DE2534186A1 - Breitband-gleichstromverstaerker - Google Patents

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Drying. Ernst Siratmann

Patentanwalt

Düsseldorf, 30. Juli 1975

PF 2261
7538

Tektronix, Inc.

Beaverton, Oregon, V. St. A.

Breitband-Gleichstromverstärker

Die Erfindung betrifft einen Breitband-Gleichstromverstärker, der ein Paar Transistoren aufweist, wobei der Kollektor des Eingangstransistors über einen Kompensationswiderstand mit seiner Basis und direkt mit der Basis eines zweiten Transistors verbunden ist.

Bekanntermaßen ist es bei Gleichstromverstärkern, insbesondere bei Breitband-Gleichstromverstärkern schwierig, Veränderungen der Verstärkung und des Arbeitspunktes zu vermeiden, die als Punktion der Temperatur und anderer Parameter auftreten. Veränderungen des Verstärkungsfaktors können praktisch dadurch beseitigt werden, daß verschiedene bekannte Rückfuhrungsanordnungen verwendet werden, aber andere Veränderungen, wie beispielsweise Instabilität des Arbeitspunktes, stellen ein größeres Problem dar. Verstärker, die Transistoren verwenden, zeigen insbesondere Schwierigkeiten hinsichtlich von Arbeitspunkt-Verschiebungen aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter, wie z. B. der Stromverstärkung (h__) , der Basis-

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Emitterspannung (V ) und des Leckstroms {1_ητΛΓι) . Bei elektronisehen Präzisionsgeräten, wie z. B. bei einem Kathodenstrahl-Oszillographen, der eine Meßeinrichtung darstellt, die bestimmte Eigenschaften aufweist, um den analogen Wert eines elektrischen

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Vorganges darzustellen, ist es wesentlich, daß die beispielsweise mit dem horizontalen Ablenksystem der Meßeinrichtung verbundenen Schaltkreise genaue und stabilisierte Signale liefern, so daß gleiche horizontale Entfernungsschritte gleiche Zeitschritte darstellen. Offensichtlich müssen auch einige Kompensationsverfahren verwendet werden, um Zittern u. dgl. zu vermindern. Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um das Driften zu vermindern, z. B. Zerhackerstabilisierung, individuelle Temperaturkompensation sowie Temperaturstabxlisatxon. Diese Verfahren haben jedoch Nachteile, da sie kompliziert und für eine Massenproduktion nicht geeignet sind, außerdem erfordern sie temperaturstabile Teile hoher Qualität, die sehr teuer sind. Zahlreiche Kompensationsanordnungen, die gegenwärtig verwendet werden, sind in Ausführlichkeit in dem "Amplifier Handbook" von Richard P. Shea, Editor-in-Chief, McGraw-Hill Book Company, copyright 1966, beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Breitband-Gleichstromverstärker zu schaffen, der außerordentlich einfach und ökonomisch und daher auch für Massenproduktion geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Hauptanspruchs genannten Merkmale gelöst. Durch die Verwendung eines Widerstandes zur Lieferung der Kompensation für Änderungen der Basis-Kollektor-Stromverhältnisse wird eine Verbesserung gegenüber den bekannten Kompensationsanordnungen erreicht. Das in dem Breitband-Gleichstromverstärker enthaltene Paar von Transistoren ist so miteinander verbunden, daß der Kollektor des Eingangstransistors über einen Serien-Kompensationswider stand mit seiner Basis und direkt mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist. Infolge dieser Verbesserung werden Eingangsströme zum Ausgang gespiegelt und liefern optimalen Betrieb. Zusätzlich erhöhen die erzeugten Veränderungen die Bandbreite als solche.

Die bereits genannten und zahlreiche andere Vorteile werden noch deutlicher in der folgenden Beschreibung in Verbindung

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mit den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile verwendet wurden, wobei die Beschreibung nur eine vorzugsweise Ausfuhrungsform darstellt.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Darstellungsgerätes zur Erläuterung der Verwendung des Gleichstromverstärkers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines bekannten Gleichstromverstärkers; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gleichstromverstärkers.

In Fig. 1 ist in Blockdiagrammform ein Darstellungsgerät gezeigt, bestehend aus einer Darstellungsanordnung 2, wie z. B. einer Kathodenstrahlröhre zur Darstellung von der analogen Größe eines elektrischen Ereignisses aufgrund eines elektrischen Eingangssignals, das dem Gerät über einen Eingangsanschluß 4 zugeführt wird. Die analoge Größe des elektrischen Eingangssignals wird dadurch erzeugt, daß von einem Vertikal-Ablenksystem 6 und einem Horizontal-Ablenksystem 8 erzeugte Signalwellenformen den vertikalen und horizontalen Ablenkplatten 10 innerhalb der Darstellungsanordnung 2 zugeführt werden. Die vorgenannten Ablenkeinrichtungen stehen in Beziehung zu Gerätequellen für ein geeignetes elektrisches Potential, die eine Bezugsversorgung A und eine Bezugsversorgung B definieren, die im folgenden als Versorgungen 12 bzw. 14 bezeichnet werden. Zwischen jedem Versorgungssatz 12, 14 ist ein Gleichstromverstärker 16 angeordnet, der im folgenden näher erläutert wird. Der Gleichstromverstärker 16 nimmt jede Stromveränderung von z. B. der Versorgung 12 wahr und erzwingt eine identische Veränderung in der Versorgung 14 und umgekehrt, wodurch die zwei Versorgungen relativ zueinander auf dem gleichen Punkt verbleiben. Infolge eines derartigen herkömmlichen Verfahrens

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können Schaltkreise, die das vertikale und das horizontale Ablenksystem bilden, und die zwischen den Versorgungen angeordnet sind, ihren Arbeitspunkt und ihren Gewinn"nicht verändern. Für eine genauere Schilderung eines derartigen gerade beschriebenen Gerätes sei auf eine Reihe von Handbüchern hingewiesen, die unter dem allgemeinen Titel "Circuit Concepts" von der Tektronix, Inc., veröffentlicht wurden.

In der Fig. 2 ist schematisch ein bekannter Gleichstromverstärker gezeigt, der bisher für die Gleichstromverstärker 16 der in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsform verwendet wurde. Ein Paar Transistoren Q1, Q2, die diskret oder in der Form eines integrierten Schaltkreises vorliegen können, sind mit ihren Emittern über Widerstände R2 bzw. R3 an ein Potential angeschlossen, das hier zu Erläuterungszwecken als Massepotential dargestellt ist. Die Basis des Transistors Q1 ist direkt mit dem Kollektor dieses Transistors verbunden, so daß diese Schaltung auch als Diodenschaltung bezeichnet werden kann. Der als Diode geschaltete Transistor Q1 liefert insofern die Vorspannung für einen Stromquellen-Transistor Q2, als der Kollektor des Transistors Q1 direkt mit der Basis des Transistors Q2 verbunden ist. Wenn die Widerstände R2 und R3 gleiche Werte aufweisen, befinden sich die Basen von sowohl Q1 als auch Q2 auf dem gleichen Potential, da sie beide miteinander verbunden sind. Wenn man annimmt, daß beide Transistoren auf dem Plättchen eines integrierten Schaltkreises eng beeinander angeordnet sind, Flächen haben, die den durch ihnen fließenden Strom proportional ist, usw., wird der Strom I. am Kollektor des Transistors Q2 als Strom I_QUt reproduziert. Wie jedoch gezeigt werden kann und in dem vorstehend erwähnten Handbuch beschrieben ist, ist der Spiegelstrom I . praktisch unabhängig von Stromverstärkungsfaktoren usw., vorausgesetzt, daß die Stromverstärkungsfaktoren Beta [ß) der Transistoren recht groß sind. Wie bekannt ist, ist auch die Frequenzantwort eines derartigen Schaltkreises stark vom Stromverstärkungsfaktor Beta abhängig.

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Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform, die eine vorzugsweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, umfaßt ebenfalls ein Paar Transistoren Q1 und Q2, sowie Emitterwiderstände R2 und R3. Die Basis von Transistor Q1 ist über einen Serienwiderstand R1 mit dem Kollektor des Transistors Q1 verbunden. Außerdem ist der Kollektor von Q1 direkt mit der Basis von Q2 verbunden. Wie aus der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform entnommen werden kann, wurde ein zusätzlicher Widerstand R1 verwendet und dieser Widerstand bildet eine Kompensationseinrichtung, die den bekannten Gleichstromverstärker stark verbessert. Zusätzlich macht die Verwendung eines Widerstandes anstatt eines zusätzlichen Transistors diese Verbesserung sehr billig. Außerdem wird deutlich, daß die Herstellung eines derartigen integrierten Schaltkreises recht leicht ist und ohne weiteres eine Massenproduktion gestattet.

Zum Verständnis des Schaltkreisbetriebes ist es erforderlich, daß das Verhältnis von Basisstrom zu Kollektorstrom für beide Transistoren Q1 und Q2 Null ist. Somit ist der Strom I offensichtlich definiert durch das Verhältnis von R2 zu R3, multipliziert mit dem Strom I. , da der Kollektorstrom eines jeden Transistors gleich ist dem Emitterstrom, und da die Spannungsabfalle über den Widerständen R2 und R3 gleich sind. Wenn das Verhältnis von Basisstrom zu Kollektorstrom einen begrenzten Wert annimmt, der wesentlich niedriger als 1 ist und wenn dieses Verhältnis das gleiche für beide Transistoren ist, wird über den Widerstand R1 eine Spannung erzeugt. Wenn I . einer Zahl M gleicht, die mit dem Strom I. multipliziert wird, das Verhältnis von R2 zu R3 gleich M und das Verhältnis R1 zu R2 gleich M + 1 ist, kann unter Verwendung der Kirchoff'sehen Gesetze gezeigt werden, daß eine Abnahme der Spannung über R2 auftritt, die gleich ist dem Basisstrom des Transistors Q2 multipliziert mit dem Widerstand R2. Außerdem wird die Spannung an der Basis von Q2 ansteigen, wodurch der Emitterstrom von Q2 sich um einen Wert erhöht, der notwendig ist, um den Strom I konstant zu halten. Da der Strom I^ als I_Qut wiederholt wird, und da der Stromverstärkungsfaktor Beta der Transistoren eine geringere

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Wirkung hat, als es beim Stand der Technik der Fall ist, wird die Gesamtdrift und/oder die Stabilität sowie die Frequenzantwort des Verstärkers stark verbessert.

Versuche, die mit dem Erfindungsgegenstand durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß eine Veränderung vonO<(0<läßt sich leicht in den Stromverstärkungsfaktor β umwandeln, wie bekannt) von 0,99 5 auf 0,999 für typische Transistoren unter abgeschirmten Bedingungen zu Ausgangsveränderungen (A₁) von 4,999152846 bis 5,000561347 führten, wobei R1 = 115 kOhm, R2 = 18,7 kOhm .und R3 = 3,47 kOhm war, während der gleiche Schaltkreis mit R1 = 0 (kurzgeschlossen) Ausgangsveränderungen von 4,929595828 bis 5,049481245 zeigte. Somit führt eine Verbesserung von, mathematisch gesehen, nur 0,0968 % von einer unbrauchbaren Darstellung zu einer brauchbaren Darstellung, wenn z. B. das in Fig. 1 dargestellte horizontale Ablenksystem mit einer Verstärkung von 50 arbeiten muß.

Wie schon ausgeführt wurde, stellt die dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nur ein Beispiel dar und es können viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird. Z. B. kann der Schaltkreis in Fällen verwendet werden, in denen F_T 1 GHz beträgt, wenn eine Frequenz von 100 MHz gewünscht wird.

Patentansprüche:

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Claims (2)

253A1B6 - 7 Patentansprüche ;

1. Breitband-Gleichstromverstärker mit einem Paar Transistoren, die Basis, Emitter und Kollektor aufweisen, mit Gleichstromeinrichtungen, die den Kollektor des einen Transistors mit der Basis des anderen Transistors verbinden, mit ersten Widerstandseinrichtungen, die zwischen einem Bezugspotential und dem Emitter des einen Transistors angeordnet sind, mit zweiten Widerstandseinrichtungen, die zwischen dem Bezugspotential und dem Emitter des anderen Transistors angeschlossen sind, mit Gleichstromeinrichtungen zur Lieferung von Eingangsstrom an den Kollektor des einen Transistors, mit Gleichstromeinrichtungen zur Lieferung von wiederholten Eingangsströmen an den Kollektor des anderen Transistors, gekennzeichnet durch eine Widerstandseinrichtung (R1), die einen ohmschen Wert aufweist, der wesentlich größer ist, als eine Gleichstromeinrichtung, die zwischen der Basis und dem Kollektor des einen Transistors angeschlossen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung (R1) einen Widerstand darstellt.

ES/hs 3

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