei zwei Signalverstärker in iReihe über die Stromversorgung geschaltet sind.,Eine

^S'.'erste Stufe mit demselben Aufbau wie in Fig. 1 'ist

,; zwischen die Ausgangsklemme T₄ und die zweite

'«'' .Stromversorgungsklemme Ti geschaltet Eine zweite

Stufe weist einen ungesättigten n-Kanal-Feldeffektträn-

sistor Qo vom gleichen Kanal-Typ wie der Feldeffekttransistor Qt auf. Die Gate-Elektrode des zweiten Transistors Qb ist dabei an die Drain-Elektrode des ersten Transistors Qi angeschlossen. Drain- und Source-Elektrode des Transistors Qo sind mit der ersten Stromversorgungsklemme 71 bzw. der Ausgangsklem-,me Ta verbunden. Bei dieser Ausführungsform tritt 'zwischen den Klemmen Ά und Tz ein Ausgangssignal auf, das, ebenso wie bei den anderen Ausführungsforic 'inen, an eine nachgeschaltete Verstärkerstufe angekoppelt werden kann. Die Ausgangsspahnung des Transi- -'' stors Qb wird als' Speisespahnung an den Transistor Qi _! ^angelegt Der Transistor Qi, dessen Drain-Strom — wie -„ ^erwähnt — ausschließlich von einem an seine Gateis Elektrode angelegten Eingangssignal abhängt, zeigt _r i dabei jedoch keine instabile Arbeitsweise. Ersichtlicher- -' weise kann der Widerstand Äs bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 durch den Bipolartransistor gemäß F i g. 2 ersetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Signalverstärkerschaltung unter Verwendung eines Feldeffekttransistors mit stromungesättigter Trioden-Charakteristik, wobei die Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode dieses Feldeffekttransistors an einen Eingang bzw. an eine Ausgangslast oder Ausgangsschaltung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektrode und die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (Q₁) über einen ersten und einen zweiten ohmschen Widerstand (Rd, Rs) an eine Stromversorgungsquelle (Ti, T2) angeschlossen sind, und daß der eine Anschluß (+ Vd) der Stromversorgungsquelle über eine Kopplungseinrichtung (Rn, TR) mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (Q\) verbunden ist

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung einen

!!dritten ohmschen Widerstand (Rb) aufweist. '

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung einen dritten ohmschen Widerstand (Rb) aufweist, dessen Widerstandswert praktisch dem Widerstandswert «5 des zweiten Widerstandes (Rs), multipliziert mit dem Spannungsverstärkungsfaktor des Feldeffekttransistors (Qi), entspricht.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung einen dritten und einen vierten ohmschen Widerstand (Rb\, Rm), die in Reihe zwischen die Anschlüsse (Tu T₂) der Stromversorgungsqueile eingeschaltet sind, sowie einen Transistor (TR) aufweist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen den einen An-Schluß (Ti) und die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (Qi) geschaltet und dessen Basis an eine Verzweigung zwischen dem dritten und dem vierten ohmschen Widerstand (Rm, Rm) angeschlossen ist

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte ohmsche Widerstand (Rm) einen Widerstandswert besitzt, welcher praktisch dem Widerstandswert des vierten ohmschen Widerstandes (Rm), multipliziert mit dem Spannungsverstärkungsfaktor des Feldeffekttransistors (Q$, ent- spricht