DE2549575C2

DE2549575C2 - Transistorschaltung

Info

Publication number: DE2549575C2
Application number: DE2549575A
Authority: DE
Inventors: Robert C. Hillsborough Calif. Dobkin
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1974-11-06
Filing date: 1975-11-05
Publication date: 1986-12-11
Also published as: FR2290784B1; GB1516126A; US3930172A; JPS5165858A; FR2290784A1; GB1516125A; DE2549575A1; CA1043420A; JPS5839412B2

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Schaltung ist durch die US-PS 36 81 623 bekannt

2Q Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine der vorstehend genannten Gattung entsprechende Transistorschaltung derart weiterzuentwickeln, daß sie mit einfachen Änderungen für mehrere verschiedene Einsatzzwecke verwendet werden kann; hierzu zählen insbesondere die Verwendungen als Strom- oder Spannungsregelschaltung und als Pufferverstärker.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Hilfe der in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung einer solchen Transistorschaltung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Im weiteren wird die Erfindung beispielsweise und anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigt

Flg. 1 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung als Netzwerk mit vier Anschlüssen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Netzwerk mit vier Anschlüssen,

Rg. 3 ein Schaltbild einer Stromregelschaltung mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Spannungsregelschaltung mit den Merkmalen der Erfindung, und
Fig. 5 ein Schaltbild eines Pufferverstärkers mit den Merkmalen der Erfindung.

Es wird auf Fig. 1 bezug genommen, dort ist eine Schaltungsanordnung als Netzwerk mit vier Anschlüssen dargestellt, das nach der Lehre der Erfindung ausgeführt worden ist. Die Kollektor-Emitter-Stromkreise

so zweier Transistoren, 10 und 12, sind miteinander in Reihe geschaltet und liegen zwischen einem Anschlußpaar mit den Anschlüssen 14 und 16. Die Kollektor-Emitter-Stromkreise zweier weiterer Transistoren, 18 und 20, sind miteinander in Reihe geschaltet und liegen zwisehen einem Anschlußpaar mit den Anschlüssen 22 und 24. Widerstände 26, 28, 30 und 32, sind jeweils in die Emitterkreise der Transistoren 10, bzw. 12, 18 und 20 geschaltet. Der Wert eines einzelnen oder aller Widerstände 26, 28,30,32, kann null betragen. Vorzugsweise ist nur der Wert eines der Widerstände 26, 28, 30, 32, von Null verschieden.

Aus Fig. 1 wird ersichtlich, daß die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 10,12,18 und 20 miteinander in Reihe liegend und in einer Schleife angeordnet

es sind. Dies bedeutet, wenn man am Anschluß 16 beginnt, daß die Schleife den Widerstand 28 ferner die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 12, den Widerstand 30, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 18. die Basis-

Emitter-Strecke des Transistors 10, den Widerstand 26, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 20 und den Widerstand 32 enthält Wenn der Anschluß 16 mit dem Anschluß 24 verbunden ist und nur einer der Widerstände 26,28,30 und 32 einen von Null verschiedenen Wert aufweist so erfolgt die Summierung der Basis-Emitter-Spannungsabfälle der Transistoren an diesem einen Widerstand.

In der oben beschriebenen Reihenschaltungs-Schleife ist die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 12 der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 10 und der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 20 entgegengerichtet Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 20 ist ebenfalls entgegengesetzt zu der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 18 gerichtet. Da die Kollektor-Emitter-Stromkreise der Transistoren 10 und 12 zueinander in Reihe geschaltet sind, so werden ihre KoI-lektorslröme gleich groß. Es leuchtet ein, daß die KoI-lektorstrome der Transistoren 18 und 20 auch einander gleich sind. Demzufolge entspricht die Summe der Basis-Emitter-Spannungen aller Transistoren der Differenz in ihren Emitterflächen. Das bedeutet daß die Differenz der Basis-Emitter-Spannungsabfälle AVi_x an jenem der Widerstände 26, 28, 30, 32 auftritt der einen von Null verschiedenen Wert aufweist wobei diese Spannung durch den folgenden Ausdruck definiert ist:

-ψ

wobei Jc ι die mittlere Stromdichte der Transistoren i2 und 18, und J_ci die mittlere Stromdichte der Transistoren 10 und 20 ist. Wenn demzufolge die Emitterflächen der Transistoren verschiedene Werte aufweisen, so ist der Logarithmus des Stromdichteverhältnisses in dem obigen Ausdruck von Null verschieden. Daher folgt daß die Spannung einer Spannungsquelle am Eingang, die die Transistoren !0, 12, 18 und 20 mit einer Vorspannung versorgt, nicht die Summenbildung Vt_x aus den Basis-Emitter-Spannungsabfällen beeinflußt wobei diese Summenbildung an jenem der Widerstände 26,28,30, 32 erfolgt der einen von Null verschiedenen Widerstandswert aufweist. Es folgt ebenfalls, daß diese Summenbildung Vbc aus den Emitter-Basis-Spannungsabfällen Null ergibt, sofern alle Emitterflächen der Transistoren einander gleich sind.

Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Netzwerkes mit vier Anschlüssen ist in Flg. 2 veranschaulicht. Wie in Rg. 2 gezeigt sind zwei Transistoren, 34 und 36, in Reihe zueinander und zwischen ein Anschlußpaar mit den Anschlüssen 42 und 44 geschaltet. Zwei weitere Transistoren, 46 und 48, sind zueinander in Reihe und über ein anderes Anschlußpaar mit den Anschlüssen 50 und 52 geschaltet Widerstände, 54, bzw. 56, 58 und 60, sind in die Emitterstromkreise der Transistoren 34, bzw. 36,46 und 48 geschaltet Aus den Zeichnungen und der obigen Erläuterung folgt, daß die in solcher Weise beschriebene Schaltung nach Rg. 2 der Schaltung ähnelt die in Rg. 1 veranschaulicht ist. Der Kollektor-Emitter-Stromkreis eines Transistors 62 ist in Reihe mit dem Anschluß 50 und dem Kollektor des Transistor«; 46 geschaltet, wobei die Basis dieses Transistors 62 mit dem Anschluß 42 verbunden ist. Der Transistor 62 isoliert oder trennt den Kollektor des Transistors 46 von allen Spannungsschwankungen, die am Anschluß 50 auftreten können, und hebt die Ausgangsimpedanz der Schaltung an.

Es wird auf Rg. 3 bezug genommen, dort ist eine Stromregelschaltung dsirgesteilt die nach der Lehre der Erfindung ausgeführt is;t Eine durch die Kennzeichnungen V+ und V— angedeutete Spannungsquelle ist mit den Anschlüssen 64 und 66 verbunden. Die Schaltung nach Rg. 3 dient dazu, einen konstanten, durch eine (nicht dargestellte) Last fließenden Strom zu liefern, wenn diese Last an die Anschlüsse 68 und 70 geschaltet ist und zwar geschieht dies unabhängig von den Schwankungen der Speisespannung an den Anschlüssen

ίο 64 und 66.

Ober einen Widerstand 74 ist der Kollektor eines Transistors 72 mit den Anschlüssen 64 und 68, mit seiner eigenen Basis und mit der Basis eines Transistors 76 verbunden, dessen Kollektor an den Anschluß 70 angeschlossen ist Der Kollektor-Emitter-Stromkreis des Transistors 72 ist in Reihe mit dem Kollektor-Emitter-Stromkreis eines Transistors 78 geschaltet und der KoI-lektor-Emitter-Stromkreis des Transistors 76 liegt in Reihe mit dem Kollektor-Emitter-Stromkreis eines Transistors 80. Der Verbindungspunkt zwischen den Transistoren 72 und 78 ist mit der Basis des Transistors 80 verbunden, und der Verbindung¹:punkt zwischen den Transistoren 76 und 80 ist mit der Basis des Transistors 78 verbunden. Der Emitter des Transistors 78 ist mit dem Anschluß 66 verbunden, und der Emitter des Transistors 80 ist über einen Widerstand 82 an den Anschluß 66 geschaltet

Die in Kg. 3 dargestellte Stromregelschaltung ist ein Beispiel einer praktisch ausgeführten Ausführungsform der in Rg. 1 veranschaulichten Schaltung. Die einzige Einschränkung der in Rg. 3 dargestellten Schaltung liegt darin, daß der Widerstand 74 von einem solchen Wert sein muß, daß durch ihn selbst ein Strom fließt, der größer als der Ausgangsstrom des Transistors 72, dividiert durch die zugehörige Stromverstärkung ß, ist Betrachtet man die Schaltung, so erkennt man, daß die an dem Widerstand 82 entwickelte Spannung gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungsabfälle der Transistoren 76 und 78 ist, vermindert um die Summe der Basis-Emitter-Spannungsabfälle der Transistoren 72 und 80. Da die Summenbildung der Basis-Emitter-Spannungsabfälle der Transistoren 72,76,78 und 80 proportional zur Differenz ihrer Emitterflächen ist, soweit eine Differenz dieser Emitterflächen vorliegt, so ist die am Widerstand 82 entwickelte Spannung ebenfalls dieser Differenz proportional. Wenn beispielsweise die Emitterflächen der Transistoren 72 und 78 gleich groß sind, so heben ihre Basis-Emitter-Spannungsabfälle einander auf, weil ihre Kollektorströme einander gleich sind. Bei einem solchen Beispiel ist die am Widerstand 82 entwikkelte Spannung gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 76, vermindert um die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 80. Dieser Differenzwtrt ist in der obigen Gleichung (1) definiert, wobei J_c\ und /_C2 die Stromdichte des Transistors 76, bzw. 80 darstellen. Es folgt, daß der Strom durch die Last, der gleich dem Strom durch den Widerstand 82 ist, unveränderlich bleibt, weil sein Wert von dem Verhältnis der Stromdichtewerte abhängt, und weil dieses Verhältnis selbst- verständlich konstant bleibt, weil die Kollektorströme rlpr TratKiistnren^ deren Kollektor-Emitter-Stromkreis zueinander in Reihe liegen, einander gleich sind.

Es wird auf Rg. 4 bezug genommen, dort ist eine Spannungsregelschaltung dargestellt, die die Grundsätze der in Rg. 1 veranschaulichten Schaltung in Anwendung bringt. Eine schematisch durch einen gestrichelt gezeichneten Block dargestellten Energiequelle mit der Bezugsziffer 84 umfaßt eine mit V+ und mit V— ee-

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kennzeichnete Spannungsquelle, die an die Anschlüsse der in Fig. 1 gezeigten Schaltung in Anwendung bringt. 86 und 88 angeschlossen ist, sowie einen Widerstand 90. Aus der Zeichnung wird ersichtlich, daß die Transisto-Es kann selbstverständlich jede beliebige Energiequelle ren 108,110,112 und 114 zusammengeschaltet worden zur Speisung der Schaltung verwendet werden. Die sind, um die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung zu Schaltung nach Fig. 4 gibt eine geregelte Spannung an 5 bilden, wobei alle dort gezeigten Widerstände 26,28,30 einem Anschlußpaar mit den Anschlüssen 92 und 94 ab. und 32 hierbei den Wert null aufweisen. Eine Seite einer Die Transistoren 96,98,100 und 102 sind in derselben Spannungsquelle, mit V+ bezeichnet, ist mit dem KoI-Anordnung wie in Fig. 1 geschaltet. Über einen Wider- lektor des Transistors 112 und, über einen Widerstand stand 104 ist der Kollektor des Transistors 96 mit einer 116, mit dem Kollektor des Transistors 108 verbunden. Seite der Energiequelle 84 (Anschluß 86) und dem An- 10 Der Emitter des Transistors 114 ist mit einem Ausgangsschluß 92 verbunden. Über einen Widerstand 106 ist der anschluß 118 verbunden, und der Emitter des Transi-Emitter des Transistors 98 mit den Anschlüssen 88 und stors 110 ist über eine Eingangs-Signalspannungsquelle 94 verbunden. 120 mit der anderen Seite der Spannungsquelle, die mit

Die am Widerstand 106 entwickelte Spannung ist V— gekennzeichnet ist, mit einem weiteren Ausgangsgleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungsabfälle 15 anschluß 122 verbunden.

der Transistoren 86 und 102, vermindert um die Basis- Falls die Emitterflächen der Transistoren 108, 110,

Emitter-Spannungsabfälle der Transistoren 98 und 100. 112 und 114 einander gleich sind, so wird die Spannung Da die am Widerstand 106 entwickelte Spannung vom der Eingangs-Signalspannungsquelle 120 genau an den Wert dieses Widerstandes unabhängig ist, so entsteht an Anschlüssen 118 und 122 wiedergegeben. Daraus folgt, diesem Widerstand eine niedrige, geregelte Spannung. 20 daß die Eingangs-Signalspannungsquelle 120 irgend ei-Diese geregelte Spannung wird an den Anschlüssen 92 ne beliebige Signalquelle sein kann, einschließlich der in und 94 als eine Ausgangsspannung wiedergegeben, die Fig. 4 dargestellten Schaltung. Die Schaltungsanordeinen starken Grad an Regelung aufweist Außerdem ist nung nach Fig. 5 stellt gegenüber der Eingangs-Signaldiese Spannung der Differenz der Emitterflächen der Spannungsquelle 120 eine verhältnismäßig hohe Impe-Transistoren proportional und von der Energiequelle 25 danzund, an den Anschlüssen 118 und 122, eine verhält-84, und damit von der an den Anschlüssen 86 und 88 nismäßig niedrige Ausgangsimpedanz dar. Außerdem liegenden Speisespannung, unabhängig. kann ein verhältnismäßig hoher Ausgangsstrom über

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung führt eine solche die Anschlüsse 118 und 122 abgegeben werden, ohne Spannungsregelung dadurch aus, daß sie den durch die daß ein Strombegrenzungswiderstand in der Schal-Transistoren 100 und 102 fließenden Strom derart steu- 30 tungsanordnung erforderlich wäre, ert, daß die Spannung an den Anschlüssen 92 und 94 Da der Grenzwert des Betriebsbereichs der in Fig. 5

konstant gehalten wird. Der Wert der zwischen den dargestellten Schaltungsanordnung durch die Strom-Anschlüssen 92 und 94 entwickelten Spannung wird verstärkungswerte β der Transistoren 108—114 bedurch den Unterschied in den Emitterflächen der Tran- stimmt wird, kann die Basisansteuerung für jeden dieser sistoren bestimmt Betrachtet man diese Schaltung, so 35 Transistoren erhöht werden, um die Abgabe eines vererkennt man, daß die Spannung V_s zwischen den An- hältriismäßig hohen Ausgangsstromes über die Anschlüssen 92 und 94 durch den folgenden Ausdruck defi- Schlüsse 118 und 122 zu ermöglichen. Genauer gesagt, niert ist: liefert ein Stromverstärker 124 eine Basisansteuerung

für jeden der Transistoren 108,112, ein weiterer Strom-

Vj = AVi_x(R₂ZRi) + Vt_x\ + Vbe2, (2) 40 verstärker 126 liefert eine Basisansteuerung an den

Transistor 114, und ein Stromverstärker 128 liefert eine

dabei ist AVi_x die Differenz der Basis-Emitter-Span- Basisansteuerung an den Transistor 110. Somit wird die nungsabfälle derjenigen Transistoren, die verschiedene Basisansteuerung für alle diese Transistoren nicht von Emitterflächen aufweisen. R₂ ist der Wert des Wider- der mit V+ und V— bezeichneten Spannungsquelle abstandes 104, R\ ist der Wert des Widerstandes 106, Vi_x \ 45 genommen, sondern von den Stromverstärkem i24,126 ist der Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors und 128. Da die Spannungsverstärkung eines jeden die-96, und VbC₂ ist der Basis-Emitter-Spannungsabfall des ser Stromverstärker 124, 126 und 128 eins beträgt so Transistors 102. Da die erste Größe in dem obigen Aus- wird die an den Anschlüssen 118 und 122 abgegebene druck, GL (2), einen positiven Temperaturkoeffizienten Spannung hierdurch nicht beeinflußt aufweist, und da die beiden übrigen Größen einen nega- 50 Es folgt also abschließend, daß die in Fig. 2 dargestelltiven Temperaturkoeffizienten haben, so zeigt die te Schaltung ebenfalls als Stromregelschaltung, Span-Schaltung bei einer bestimmten Ausgangsspannung an nungsregelschaltung und als Pufferverstärker eingeden Anschlüssen 92 und 94 den resultierenden Tempera- setzt werden kann. Außerdem können die in Fig. 1 und j? turkoeffizienten NuIL Genauer ausgedrückt, tritt dieser in Fig. 2 dargestellten Schaltungen dazu verwendet f_ Temperaturkoeffizient Null dann auf, wenn die Aus- 55 werden, eine Anzahl verschiedener Eingangs- und Ausgangsspannung an den Anschlüssen 92 und 94 2,4 V, gangskennwerte dadurch zu schaffen, daß die Werte der oder den doppelten, extrapolierten Potentialabstand Widerstände 26, 28,30,32 und 54,56,58,60 verändert (verbotene Zone) zwischen Valenz- und Leitfähigkeits- werden,
band bei Silizium beträgt

Wenn der Speisestrom anzusteigen versucht, so 60 ψ

nimmt die Leitfähigkeit der Transistoren 100 und 102 zu, Hierzu 2 Blatt Zeichnungen \

um den Strom stärker über die Transistoren abzuleiten,

so daß die Spannung am Widerstand 106 konstant
bleibt Dadurch, daß die Spannung am Widerstand 106
konstant gehalten wird, bleibt die Spannung zwischen 65
den Anschlüssen 92 und 94 ebenfalls konstant

Die in Fig. 5 veranschaulichte Schaltung stellt einen
Pufferverstärker dar, der die grundsätzlichen Merkmale

Claims

Patentansprüche

1. Transistorschaltung, bei der zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluß die Kollektor-Emitter-Stromkreis eines ersten und eines zweiten Transistors und zwischen einem dritten und einem vierten Anschluß die Kollektor-Emitter-Stromkreise eines dritten und eines vierten Transistors in Reihe geschaltet sind, wobei die Basis des ersten Transistors mit seinem Kollektor und mit der Basis des dritten Transistors, die Basis des zweiten Transistors mit dem Kollektor des vierten Transistors und gegebenenfalls der zweite mit dem vierten Anschluß verbunden sind, und wobei die Dimensionierung der Emitterfläche mindestens eines Transistors gegenüber der Dimensionierung der Emitterfläche mindestens eines anderen Transistors zur Erzielung unterschiedlicher Stromdichten unterschiedlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (10,34, 72, 96,108; 12,36, 78, 98,110,- 18, 46, 76, 100, 112; 20, 48, 80, 102, 114) alle vom gleichen Leitungstyp sind, daß der Kollektor des zweiten Transistors (12, 36, 78, 98, 110) mit dem Emitter des ersten Transistors (10,34, 72,96,108) und der Basis des vierten Transistors (20, 48, 80, 102, 114) sowie der Kollektor des vierten Transistors (20, 48, 80, 102, 114) mit dem Emitter des dritten Transistors (18,46, 76,100,112) verbunden sind, wodurch die BasisEmitter- bzw. Emitter-Basis-Übergänge der vier Transistoren zwischen dem zweiten und vierten Anschluß in einer Schleife in Reihe geschaltet sind und die Summe (AVbe) der Spannungsabfälle an diesen Übergängen vom Verhältnis der unterschiedlichen Stromdichten (J_ci, J_c2) bzw. von der Differenz der Emitterflächen, nicht aber von der Speisespannung abhängt, und daß im Emitterzweig wenigstens eines der Transistoren ein Widerstand (26, 28, 30, 32; 54, 56, 60; 82; 106) oder eine Spannungsquelle (120) bzw. deren innerer Widerstand liegt

2. Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannurig (Δ V_be) proportional dem Unterschied der Emitterflächen der Transistoren ist.

3. Transistorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ausbildung als Stromregelschaltung einen Wiederstand (74), der zwischen den ersten Anschluß und den Kollektor des ersten Transistors (72) geschaltet ist und einen weiteren Widerstand (82), der zwischen dem zweiten Anschluß (66) und den Emitter des vierten Transistors (80) geschaltet ist, enthält, und daß der geregelte Ausgangsstrom am Kollektor des dritten Transistors (76) abnehmbar ist.

4. Transistorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ausbildung als Spannungsregelschaltung einen Widerstand (104), der zwischen den Kollektor des ersten Transistors (96) und den Kollektor des dritten Transistors (100) geschaltet ist, und einen weiteren Widerstand (106), der zwischen den Emitter des zweiten Transistors (98) und den Emitter des vierten Transistors (102) geschaltet ist, enthält, und daß die geregelte Ausgangsspannung zwischen dem Kollektor des dritten Transistors (100) und den Emitter des vierten Transistors (102) abnehmbar ist.

5. Transistorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ausbildung als

Pufferverstärker einen zwischen den zweiten Anschluß (V-) und den Emitter des zweiten Transistors (UO) geschaltete Signalspannungsquelle (120) enthält und die Ausgangsspannung am Emitter des vierten Transistors (114) abnehmbar ist

6. Transistorschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß in die Basisstrecken der Transistoren (108, 110,112, 114) Stromverstärker (124, 126,128) geschaltet sind

7. Transistorschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet daß in die Emitter-Kollektor-Strecke mindestens eines Transistors (108) ein Widerstand (116) geschaltet ist