DE2533421A1

DE2533421A1 - Monolithischer verstaerker

Info

Publication number: DE2533421A1
Application number: DE19752533421
Authority: DE
Inventors: Robert D Fennell
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1974-08-19
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1976-03-04
Also published as: US3999139A; CA1032232A; JPS5145962A; GB1470736A

Description

Die Erfindung betrifft einen monolithischen Verstärker und "bezieht sich insbesondere auf einen alternierend gestockten ZF-Verstärker.

Transistorverstärker mit direkter Emitterkopplung, bei welchen Vorspannungsströme und die Verstärkung durch eine Konstantstromquelle gesteuert sind, welche mit der gemeinsamen Emitterklemme verbunden ist, sind im Stand der Technik bekannt und sind als integrierte Schaltungen weit verbreitet. Solche Verstärker sind dafür bekannt, daß sie große Signale verarbeiten können und daß sie stabile Verstärkungs- und Vorspannungspegeleigenschaften haben. Solche Verstärker haben jedoch begrenzte absolute Werte der Rauschzahl und der Verstärkung, und zwar aufgrund des Widerstandes und der Rauscheigenschaften der Konstantstromquelle. Verstärker mit Emitterkopplung haben weiterhin kein gutes Hochfrequenzverhalten, und zwar aufgrund

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des Miller-Kapazitätseffektes, und sie sind in ihrem Stromverbrauch nicht wirtschaftlich.

Eine Transistorkaskodenstufe, welche als Verstärker in Emitterschaltung definiert werden kann, deren Ausgang direkt mit dem Eingang einer Verstärkerstufe in Basisschaltung verbunden ist, ist im Stand der Technik ebenfalls bekannt. Kaskodenstufen haben ein gutes Hochfrequenzverhalten, einen geringen Rauschpegel, und sie sind, in ihrem Stromverbrauch sehr wirtschaftlich. Jedoch sind Kaskodenstufen nicht dazu geeignet, große Signale zu verarbeiten. Wenn sie durch eine Konstantstromquelle vorgespannt sind, weisen Kaskodenstufen eine stabile Verstärkungscharakteristik auf , jedoch nur.dann, wenn das Eingangssignal ausreichend klein.ist, so daß der Betrieb der Konstantstromquelle nicht nennenswert beeinträchtigt wird.

Es ist auch b-ereits eine Kaskodenstufe mit einem Emittergekoppelten !transistor kombiniert worden, jedoch nur dann, wenn der Emitter-gekoppelte Transistor mit der Aus gangs einrichtung der Kaskodentftüfe gekoppelt war. Der Emitter-gekoppelte Transistor wurde als automatische Verstärkungsregelung verwendet und behält den wirtschaftlichen Stromverbrauch einer Kaskodenkonfiguration bei, erhöht jedoch die Signalverarbeitungsmöglichkeiten äes KasÄödenverstärkers nicht.

Die Zusammenschaltung von Verstärker in einer Kaskade ist allgemein üblich und führt zu einer Multiplikation der Verstärkung der einzelnen Verstärkerstufen,. während zugleich eine direkte Kopplung der Verstärkerstufen möglich ist. Eine Kaskadenschaltung führt dazu, daß jeder Verstärker einen getrennten Strom zieht, und somit ist eine Kaskadenschaltung im Stromverbrauch nicht wirtschaftlich. Eine Kaskodenschaltung von Verstärkern ist ebenfalls bekannt, welche im Stromverbrauch zwar wirtschaftlich

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ist, jedoch keine direkte Kopplung einzelner Stufen ermöglicht. Eine gestockte Kaskodenanordnung von Verstärkern erfordert auch einen höheren Wert des Spannungspotentials als eine entsprechende Kaskadenanordnung von Verstärkern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verstärker der oben erläuterten Art zu schaffen, bei welchem der GesamtStromverbrauch minimal ist, während zugleich die Potentialquelle eine minimale Größe haben soll, welche zur Energieversorgung des Verstärkers benötigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind drei Kaskodestufen gleichspannungsmäßig bzw. gleichstrommäßig direkt miteinander gekoppelt, und zwar in einer Kaskade-Kaskode-Kombination, wobei die dritte Kaskodenstufe auf die erste Kaskodenstufe aufgestockt ist. Durch diese gestockte Anordnung wird der Gesamtstrom auf ein Minimum gebracht, welcher von der Anordnung gezogen wird, und der Wert der erforderlichen Spannungsversorgung, die zum Betrieb der drei Verstärkerstufen dient, wird ebenfalls auf ein Minimum gebracht, während zugleich eine direkte Kopplung der drei Verstärkerstufen möglich ist.

Gemäß der Erfindung hat die erste Kaskodenstufe einen direkten Emitter-gekoppelten Transistor, welcher mit dem Eingangstransistor eines Kaskodentransistorpaares verbunden ist, wobei die Vorspannungspegel durch eine Konstantstromquelle festgelegt sind, die mit den Emitterklemmen des Emittergekoppelten Transistorpaares verbunden ist, und wobei die Emitterklemme des Eingangs-Kaskodentransistors mit der

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Masse durch einen Kondensator gekoppelt ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung vereinigt die Vorteile des rauscharmen Kaskodeverstarkers mit den Vorteilen eines durch einen Konstantstrom gesteuerten Emitter-gekoppelten Verstärkers. Das Rauschen der Konstantstromquelle wird wirksam durch den EQf -Kondensator an Masse unterdrückt, und der Emittergekoppelte Transistor führt bei der Kaskodenstufe zu der Möglichkeit, starke Signale zu verarbeiten, ohne daß der Betrieb der 'Eonstantstromquelle gestört wird. Es werden eine konstante Spannung in bezug auf die Masse bzw. Erde, welche durch eine Reihenschaltung von Dioden erzeugt wird, und ein Konstantstrom, welcher durch eine Stromspiegelung, die unabhängig von der Spannungsversorgung erzeugt wird, dazu verwendet, die Verstärkung des Kaskodeverstärkers in bezug auf Energieversorgungsschwankungen zu stabilisieren. Eine spezielle Verwendung von Dioden und Transistoren als Einrichtungen für Gleichspannungsmäßige bzw. wechselspannungsmäßige Erdverbindungen und eine gleichspannungspegelverSchiebung ist ebenfalls vorgesehen, wobei die Dioden auch zur Vorspannung eines Kaskodeverstarkers dienen.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Verstärkereinheit, welches die bekannte Kaskadenmethode veranschaulicht, drei Verstärkerstufen miteinander zu verbinden,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Verstärkereinheit, welche die bekannte Kaskodemethode veranschaulicht, drei Verstärkerstufen miteinander zu verbinden,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Verstärkereinheit, welche die erfindungsgemäße Kaskade/Kaskode-Stockmethode veranschaulicht, drei Verstärkerstufen miteinander zu verbinden, und

Fig. 4 ein Schaltschema einer monlithisehen integrierten Schaltung, welche eine Ausführungsform der Erfindung darstellt.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm von drei identischen Verstärkereinheiten 10, 15 und 20. Da die einzelnen Verstärkereinheiten identisch sind, wird nur der Verstärker 10 nachfolgend im einzelnen näher erläutert. Der Verstärker 10 weist eine Eingangsklemme 11, eine Ausgangsklemme 13, eine erste Klemme 14 zur Stromaufnahme und eine zweite Klemme 12 zur Stromrückführung auf. Im wesentlichen wird der gesamte Strom, welcher dazu erforderlich ist, den Verstärker 10 zu betreiben, an der Klemme 14- aufgenommen, und diese Klemme 14 stellt somit die Quelle des höchstens Potentials im Verstärker 10 dar. Im wesentlichen wird der gesamte Strom beim Verstärker 10 über die Klemme 12 abgeführt, und somit stellt die Klemme 12 die Quelle des

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niedrigstens Potentials im Verstärker 10 dar. Die Klemmen 16, 17, 18 und 19 des Verstärkers 15 und die Klemmen 21, 22, 23 und 24 des Verstärkers 20 entsprechen jeweils den Klemmen 11, 12, 13 und 14 des Verstärkers 10.

Eine bestimmte Menge an Strom I ist erforderlich, um einen ordnungsgemäßen Betrieb όedes Verstärkers zu gewährleisten. Wenn der Verstärker 10 ordnungsgemäß betrieben wird, liegt die Klemme 11 um eine feste Gleichspannung A oberhalb der Klemme 12, die Spannung an der Klemme 13 liegt um einen festen Pegel B oberhalb der Spannung an der Klemme 11, und die Spannung an der Klemme' 14 liegt um einen festen Pegel C oberhalb der Spannung an der Klemme 13· Der Verstärker 10 könnte in alternative?* Weise auch derart ausgelegt sein, daß die erste Klemme die Stromrückführklemme ist und ein niedriges Potential hat und die. zweite Klemme die Stromaufnahmeklemme ist und ein hohes Potential hat. Dann wäre die Festlegung der relativen Spannungspegel ähnlich. Das Verstärkungsmaß des Verstärkers ist G. Es sei angenommen, daß die Eingangsklemme des Verstärkers 10 einen vernachlässigbaren Eingangsstrom zieht. Die Spannungspegelunterschiede und das Verstärkungsmaß gemäß der obigen Beschreibung bezüglich des Verstärkers 10 entsprechen auch den Spannungspegelunterschieden und dem jeweiligen Verstärkungsmaß bei den Verstärkern 15 und 20.

Eine bekannte direkt gekoppelte Kaskadenschaltung der Verstärker 10, 15 und 20 ist in der Fig. 1 dargestellt. Die Ausgangsklemme 13 des Verstärkers 10 ist mit der Eingangsklemme 16 des Verstärkers 15 verbunden, und die Ausgangsklemme 18 des Verstärkers 15 ist mit der Eingangsklemme 21 des Verstärkers 20 verbunden. Dies führt dazu, daß die Verstärkung aller drei Verstärker miteinander multipliziert wird, so daß die Gesamtverstärkung der

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Anordnung G^ ist. Der Gesamtstrom, welcher erforderlich ist, um die in Kaskade geschalteten Verstärker zu betreiben, ist 31, und die Spannung an der Klemme 24 (welche das höchste Potential hat, das für alle drei Kaskadenstufen erforderlich ist), ist größer als die Spannung an der Klemme 12 (welche das niedrigste Potential der drei Kaskadenstufen hat), und zwar um A+3B+C. Somit benötigt eine direkt gekoppelte Kaskadenschaltung von drei identischen Verstärkern einen Strom von 31 und eine Spannung von A+3B+C, um eine Verstärkung von Q^ zu liefern.

Die Fig. 2 zeigt eine bekannte gestockte Kaskodenanordnung. Die Verstärker 10', 15* und 20' sind jeweils mit den Verstärkern 10, 15 und 20 identisch. Der Apostroph deutet jeweils an, daß eine andere Schaltungskonfiguration vorhanden ist. Bei dieser Konfiguration ist die Klemme 14-' des Verstärkers 10' mit der Klemme 17¹ des Verstärkers 15' verbunden. Die Ausgangsklemme 13' des Verstärkers 10' ist über einen Kopplungskondensator mit der Eingangsklemme 16' des Verstärkers15' verbunden. Der Kopplungskondensator ist erforderlich, weil die Klemme 14' (das höchste Potential im Verstärker 10') und die Klemme 17' (das niedrigste Potential im Verstärker 15') miteinander verbunden sind. I¹Ur einen ordnungsgemäßen Betrieb muß die Klemme 16' auf einem höheren Potential liegen als die Klemme 17', es muß jedoch weiterhin die Klemme 13' auf einem niedrigeren Potential liegen als die Klemme 14'. Deshalb ist keine direkte Kopplung zwischen der Klemme 13' des Verstärkers 10' und der Klemme 16¹ des Verstärkers 15' möglich. In ähnlicher Weise ist die Klemme 19' des Verstärkers 15' direkt mit der Klemme 22' des Verstärkers 20' verbunden, und die Klemme 18' des Verstärkers 15' ist über einen Kopplungskondensator mit der Klemme 21'

des Verstärkers 20' verbunden. Das Ergebnis ist ein dreistufige ger Verstärker mit einem Verstärkungsmaß von G^ und einem

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Gesamtstromverbrauch I, nicht etwa 31 wie bei der oben beschriebenen Kaskadenschaltung. Die an der Klemme 24' benötigte Spannung in bezug auf die Spannung an der Klemme 12' beträgt nun jedoch 3A+3B+3C Somit wird bei der gestockten Kaskodenanordnung zwar insgesamt Strom gespart, dabei erhöht sich jedoch diejenige Spannung außerordentlich, stark, welche dazu benötigt wird, eine dreistufige Verstärkung zu erreichen, und es besteht weiterhin keine Möglichkeit mehr, eine direkte Kopplung zwischen den einzelnen Stufen zu verwenden, was bei einer integrierten Schaltung unbedingt erforderlich ist.

Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Kaskade-Kaskode-Konfiguration. Die Verstärker 25, 30 und 35 sind ähnlich aufgebaut wie die Verstärker 10. Die Klemmen 26, 27, 28 und 29 des Verstärkers 25, die Klemmen 31, 32, 33 und 34 des Verstärkers 30 und die Klemmen $6, 37, 38 und 39 des Verstärkers 35 entsprechen jeweils den Klemmen 11, 12, 13 und 14- des Verstärkers 10. Die Ausgangsklemme 28 des Verstärkers 25 ist direkt mit der Eingangsklemme 31 des Verstärkers 30 verbunden. Die Ausgangsklemme 33 des Verstärkers 30 ist direkt mit der Eingangsklemme 36 des Verstärkers 35 verbunden. Die Stromaufnahmeklemme 29 des Verstärkers 25 ist mit der Stromrückführklemme 37 des Verstärkers 35 verbunden. Das Verstärkungsmaß dieser erfindungsgemäßen Hybrid-Konfiguration beträgt G^. Der zum Betrieb dieser Konfiguration erforderliche Strom ist gleich 21, und der Spannungsunterschied zwischen der Klemme 27 des Verstärkers 25 und der Klemme 39 des Verstärkers 35 beträgt A+3B+C, was der Spannungsdifferenz entspricht, wie sie bei der Kaskadenkonfiguration gemäß Fig. 1 vorlag. Die erfindungsgemäße Konfiguration verwendet nur einen Strom von 21, um die drei Verstärkerstufen zu.betreiben, während eine direkte Kopplung zwischen den drei Stufen ebenfalls möglich ist. Die Konfiguration in der Fig. 3 ist möglich, solange B, die Spannungsdifferenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen eines einzelnen Verstärkers, « A+C ist. Die in der

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Fig. 3 dargestellte Konfiguration arbeitet auch dann, wenn B größer ist als A+C, wenn die Klemmen 29 und 37 nicht direkt miteinander verbunden sind, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, sondern über eine Last miteinander verbunden sind, an welcher eine Spannung B-(A+C) abfällt, wenn der Strom I durch die Last fließt.

Deshalb ist eine kombinierte Kaskade-Kaskode-Verstärkerkonfiguration dargestellt, durch welche der Gesamtstrom vermindert wird, der in einer Kaskaden-Konfiguration erforderlich ist, um drei Verstärkerstufen zu betreiben, wobei alle drei Verstärkerstufen direkt miteinander gekoppelt sind und wobei diejenige Spannung auf ein Minimum gebracht wird, die in einer gestockten Kaskodenkonfiguration zwischen dem höchsten und dem tiefsten Potential in der Verstärkerkonfiguration benötigt wird. Offensichtlich kann dieses Prinzip derart ausgedehnt werden, daß ein vierter Verstärker auf den Verstärker 30 aufgestockt werden kann und dann ein fünfter Verstärker auf den Verstärker 35 aufgestockt werden kann usw.. Die tatsächliche interne Konfiguration der drei identischen Verstärker gemäß Fig. 3 kann beliebig sein, d. h., es kann eine Verstärkerstufe in Emitterschaltung oder es kann ein Kaskode-Transistorpaar-Verstärker verwendet werden, solange die Verstärker der obigen Definition des Verstärkers 10 entsprechen. Es brauchen auch die drei Verstärker gemäß Fig. 3 nicht identisch zu sein, solange jeder Verstärker der Definition des Verstärkers 10 entspricht.

Die iig. 4 ist ein Schaltschema eines monolithischen integrierten Zl-Verstärkers, der ein hohes Verstärkungsmaß hat, geringes häuschen aufweist und starke Signale verarbeiten kann, wobei die oben beschriebene Kaskade-Kaskode-Anordnung verwendet wird, wie sie anhand der Fig. 3 erläutert wurde. Es sei darauf

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hingewiesen, daß der Grundgedanke des Erfinders nicht auf integrierte Schaltungen für ZF-Verstärker beschränkt ist, wenn dies auch ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel ist. Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform ist ein ZF-Verstärker, der bei einer Frequenz von 5 bis 22 MHz arbeiten soll. Die Kaskodeverstärker 25, 30 und 35 gemäß Fig. 4 sind Ausführungsformen der allgemein in der Fig. 3 dargestellten Verstärker 25, 30 und 35, und sie sind in ihrem Aufbau und ihrer Zusammenschaltung identisch.

Die Kaskodeverstärkerstufe, die allgemein als Verstärker 25 angesprochen ist, hat vier externe Klemmen. Die Klemme 26 stellt die Eingangsklemme dar, die Klemme 28 stellt die Ausgangsklemme dar, die Klemme 29 stellt die Stromaufnahmeklemme dar und die Klemme 27 stellt die Stromrückführklemme dar. Alle Vorspannungsund Wechselspannungs-Masseanschlüsse sollen in bezug auf die Kaskodeverstärkerstufe 25 extern sein. Der Verstärker 25 hat einen Eingangetransistor 40, einen Ausgangstransistor 41 und einen Widerstand 42. In der Beschreibung dieser bevorzugten Ausführungsform sind alle Transistoren normale npn-Transistoren, wenn es nicht ausdrücklich anders zum Ausdruck kommt.

Die Basis des Transistors 40 ist mit der Klemme 26 verbunden, sein Emitter ist mit der Klemme 27 verbunden und sein Kollektor ist mit dem Emitter des Transistors 41 verbunden. Der Kollektor des Transistors 41 ist direkt mit der Klemme 28 verbunden, und er ist mit der Klemme 29 über den Widerstand verbunden. Dies ist die Grundkonfiguration des Verstärkers 25· Die Klemme 29ist über einen Kondensator 43 mit der Masse verbunden. Der Kollektor des Transistors 41 ist mit der Basis des Transistors 41 über einen Widerstand 44 verbunden, so daß der Widerstand 44 den Basisstrom für den Transistor 41 liefert. Die Klemme 27 ist über einen Kondensator 48 an Masse geführt,

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und der Kondensator 48 ermöglicht es dem Transistor 40, als eine wechselspannungsmäßig geerdete Stufe in Emitterschaltung zu arbeiten.

Der Emitter eines Transistors 47 ist mit der Klemme 27 verbunden. Der Kollektor des Transistors 47 ist mit der Basis des Transistors 47 über einen Widerstand 45 verbunden, so daß der Widerstand 45 einen Basisstrom für den Transistor 47 liefert. Ein Transistor 49 dient als Konstantstromquelle. Der Transistor 49 hat einen Kollektor, der mit der Klemme 27 verbunden ist, während sein Emitter an Masse gelegt ist und seine Basis mit einer Klemme 100 verbunden ist. Die Klemme 100 empfängt eine Steuergleichspannung von der Stromspiegelschaltung, die nachfolgend näher beschrieben wird. Der Transistor 49 ist ein Vierfachemittertransistor, was bedeutet, daß für eine vorgegebene Basis-Emitter-Spannung der Transistor 49 das Vierfache des Emitterstromes zieht, den ein Einfachemittertransistor zieht. Der Vierfachtransistor läßt sich als Tranistor mit vier parallelen Basis-Emitter-Dioden ansehen. Mehrfachemittertransistoren dieser Art werden dazu verwendet, starke Ströme zu steuern, indem kleine Basis-Emitter-Spannungen verwendet werden. Die Klemme 26 ist über einen Widerstand 46 mit dem Kollektor des Transistors 47 verbunden, wobei der Widerstand einstellbar ist und den Basisstrom für den Transistor 40 liefert. Der Kollektor des Transistors 47 ist über einen Kondensator 5^ an Masse geführt. Die Diode 55» welche in dieser Ausführungsform ein Transistor ist, dessen Basis und Kollektor kurzgeschlossen sind, hat eine Anode, welche mit der Basis des Transistors 41 verbunden ist, während sein Kathode mit dem Kollektor des Transistors 47 verbunden ist.

Nachdem oben der Aufbau beschrieben wurde, kann nunmehr die Arbeitsweise der Kaskodestufe 25 erläutert werden. Eine Kaskodestufe ist derart ausgebildet, daß sie mit zusammengeschalteten

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!knittern eine Stufe speist, welche zusammengeschaltete Basen aufweist. Das Ζϊ-Eingangs signal, welches an die Klemme 26 geführt ist, erfährt,zunächst die Wechselspannungsverstärkung der Kaskodestufe 25? und die Ausgangsverstärkung dieser Kaskodestufe ist an $.er Klemme 28 dargestellt. Die Verstärkungsbeziehung für ein Easkodetransistorpaar läßt sich näherungsweise durch die Gleichung (1) ausdrücken, nämlich A « R₁-/r , wodurch zum Ausdruck kommt, daß die Spannungsverstärkung A gleich dem Lastwiderstand Bj- ist, dividiert durch den Emitterwiderstand des Eingangstransistors, nämlich r . Der Emitterstrom eines Transistors bestimmt den effektiven Wert von r wie er durch die Gleichung (2) gegeben ist, nämlich durch r_ » (kT/q) I , wodurch eine Reduktion auf r * 26 Millivolt/I bei Raumtemperatur erfolgt. Die Abhängigkeit der Spannungsverstärkung vom Emitterstrom kommt klar durch Vergleich der Gleichungen (1) und (2) zum Ausdruck. Die Spannungsverstärkung der Kaskodestufe 25 ist gleich dem Verhältnis zwischen dem Lastwiderstand und r , wobei r_ gleich dem Emitterwiderstand des Eingangstransistors 40 ist und wobei I der Emitterstrom des Eingangstransistors 40 ist. Der Emitterstrom des Eingangstransistors ist auch im wesentlichen gleich dem Emitterstrom des Ausgangstransistors in einer Kaskodekonfiguration. Der Lastwiderstand ist die Wechselspannungslast, welche mit dem Kollektor des Ausgangstransistors verbunden ist, und sie ist in diesem Falle gleich dem Widerstand 42, solange keine weiteren Bauelemente, welche mit der Klemme 28 verbunden sind, die Wechselspannungslast am Kollektor des Transistors 41 nennenswert verändern. Wenn die Basis einer nachgeschalteten geerdeten Stufe in Emitterschaltung an den Kollektor des Transistors 41 angeschlossen wird, so wird dadurch die Wechselspannungslast am Transistor 41 nicht verändert, solange der Widerstand 42 im Vergleich zu der Eingangsimpedanz der geerdeten Stufe mit Emitterschaltung klein ist. Der Transistor 49 wirkt als Konstantstromquelle, welche durch, die Spannung an der Klemme 100 gesteuert wird, und bestimmt die kombinierte Stärke des Emitterstromes, welcher in

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den Transistoren 40 und 47 fließt. Die Emitter der Transistoren

40 und 47 sind miteinander verbunden, und es bestehen ähnliche Transistoreigenschaften, da beide gleichzeitig hergestellt wurden, und zwar unter Anwendung derselben Geometrie. Somit teilt sich der im Kollektor des Transistors 49 fließende Strom etwa gleich zwischen den Transistoren 40 und 47 auf. Der Widerstand 46 wird zur Feinabstimmung verwendet, um eine exakt gleiche Stromaufteilung zu gewährleisten. Somit wird die Spannungsverstärkung der Kaskodestufe 25 (welche gleich dem Widerstand 42 über r_ ist) konstant gehalten, weil r (was nur von der Temperatur und dem Emitterstrom abhängt) bei konstanter Temperatur ebenfalls konstant gehalten ist. Der Kondensator 48 gewährleistet, daß der Transistor 40 als eine wechselspannungsmäßig geerdete Stufe in Emitterschaltung arbeitet. Der als Diode geschaltete Transistor 55 koppelt die Basis des Transistors

41 mit dem Kollektor des Transistors 47, welcher über einen Kondensator 54 an Masse gelegt ist und somit in der Weise arbeitet, daß die Basis des Transistors 41 wechselspannungsmaßxg geerdet ist, so daß dadurch der Transistor 41 zu einer geerdeten Stufe in Basisstrom wird.

Die Vorteile dieser Anordnung liegen darin, daß die Verstärkung der Kaskodeverstärkungsstufe 25 vollständig durch die Konstantstromquelle gesteuert wird, welche durch den Transistor 49 gebildet ist, und daß Eingangssignale großer Amplitude, die an der Klemme 26 vorhanden sind, die Konstantstromwirkung des Transistors 49 nicht zerstören, da ein weiterer Pfad, welcher durch den durch den Transistor 47 fließenden Strom gebildet ist, vorhanden ist. Dieser zusätzliche Strompfad hindert den Transistor 49 daran, in die Sättigung zu gelangen, wodurch eine nicht-lineare Verzerrung der Wellenform entstehen könnte, wenn ein starkes Signal an der Basis des Transistors 40 anliegt. Das Häuschen der Konstantstromquelle, des Transistors 49, wird durch einen Wechselspannungs-Bypass-Kondensator 48 unterdrückt,

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und dadurch wird eine rauscharme Kaskodenstufe gewährleistet, welche durch eine Konstant stromquelle gesteuert ist, die im Hinblick auf starke Signale ausgezeichnete Eigenschaften hat. Durch den Kondensator 48 wird auch der Wechselspannungswiderstand der Konstantstromquelle geshuntet, und es wird dieser Widerstand daran gehindert, eine Auswirkung auf die Kaskodenverstärkung zai haben. Der Widerstand 46 wird derart eingestellt, daß eine exakt gleiGhe Aufteilung des Stromes zwischen den Transistoren 40 und 47 gewährleistet ist, weil dadurch die Möglichkeit geschaffen wird, daß die größten möglichen positiven und negativen Signale an der Klemme 26 vorhanden sind, ohne daß die Arbeitsweise des als Konstantstromquelle dienenden Transistors 49 beeinträchtigt werden könnte. Die exakte Stromaufteilung wird auch bei TemperatürSchwankungen aufrechterhalten, weil die gleichen Transistoreigenschaften der Transistoren 40 und 47 und die Tatsache, daß beide Transistoren ihre Basisströme von demselben Spannungspunkt erhalten, nämlich vom Kollektor des Transistors 47, dies gewährleisten.

Der als Diode geschaltete Transistor 55 wird als Halbleitereinrichtung verwendet, um einen konstanten Gleichspannungspegelunterschied z/wischen dem Kollektor des Transistors 47 und der Basis des Transistors 41 zu gewährleisten, während er zugleich einen Pfad mit geringem Wechselspannungswiderstand zwischen der Basis des Transistors 41 und dem Kondensator 54- bildet. Der Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die Notwendigkeit entfällt, einen zusätzlichen Kondensator zu verwenden, um die Basis des Transistors 41 wechselspannungsmäßig mit der Masse zu koppeln, während dennoch eine Konstantgleichspannungspegelverschiebung zwischen der Basis des Transistors 41 und dem Kollektor des Transistors 47 erreicht wird. Wenn die Schaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet wird, d. h. auf ein Plättchen für eine monolithische integrierte Schaltung

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aufgebracht wird, so bestellt die Wirkung als Diode geschalteten Transistors 55 darin, daß die Notwendigkeit entfällt, einen getrennten Ausgangsanschluß vorzusehen. Somit bilden der als Diode geschaltete Transistor 55 und der Kondensator 5^- eine Wechselspannungskopplungseinrichtung, um den Kollektor des Transistors 47 und die Basis des Transistors 41 mit der Wechselspannungserde zu verbinden, während eine konstante Gleichspannungsdifferenz zwischen der Basis und dem Kollektor bestehen bleibt.

Eine weitere Verbesserung der Rauschzahl wird dadurch erreicht, daß der Transistor 40 als Transistor mit einer doppelt belegten Basis ausgebildet ist. Transistoren mit einer doppelt belegten Basis haben eine stärkere Basismetallißierung und dadurch einen niedrigeren Basisausbreitungswiderstand, wodurch ihnen eine bessere Rauschzahl eigen ist. Der Transistor 47 muß dann auch als Transistor mit doppelt belegter Basis ausgebildet sein, um die gleiche Stromaufteilung zwischen den Transistoren 47 und 40 aufrechtzuerhalten, da beide Transistoren ähnliche Eigenschaften haben müssen. Somit wurden die Einrichtungen 40 und 47 wegen ihres niedrigen Rauschpegels und ihrer ZF-Frequenzverstärkungseigenschaften gewählt.

Die Klemme 29 ist über den Kondensator 43 an Masse geführt, und das Ausgangssignal der Kaskodenstufe 25, welches an der Klemme 28 auftritt, wird in die Klemme 31 eingekoppelt, welche die Eingangsklemme der Kaskodenstufe 30 darstellt. Der Bypass der Klemme 29 an Masse durch einen HF-Kondensator und die hohe Eingangsimpedanz der zweiten Kaskodenstufe der Klemme 31 stehen im Einklang mit der oben getroffenen Annahme, daß die einzige Wechselspannungslast am Ausgangskaskodentransistor 41 des Verstärkers 25 der Widerstand 42 ist. Somit führen zusätzliche gestockte Kaskodenverstärker nicht dazu, daß die obige Analyse in irgendeiner Form beeinträchtigt wird.

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Gemäß Fig. 4. haben die Easkodenverstärker, welche allgemein als Verstärker 30 und .35 "bezeichnet sind, ebenfalls vier grundlegende Klemmen und sind in ähnlicher Weise als Kaskodenstufe 25 bezeichnet. Wiederum sind alle Vorspannungs- und Wechselfcpanntittgserdverbindungen als extern in bezug auf die Kaskodeverstärker zu betrachten. Die Klemmen 31, 32, 33 und 3A- des Verstärkers 30 sowie die Klemmen 36, 37, 38 und 39 des Verstärkers 35 sind so festgelegt, daß sie den Klemmen 26, 27, 28 und 29 des Verstärkers 25 Jeweils entsprechen. Der Kaskodenverstärker 30 besteht aus den Transistoren 50 und 51 und einem Widerstand 52. Die Basis des Transistors 50 ist mit der Klemme 31 verbunden, sein Emitter ist mit der Klemme 32 verbunden uüä sein Kollektor ist mit dem Emitter des Transistors 51 verbunden. Der Kollektor des Transistors 51 ist mit der Klemme 33 direkt verbunden und mit der Klemme $4 über den Widerstand 52. Dadurch ist die Grundkonfiguration des Kaskodenverstärkers 30 festgelegt. Die Eingangsklemme 31 des Verstärkers 30 ist" mit der Ausgangsklemme 28 des Verstärkers 25 verbunden, und die Stromrückführklemme 32 des Verstärkers 30 ist mit dem Kollektor des Transistors 47 verbunden. Die Kaskodenstufe 35 besteht aus den Transistoren 60 und 61, einem Widerstand 62 und· einem Kondensator 63· Die Basis des Transistors

60 ist mit der Klemmer 36 verbunden, sein Emitter ist mit der Klemme 37 verbunden, und sein Kollektor ist mit dem Emitter des Transistors 61 verbunden. Der Kollektor des Transistors

61 ist direkt mit der Klemme 38 verbunden, ist über einen veränderbaren Widerstand 62 mit der Klemme 39 verbunden und ist über einen veränderbaren Kondensator 63 mit der Masse verbunden. Die Eingangsklemme 36, welche mit der Ausgangsklemme 33 verbunden ist, und die Stromrückführklemme 37 sind mit der Stromaufnahmeklemme· 29 verbunden. Die Basis des Transistors

direkt
ist/mit der Anode einer Diode verbunden, die mit dem Transistor 56 verbunden ist, und sie ist mit dem Kollektor des Transistors

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über einen Widerstand 57 verbunden. Die Kathode der mit dem Transistor 56 verbundenen Diode ist mit der Klemme 29 verbunden.

Die Klemme 39 ist über einen Kondensator 64 an Masse geführt. Die Basis eines Transistors 58 ist mit einer Klemme 101 und mit der Basis des Transistors 61 verbunden, sein Kollektor ist mit der Klemme 39 verbunden und sein Emitter ist mit der Klemme 34- verbunden. Die Klemme 101 empfängt eine Bezugsgleichspannung, welches von der Energieversorgungsschwankung unabhängig ist, ist mit der Wechselspannungserde verbunden und hat eine Spannung, welche ausreichend hoch ist, um die Transistoren 40, 41, 47, 49, 50, 51, 58, 60 und 61 vorzuspannen. Die Quelle der Bezugsgleichspannung, welche an die Klemme 101 geführt ist, wird unten erläutert, wenn die Arbeitsweise der Stromspiegelungsrückführschaltung beschrieben wird. Die Klemme 39 ist mit der Klemme 70 über einen Widerstand 102 verbunden, und die Klemme 70 ist die Spannungsversorgungseingangsklemme für die gesamte Schaltung.

Aus der oben beschriebenen Anordnung läßt sich die Arbeitsweise der gestockten Kaskodenverstarker 25, 30 und 35 nunmehr ableiten. Das ZF-Frequenz-Eingangssignal, welches an der Klemme 26 vorhanden ist, wird durch den Kaskodenverstarker 25 verstärkt, und das an der Klemme 28 des Kaskodenverstärkers 25 auftretende Ausgangssignal wird der Eingangsklemme 31 des Kaskodenverstärkers 30 zugeführt. Das an der Klemme 33 vorhandene Ausgangssignal des Kaskodenverstärkers 30 wird dann der Eingangsklemme 36 des Kaskodenverstärkers 35 zugeführt, und das Ausgangssignal des Kaskodenverstärkers 35 wird an der Klemme 38 abgenommen. Die Spannungsverstärkung des Kaskodenverstärkers 30 ist gleich dem Verhältnis zwischen dem Widerstand 52 und r_Q, wobei r durch den Emitterstrom des Transistors 50 festgelegt ist.

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Der Widerstand 52 ist die Weciiselspannungslast der Kaskodestufe 30, weil die Klemme 34 nur um einen festen Diodengleichspannungsabfall von der Klemme 101 entfernt ist, welche gemäß Annahme auf Wechselspannungserdpotential liegt. Somit wird wiederum eine Halbleitereinrichtung dazu verwendet, einen Punkt in der Schaltung'mit der Wechselspannungserde zu koppeln, während ein fester Gleichspannungsunterschied beibehalten wird. Die Basis des Transistors 61 ist auch wechselspannungsmäßig mit der Masse gekoppelt, weil sie direkt mit der. Klemme 101 verbunden ist. Dies ermöglicht dem Transistor 61, als eine Stufe mit geerdeter Basis zu arbeiten. Der Emitterstrom des Transistors 50 ist etwa gleich dem Emitterstrom des Transistors 40. Dies läßt sich folgendermaßen zeigen: Der Emitterstrom des Transistors 50 ist gleich dem Kollektorstrom des Transistors 47, weil die Widerstände 45 und 46 einen vernachlässigbaren Strom ziehen. Der Kollektorstrom des Transistors 47 ist etwa gleich dem Eititterst^om des Transistors 47, weil der Basisstrom des Transistors 47 vernachlässigbar ist. Der Emitterstrom des Transistors 47 ift "gleich dem Emitterstrom des Transistors 40, weil diese Beziehung oben festgelegt wurde, indem der Widerstand 46 entsprechend eingestellt wurde. In der obigen Analyse wurde davon ausgegangen, daß der als Diode geschaltete Transistor 55 einen vernachlässigbaren Strom zieht. Deshalb ist der Wert von r des Transistors 50 gleich dem Wert von r des Transistors 40. ■ >

Durch eine ähnliche Analyse läßt sich zeigen,.daß der Wert von r des Transistors 60 gleich dem Wert von r des Transistors ist und auch gleich dem Wert r des Transistors 40, wenn angenommen wird^' daß der als Diode geschaltete Transistor 56 einen Vernachlässigbären Strom zieht, und daß die Basisströme, welche durch die' Transistoren 40, 41 und 50 gezogen werden, ebenfalls vernachlässigbar sind. Somit-ist der Wert von r für

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die Transistoren 40, 50 und 60 derselbe. Die Spannungsverstärkung der Kaskodenstufe 35 ist gleich dem Verhältnis zwischen der Impedanz des Widerstandes 62 und des Kondensators 63 einerseits und r des Transistors 60 andererseits. Die Bauelemente 62 und 63 sind gemäß der gegenwärtig beschriebenen Ausführungsform veränderbar, so daß die Ausgangsimpedanz der Kaskodenstufe 35 derart gewählt werden kann, daß sie der Eingangsimpedanz der nächsten Stufe entspricht. Die Bauelemente 62 und 63 sind in bezug auf die monolithische integrierte Schaltung extern. Die Basis des Transistors 51 ist mit der Wechselspannungserde gekoppelt und zwar über den als Diode geschalteten Transistor 56, und dieser arbeitet identisch mit dem als Diode geschalteten Transistor 55, der oben bereits beschrieben wurde. Die gestockte Kaskade-Kaskode-Anardnung der Verstärker 25, 30 und 35 gemäß Fig. 4 ist identisch mit der gestockten Kaskade-Kaskode-Anordnung gemäß Fig. 3· Derjenige Strom, welcher in der Kaskodenstufe 25 verwendet wird, wird auch in der Kaskodenstufe 35 verwendet, und der im Transistor 47 fließende Strom wird auch als Strom für die Energieversorgung der Kaskodenstufe 30 verwendet.

Die Klemme 101 liefert ein Gleichspannungsbezugspotential, welches von Energieversorgungsschwankungen unabhängig ist und welches die Kaskodenstufen 25, 30 und 35 vorspannt. Dadurch entfällt jegliche Basisbreitenmodulation aus einer Veränderung der Verstärkung der Kaskodenstuf en 25, 30 und 35· -A-Is Basisbreitenmodulation wird eine Veränderung in den Transistorleitungseigenschaften angesprochen, welche durch eine Veränderung in der Gegenvorspannung der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors verursacht wird. Wenn sich die Kollektorbasis-Vorspannung verändert, verändert sich auch die effektive Basisbreite des Transistors und damit auch beta des Transistors. Wenn die Vorspannungspegel der Kaskodenstufen 25, 30 und 35

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von Energieversorgungsschwankungen praktisch unabhängig werden, so gewährleistet dies, daß beta der vorgespannten Einrichtungen sich nicht als Funktion der Energieversorgungsschwankung ändert. Während die Verstärkung einer Kaskodenstufe nicht als direkte Funktion von beta in Erscheinung tritt, bezieht sich beta auf das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom und dem Emitterstrom eines Transistors, und wenn dieses Verhältnis sich ändert, ändert sich auch die Verstärkung der Kaskodenstufe. Bei dieser Ausführungsform werden die Kollektor-Basis-Strecken der Transistoren 40, 41, 47, 49, 50, 51 und 60 auf einer sehr kleinen stabilen Gegenvorspannung gehalten. Die Vorspannung wird dadurch stabil gehalten, daß das Gleichspannungsbezugspotential stabil ist, welches von der Klemme 101 über die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 58 und 61 zugeführt wird, und weiterhin dadurch, daß eine Konstantstromquelle verwendet wird (Transistor 49). Außer der stabilen Kollektor-Basis-Vorspannung besteht ein viel wesentlicherer Faktor bei der Steuerung der Verstärkungsveränderung der Kaskodenstufen 25, 30 und 35 darin, daß die einzelnen Stufenverstärkungen durch die Konstantstromquelle bestimmt sind, welche durch den Transistor 49 gebildet ist. Die Aufteilung des Konstantstroms, welcher durch den Transistor 49 gesteuert wird,, wird gleichgehalten und zwar wegen der symmetrischen Transistoreigenschaften der Transistoren 40 und 47 und wägen der Tatsache, daß diese Transistoren ursprünglich durch den Widerstand 46 derart eingestellt wurden, daß gleiche Ströme durch sie hindurchfließen. Der Widerstand 102 ist ein

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sehr kleiner Widerstand, und er wird dazu verwendet, das Gleichspannung spot ent ial zu isolieren, welches dazu erforderlich ist, die oben beschriebenen Kaskodeverstärkerstufen zu betreiben, und zwar von dem Gleichspannungspotential, welches dazu dient, konstante Steuerströme durch eine Stromspiegelungsschaltung zu erzeugen.

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Die Erzeugung von Strömen unabhängig vom Spannungsversorgungswert geschieht durch eine Stromspiegelungs-Rückfuhrschaltung, welche nachfolgend erläutert wird. Diese spannungsunabhängigen Ströme werden dazu verwendet, das konstante Gleichspannungs-Bezugspotential an der Klemme 101 aufzubauen sowie das Gleichspannungssteuerpotential an der Klemme 100.

Ein Transistor 90 in dieser speziellen Ausführungsform ist ein pnp-Spaltringkollektor-Transistor, bei welchem die Emitterelektrode 91, die Basiselektrode 92, die Elektrode 93 einen Kollektor des Spaltring-Kollektors bilden und die Elektrode 94 den anderen Kollektor des Spaltringkollektors darstellt. Der Emitter 91 ist direkt mit einer Energieversorgungsklemme 70 verbunden. Der Kollektor 93 ist über einen Kondensator 71 an Masse geführt. Der Kondensator 71 bildet einen HF-Bypass, um zu verhindern, daß die Hochfrequenz die Arbeitsweise der Stromspiegelung stört. Der Kollektor 93 ist mit dem Kollektor eines Transistors 95 verbunden, der ein Zweifach-Emitternpn-Transistor ist. Der Kollektor 94- ist mit dem Kollektor eines Transistors 96 verbunden, welcher ein Einfach-Emitternpn-Transistor ist. Die Basis des Transistors 95 ist direkt mit der Basis des Transistors 96 verbunden, und sein Emitter ist mit einer ersten Klemme eines Widerstandes 97 verbunden. Die zweite Klemme des Widerstandes 97 ist mit einer ersten Klemme eines Widerstandes 98 verbunden und die zweite Klemme des Widerstandes 98 ist mit dem Emitter des Transistors 96 verbunden und mit der Anode eines als Summierdiode geschalteten npn-Transistors 99· Die Kathode der Diode 99 ist an Masse gelegt. Die Basis 92 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 72 verbunden. Der Transistor 72 hat eine Basis, welche mit dem Kollektor 94- verbunden ist, und sein Kollektor ist an Masse gelegt. Der Transistor 72 ist ein Substrat-pnp-Transistör. Die Basis 92 ist auch mit der Basis eines Transistors 76

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verbunden, der ein pnp-Ringkollektor-Transistor ist. Der Emitter des Transistors 76 ist über einen Widerstand 77 mit der Klemme 70 verbunden und sein Kollektor ist mit der Klemme 101 verbunden. Die Klemme 101 ist mit dem Emitter eines Transistors 75 verbunden, der ein pnp-Substrat-Transistor ist. Der Kollektor des Transistors 75 ist an Masse geführt und seine Basis ist über einen Widerstand 78 mit der Klemme 70 verbunden. Ein Transistor 74-, der ein pnp-Ringkollektor-Transistor ist, hat seinen Emitter mit der Klemme 70 verbunden und seine Basis mit dem Emitter eines Transistors 73 verbunden, der ebenfalls ein pnp-Ringkollektor-Transistor ist. Die Basis des Transistors 73 ist mit dem Kollektor 93 verbunden, und sein Kollektor ist mit dem Kollektor des Transistors 74- und der Basis des Transistors 75 verbunden. Die Basis des Transistors 75 ist mit der Anode eines als Diode geschalteten Transistors 81 über einen Widerstand 80 verbunden. Die Dioden 81, 82, 83 und 84- sind an sich npn-Transistoren, bei denen jeweils die Basis mit ihrem Kollektor verbunden ist. Die Kathode der Diode 81 ist mit der Anode der Diode 82 verbunden. Die Kathode der Diode 82 ist mit der Anode der Diode 83 verbunden. Die Kathode der Diode 83 ist mit der Anode der Diode 84- verbunden. Die Kathode der Diode 84- ist mit der Anode des als Diode geschalteten Transistors 99 verbunden. Die Anode der Diode 84- ist mit den Basen der Transistoren 95 und 96 verbunden. Die Anode des als Diode geschalteten Transistors 99 ist mit der Klemme 100 verbunden.

Fun kann die Arbeitsweise des Vorspannungsnetzwerkes analysiert werden, welches ein Gleichspannungsbezugspotential an die Klemme 101 und ein Gleichspanmingssteuerpotential an die Klemme 100 liefert. Die Erzeugung von Strömen unabhängig von dem Spannungsversorgungswert erfolgt durch eine Stromspiegelungsrückführschaltung. Die Eückführschleife besteht im wesentlichen aus dem

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Spaltringkollektor-pnp-Transistor 90, dem npn-ZweifachemitterTransistor 95» dem npn-Einfachemitter-Transistor 96 und den Widerständen 97 und 98. Die Energieversorgungsklemme ist direkt mit dem Emitter 91 verbunden. Die Basis des Transistors 90 ist ordnungsgemäß vorgespannt durch das Potential, welches durch den Widerstand 77 zugeführt wird, und durch die vorwärts vorgespannte Basis-Emitter-Strecke des Transistors 76. Der Kollektor 93 des Transistors 90 empfängt das Gleichspannungspotential über die vorwärts vorgespannten Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 74- und 73, und der Kollektor 94- des Transistors 90 empfängt sein Gleichspannungspotential über den Widerstand 77 und die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 72 und 76. Der Basisstrom des Transistors 72 liefert keinen nennenswerten Beitrag zu dem Kollektor strom, welcher vom Kollektor 94- fließt, und der Basisstrom des Transistors 73 liefert keinen nennenswerten Beitrag zu dem Kollektorstrom, welcher von der Klemme 93 fließt. Die grundlegende Eigenschaft des Spaltringkollektors, welcher in dieser Rückführschleife verwendet wird, besteht darin, daß der Kollektorstrom, welcher in einem der Kollektoren des Spaltringkollektor-Transistors fließt, die Tendenz hat, einen gleichen Strom in dem anderen Kollektor des Spaltringkollektor-Transistors hervorzurufen. Deshalb hat der von der Elektrode 93 fließende Strom immer die Tendenz, gleich dem von der Elektrode 94- fließenden Strom zu sein. Dies rührt von der symmetrischen geometrischen Anordnung des Spaltringkollektors und von der Tatsache her, daß dieselben Basisemittervorspannungen für beide Kollektoren des Transistors 90 vorhanden sind. Ein ähnliches Ergebnis läßt sich erreichen, wenn zwei unabhängige pnp-Transistören verwendet werden und ihre Emitter miteinander verbunden werden und auch ihre Basen miteinander verbunden werden, es wird jedoch in dieser speziellen Ausführungsform ein Spaltringkollektor verwendet, weil die Transistoreigenschaften bei dieser Anordnung einander besser angepaßt werden können.

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Nachfolgend kann die Arbeitsweise der Bückführschleife erläutert werden. Eine Gleichspannung wird an die Basen der Transistoren 95 und 96 durch die Widerstände 78 und 80 sowie die Dioden 81, 82 und 83 geliefert. Diese Spannung zeigt die Tendenz, die Transistoren 95 und 96 einzuschalten. Wenn diese beiden Transistoren zu leiten beginnen, sind ihre Basis-Emitter-Spannungen exakt gleich, weil nur ein vernachlässigbarer Emitterstrom fließt, der einen Spannungsabfall an den Widerständen 97 und auslöst. Jedoch ist der Transistor 95 ein Doppelemitter-Transistor und zeigt die Tendenz, doppelt so viel Emitterstrom wie der Transistor 96 bei derselben Basis-Emitter-Spannung zu ziehen. Deshalb zeigt der Transistor 95 die Tendenz, doppelt so viel Köllektorstrom zu ziehen wie der Transistor 96. Die Quelle für den Kollektorstrom des Transistors 95 ist der Kollektor 93, welcher einen Kollektor des Spaltringkollektor-Transistors 90 darstellt. Da der Kollektor 93 die Tendenz hat, mehr Strom zu ziehen, hat der Kollektor 94- ebenfalls die Tendenz, mehr Strom zu ziehen, und zwar wegen des symmetrischen Aufbaues und der Vorspannung des Spaltringkollektor-Transistors. Wenn der Kollektor 94 mehr Strom zieht, so bedeutet dies, daß der Kollektorstrom des Transistors 96 ansteigt, und wenn der Kollektorstrom des Transistors 96 ansteigt, nimmt die Basis-Emitter-Spannung am Transistor 96 zu. Wenn die Basis-Emitter-Spannung am Transistor 96 zunimmt, so verursacht dies eine Zunahme der Basis-Emitter-Spannung am Transistor 951 was wiederum eine Zunahme des Emitterströmes des Transistors 95 nach sich zieht, und somit steigt der Kollektorstrom des Transistors 95 an, wodurch wiederum eine zusätzliche Zunahme im Kollektorstrom des Transistors 96 verursacht wird. Diese konstante Zunahme der Kollektorströme der Transistoren 95 und 96 verflacht sich, wenn der Emitterstrom des Transistors 95 ausreichend groß ist, um einen Spannungsabfall an den Widerständen 97 und 98 von 18 mV bei Zimmertemperatur hervorzurufen. Im endgültigen stabilen Zustand ist der Kollektorstrom des Transistors 96

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gleich, dem Kollektor strom des Transistors 95 und dies ist wegen des Aufbaues des Spaltringkollektor-Transistors 90 notwendig.

Wenn angenommen wird, daß ein Emitterstrom I im Transistor 96 fließt, so führt dies dazu, daß eine Spannung V^ an den Basis Emitter-Klemmen des Transistors 96 entwickelt wird. Diese Beziehung läßt sich durch, die folgende Diodengleichung ausdrucken: γ

Der Transistor 95 ist ein Zweifachemitter-Transistor und kann als ein Transistor analysiert werden, der aus zwei parallelen identischen Basis-Emitter-Dioden besteht. Es könnte auch ein anderer Vielfachemitter-Transistor als Transistor 95 mit ähnlichen Ergebnissen verwendet werden. Der Gesamtemitterstrom des Transistors 95 ist gleich dem Gesamtemitterstrom des Transistors 96, da die Kollektorströme der Transistoren 95 und 96 gleich Null sind. Deshalb ist der Strom, welcher in jeder der parallelen Dioden fließt, die die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 95 enthalten, gleich 1/2. Aus der Diodengleichung folgt

1/2 = I„e ^TfT ,

wobei V„ die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 95 ist. I stellt den Leckstrom der Basis-Emitter-Diode dar und weil alle Dioden eine ähnliche Konstruktion haben, ist I für die Basis-Emitter-Dioden der Transistoren 95 und 96 derselbe. Wenn die zwei oben für den Emitterstrom der Basis-Emitter-Dioden der Transistoren 95 und 96 festgelegten Gleichungen geteilt werden und der natürliche Logarithmus beider Seiten des Endergebnisses genommen wird, so ergibt sich V.-Vp ⁼ (^kT/<3.) (l°S_e2),

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was bei Raumtemperatur 18 Millivolt ist. V^. ist gleich Vp, plus dem Gesamtemitterstrom des Transistors 95» mal der Kombination der Widerstände 97 und 98· Der Gesamtemitterstrom, welche in den Transistoren 95 fließt, ergibt sich zu: I = (kT/q) (log 2)/(Widerstand 97 + Widerstand 98). Dies bedeutet bei Zimmertemperatur, daß der Emitterstrom im Transistor 95 gleich 18 Millivolt ist, geteilt durch den Reihenwiderstand der Widerstände 97 und 98.

Deshalb hängt der Strom I nur von dem Wert der Widerstände und 98 ab und nicht von dem Wert der Spannungsversorgung.

Die Vorspannung des Transistors 90 unter Verwendung von vorwärts vorgespannten pn-Übergängen und zwar in bezug auf die Spannungsversorgung, erfolgt dazu, den Transistor 90 von der Basisbreitenmodulation unabhängig zu halten, welche von Spannung sversorgungs Schwankungen herrühren kann. Wenn als Widerstand 98 ein einstellbarer Widerstand verwendet wird, so ist es möglich, und zwar mit der obigen Schaltung, einen stabilen einstellbaren Strom zu erzeugen, der solange von der Spannungsversorgung unabhängig ist, solange ein ausreichender Spannungsversorgungswert vorhanden ist, um die Transistoren 90, 95 und 96 ordnungsgemäß vorzuspannen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist angenommen, daß der einstellbare Widerstand 98 ein gegenüber der monolithischen integrierten Schaltung externer Widerstand ist.

Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 96 ist auch an den als Diode geschalteten Transistor 84 geführt und erzeugt einen Strom I in der Diode 84, welcher gleich dem Emitterstrom im Transistor 96 ist, da die Diode 84 dieselbe Vorspannung aufweist wie die Basis-Emitter-Diode des Transistors 96. Die gleichen Ströme fließen im Emitter des Transistors 96, im

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Emitter des Transistors 95 und durch, die Diode 84, und diese Ströme werden durch den als Diode geschalteten Transistor 99 summiert. Deshalb stellt die Anoden-Kathoden-Spannung an der Diode 99 diejenige Spannung dar, die an einer Diode abfällt, wenn ein Strom von 3 I durch sie hindurchfließt. Deshalb stellt die Spannung an der Klemme 100, welche mit der Anode der Diode 99 verbunden ist, diejenige Basis-Emitter-Spannung dar, welche erforderlich ist, um einen Transistor derart vorzuspannen, daß er einen Strom von J>~L führt. Der Transistor, welcher durch diese Spannung vorgespannt ist, ist der Transistor 49, welcher in dieser Ausführungsform ein Vierfachemitter-Transistor ist, so daß der durch die Spannung an der Klemme 100 tatsächlich gesteuerte Strom gleich 121 ist. Die Diode führt zu einer Stromeinsparung, weil sie die beiden Ströme miteinander verbindet, welche in der fiückführschleife und in der Diode 84 erzeugt werden (welche dazu verwendet wird, die Basis einer stabilen Diodenspannungsstrecke zu bilden), und deshalb wird eine Spannung, welche einen Strom gleich 31 steuern kann, in der Weise erzeugt, daß kein zusätzlicher unnötiger Strom erzeugt wird. Der Vierfachemitter des Transistors 49 führt zu einer zusätzlichen Strommultiplikation und führt somit zu einer Stromersparnis und versorgt den ZF-Verstärker mit dem 12-fachen Strom, der in jedem der Arme des ursprünglichen Stromspiegelungsrückführverstärkers erzeugt wird.

Die Diode 84 ist kein Bestandteil der Stromrückführschleife. Der Strom der Diode 84 kommt von der Diode 83, vermindert um den vernachlässigbaren Strom, welcher durch die Transistoren 95 und 96 gezogen wird. Die Spannung an der Basis des Transistors 75 ist konstant und unabhängig von dem Spannungsversorgungswert und besteht aus dem Spannungsabfall am Widerstand 80, dem Spannungsabfall an den Dioden 81, 82, 83 und 84 und dem

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- ZQ -

Spannungsabfall der Diode 99· Durch alle diese Bauelemente fließen konstante Ströme. Durch die Diode 99 fließt ein konstanter Strom von 51? während die Bauelemente 80, 81, 82, und 84· jeweils einen konstanten Strom I führen. Die Spannung an der Klemme 101 ist nur die Spannung an der Basis des Transistors 75» plus dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 75· Somit ist die Spannung an der Klemme 101 fast völlig unabhängig von der Spannungsversorgung und bleibt gegenüber der Masse konstant, solange die Spannungsversorgung über einem bestimmten Minimalwert bleibt. Die an der Klemme 101 vorhandene Spannung ist wechselspannungsmäßig mit der Masse durch den Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors 75 gekoppelt, welcher ein weiteres Beispiel einer Halbleitereinrichtung darstellt, die dazu dient, eine geringe Wechselspannungsimpedanz zu liefern, während ein unterschiedlicher Gleichspannungswert aufrechterhalten wird. Durch die Stromspiegelungsrückfuhrschaltung wird eine wesentliche Temperaturkompensation erreicht. Derjenige Strom, welcher in der Stromspiegelung erzeugt wird, beträgt I * (kT/Q) (log 2)/(Widerstand 97 + Widerstand 98). Die Verstärkung jeder Kaskodenstufe ist gleich dem Lastwiderstand, geteilt durch r der Eingangseinrichtung jeder Stufe. Dabei gilt r = (kT/q)/I , wobei I der Emitterstrom des Eingangstransistors jeder Stufe ist. Bei Konstantstromquelle 4-9 steuert einen Strom gleich 121, der gleichmäßig zwischen den Transistoren 4-0 und 4-7 aufgeteilt wird, und somit werden die Emitterströme der Kaskodenstufen 25» 30 und 35 geliefert. Die Temperaturveränderung von r jeder Stufe ist deshalb dieselbe wie die Temperaturveränderung der Reihenkombination der Widerstände 97 und 98. Indem somit der Temperaturkoeffizient des Widerstandes des externen Widerstandes 98 und die relativen Werte der Widerstände 98 und 97 entsprechend eingestellt werden, ist es möglich, die Spannungsverstärkung des ZF-Verstärkers bei Temperaturschwankungen zu kompensieren.

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Dies ist deshalb möglich., weil die Temperaturveränderung der Spannungsverstärkung jeder Kaskodenstufe gleich der Temperaturveränderung des Lastwiderstandes ist, dividiert durch die Temperaturveränderung von r .

Nunmehr ist ersichtlich, daß die Schaltung eines monolithischen integrierten ZF-Verstärkers beschrieben wurde, die eine Spannung sverStärkung zeigt, welche von einer Temperaturveränderung praktisch unabhängig ist, welche weiterhin von einer Schwankung der Spannungsversorgung praktisch unabhängig ist und welche dazu in der Lage ist, große Amplituden der Eingangssignale zu verarbeiten. Der Verstärker besteht aus drei Kaskodenverstärkungsstufen und ist bei geringem Rauschpegel und hoher Verstärkung zur Verstärkung von hohen Frequenzen in der Lage. Die Verstärkung des Verstärkers wird auf einem stabilen Wert gehalten, indem eine Konstantstromquelle dazu verwendet wird, den Strom'in Jeder der Kaskodenstufen zu steuern, und indem ein stabiles Gleichspannungsbezugspotential in bezug auf Erde bzw. Masse verwendet wird, welches von Versorgungsspannungsschwankungen unabhängig ist. Durch die erfindungsgemäße gestockte Kaskade-Kaskode-Anordnung wird der gezogene Gesamtstrom auf ein Minimum gebracht, und es wird weiterhin der Wert des Gleichspannungsbezugspotentials auf ein Minimum gebracht, welcher dazu benötigt wird, die Kaskodeverstärker vorzuspannen, während zugleich eine direkte Kopplung der drei Kaskodestufen ermöglicht wird. Die Verwendung von Halbleitereinrichtungen zur wechselspannungsmäßigen bzw. wechselstrommäßigen Kopplung an Masse bzw. Erde bei Aufrechterhaltung einer stabilen Gleichspannungsdifferenz zwischen zwei Schaltungspunkten wurde ebenfalls beschrieben. Weiterhin wurde ein Stromspiegelungs-Rückführungsverstärker beschrieben, welcher Ströme erzeugt, die von der Spannungsversorgung unabhängig sind, und die Temperaturveränderung des spannungsunabhängigen Stroms, welcher durch

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diese Stroaspiegelung erzeugt wird, wurde dazu verwendet, eine Temperaturkompensation der Spannungsverstärkung eines Kaskodeverstärkers hervorzurufen.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Direkt gekoppelter, alternierend gestockter Verstärker, welcher einen minimalen Strom zieht und eine minimale Betriebsspannung benötigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (25), ein zweiter (30) und ein dritter (35) Verstärker vorgesehen sind, die jeweils eine erste Klemme (29, 34-, 39) aufweisen, die dazu dient, den zum Betrieb des Verstärkers notwendigen Strom aufzunehmen, die weiterhin jeweils eine zweite Klemme (27, 32, 37) haben, um einen Rückführstrom zu führen, die weiterhin jeweils eine Eingangsklemme (26, 31, 36) aufweisen, um ein Eingangssignal aufzunehmen, und die weiterhin jeweils eine Ausgangsklemme (28, 33, 38) aufweisen, daß weiterhin eine Verbindungsschaltung vorhanden ist, um eine Gleichspannung zwischen den zweiten Klemmen (27, 32) des ersten (25) und des zweiten (30) Verstärkers und den ersten Klemmen (34-, 39) des zweiten (30) und dritten (35) Verstärkers zu liefern, daß weiterhin die Ausgangsklemme (28) des ersten Verstärkers (25) mit der Eingangsklemme (31) des zweiten Verstärkers (30) gekoppelt ist, daß der gestockte Verstärker weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ausgangsklemme (33) des zweiten Verstärkers (30) mit der Eingangsklemme (36) des dritten Verstärkers (35) gekoppelt ist und daß die erste Klemme (29) des ersten Verstärkers (25) mit der zweiten Klemme (37) des dritten Verstärkers (35) gekoppelt ist.

Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (25), der zweite (30) und der dritte (35) Verstärker weiterhin jeweils folgende Teile aufweisen: einen Eingangstransistor (40, 50, 60), einen Lastwiderstand (4-2, 52, 62), der ein erstes und ein zweites Ende aufweist, eine mit dem

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Verstärker verbundene Vorspannungsschaltung, wobei das erste Ende des Lastwiderstandes (42, 52, 62) mit dem Kollektor des Transistors (40, 50 , 60) gekoppelt ist, wobei das zweite Ende mit der ersten Klemme (29, 34, 39) des Verstärkers gekoppelt ist, wobei weiterhin die Eingangsklemme (26, 31, 36) des Verstärkers mit der Basis des Eingangstransistors (40, 50, 60) gekoppelt ist, wobei weiterhin die Ausgangsklemme (28, 33? 38) des Verstärkers mit dem ersten Ende des Lastwiderstandes (42, 52, 62) gekoppelt ist und wobei die zweite Klemme (27, 32, 37) <les Verstärkers mit dem Emitter des Transistors (40, 50, 60) gekoppelt ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstransistor (40, 50, 60) ein npn-Transistor ist.

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der erste (25), der zweite (30) und der dritte (35) Verstärker jeweils folgende Teile aufweist: einen Eingangstransistor (40, 50, 60) und einen Ausgangstransistor (41, 51, 61), die in einer Easkodenkonfiguration angeordnet sind, einen Lastwiderstand (42, 52, 62), dessen eines Ende jeweils mit dem Kollektor des Ausgangstransistors (41, 51, 61) gekoppelt ist und dessen anderes Ende jeweils mit der ersten Klemme (29, 34, 39) des Verstärkers (25, 30, 35) gekoppelt ist, wobei jeweils die Eingangsklemme (26, 31, 36) des Verstärkers mit der Basis des Eingangstransistors (40, 50, 60) gekoppelt ist, wobei weiterhin jeweils die Ausgangsklemme (28, 33, 38) des Verstärkers mit dem Kollektor des Ausgangstransistors (41, 51, 61) gekoppelt ist und wobei jeweils die zweite Klemme (27, 52, 37) des Verstärkers mit dem Emitter des Eingangstransistors (40, 50, 60) gekoppelt ist und wobei schließlich die Vorspannungsschaltung mit dem Verstärker gekoppelt ist.

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5. Verstärker nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Transistor (47) vorgesehen ist, dessen Emitter mit dem Emitter des Eingangstransistors (40) des ersten Verstärkers (25) gekoppelt ist, daß weiterhin eine Konstantgleichstromquelle (49) vorhanden ist, welche mit den Emittern des Eingangstransistors (40) und des ersten Transistors (47) verbunden ist, daß weiterhin eine Wechselspannungs- bzw. Wechselstromkopplungsschaltung (48) vorgesehen ist, um die Emitter des Eingangstransistors (40) und des ersten Transistors (47) an Erde bzw. Masse zu koppeln und daß eine Vorspannungsschaltung mit dem ersten Transistor (47) verbunden ist.

6. Verstärker nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Wechselstrom- bzw. Wechselspannungskopplungsschaltung (54, 55) vorgesehen ist, um die Basis des Ausgangstransistors (41) des ersten Verstärkers (25) und den Kollektor des ersten Transistors (47) wechselstrommäßig bzw. wechselspannungsmäßig an Masse zu koppeln.

7· Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wechselstrom- bzw. Wechselspannungskopplungsschaltung (48) ein Kondensator ist.

8. Verstärker nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantgleichstromquelle (49) einen zweiten Transistor (49) aufweist, dessen Kollektor mit den Emittern des Eingangstransistors (40) und des ersten Transistors (47) gekoppelt ist, dessen Emitter mit der Masse gekoppelt ist und dessen Basis mit einer Bezugsgleichspannung gekoppelt ist.

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9· Verstärker nach. Anspruch. 8_r dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wechselstrom- bzw. Wechselspannungskopplungsschaltung (54-, 55) eine Diode (55) aufweist, welche ⁴ zwischen der Basis des Ausgangstransistors (4-1) und dem Kollektor des ersten Transistors (4-7) angeordnet ist, und daß sie einen Kondensator (54·) aufweist.

10. Verstärker nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor. (4-9) ein Vielfachemitter-Transistor ist.

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