DE2529966B2 - Transistorverstärker - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker einer Gattung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Eine ältere Generation von integrierten Operationsverstärkern war zum Betrieb mit Versorgungsspannungen
ausgelegt, die positiv und negativ bezüglich einer Bezugsspannung sind, dergegenüber die Eingangsklemmen
des Operationsverstärkers vorgespannt wurden. Derartige Anordnungen benötigen zwei stabilisierte
Versorgungsquellen, um die beiden Versorgungsspannungen entgegengesetzter Polarität zu liefern. Außerdem
mußten die Eingangssignale innerhalb eines Bereichs gehalten werden, der zwischen der positiven
und negativen Versorgungsspannung liegt und diese Spannungen nicht mit umfaßt, damit die richtige
Verstärkerwirkung nicht aussetzte. Andererseits mußten bei Verwendung einer einzigen Versorgungsquelle
die Eingangsklemmen des Operationsverstärkers mit Hilfe von Spannungsteilern vorgespannt werden. Das
Eingangssignal konnte dann nicht bis zu den Grenzen des von der einzigen Versorgungsquelle gebotenen
Spannungsbereichs oder darüber hinaus ausschlagen, ohne die gewünschte Verstärkerwirkung zu beeinträchtigen.
Diesen Nachteil hat auch ein aus der deutschen Offenlegungsschrift 19 48 850 bekannter Transistorverstärker
der obengenannten Gattung.
Ein Hauptbestreben bei der Verwendung integrierter Schaltungen besteht darin, das Ausmaß äußerer
Schaltungsteile klein zu halten. Hierdurch kann die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit erhöht und das
Volumen des Schaltungsaufbaus verringert werden. Es
so besteht somit Bedarf an einem Transistorverstärker, der mit einer einzigen Versorgungsspannungsquelle betrieben
werden kann und dessen Eingangsklemmen auf eines der Versorgungspotentiale bezogen werden
können. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Transistorverstärker der genannten Gattung so auszubilden,
daß er diese Forderung erfüllt. Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs
1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verstärker werden der
Beim erfindungsgemäßen Verstärker werden der
fao dritte und der vierte Transistor, deren jeder eine
Kollektorlast (»Lasttransistor«) für den mit ihm in Kollektor-Kollektor-Verbindung stehenden ersten bzw.
zweiten Verstärkertransistor darstellt, durch Pegelverschiebungsschaltungen so vorgespannt, daß ihre Kollekte
tor-Emitter-Ruhespannungen wesentlich kleiner sind als ihre Basis-Emitter-Ruhespannungen, andererseits aber
groß genug, damit sich die Lasttransistoren nicht in der Sättigung befinden. An den derart belasteten Ver-
Stärkertransistoren können die Basisspannungen bezüglich
des Bezugspotentials über einen Bereich gehen, der das Bezugspotential mit einschließt. Das heißt, das
Basispotential jedes der Verstärkertransistoren kann die gleiche Polarität haben wie das Basispotential des
zugehörigen Lasttransistors. Andererseits kann jedoch das Basispotential des Verstärkertransistors auch über
einen begrenzten Bereich die entgegengesetzte Polarität des Basispotentials des zugehörigen Lasttransistors
aufweisen. Wo die Emitter-Kollektor-Spannung des Lasttransistors ihren Sättigungswert erreicht, kann
dieser begrenzte Bereich nahezu so groß sein wie die Spannung am Kollektor-Basis-Übergang des Verstärkertransistors
bei dessen Vorspannung in Durchlaßrichtung minus der höheren der Kollektor-Emitter-Spannungen
an den beiden Transistoren beim Einsetzen ihrer Sättigung. Beim Siliziumtransistor kann dieser
begrenzte Bereich beispielsweise 500 bis 600 Millivolt betragen. Hierdurch wird es möglich, dem Basispotential
des Verstärkertransistors einen Ruhewert von im wesentlichen gleich dem Bezugspotential zu geben und
es gewünschtenfalls um dieses Potential schwingen zu lassen. Man erhält hierdurch auch einen neuen
Spielraum für die Konstruktion von Verstärkern, insbesondere wenn nur eine einzige Versorgungsquelle
verwendet werden soll.
In der Theorie ist es an sich bekannt (vgl. die Zeitschrift »Funk-Technik« 1973, Nr. 9, Seite 313), daß
moderne Siliziumtransistoren bereits bei Kollektor-Emitter-Spannungen normal arbeiten können, die
niedriger sind als die erforderliche Basis-Emitter-Spannung. Als praktische Ausnutzung dieses Transistorverhaltens
zeigt die Erfindung auf, wie die Emitter-Koüektor-Spannungen von in Kollektor-Kollektor-Verbindung
angeordneten komplementären Transistoren genügen können, um einen normalen Transistorbetrieb
zu erlauben, auch wenn die Basis des (als Eingangstransistor verwendeten) einen Transistors bei oder nahe
dem Bezugspotential liegt, an das der Emitter des (als Lasttransistor verwendeten) anderen Transistors angeschlossen
ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen
ausführlich erläutert. Die Fig. 1, 2, 3, 4 und 5 sind
Schaltbilder verschiedener Kaskadenschaltungen von Differenzverstärkern, deren jede eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die in F i g. 1 gezeigte Verstärkeranordnung 100 hat ein Eingangsklemmenpaar 101 und 102 und ein
Ausgangsklemmenpaar 103 und 104, zwischen denen sich eine Kaskadenschaltung aus folgenden Teilen
befindet: einem emittergekoppelten Differenzverstärker aus gleichartigen PNP-Transistoren 105 und 106;
zwei gleichartige Spannungsübertragungsglieder, deren eines aus den Elementen 107 und 109 und deren anderes
aus den Elementen 108 und 110 besteht; einem emittergekoppelten Differenzverstärker aus gleichartigen
NPN-Transistoren 111 und 112. Die Änderungen der Basisströme der Transistoren 105 und 106, die durch
ein zwischen die Klemmen 101 und 102 gelegtes Differential-Eingangssignal verursacht werden, erscheinen
in verstärkter Form als Änderungen der Kollektorströme der Transistoren 105 und 106. Diese Kollektorstromänderungen
werden über die Spannungsübertragungsglieder 107, 109 bzw. 108, HO gekoppelt, um
entsprechende Basis-Stromänderungen in den Transistoren 111 und 112 zu verursachen. Diese Basisstromänderungen
an den Transistoren 111 und 112 werden' wiederum verstärkt und erscheinen als Änderungen der
Kollektorströme der Transistoren 111 und 112. Diese zweimal verstärkten Stromänderungen stehen an den
Ausgangsklemmen 103 und 104 zur Kopplung auf eine nachgeordnete Schaltung zur Verfügung.
Der Verstärker 100 arbeitet mit einer einzigen Versorgungsquelle, die als Batterie 115 dargestellt ist, deren negativer Pol mit Masse verbunden ist, also das Bezugspotential liefert. Das Ruhepotential an jeder der Eingangsklemmen 101 und 102 wird im gezeigten Fall
Der Verstärker 100 arbeitet mit einer einzigen Versorgungsquelle, die als Batterie 115 dargestellt ist, deren negativer Pol mit Masse verbunden ist, also das Bezugspotential liefert. Das Ruhepotential an jeder der Eingangsklemmen 101 und 102 wird im gezeigten Fall
ίο mittels der Widerstände 117 und 118 auf den Wert des
Massepotentials eingestellt. Hiermit können den Eingangsklemmen 101 und 102 des Verstärkers 100 über
Koppelkondensatoren 121 und 102 Gegentakt-Eingangssignale aus den Signalquellen 119 und 120
angelegt werden. Alternativ kann auch eine der Klemmen 101 und 120 angelegt werden. Alternativ kann
auch eine der Klemmen 101 und 102 mit Masse verbunden sein und nur die andere Klemme ein
Eingangssignal als Eintakt-Signal empfangen. Die Klemmen 101 und 102 können auch auf ein gemeinsames,
gegenüber Masse positives Potential vorgespannt werden, welches dem Versorgungspotential am positiven
Pol der Versorgungsspannungsquelle 115 bis auf
einen Abstand nahe kommt, der mindestens gleich ist
der Durchlaßspannung an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 105 und 106 plus der notwendigen
Betriebsspannung für eine Stromquelle 123, die zwischen die zusammengekoppelten Emitterelektroden
der Transistoren 105 und 106 einerseits und den positiven Pol der Versorgungsquelle 115 andererseits
geschaltet ist.
Die Stromquellen 125 und 126 haben vorzugsweise gleiche Eigenschaften, ebenso auch die Stromquellen
127 und 128. Diese Stromquellen 125 bis 128 und auch
die Stromquelle 123 seien Konstantstromquellen, die beispielsweise jeweils durch die Emitter-Kollektor-Strecke
eines PNP-Transistors mit konstanter Basis-Emitter-Vorspannung gebildet sein können. Statt
mittels aktiver Elemente können die Stromquellen 123, 125 bis 127 auch einfach mittels gleichstromleitender
Impedanzelemente, zum Beispiel mittels Widerständen realisiert werden. Die Stromquelle 125 hält die
Schottky-Diode 109 und den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 107 in Durchlaßrichtung gespannt Die
Stromquelle 126 hält in ähnlicher Weise die Schottky-Diode 110 und den Basis-Emitter-Übergang des
Transistors 108 in Durchlaßrichtung gespannt
Wenn am Ausgang der Verstärkeranordnung lediglich Eintakt-Signale gefordert werden, kann eine der
so Stromquellen 127 und 128 durch eine Direktverbindung
ersetzt werden. Eine andere Möglichkeit für diesen Fall besteht darin, die Stromquellen 127 und 128 durch den
Eingangskreis bzw. den Ausgangskreis eines sogenannten »Stromspiegelverstärkers« zu ersetzen, der die
Kollektor-Stromänderungen der Transistoren 111 und 112 konstruktiv oder aufbauend miteinander vereinigt
Die Kollektoren der PNP-Transistoren 105 und 106 sind mit den Kollektoren von NPN-Transistoren 131
und 132 verbunden. Die mit ihren Emittern an Masse liegenden NPN-Transistoren 131 und 132 bilden aktive
Kollektorlasten für die PNP-Transistoren 105 und 106, ihre Basis-Elektroden empfangen im Gleichtakt eine
Gegenkopplung von den zusammengefaßten Emittern der Transistoren 111 und 112. Infolge dieser Gleichtakt-Gegenkopplung
stellen die Kollektoren der Transistoren 131 und 132 eine relativ niedrige Impedanz fUi
Gleichtaktkomponenten der Kollektorströme der Transistoren 105 und 106 dar. Hinsichtlich Differential- odei
Gegentaktänderungen der Kollektorströme aus den Transistoren 105 und 106 sind die Transistoren 131 und
132 jedoch für Konstantstrombetrieb vorgespannt, so daß die Kollektoren der Transistoren 131 und 132 für
solche Differentialänderungen der Kollektorströme der Transistoren 105 und 106 eine relativ hohe Impedanz
darstellen.
Die erste Schleife der Gleichtakt-Rückkopplung beginnt an den zusammengeschalteten Kollektoren der
Transistoren 105 und 131, läuft von dort über den in dieser Hinsicht als Emitterfolger wirkenden Transistor
107 und über die Schottky-Sperrdiode 109 zur Basis des Transistors 111, dann weiter über den als Emitterfolger
wirkenden Transistor 111 zur Basis des Transistors 131. Geschlossen wird diese erste Schleife durch die
Emitterfolger-Wirkung des Transistors 131. Die zweite Schleife der Gleichtakt-Rückkopplung beginnt an den
zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 106 und 132, geht von dort über die Emitterfolger-Wirkung
des Transistors 108 und über die Schottky-Sperrdiode 110 zur Basis des Transistors 112, läuft dann durch
Emitterfolger-Wirkung des Transistors 112 weiter zur Basis des Transistors 132 und wird geschlossen durch
die Emitterfolger-Wirkung des Transistors 132. Durch die gemeinsame Verbindung der Emitter der Transistoren
111 und 112 mit den Basis-Elektroden der Transistoren 131 und 132 werden Differentialänderungen
der Emitterströme der Transistoren 111 und 112 hinsichtlich ihres Einflusses auf die Basiselektroden der
Transistoren 131 und 132 destruktiv (das heißt sich gegenseitig auslöschend) miteinander kombiniert. Aus
diesem Grund sind die besagten Gegenkopplungsschleifen für Differentialsignale unwirksam.
Die Stromquelle 123 bestimmt die kombinierten (das heißt die Summe der) Emitterströme der Transistoren
105 und 106. Der Kollektorstrom jedes der Transistoren 105 und 106 steht über einen Faktor «im Verhältnis zum
betreffenden Emitterstrom, wobei λ die Stromverstärkung des Transistors in Basisschaltung ist, die nahe dem
Wert 1 liegt. Die Gleichtakt-Kollektorströme der Transistoren 105 und 106 sind einander gleich. Die
Gleichtakt-Rückkopplung stellt die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 131 und 132 so ein, daß diese
Transistoren die Gleichtakt-Kollektorströme der Transistoren 105 und 106 aufnehmen.
Das hier besonders interessierende Merkmal der Gleichtakt-Rückkopplungsschleife besteht darin, daß
sie die Ruhepotentiale Vbio7 und V«« an den Basiselektroden
der Transistoren 107 und 108 nahe am Massepotential hält, jedoch nicht so dicht, daß eine
Sättigung der Transistoren 131 und 132 eintritt. Es gilt:
Vsi07=
— V109
- VilO
wobei Vflfdie Basis-Emitter-Spannung eines Transistors
bedeutet und die nachgesetzte Zahl den betreffenden Transistor angibt. Die Basis-Emitter-Spannung Vbe
beträgt bei Stromstärken, wie sie in Verstärkern des hier in Rede stehenden Typs vorkommen, etwa 0,65
Volt Viwund Vi ίο sind die Schottky-Sperrschicht-Spannungen
der Dioden 109 und 110, die etwa 0,3 Volt betragen. Somit sind die Potentiale VW und Veioe
jeweils etwa 035 Volt bezüglich des Masse- oder Bezugspotentials. Dieser Wert liegt weit genug Über der
0,1 Volt hohen Sättigungsspannung der Transistoren 131 und 132.
Hiermit werden auch die Transistoren 105 und 106 außerhalb der Sättigung gehalten, wenn ihre Basen gegenüber Masse vorgespannt sind. Ihre Emitter sind im Falle einer solchen Vorspannung um etwa 0,65 Volt positiver als das Massepotential, so daß die Transistoren 105 und 106 eine Kollektor-Emitter-Spannung von etwa 0,3 Volt aufweisen.
Hiermit werden auch die Transistoren 105 und 106 außerhalb der Sättigung gehalten, wenn ihre Basen gegenüber Masse vorgespannt sind. Ihre Emitter sind im Falle einer solchen Vorspannung um etwa 0,65 Volt positiver als das Massepotential, so daß die Transistoren 105 und 106 eine Kollektor-Emitter-Spannung von etwa 0,3 Volt aufweisen.
Wichtig für die vorliegende Erfindung ist die an sich bekannte aber selten berücksichtigte Tatsache, daß die
Emitter-Kollektor-Spannung eines Transistors kleiner
ίο sein kann als seine Emitter-Basis-Spannung, ohne daß
der Transistor gesättigt wird. Das heißt, es gibt einen Bereich, innerhalb dessen eine Verstärkerwirkung
ähnlich derjenigen eines herkömmlich vorgespannten Transistors erhalten wird, obwohl die Emitter-Kollektor-Spannung
des Transistors geringer ist als seine Emitter-Basis-Spannung. Dieser Bereich umfaßt Emitter-KoIlektor-Spannungen,
die etwa halb so groß sind wie der normale Bereich der Emitter-Basis-Spannungen eines Transistors. Diese Tatsache ist es, die es erlaubt,
komplementäre Transistoren in Kollektor-Kollektor-Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer
Weise zu betreiben, bei welcher die Basis des einen Transistors auf etwa das selbe Ruhepotential vorgespannt
ist, wie der Emitter des anderen Transistors.
Durch die Gleichtakt-Rückkopplung werden die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 131 und
132 auf Werten gehalten, die charakteristisch für einen Kollektorstrom sind, der etwa halb so groß wie der von
der Stromquelle 123 gelieferte Strom ist. Diese an den
Basis-Emitter-Übergang des Transistors 133 gelegte Spannung bewirkt an diesem Transistor einen Kollektorstrom,
der zu den Kollektorströmen der Transistoren 131 und 132 in im wesentlichen dem gleichen Verhältnis
steht wie die effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche des Transistors 133 zu derjenigen des Transistors 131
bzw. 132. Dieser vom Transistor 133 geforderte Kollektorstrom wird als kombinierter Emitterstrom der
Transistoren 111 und 112 gezogen. (Diese Verbindung macht es leichter, die von den Stromquellen 127 und 128
gelieferten Ströme im wesentlichen gleich den Kollektorruheströmen der Transistoren 111 und 112 einzustellen.
Diese Einstellung kann dann indirekt dadurch geschehen, daß man die Stromquellen 127 und 128
maßstäblich zur Stromquelle 123 einstellt.) Um die Stärke der kombinierten (das heißt der Summe der)
Emitter-Ströme der Transistoren 111 und 112 einzustellen, kann die an den Emittern der Transistoren 111 und
112 erscheinende stabilisierte Spannung auch an einem Widerstand anstatt dem Transistor 133 angelegt
so werden.
Die F i g. 2 zeigt einen dem Verstärker 100 ähnlichen Verstärker 200, in welchem die Dioden 109 und 110
durch in Durchlaßrichtung gespannte Sperrschichtoder Flächendioden 209 und 210 ersetzt sind. Um die
Sättigung der Transistoren 131 und 132 zu verhindern, sind die Emitter-Potentiale der Transistoren 111 und
112 auf ein positiveres Niveau angehoben. Hierdurch sind auch die Potentiale an den Basen der Transistoren
111 und 112 und an den Anoden der Dioden 209 und 210
angehoben. Dies führt zu höheren Potentialen an den Kathoden der Dioden 209 und 210 (um die Offsetspannung
von etwa 0,65 Volt gegenüber den jeweiligen Anodenpotentialen), wodurch die Potentiale an den
Emittern der Transistoren 107 und 108 höher werden.
Die Basen der Transistoren 107 und 108 sind entsprechend im Potential angehoben.
Das Anheben dieser Potentiale geschieht durch Einfügung eines ohmschen Spannungsteilers 240, der
aus einem Widerstand 241 zwischen dem Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren 111 und 112 und
dem Verbindungspunkt der Basis-Elektroden der Transistoren 131 und 132 sowie aus einem Widerstand
242 besteht. Der Widerstandswert der Elemente des s Spannungsteilers wird niedrig im Vergleich zu den
kombinierten Basisimpedanzen der Transistoren 131 und 132 gewählt. Die Gleichtaktrückkopplungsschleife
stabilisiert das vom Ausgang des Spannungsteilers an die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 1311 und ι ο
132 gelegte Potential auf einen solchen Wert, daß diese Transistoren als Kollektorströme die Kollektorströme
der Transistoren 105 und 106 aufnehmen, wie es auch beim Verstärker nach F i g. 1 der Fall ist.
Die zusammengekoppelten Emitter der Transistoren 111 und 112 werden somit auf ein Potential stabilisiert,
welches höher liegt als das etwa 0,65 Volt hohe Potential
= ( #241 + #242 N .
V #242 J
am Ausgang des Spannungsteilers, und zwar um einen Faktor, der gleich ist dem Kehrwert des Verhältnisses
von seinem Ausgangspotential zu seinem Eingangspotential. Dieses Verhältnis beträgt bekanntlich Ä242/
(%4i + Λ242), wobei Ä24i und R2^ die Widerstandswerte
der Widerstände 241 und 242 sind. Indem man /?24i etwa
halb so groß wie Ä242 wählt, werden die Emitter der Transistoren 111 und 112 um etwa 1 Volt angehoben.
Dies führt zu einer optimalen Vorspannung der Basiselektroden der Transistoren 107 und 108 auf etwa
0,3 Volt über (das heißt positiver als) Massepotential. Durch Änderung des Verhältnisses von Ä241 zu Ä242 im
Sinne einer Verstellung des Teilungsverhältnisses des Spannungsteilers 240 können die Potentiale nach oben
oder nach unten verschoben werden. Beim Verstärker 200 gelten für die Basispotentiale VW und VW der
Transistoren 107 und 108 folgende Gleichungen:
_i I/ I/ V
Hierbei sind V209 und V210 die Spannungsabfälle an
den in Durchlaßrichtung gespannten Dioden 209 und 210.
Die Größe Ä241 + Ä242 wird so gewählt, daß ein
Spannungsabfall von 1 Volt an dieser Kombination nach dem Ohmschen Gesetz zu der gewünschten Höhe der
kombinierten Emitterströme der Transistoren 111 und 112 führt.
Die Dioden 209 und 210 sind als einfache Sperrschichtdioden dargestellt, sie können jedoch in Wirklichkeit
Transistoren in Diodenschaltung sein. Beispielsweise kann man hierzu jeweils einen NPN-Transistor
nehmen, dessen Basis und Kollektor zusammengeschaltet die »Anode« bilden und dessen Emitter-Elektrode
die »Kathode« darstellt.
Die Fig.3 zeigt einen Verstärker 300, der ähnlich
dem Verstärker 200 ausgebaut ist. Im Falle der F i g. 3 ist der Spannungsteiler 240 jedoch durch einen als
Emitterfolger geschalteten Transistor 341 mit einem Emitterwiderstand 342 ersetzt. In diesem Fall stabilisiert
die Gleichtakt-Rückkopplung das Potential an dem zusammengekoppelten Emittern der Transistoren 111
und 112 auf einen Wert, der gleich ist der Summe der
Basis-Emitter-Offsetspannungen des Transistors 341 und eines der Transistoren 131 und 132. Dies legt die
Basis-Elektroden der Transistoren Ul und 112 auf Potentiale VB\\\ und VJjIi2, die sich durch folgende
Gleichungen definieren lassen:
Um das Basispotential VW des Transistors 107 auf
etwa 0,5 Vbe\3\ und das Basispotential VW des
Transistors 108 auf etwa 0,5 VWi32 zu legen, muß an
jedem der Widerstände 309 und 310 eine Spannung von etwa 1,5 Vocoder 1 Volt abfallen, damit die Offsetspannungen
Vflfiio? und Vflfiioe an den Basis-Emitter-Übergängen
der Transistoren 107 und 108 höher werden. Diese Spannungsabfälle von 1,5 Vbe werden dadurch erzeugt,
daß man Kollektorströme geeigneten Werts aus Transistoren 325 und 326 fließen läßt.
Die F i g. 3 zeigt einen Weg, wie man dies erreichen kann. Ein Belastungswiderstand 351 wird dazu verwendet,
die Dioden 353 und 352 in Durchlaßrichtung zu spannen, so daß an diesen Dioden eine Spannung von
2 Vbe abfällt. Durch die Emitterfolger-Wirkung des Transistors 325 wird an den Widerstand 355 eine
Spannung von 1 Vbe gelegt. In ähnlicher Weise wird durch Emitterfolger-Wirkung des Transistors 326 eine
Spannung von 1 Vbe an den Widerstand 356 gelegt. Die Emitterströme der Transistoren 325 und 326 sind nach
dem Ohmschen Gesetz gleich 1 Vbe)'#355 und 1 Vbe/Rise,
wobei Ä355 und R3se die Widerstandswerte der Widerstände
355 und 356 sind. Die Kollektorströme der Transistoren «-mal so groß wie ihre Emitterströme. Für
PNP-Lateraltransistoren in integrierter Schaltung kommt die Stromverstärkung in Basisschaltung «pnp
dem Wert 1 nicht näher als etwa 0,9, und zwar wegen der parasitären Transistorwirkung auf das Substrat.
Trotzdem läßt sich das Verhältnis der Kollektorströme zu den Emitterströmen genau vorhersagen. Indem man
den Wert Ä309 des Widerstands 309 gleich 1,5 Α355/ΛΡΝΡ
macht und indem man den Wert Λ310 des Widerstands 310 gleich 1,5 Λ356/«ρνρ macht, wird an jedem der
Widerstände Rm und Ä310 ein Spannungsabfall von
1,5 Vbe erzeugt. Eine Vergrößerung der Verhältniswerte Λ309/Α355 und Ä310/Ä356 führt zu einer Verminderung der
Potentiale VW und VW an den Basen der Transistoren 107 und 108. Macht man die besagten Verhältniswerte
kleiner, dann erhöht sich VW und VW.
Der Widerstand 309 kann alternativ auch durch eine in Durchlaßrichtung gespannte Diode ersetzt werden,
die in Reihe mit einem Widerstand vom Wert 0,5 Λ355/ΛΡΝΡ geschaltet ist. An dieser Diode fällt eine
Offsetspannung von 1 Vbe ab, und am Widerstand fällt eine Spannung von 0,5 Vbe ab. In ähnlicher Weise kann
auch der Widerstand 310 durch eine in Durchlaßrichtung gespannte Diode ersetzt werden, die in Reihe mit
einem Widerstand vom Wert 0,5 TWäpnp geschaltet
ist. Ein Vorteil der in F i g. 3 gezeigten Schaltung und der
besagten alternativen Ausführungsform besteht darin, daß die kombinierten Emitterströme der Transistoren
111 und 112 durch eine als Konstantstromquelle ausgebildete Stromquelle 345 anstatt durch einen
Widerstand bestimmt werden können.
Bei einer anderen Alternative zu der in Fig.3
gezeigten Schaltung sind die zusammengekoppelten Emitter der Transistoren 111 und 112 wie im Falle der
F i g. 1 direkt mit den Basen der Transistoren 131 und 132 verbunden, während die Widerstände 309 und 310
se bemessen sind, daß an jedem von ihnen eine Spannung von 0,5 Vseabfällt.
Die F i g. 4 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach
F i g. 2, die dann nützlich ist, wenn die zur Verstärkung gelangenden Signale an den Basen der Transistoren 111
und 112 einen höheren Spitze-Spitze-Wert als 0,1 oder 0,2 Volt haben. Im Falle der F i g. 4 ist der Widerstand
241 aus Fig.2 durch zwei Widerstände 441a und 441Z>
ersetzt, die den doppelten Widerstandswert des Widerstands 241 haben. Die Widerstände 441a und 4416
wirken als Emittergegenkopplungswiderstände für die Transistoren 111 und 112. Ein die Emitter der
Transistoren Ul und 112 verbindender Widerstand kann dazu verwendet werden, das Maß der Emittergegenkopplung
zu vermindern, oder das durch diesen zusätzlichen Widerstand und die Widerstände 441a und
4416 gebildete π-Glied kann durch ein equivalentes
T-Glied ersetzt werden.
Die F i g. 5 zeigt, wie man den Summierungspunkt für
die Gleichtakt-Rückkopplung an eine Stelle vor den zusammengekoppelten Emitterelektroden der Transistoren
111 und 112 verlegen kann. Die Widerstände 509
und 510 sind so bemessen, daß sie die Hälfte des Widerstandswerts des Widerstands 556 haben, so daß
an ihnen eine Spannung von etwa 0,5 Vbe abfällt. Die Gleichtaktrückkopplung hält an den Basis-Emitter-Übergängen
der Transistoren 131 und 132 die Spannung 1 Vbe aufrecht Der Spannungsabfall von 1 Vbe am
Basis-Emitter-Übergang des Transistors 341 addiert sich mit dieser Spannung, um den Verbindungspunkt der
Widerstände 509 und 510 auf ein Potential 2 Vbe zu legen. Der Spannungsabfall von 0,5 Vbe an den
Widerständen 509 und 510 bewirkt, daß die Ruhepotentiale an den Emittern der Transistoren 107 und 108 und
an den Basen der Transistoren 111 und 112 auf 1,5 Vbe
liegen. Infolge der Offsetspannungen an den Basis-Emitter-Übergängen
der Transistoren 107 und 108 liegen dann die Basen dieser Transistoren auf 0,5 Vbe
Ruhepotentiale. Da die Transistoren 111 und 112 nicht in der Gleichtakt-Rückkopplungsschleife liegen, kann
der eine oder der andere von ihnen entbehrt werden, wenn nur ein Eintakt-Ausgangssignal gefordert wird.
Die in den Zeichnungen dargestellten verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung haben gewisse
Merkmale gemeinsam. Die emittergekoppe'te.T Transistoren
105 und 106 des Eingangs-Differenzverstärkers sind mit ihren Kollektoren an die Kollektoren der
emittergekoppelten Transistoren 131 und 132 angeschlossen, die vom komplementären Leitungstyp sind
ίο und deren Emitter mit einem Bezugspotential verbunden
sind. Es findet eine Potentialübersetzung von jeder Kollektor-Kollektor-Verbindung auf ein Potential statt,
welches einen ausreichenden Abstand vom Bezugspotential hat, um diese Verbindung an eine nachfolgende
Verstärkerstufe anschließen zu können. Hierauf erfolgt eine weitere Potentialübersetzung in der entgegengesetzten
Richtung auf die Basen der Transistoren 131 und 132. Hierdurch werden zwei Gegenkopplungsschleifen
geschlossen, die an einen solchen Punkt im Potentiai-Übersetzungsnetzwerk angeschlossen sind, daß sie nur
für Gleichtaktsignale wirksam werden. Die Gegenkopplung hält an den Transistoren 131 und 132 des
komplementären Leitungstyps eine Offsetspannung Vbe
aufrecht, so daß diese Transistoren Kollektorströme führen, die gleich sind den Kollektorströmen der mit
ihnen Kollektor an Kollektor verbundenen Transistoren 105 und 106 des Eingangs-Differenz-Verstärkers. Die
hinter den Kollektor-Kollektor-Verbindungen erfolgenden
Potentialübersetzungen oder -verschiebungen in Richtung fort vom Bezugspotential sind um wenige
zehntel Volt größer als die Potentialverschiebungen in Richtung zurück zum Bezugspotential für den Anschluß
an die Basen der Transistoren 131 und 132. Dies bringt die Kollektoren der Transistoren 131 und 132
gegenüber ihren Emittern auf eine Ruhespannung, die gerade etwas größer als die Sättigungsspannung ist
Hierdurch können die Transistoren des Eingangs-Differenz-Verstärkers
auf Basisspannungen gelegt werden, die gegenüber der Bezugsspannung nicht nur positiv,
sondern innerhalb eines begrenzten Bereichs auch negativ sein können. Hierzu benötigt man keine
spannungsübertragenden Elemente wie zum Beispiel Transistoren in Kollektorschaltung (Emitterfolger), um
die auf Masse bezogenen Eingangsklemmen 101 und 102 mit den Basen der emittergekoppelten Differenzverstärkertransistoren
105 und 106 zu verbinden. Man vermeidet somit das Rauschen und eingangsseitige
Offsetspannungsfehler, die solche Elemente mit sich bringen.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Transistorverstärker mit einer ersten und einer zweiten Eingangsklemme, einem ersten und einem
zweiten Transistor eines ersten Leitungstyps, die als emittergekoppelter Differenzverstärker geschaltet
sind und deren Basen mit der ersten bzw. der zweiten Eingangsklemme verbunden sind, ferner mit
einem dritten und einem vierten Transistor eines gegenüber den ersten beiden Transistoren entgegengesetzten
Leitungstyps, die mit dem ersten und dem zweiten Transistor ohne wesentliche dazwischenliegende
Impedanz in Kollektor-Kollektor-Verbindung stehen und deren Basen miteinander
verbunden sind und deren Emitter ohne wesentliche dazwischenliegende Impedanz mit. einem Bezugspotential
in Verbindung stehen, sowie mit einer Rückkopplungsschaltung, welche die Potentiale an
den Kollektor-Kollektor-Verbindungen zwischen dem ersten und dritten Transistor und dem zweiten
und vierten Transistor kombiniert, um ein Rückkopplungssignal an die Basis-Basis-Verbindung
zwischen dem dritten und vierten Transistor zu legen, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rückkopplungsschaltung (107, 109, 108,, 110, 111, 112, 133 oder 107, 209,108, 210, 111,112,240 oder
107, 108,509, 510, 541 oder 107, 309,108, 310,111,
112, 341 oder 107, 209, 108, 210, Ul, 112, 440) Pegelverschiebungsstufen aufweist, welche das an
der Kollektor-Kollektor-Verbindung zwischen dem ersten und dritten Transistor (105,131) erscheinende
Potential um einen Betrag V weiter vom Bezugspotential (Masse) fortverschieben und es dann um den
Betrag V minus einem Betrag, der im wesentlichen halb so groß ist wie die Basis-Emitter-Offsetspannung
des dritten Transistors, wieder zurück in Richtung des Bezugspotentials verschieben, und
welche das an der Kollektor-Kollektor-Verbindung zwischen dem zweiten und vierten Transistor (106,
132) erscheinende Potential um einen Betrag V weiter vom Bezugspotential (Masse) fortverschieben
und es dann um den Betrag V minus, einem Betrag, der im wesentlichen halb so groß ist wie die
Basis-Emitter-Offsetspannung des vierten Transistors, wieder zurück in Richtung des Bezugspotentials
verschieben, so daß die Ruhevorspannung an der Kollektor-Kollektor-Verbindung zwischen dem
ersten und dritten Transistor bzw. zwischen dem zweiten und vierten Transistor gegenüber dem w
Bezugspotential etwa halb so hoch ist wie die Basis-Emitter-Offsetspannung des dritten bzw. des
vierten Transistors und somit die Eingangsklemmen über einen das Bezugspotential mitumfassenden
Potentialbereich bewegt werden können, ohne den Betrieb des Transistorverstärkers zu stören.
2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen fünften und einen sechsten Transistor (107, 108) des ersten Leitungstyps, deren jeder als t>o
Emitterfolger geschaltet ist und deren Basen mit den Kollektoren des dritten bzw. vierten Transistors
verbunden sind;
einen siebten und einen achten Transistor (111,112) des zweiten Leitungstyps, die als emittergekoppelter
Differentialverstärker geschaltet sind und deren Emitter im wesentlichen direkt mit der Basis-Basis-Verbindung
des dritten und vierten Transistors (131,
132) verbunden sind;
eine erste und eine zweite Schottky-Diode (109, HO), deren erste zwischen dem Emitter des fünften
Transistors und der Basis des siebten Transistors liegt, um mindestens einen Teil des Emitterstroms
di=s fünften Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten, und deren zweite zwischen dem Emitter des
sechsten Transistors und der Basis des achten Transistors liegt, um mindestens einen Teil des
Emitterstroms des sechsten Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten.
3. Transistorverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen Spannungsteiler (240), an dessen Ausgangskreis 2/3 der seinem Eingangskreis angelegten
Spannung erscheint und dessen Ausgangskreis zwischen die Basis-Basis-Verbindung des dritten und
des vierten Transistors (131,132) und das Bezugspotential (Masse) geschaltet ist;
einen fünften und einen sechsten Transistor (107, 1(18) des ersten Leitungstyps, deren jeder als Emitterfolger geschaltet ist und deren Basen mit den Kollektoren des dritten und vierten Transistors verbunden sind;
einen fünften und einen sechsten Transistor (107, 1(18) des ersten Leitungstyps, deren jeder als Emitterfolger geschaltet ist und deren Basen mit den Kollektoren des dritten und vierten Transistors verbunden sind;
einen siebten und einen achten Transistor (111,112)
des zweiten Leitungstyps, die als emittergekoppelter Differentialverstärker geschaltet sind und deren
Emitter Tiber den Eingangskreis des Spannungsteilers mit dem Bezugspotential verbunden sind;
eine erste und eine zweite Flächendiode (209, 210) deren erste zwischen dem Emitter des fünften Transistors und der Basis des siebten Transistors liegt, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des fünften Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten, und deren zweite zwischen dem Emitter des sechsten Transistors und der Basis des achten Transistors liegt, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des sechsten Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten.
eine erste und eine zweite Flächendiode (209, 210) deren erste zwischen dem Emitter des fünften Transistors und der Basis des siebten Transistors liegt, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des fünften Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten, und deren zweite zwischen dem Emitter des sechsten Transistors und der Basis des achten Transistors liegt, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des sechsten Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten.
4. Transistorverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen fünften und einen sechsten Transistor (107, 108) des ersten Leitungstyps, deren jeder als
Emitterfolger geschaltet ist und deren !Basen mit den Kollektoren des dritten und vierten Transistors (131,
132) verbunden sind;
einen siebten, einen achten und einen neunten Transistor (111,112,341) des zweiten Leitungstyps,
wobei der siebte und der achte Transistor einen emittergekoppelten Differentialversliärker bilden
und der neunte Transistor als Emitterfolger geschaltet ist und mit seiner Basis an die Emitter des siebten
und des achten Transistors angeschlossen ist und mit seinem Emitter an die Basis-Basis-Verbindung des
dritten und vierten Transistors angeschlossen ist;
ein erstes ohmsches Element (309), welches zwischen den Emitter des fünften Transistors und die Basis des siebten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des fünften Transistors zu leiten, und welches so bemessen ist, daß dieser Teil des Emitterstroms des fünften Transistors an diesem Element einen Spannungsabfall von im wesentlichen der Hälfte der Basis-Emitter-Offsetspannungen der Transistoren hervorruft;
ein zweites ohmsches Element (310), welches zwischen den Emitter des sechsten Transistors und die Basis des achten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des
ein erstes ohmsches Element (309), welches zwischen den Emitter des fünften Transistors und die Basis des siebten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des fünften Transistors zu leiten, und welches so bemessen ist, daß dieser Teil des Emitterstroms des fünften Transistors an diesem Element einen Spannungsabfall von im wesentlichen der Hälfte der Basis-Emitter-Offsetspannungen der Transistoren hervorruft;
ein zweites ohmsches Element (310), welches zwischen den Emitter des sechsten Transistors und die Basis des achten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des
sechsten Transistors zu leiten, und welches so bemessen ist, daß dieser Teil des Emitterstroms des
sechsten Transistors an diesem Element einen Spannungsabfall von im wesentlichen gleich der
Hälfte der Basis-Emitter-Offsetspannjngen der Transistoren hervorruft
5. Transistorverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch
ein erstes ohmsches Element (242), welches zwischen das Bezugspotential (Masse) und die Basis-Basis-Verbindung
des dritten und des vierten Transistors (131,132) geschaltet ist;
ein zweites und ein drittes ohmsches Element (441a.
44IuJi deren jedes mit seinem ersten Ende an die
Basis-Basis-Verbindung des dritten bzw. des vierten Transistors angeschlossen ist und zwischen seinem
ersten und seinem zweiten Ende einen Widerstandswert darstellt, der im wesentlichen gleich dem
Widerstandswert des ersten ohmschen Elements ist; einen fünften und einen sechsten Tranaistor (107,
108) des ersten Leitungstyps, deren jeder als Emitterfolger geschaltet ist und deren Basen mit den
Kollektoren des dritten und vierten Transistors verbunden sind;
einen siebten und einen achten Transistor (111,112)
des zweiten Leitungstyps, deren Emitter mit den zweiten Enden des zweiten bzw. dritten ohmschen
Elements verbunden sind und deren Kollektoren an einem Betriebspotential liegen;
eine erste und eine zweite Flächendiode (209, 210), deren erste zwischen den Emitter des fünften Transistors und die Basis des siebten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des fünften Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten, und deren zweite zwischen den Emitter des sechsten Transistors und die Basis des achten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des sechsten Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten.
eine erste und eine zweite Flächendiode (209, 210), deren erste zwischen den Emitter des fünften Transistors und die Basis des siebten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des fünften Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten, und deren zweite zwischen den Emitter des sechsten Transistors und die Basis des achten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des sechsten Transistors in Durchlaßrichtung zu leiten.
6. Transistorverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen fünften und einen sechsten Transistor (107, 108) des ersten Leitungstyps, deren jeder als
Emitterfolger geschaltet ist und deren Basen mit den Kollektoren des dritten bzw. vierten Transistors
verbunden sind;
einen siebten Transistor (341) des zweiten Leitungstyps, der als Emitterfolger geschaltet ist und dessen
Emitter an die Basis-Basis-Verbindung des dritten und vierten Transistors (131,132) angeschlossen ist;
ein erstes ohmsches Element (509), welches zwischen den Emitter des fünften Transistors und die Basis des
siebten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des fünften Transistors
zu leiten, und welches so bemessen ist, daß dieser Teil des Emitterstroms des fünften Transistors an
ihm einen Spannungsabfall von im wesentlichen der Hälfte der Basis-Emitter-Offsetspannungen der
Transistoren hervorruft;
ein zweites ohmsches Element (510), welches zwischen den Emitter des sechsten Transistors und
die Basis des siebten Transistors geschaltet ist, um mindestens einen Teil des Emitterstroms des
sechsten Transistors zu leiten und welches so bemessen ist, daß dieser Teil des Emitterstroms des
sechsten Transistors an ihm einen Spannungsabfall von im wesentlichen gleich der Hälfte der Basis-Emitter-Offsetspannungen
der Transistoren hervor-
ruft.
7. Transistorverstärker nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen achten und einen neunten
Transistor (111, 112) des zweiten Leitungstyps, die als eniittergekoppelter Differenzverstärker geschaltet
sind, wobei die Basis des achten Transistors mit dem Emitter des fünften Transistors und die
Basis des neunten Transistors mit dem Emitter des sechsten Transistors verbunden ist.
8. Transistorverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste und die zweite EingangskJemme (101,102) auf
ein Ruhepotential vorgespannt sind, welches das Bezugspotential ist
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DE2529966C3 DE2529966C3 (de) | 1979-04-05 |
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ID=23931141
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