DE2530601C3

DE2530601C3 - Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2530601C3
Application number: DE2530601A
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan van de Eindhoven Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-07-22
Filing date: 1975-07-09
Publication date: 1981-11-26
Also published as: FR2280248A1; US4013973A; JPS5617851B2; DE2530601A1; CA1022246A; FR2280248B1; NL7409851A; JPS5135265A; GB1513024A; DE2530601B2; IT1044524B

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit einem ersten Eingangsstromkreis und einem Ausgangsstromkreis, in welchem die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors und eines ersten Halbleiterübergangs angeordnet ist, wobei dieser erste Halbleiterübergang den Basis-Emitter-Übergang eines zweiten Transistors überbrückt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in dem ersten Eingangsstromkreis angeordnet und dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors gekoppelt ist, während ein zweiter Eingangsstromkreis dadurch gebildet wird, daß ein Eingangsanschlußpunkt mit einem Punkt der Verbindungsleitung zwischen dem Emitter des ersten Transistors und dem ersten Halbleiterübergang verbunden ist,

Eine derartige Verstärkerschaltung ist aus der niederländischen Offenlegungsschrift 69 15 <<77 bekannt und eignet sich besonders gut zur Anwendung als Steuerverstärker in integrierten Operationsverstärkern.

Bei bekannten Operationsverstärkern sorgt ein als Stromquelle geschalteter Transistor für die Ruhestromeinstellung einer »Klasse-B«-Endstufe. Die Kollektorkapazität Cdieses Transistors beschränkt die Bandbreite der Endstufe, indem diese Kapazität die Höchstgeschwindigkeit mitbestimmt, mit der die Kollektorspannung dieses Transistors der Signalspannung folgen kann. Denn für die Spannung Küber einem Kondensator Cgilt;

AV

Ut

wobei / den den Kondensator durchfließenden Strom und t die Zeit darstellt Aus diesem Ausdruck geht hervor, daß die Höchstgeschwindigkeit dadurch vergrößert werden kann, daß der Kondensatorstrom / vergrößert wird Bei der genannten Endstufe kann dies dadurch erfolgen, daß bei hohen Signalfrequenzen die Stromquelle mit dem zu verstärkenden Signal gesteuert wird. Dadurch hat sich der Bedarf an einem Steuerverstärker mit mindestens zwei Ausgangssignalströmen ergeben, welche Ausgangssignalströme Größen haben, die ein konstantes Verhältnis zueinander ajfweisen sollen, ungeachtet der Größe der Ströme durch die beiden Eingangsstromkreise. Bei der bekannten Verstärkerschaltung kann dies dadurch erzielt werden, daß der Ausgangssignalstrom einem Stromspiegel mit mehreren Ausgängen zugeführt wird.

Abgesehen von der Anzahl Transistoren weist diese Lösung den Nachteil auf, daß die Transistoren dieses Stromspiegels von einem dem der Transistoren des zuerst genannten Verstärkers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind. Bekanntlich werden solche. (meist pnp-)Transistoren in integrierten Schaltungen aus technologischen Gründen als laterale Transistoren ausgebildet, die vor allem in bezug auf ihre Hochfrequenzeigenschaften erheblich schlechter als die genannten ersten und zweiten als vertikale Transistoren ausgebildeten (meist npn-)Transistoren sind.

Die Erfindung bezweckt, auf einfache Weise die bekannte Verstärkerschaltung mit mindestens einem zusätzlichen Ausgang zu versehen, wobei die entstandene Gesamtschaltung nur Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors mit der Basis eines dritten Transistors und über einen zweiten Halbleiterübergang mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, wobei der Emitter dieses dritten Transistors mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist, während dem Kollektor des dritten Transistors ein zweiter Ausgangssignalstrom entnommen werden kann.
Zwar ist es aus der DE-OS 23 09 154 (Fig. 1) bekannt, die Basis-Elektroden zweier Transistoren mittels einer Diode zu verbinden und es ist aus der DE-OS 23 37 138 (Fig. 6) bekannt, parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors den Basis-Emitter-Übergang eine< anderen Transistors zu schallen, aber keine dieser

« bekannten Schaltungen ist in der Lage, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe zu lösen. Durch die Fig. 2 der DE-OS 23 63 625 ist es ferner bekannt, den Halbleiterübergang in Serie zu demjenigen Verstärkertransistor zu schalten, der nicht als Diode

so geschaltet ist.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkers nach der Erfindung, und

Fig.2 ein Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verstärkers.

Der Verstärker nach F i g. 1 besteht aus einem ersten Transistor Γι. dessen Basis mit einem ersten Eineanes-

ansehlußpunkt t, dessen Emitter mit einem zweiten Eingangsanschlußpunkt 2 und dessen Kollektor mit einem ersten Ausgangsanschlußpunkt 3 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 7) ist außerdem mit der Basis und dem Kollektor eines als Diode geschalteten Transistors D_x verbunden, dessen Emitter mit dem Emitter eines Transistors T₂ verbunden ist Die Basis des Transistors 7} ist mit der Basis des als Diode geschalteten Transistors A und der Kollektor ist über einen als Diode geschalteten Transistor D₂ mit der Basis des Transistors T₁ verbunden. Der Kollektor des Transistors Ti ist mit der Basis eines Transistors T₃ verbunden, dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors T₂ und dessen Kollektor mit einem zweiten Ausgangsanschlußpunkt 4 verbunden ist. Auf die in der Figur angegebene Weise fließen durch die Anschlußpunkte 1,2.3 und 4 Ströme I_x, I₂, h bzw. h.

Werden die Basisströme der verschiedenen Transistoren vernachlässigt und gilt, daß die Emitteroberfläche des Transistors Ti gleich der Emitteroberfläche des als Diode geschalteten Transistors D\ ist, so ist, wenn die Schaltung als integrierte Schaltung ausgeführt ist, der Strom I_x, der die Kollektor-Emitter-Strecke- des Transistors Ti durchfließt, gleich dem Strom I₂ + h, der den als Diode geschalteten Transistor D\ durchfließt Durch den als Diode geschalteten Transistor D₂ fließt also derselbe Strom wie durch den als Diode geschalteten Transistor D_x. Weiter ist die Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 71 und der Spannung über dem als Diode geschalteten Transistor D_x gleich der Summe der Spannung über dem als Diode geschalteten Transistor D₂ und der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₃. Wenn die Emitteroberflächen der als Dioden geschalteten Transistoren D_x und D₂ einander gleich sind, sind die Spannungen über diesen als Dioden geschalteten Transistoren einander gleich und es gilt daß die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₃ gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 71 ist Der Ausgangsstrom /4, der die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ts durchfließt steht dann in einem festen Verhältnis zu dem Ausgangsstrom I₃, der durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T_x fließt und gleich /1 -1₂ ist. Wenn die Emitteroberflächen der Transistoren T_x und T3 einander gleich sind, ist das genannte feste Verhältnis gleich 1.

Wenn die genannten Emitteroberflächen ungleich sind, ist das genannte Verhältnis gleich dem Verhältnis der Emitteroberflächen der Transistoren T_x und T₃.

Die Schaltung nach Fig. 1 kann auf einfache Weise mit mehreren Ausgängen erweitert werden, dadurch, daß parallel zu dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors T₃ die Basis-Emitter-Übergänge mehrerer Transistoren angeordnet werden, was in integrierten Schaltungen in der Regel dadurch erzielt wird, daß der Transistor T₃ durch einen Mehrkollektortransistor ersetzt wird. Grundsätzlich kann diese Maßnahme auch bei dem Transistor T_x angewandt werden. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß die Summe der (Mehr)Kollektorströme gleich dem Unterschied zwischen den beiden Eingangsströmen ist.

Wie bereits bemerkt wurde, kann die Schaltung nach F i g. I als Steuerverstärker in Operationsverstärkern Anwendung finden, wobei die Stromquelle, die die Ruhestromeinstellung der Endstufe bestimmt, für hohe Frequenzen mit dem zu verstärkenden Signal gesteuert werden soll. Außerdem wild in Operationsverstärkern zum Erhalten einer geeigneten Verstärkungsabnahme bei hohen Frequenzen sin Vorverstärker von einem Kondensator überbrückt Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung werden beide Maßnahmen kombiniert und wird außerdem die genannte Stromquelle mit der Schaltung nach der Erfindung kombiniert, wie aus der Beschreibung der Fig.2 hervorgeht

F i g. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers. Der Verstärker, der innerhalb des gestrichelten Blockes 13 dargestellt ist, ist mit den gleichen Bezugsbuchstaben und -ziffern wie in F i g. 1 versehen. Die Schaltung nach Fig.2 weist einen Signaleingangsanschlußpunkt 9 auf, der über einen Vorverstärker 14 mit einem Eingangsanschlußpunkt 5 einer Stromspiegelschaltung verbunden ist die innerhalb des gestrichelten Blockes 10 dargestellt ist Dieser Eingangsanschlußpunkt 5 ist außerdem über eine innerhalb des gestrichelten Blockes 11 dargestellte Stromquelle.ischaltung mit dem ersten Eingangsan-

schlußpunkt 1 der Schaltung naci; der Erfindung verbunden. Der erste AusgangsanschluCpunkt 3 der erfindungsgemäßen Schaltung ist mit dem Ausgangsanschlußpunkt 6 der Stromspiegelschaltung 10 verbunden. Dieser Ausgangsanschlußpunkt 6 ist zugleich mit dem Eingangr^;anschlußpunkt 7 einer Endstufe verbunden, die innerhalb des gestrichelten Blockes 12 dargestellt ist. Der Eingangsanschlußpunkt 9 ist zugleich über einen Kondensator C mit dem Eingangsanschlußpunkt 2 der Schaltung nach der Erfindung verbunden.

Die Stromquellenschaltung 11 enthält zwei parallele Strombahnen, die über eine aus Transistoren Tt und 7} und einem als Diode geschalteten Transistor D» bestehende Stromspiegelschaltung miteinander gekoppelt sind, so daß die die beiden Strombahnen durchfließenden Ströme in einem festen gegenseitigen Verhältnis stehen. In der einen Strombahn ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 7t> angeordnet, dessen Basis-Emitier-Übergang von der in der anderen Strombahn angeordneten Reihenschaltung

■»ο eines Widerstandes 18 und eines als Diode geschalteten Transistors D5 überbrückt wird, wobei die Emitteroberfläche des letzteren Transistors in bezug auf die Emitteroberfläche des Transistors Tg vergrößert wird, was symbolisch mit dem mehrfachen Emitterpfeil angedeutet ist. Dadurch, daß die beiden Ströme über den Stromspiegel miteinander gekoppelt sind, besteht nur ein einziges System von Strömen, ausgenommen die Ströme gleich Null, für die die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 7g gleich der Spannung über der Reihenschaltung der-Diode D₅ und des Widerstandes 18 ist, wodurch die Schaltung innerhalb des Blockes 11 eine Stromquelle bildet.

Die Stromspiegelschaltung 10 besteht aus einem Eingangskreis, der den Eingangsanschlußpunkt 5 mit einem positiven Speisungsanschlußpunkt 20 verbindet, und aus einem Ausgangskreis, der den Ausgangsanschlußpunkt 6 mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt 20 verbindet. In dem Ausgangskreis ist die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T% und eines als Diode geschalteten Transistors D₃ angeordnet. Die Diode D₃ überbrückt den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors T_t, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in dem Eingangskreis angeordnet ist. Die St-omspiegelwirkung basiert auf der

^6!/ Gleichheit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Ta und der Spannung über der Diode D₃.

Die Endstufe 12 enthält zwischen den Speisungsanschlußounkten 20 und 21 die eeeensinniee Reihenschal-

tung zweier Transistoren Tn und T_n, deren Emitter über die Emitterwiderstände 16 bzw. 17 mit einem AusgangsanschluOpunkt 8 verbunden sind. Die Basis des Transistors T_n ist mit der Basis eines Transistors T_w verbunden, dessen Kollektor mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt 20, dessen Basis mit dem Eingangsanschlußpunkt 7 der Endstufe und dessen Emitter über einen als Diode geschalteten Transistors Df, mit der Basis des Transistors Tn verbunden ist. Die Basis des Transistors T_]2 ist außerdem mit dem Kollektor des Transistors T₁ verbunden, welcher Kollektor über eine Streukapazität 19 mit dem negativen Speisungsanschlußpunkt 21 verbunden ist, der in integrierten Schaltungen meist durch das Substrat gebildet wird. Ebenso ist der Kollektor des Transistors T\ über eine Streukapazität 22 mit dem negativen Speisungsanschlußpunkt 21 verbunden. Führt der Transistor Tj einen konstanten Strom, so ist der Spannungsunterschied zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren 71, und Tn konstant. Wenn eine Signalspannung dem Eingangsanschlußpunkt 7 zugeführt wird, ist diese Signalspannung sowohl an der Basis des Transistors Tn als auch an der Basis des Transistors Tn vorhanden. Bei einem periodischen Signal werden die Transistoren T_tl und Tn wechselweise und im Gegentakt dieses Signal verstärken. Dem AusgangsanschluBpunkt 8 kann Signalstrom entnommen werden.

Für Niederfrequenzsignale an dem Eingangsanschlußpunkt 9 bildet der Kondensator 15 eine hohe Impedanz. Demzufolge wird dem Eingangsanschlußpunkt 2 der Schaltung nach der Erfindung kein Eingangssignal zugeführt. Da durch den Eipgangsanschlußpunkt 1 der konstante Strom der Stromquellenschaltung U fließt, ist sowohl der den Ausgangsanschlußpunkt 3 durchfließende als auch der den Ausgangsanschlußpunkt 4 durchfließende Strom konstant. Der Transistor T₃ wirkt also bei Niederfrequenzsignalen als eine konstante Stromquelle für die Endstufe 12 und der Transistor 7Ί wirkt als aktive Kollektorimpedanz für den Transistor Ti. Das vom Vorverstärker 14 verstärkte Niederfrequenzsignal fließt zusammen mit dem von der Stromquellenschaltung 11 gelieferten Su um uuiuii ücii Eingangskreis der Stromspiegelschaltung 10. Durch den Ausgangsstromkreis der Stromspiegelschaltung 10 fließt somit ein konstanter Strom und Signalstrom. Dieser Signalstrom führt eine Signalspannung am Eingangsanschlußpunkt 7 der Endstufe infolge der Kollektorimpedanz des Transistors T₅ herbei, welche Kollektorimpedanz aus der Eingangsimpedanz der Endstufe 12 und der Kollektoreingangsimpedanz des Transistors T, aufgebaut ist. Die Streukapazität 22 übt bei diesen niedrigen Frequenzen keinen Einfluß auf

die Impedanz aus. Da durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ti₀ und durch die Diode D₆ der konstante Kollektorstrom des Transistors T₃ fließt, tritt zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren Tw und Tn ein konstanter Spannungsunterschied auf, so daß die am Eingangsanschlußpunki 7 vorhandene Spannung auch an der Basis des Transistors Tn vorhanden ist.

Für Hochfrequenzsignale bildet die Reihenschaltung des Kondensators 15 und der Diode D₁ eine verhältnismäßig niedrige Impedanz in bezug auf die Impedanz des Vorverstärkers 14, so daß dieser Vorverstärker keinen Eingangssignalstrom empfängt. Dem Eingangsanschlußpunkt 5 der Stromspiegelschaltung 10 wird also kein Signalstrom, sondern nur der konstante Strom der Stromquellenschaltung 11 zugeführt. Demzufolge ist der Kollektorstrom des Transistors Ti konstant und bildet dieser Transistor eine aktive Kollektorimpedanz für den Transistor Ti. Der Eingangssignalstrom am Eingangsanschlußpunkt 9 wird über den Kondensator IS Hern Eingangsanschlußpunkt 2 der Schaltung nach der Erfindung zugeführt, während dem Eingangsanschlußpunkt 1 der konstante Strom der Stromquellenschaltung 11 zugeführt wird. Durch den Kollektorkreis des Transistors T_t fließt also ein konstanter Strom und Signalstrom, welcher Signalstrom eine Signalspannung am Anschlußpunkt 7 der Endstufe 12 infolge der Kollektorimpedanz des Transistors Ti hervorruft, welche Kollektorimpedanz im wesentlichen durch die Streukapazität 22 bestimmt wird. Durch den Kollektorkreis des Transistors Tj fließt ein gleicher konstanter Strom und Signalstrom, welcher Signalstrom eine Signalspannung über der Streukapazität 19 hervorruft, wodurch der Kollektor des Transistors Tj und also die Basis des Transistors Ti₂ der Signalspannung am Eingangsanschlußpunkt 7 besser folgt. Eine optimale Situation ergibt sich, wenn die Streukapazität 19 in der gleichen Größenordnung wie die Streukapazität 22 liegt. Die Streukapazität 22 wird im wesentlichen durch die Kapazität der Kollektorinsel des npn-Transistors Ti in bezug auf das Substrat gebildet, während die Streukapazität 19 aus der Kapazität der Kollektorinsel des npn-Transistors Tj in bezug auf das Substrat und aus ucii Kapazitäten uci

üci μιιμ-TiaiiMMuicii

und Tu in bezug auf das Substrat besteht, wodurch die Streukapazität 19 größer als die Streukapazität 22 sein wird. In diesem Falle kann eine optimale Situation erhalten werden, indem dementsprechend die Emitteroberfläche des Transistors Tj in bezug auf die Emitteroberfläche des Transistors Ti vergrößert wird, so daß das Verhältnis zwischen Streukapazität und Signalstrom für beide Transistoren gleich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Verstärkerschaltung mit einem ersten Eingangsstromkreis und einem Ausgangsstromkreis, in welchem die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors und eines ersten Halbleiterübergangs angeordnet ist, wobei dieser HalbleiterObergang den Basis-Emitter-Übergang eines zweiten Transistors überbrückt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in dem ersten Eingangsstromkreis angeordnet und dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors gekoppelt ist, während ein zweiter Eingangsstrorokreis dadurch gebildet wird, daß ein Eingangsanschlußpunkt mit einem Punkt der Verbindungsleitung zwischen dem Emitter des ersten Transistors und dem ersten Halbleiterübergang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (Tj) mit der Bans eines dritten Transistors (T₃) und über einen zweiten Halbleiterübergang (D₂) mit der Basis des ersten Transistors (T\) verbunden ist, wobei der Emitter dieses dritten Transistors (T₃) mit dem Emitter des zweiten Transistors (T₂) verbunden ist, während dem Kollektor des dritten Transistors ("ft) ein zweiter Ausgangssignalstrom entnommen werden kann.
2. Anwendung des Verstärkers nach Anspruch 1 in einem Operationsverstärker, in dem der eine Eingangsanschlußpunkt (2) des Verstärkers (13) über ein Hochpaf-.etzwerk (15) mit dem Eingangsanschlußpunkt (9) des Operationsverstärkers verbunden ist, während der andere Eingangsanschlußpunkt (1) des Verstärkers (13) mit einer Stromquellenschaltung (11) im Eingangskreis des Operationsverstärkers verbunden ist und der eine Ausgangsanschlußpunkt (3) des Verstärkers an den Eingang (7) eines Gegentaktverstärker (T\o, 711, T^) angeschlossen ist und der dritte Transistor (Ty) des Verstärkers in Reihe mit dem Ruhestromeinstellkreis (D₆, Γιο) des Gegentaktverstärker geschaltet ist.