DE2551279A1

DE2551279A1 - Feldeffekttransistor-verstaerker

Info

Publication number: DE2551279A1
Application number: DE19752551279
Authority: DE
Inventors: Tadao Suzuki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-11-15
Filing date: 1975-11-14
Publication date: 1976-05-20
Also published as: US4021751A; NL7513422A; JPS5157272A; DE2551279C2; JPS5853521B2; CA1034217A; NL189104C; FR2291641A1; GB1502905A; NL189104B; FR2291641B1; BR7507568A; AU8651175A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen Transistorverstärker und insbesondere einen Transistorverstärker, der in sämtlichen Verstärkerstufen mit Feldeffekttransistoren als Verstärkerelemente ausgerüstet ist.

Bei dem an sich bekannten Feldeffekttransistor, nachstehend als FET bezeichnet, verläuft der Kanal, in dem der Drain-Strom (Senkenstrom) I_ß fließt, im allgemeinen parallel zu dem Halbleitersubstrat oder verläuft in seitlicher Richtung, und der durch diesen Kanal fliessende Strom wird gesteuert, indem dem Gate (Tor) des FETeine Gegenspannung F_rc zugeführt

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wird» Wenn die Drain-Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat, ist der Strom gesättigt (V^-I^-Kennlinie) und es ergeben sich sogenannte Pentoden-Kennwerte. Da es sich bei den Durchlaßkennlinien (V-g-I^-Kennlinie) um quadratische Kennwerte handelt, weisen FETransistoren mit derartigen Pentoden-Kennwerten verhältnismässig ungünstige Verzerrungseigenschaften auf_e

Es sind auch FETransistoren mit Trioden-Kennwerten bekannt, bei denen ein Strom senkrecht zu dem Substrat oder in seiner Längsrichtung ähnlich wie bei einem Bipolartransistor fließt. Bei einem derartigen FET kann man einen hohen Stromnutzfaktor pro Flächeneinheit erzielen, und er hat Trioden-Kennwerte bei niedrigem Ausgangswiderstand. Wenn nun ein solcher Trioden-Kennwert -FET in einem Leistungsverstärker für Tonfrequenzzwecke verwendet wird, ist die Qualität des erhaltenen Tons vergleichbar mit der mit einer Vakuumtriode erreichbaren Qualität,, Ferner ist beim Vergleich eines Trioden-Kennwert-FET mit einer Vakuumtriode der Ausgangswiderstand des FET viel niedriger als derjenige der Vakuumtriode, werden auf die durch die Wärmeabgabe des Heizfadens einer Vakuumröhre hervorgerufenen Schwierigkeiten vermieden und können Elemente mit komplementären Kennwerten gebildet werden. Wenn daher Trioden-Kennwert-FETransistoren in der Endstufe einer Tonfrequenz-Verstärkerschaltung verwendet werden, läßt sich leicht eine komplementäre OTL-Schaltung herstellen» Ferner hat der Trioden-Kennwert-FET im Vergleich zu einem Bipolar-Transistor einen verhältnismässig großen zulässigen Betriebsbereich und erzeugt leicht einen verhältnismässig hohen Ausgangswert,

Ein Transistorverstärker mit Trioden-Kennwert-FETransistoren ist bereits vorgeschlagen und beispielsweise in der USA-Patentanmeldung Ser.No. 508 8 36 vom 24. September 1974 beschrieben worden; die genannte und die vorliegende Anmeldung stammen von der gleichen Anmelderin. Bei diesem schon vorgeschlagenen

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Transistor-Verstärker sind FETransistoren aber nur in der Endstufe vorgesehen, so daß die durch die Verwendung der genannten Elemente erzielbaren Vorteile nicht voll ausgenutzt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Feldeffekt-Transistor-Verstärker zu entwickeln, bei dem FETransistoren in allen Verstärkerstufen eingesetzt werden.

Ferner soll mit der Erfindung ein verbesserter FET-Verstärker angegeben werden, bei dem Trioden-Kennwert-FETransistoren als Verstärkerelemente verwendet werden.

Ausserdem soll ein FET-Verstärker angegeben werden, bei dem Trioden-Kennwert-FETransistoren in komplementärer Gegentaktschaltung zumindest in der Endstufe des Verstärkers verwendet werden und bei dem eine Vorspannungsausgleichsschaltung vorgesehen ist, die die SpannungsSchwankungen einer an die Ausgangsstufe gelegten GIeichspannungsquelle kompensierte

Schließlich soll die Erfindung einen FET-Verstärker angeben, bei dem FETransistoren mit Triodenkennwert zumindest in der Ausgangsstufe eingesetzt werden, ferner eine Vorspannungskompensationsschaltung, die die SpannungsSchwankungen einer an die Endstufe gelegten Gleichspannungsquelle sowie alle Abweichungen der Pinch-Off-Spannung zwischen den einzelnen Triodenkennwert-FETransistoren ausgleicht.

Gemäß der Erfindung weist ein FET-Verstärker eine Signaleingangsschaltung auf, ferner eine erste Spannungsquelle, ferner einen ersten und einen zweiten FET, die eine Treiberstufe bilden und deren jeweilige Gate-Elektroden ein zu verstärkendes Eingangssignal aufnehmen und deren jeweilige Source-Elektroden (Quellen-Elektroden) an die erste Spannungs-

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quelle angeschlossen sind, ferner einen zwischen die Drain-Elektroden des ersten und des zweiten FET geschalteten Widerstand, ferner eine zweite Spannungsquelle, und einen dritten und einen vierten FET, die eine Endstufe bilden und deren jeweilige Gate-Elektroden parallel zu dem Widerstand geschaltet sind, so daß die an dem Widerstand abfallende Spannung dem dritten und dem vierten FET als. deren Vorspannung zugeführt wird, wobei die Drain-Elektroden des dritten und des vierteil FET an die zweite Spann ungs quelle angeschlossen sind und ihre Source-Elektroden miteinander verbunden und an eine Ausgangsklemme zum Anschluß an einen Verbraucher geführt sind.

In bevorzugten Aus füh rungs formen der Erfindung, handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten FET, die die Treiberstufe bilden, und dem dritten und dem vierten FET, die die End-t stufe bilden,_s jeweils um Trioden-Kennwert-FETransistoren, und der Signal-Eingangskreis besitzt eine Verstärkerstufe Klasse A, die ebenfalls aus FETransistoren besteht und den ersten und den zweiten FET in gleicher Phasenlage treiben.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zusätzliche Widerstände zwischen der zweiten Spannungsquelle und den Source-Elektroden des dritten und des vierten FET vorgesehen, durch die eine Kompensation der den Gate-Elektroden des dritten und des vierten FET zugeführtenVorspannung im Hinblick auf die Spannungsschwankungen der zweiten Spannungsquelle und die relativen Abweichungen der Pinch-Off-Spannungen des dritten und des vierten FET erzielt wird.

Die genannten und sonstigen Merkmale Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbexspielen der Erfindung anhand der zugeordneten Zeichnungen.

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Die Figuren stellen dar:

Fig» 1 einen schematischen Schnitt durch ein Beispiel bisher ausgeführter FETransistoren mit Trioden-Kennwert; ein solcher FET läßt sich in einem erfindungsgemäßen FET-Verstärker verwenden;

Fig» 2 ein Kurvenbild mit typischen Ausgangswert-Kennlinien eines FET der in Fig. 1 gezeichneten Art;

Fig. 3 ein Schaltbild eines Transistor-Verstärkers als Ausführungsform der Erfindung;

Fig. k und 5 äquivalente Schaltungen eines Teiles des inFig. 3 gezeichneten Schaltkreises;

Fig. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, mit einem Vorspannungskompensationskreis für die Trioden-Kennwert-FETransistoren der Endstufe;

Fig» 7 bzw. 8 Transistorverstärker nach weiteren Ausführungsformen der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 kann ein bekannter, erfindungsgemäß in einem FET-Verstärker verwendbarer Trioden-Kennwert-FET mit einem η-Kanal eine η-leitende Drain-Zone oder -Schicht 1 aufweisen, in die eine ρ+leitende Gate-Zone 2 in eine Seite der Zone 1 netzartig eingebettet ist. Eine n+leitende Source-Zone 3 wird beispielsweise mit Hilfe ein es selektiven Oxydationsverfahrens auf der Seite der Zone 1 gebildet, in die die Gate-Zone 2 derart eingebettet ist, daß sie sich aus einer Vielzahl, beispielsweise mehr als tausend, kleinsten rechteckigen Inseln innerhalb der Zwischenräume in dem

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-B-

netzartigen Gebilde der Gate-Zone 2 zusammensetzt. Eine isolierende Schicht H aus SiO₂ isoliert die Gate-Zone 2 gegenüber der Source-Zone 3 und eine gemeinsame Source-Elektrode 5s erstreckt sich über die Isolierschicht M- und verbindet alle rechteckigen Inseln miteinander, die die Source-Zone 3 bilden. Ferner ist eine n+leitende Drain-Elektrode 5d auf der Fläche der Drain-Zone 1 im Abstand von der Gate-Zone und der Source-Zone vorgesehen, und eine Gate-Elektrode 5g durchsetzt die Isolierschicht 4 und steht in Verbindung mit der netzartigen Gate-Zone Schließlich sind die Anschlüsse S, G und D an Source-, Gate- und Drain-Elektrode 5s, 5g und 5d des FET angeschlossen.

Man sieht, daß bei einem derartigen FET die Drain-Zone 1 und die Source-Zone 3 einander in einer Ebene gegenüberliegen, die in Längsric htung verläuft und in der die Gate-Zone 2 in Form eines Netzes liegt, so daß der Wert des Verhältnisses L/h zwischen Kanallänge L und Abstand h zwischen benachbarten Teilen der Gate-Zone 2 klein ist. Aus diesem Grunde hat der dargestellte FET einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand und sein Drain-Strom I_ erreicht bei zunehmender Drain-Source-Spannung V~o nicht den Sättigungswert. Wie beispielshalber in Fig« 2 gezeichnet - wobei die Abszisse die Drain-Source-Spannung V__s in Volt und die Ordinate den Drain-Strom I~ in Milliampere angibt und die Gate-Spannung V_ in Volt als Parameter benutzt wird -,sind die Drain-Spannungs/Drain-Strom-Kennlinien eines FET der in Fig. 1 gezeichneten Art mit denen einer Triode vergleichbar, so daß man von dem gezeichneten FET behaupten kann, er weise Trioden-Kennwerte auf. Im einzelnen erkennt man, daß die Drain-Spannung/Drain-Strom-Kennlinien nach Fig. 2, die denen einer Triode ähneln, über ein beträchtliches Stück ihrer Länge geradlinig verlaufen, wobei diese geradlinigen Stücke stark geneigt und praktisch parallel ziehen, wo-

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■durch angezeigt wird, daß eine niedrige Ausgangsimpedanz vorliegt und die Möglichkeit der Abgabe eines großen Ausgangswerts von ausgezeichneter Linearität und verhältnismässig geringer Verzerrung besteht» Beispielsweise hat sich ein Trioden-Kennlinien-FET der in Fig. 1 gezeichneten Art mit folgenden Kennwerten herstellen lassen: Spannungsverstärkungsfaktor ,u = 4; Ausgangswiderstand r~ = 16jO- ; . Steilheit gut = 250 mV bei V_Dg = 20 V und I=IA. Im Hinblick auf die Leitungseigenschaften einer derartigen FET, d.h. dessen V__ö-I^-Kennwerte, wird die Steilheit bei geeigneter Belastung praktisch konstant, und damit sind lineare Kennwerte erreicht* Obwohl der gezeichnete Trioden-Kennwert-FET quadratische Eigenschaften zeigt, ermöglichen derartige FETransistoren, wenn sie in einer Gegentaktverstärkerstufe verwendet werden, eine Verstärkung von hervorragender Linearität und verringerter Verzerrung»

Ferner ist der Trioden-Kennwert-FET im Vergleich zu einem Bipolar-Transistor frei von Stromkonzentrationen, kann weniger leicht durch zweite und folgende Ergebnisse beschädigt werden, besitzt eine negative Temperaturcharakteristik, erzeugt im Betrieb weniger Wärme und schwingt schneller ein, wodurch der Trioden-Kennwert-FET sich als Leistungsverstärkungs-Halbleiterelement verwendbar erweist_e

Wie schon erwähnt, handelt es sich bei dem gezeichneten Trioden-Kennwert-FET um einen FET mit η-Kanal. Offensichtlich kann aber auch ein entsprechender FET-Typ mit p-Kanal leicht hergestellt werden, indem beispielsweise Drain- bzw« Gatebzw. Source-Zonen 1 bzw« 2 bzw. 3 p-leitend bzw« n-+leitend bzw, p+leitend ausgeführt werden. Trioden-Kennwert-FETransistoren der angegebenen Art lassen sich daher leicht für Komplementärschaltungen herstellen.

Fig. 3 zeigt, daß ein Transistorverstärker nach einer Aus-

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führungsform der Erfindung im allgemeinen einen Signaleingangskreis S- aufweist, der vorzugsweise mit einem Verstärker Klasse A ausgestattet ist, eine Treiberstufe S„ und eine Ausgangs- oder Endverstärkerstufe S-, wobei sämtliche Stufen mit FETransistoren versehen sind und die FETransistoren zumindest der Ausgangsstufe S₃, vorzugsweise auch der Treiberstufe S₂ Trioden-Kennwert-FETransistoren sind, beispielsweise des in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Typs.

Im einzelnen enthält in der Ausführungsform nach Fig, 3 der Signaleingangskreis S- .einen Eingangs an Schluß 6 für die Aufnahme eines zu verstärkenden Signals, einen n-Kanal-FET 7 und einen p-Kanal-FET 8» Die Gate-Elektroden der FETransistoren 7 und 8 sind an den Eingangsanschluß 6 angeschlossen, die Drain-Elektrode des FET 7 steht über einen Belastungswiderstand 9 mit dem Pluspol +V - einer ersten Spannungsquelle in Verbindung und die Drain-Elektrode des FET 8 ist über einen Belastungswiderstand 10 mit dem Minuspol -V- der genannten ersten Spannungsquelle in Verbindung« Die Source-Elektroden der FETransistoren 7 und 8 werden gemeinsam über einen Widerstand 13 an Erde geführt. Die FETransistoren 7 und 8 bilden somit eine erste Verstärkungsstufe der Klasse A, Am Verbindungspunkt der Source-Elektroden der FETransistoren 7 und 8 wird eine negative Rückkopplung von einem Ausgangsanschluß 11 über einen Widerstand 12 angebracht» An den Drain-Elektroden der FETransistoren 7 bzw, 8 erscheinen Signal-Spannungen gleicher Phase, die den Gate-Elektroden der p-Kanal- bzw. n-Kanal-FETransistoren 14 bzw. 15, die in der Treiberstufe S₂ liegen, zugeführt werden. Die Source-Elektrode des FET IH liegt über einen Widerstand 16 an dem Spannungsquellenanschluß +V -, die Source-Elektrode des FET 15 ist über einen Widerstand 17 an den Spannungsquellenanschluß -V - geführt, und die

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Drain-Elektroden der FETransistoren stehen über einen Widerstand 18 miteinander in Verbindung,, Diese FETransistoren 14- und 15 bilden die Gegentakt-Treiberstufe der Klasse A, und der Spannungsabfall an dem Widerstand 18 wird als Gate-Vorspannung für den n-Kanal-FET 19 und den p-Kanal-FET 20 der Ausgangs- oder Endverstärkerstufe S₃ verwendet, was weiter unten noch im einzelnen beschrieben wird. Die Drain-Elektroden des FET 19 bzw„ des FET 20 sind an die Klemmen +V - ¹^d "^ 9 einer zweiten Spannungsquelle geführt, und die Source-Elektroden der FETransistoren 19 und 20 sind miteinander und mit der Ausgangsklemme 11 verbunden; es gibt einen zwischen diesen liegenden Verbindungspunkt» Die FETransistoren 19 und 20 arbeiten als Verstärker entweder der Klasse AB oder der Klasse B, Die Gate-Elektroden der FETransistoren 19 und 20 sind derart an die beiden Enden des Widerstands 18 angeschlossen, daß eine negative Gate-Vorspannung, die der Pinch-Off-Spannung des FET 19 entspricht, an den FET 19 gelegt wird, während eine positive Gate-Vorspannung, die der Pinch-Off-Spannung des FET 20 entspricht, an diesen letzteren gelegt wird.

Wie schon erwähnt, handelt es sich bei den FETransistoren 14, 15, 19 und 20 vorzugsweise sämtlich um Trioden-Kennwert-FETransistoren. Wenn jedoch der Gewinn des in dem Signaleingangskreis S^ liegenden Verstärkers der Klasse A nicht ausreicht, können mindestens die FETransistoren 14 und 15 und notfalls auch die FETransistoren 19 und 20 als übliche oder Pentoden-Kennwert-FETransistoren ausgeführt sein.

Auf jeden Fall läßt sich bei der obenbeschriebenen Schaltung der Spannungsabfall an dem Widerstand 18 unabhängig von dem Eingangssignal konstant halten, und kann daher als

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Gate-Vorspannung für die FETransistoren 19 und 20 benutzt werden.

Um zu zeigen, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand 18 konstant gemacht werden kann, wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine der Stufe S« in Fig, 3 äquivalente Schaltung zeigt und in der R₁ g bzw. R₁- bzw. R₁₈ den Widerstandswerten der Widerstände 16 bzw_o 17 bzw„ 18 und die Spannungsquellen e. den Ausgangsspannungen an den Drain-Elektroden der FETransistoren 7 und 8 der vorhergehenden Stufe entsprechen,, Die Spannungsquellen e. sind gleichphasig, und ein Signalstrom i wird dadurch in die durch den Pfeil in Fig, 4 angegebene Richtung geleitet, so daß sich Spannungsabfälle an den Widerständen R^_g und R₁₇ mit den in Fig. 4 angegebenen Polaritäten ergeben. Wenn ferner in Fig, 4 die Drain-Ausgangsspannung des FET 15 mit e angegeben ist, kann die Schaltung nach Fig. 4 in der Art der Fig. 5 gezeichnet werden, in der die FETransistoren 14 und 15 in äquivalenter Weise als jeweilige Spannungsquellen und Ausgangswiderstände dargestellt sind. Im einzelnen geben in Fig. 5 .U₁ bzw«, (^₁ den Spannungs verstärkungsfaktor bzw, den Ausgangswiderstand des FET 14 an, und .u~ bzw. j« den Spannungsverstärkungsfaktor und den Ausgangswiderstand des FET 15. Die die FETransistoren 14 und 15 darstellenden Spannungsquellen in Fig, 5 werden zu £ - /^ui^~^ei""^Ri6^^1 bzw. Γ+ ,u-Ce.-R-jyiy], Diese Ausdrücke werden bestimmt durch die Richtung des Signalstroms i bezüglich der FETransistoren 14 und 15 und der Polarität der Eingangsspannungsquelle e..

In dem gleichwertigen Schaltbild nach Fig, 5 kann der Signalstrom i ausgedrückt werden durch die Beziehung:

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U₁ (-e. - R_1Ki)

X1Xb

ο · ο · ο

^R16 ^{+ R}17 ^{+ R}18

Aus der obigen Gleichung (1) ergibt sich die folgende Gleichung:

/^U2^ei - /^Ui^ei
¹ " (2)

J₁ + f ₂+R₁₆(l+_/u₁)+R₁₇(l+_/u₂)+R

Wenn .u, = /U₂» d.h. wenn die FETransistoren 14 und 15 gleiche SpannungsVerstärkungsfaktoren besitzen, wird i in Gleichung (2) Null. Daraus ergibt sich, daß kein Strom i mit einer Wechselstromkomponente durch den Widerstand 18 infolge der EingangsSignalspannungen e-, die den Gate-Elektroden der FETransistoreη 14 und 15 zufließen, gelangt. Aus dem Obengesagten ergibt sich, daß die Gleichstromkomponente des Spannungsabfalls an dem Widerstand 18 unabhängig von der Signalspannung konstant bleibt und als Gate-Vorspannung für die FETransistoren 19 und 20 der End- oder Ausgangsstufe geeignet ist. Ferner erhält, wenn R₁₆ = R₁₇ und ^₁ = f 2 ^{in der} gleichwertigen Schaltung nach Fig. 5, die Ausgangsspannung e_Q wegen i = 0 den Wert »ue· (e = Aie.). Dementsprechend läßt sich, wenn die obenstehend beschriebenen Triodenkennwert-FETransistoren für FET 14 und FET verwendet wird, der größtmögliche Gewinn erzielen«,

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Qfindung haben die FETransistoren 14 und 15, die zur Erzeugung der Gate-Vorspannung für die FETransistoren 19 und 20 verwendet werden, komplementäre Kennwerte und daher werden die FETransistoren 14 und 15 in Gegentaktschaltung gelegt, so daß die sich ergebende Schältung eine verbesserte Verzerrung

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und einen hohen Gewinn aufweist.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung; darin sind die den Elementen nach Fig„ 3 entsprechende Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Bei dem Verstärker nach Fig„ 6 ist die Source-Elektrode 14 über einen Widerstand 21 an die Plusklemme der Spannungsquelle +V „ angeschlossen, und die Source-Elektrode des FET 15 ist über einen Widerstand 22 an die Minusklemme -V « der Spannungsquelle angeschlossen, um die Spannungsschwankungen der zweiten Spannungsq eile den Elektroden zuzuführen und dadurch die Vorspannung gegenüber den Schwankungen dieser Spannungs quelle zu stabilisieren. Wenn die Widerstandsbeträge der Widerstände 21 und 22 geeignet gewählt werden, wie nachstehend beschrieben werden soll, kann eine Verzerrung als Folge von Variationen des Arbeitspunktes der FETransistoren 19 und 20 vermieden werden „

In der Schaltung nach Fig„ 6 kann der Strom i¹, der durch den Widerstand 18 infolge von SpannungsSchwankungen ^ V₁ bzw, ^V₂ an der positiven bzw, der negativen Klemme +V ₂ bzw» -Vo fließt» welche Spannungsschwankungen oder Brummspannungen gegenphasig sind, entsprechend Gleichung (2) folgendermaßen ausgedrückt werden:

,U₁ AV ' + Ai₇ £ V · i¹ = ' ^X ¹ ^Γ2 ² . . ο ο (3)

l⁺ f₂ ^+R16^l(1+/^Ul^)+R17ⁱ⁽¹⁺/^u2^)+R18

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R ^f	= 1	+ 1	1	^R16	Λ V₁
	^R16	^R21	+ 1	^{+ R}21	^v₀
		^R22	^R17
^R17^f	1	+ R₂₂
Av₁'	R₁₇
^V₀'
	^R16

R₁₇

worin ferner /U₁, /^u ₂» /χ> f2» ^Ri6» ^Ri7 ^{und R}i8 ^d^^{e oben} angegebenen Bedeutungen haben und R_, bzw, R₂₂ die Widerstandswerte der Widerstände 21 bzw. 22 bedeuten.

Wird angenommen, daß ,u-, = .U₂ ^ 1, daß R-jg ' = ^Ri7' > AV₁* =Δν₂' und daß ^₁, f„ und R₁₈ < R₁₆^u₁ sind, dann läßt sich die Gleichung (3) folgendermaßen schreiben:

R
^K16

Unter Berücksichtigung von Gleichung (H) kann der Spannungsabfall an dem Widerstand 18, der von den Spannungsschwankungen ^V₁ und ΔV. an den Klemmen +V ₂ und -V₂ herrührt, folgendermaßen ausgedrückt werden:

_1R = ^R18

¹⁸ Δν·(5)

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Um die dem FET 19 zugeführte Vorspannung im Hinblick auf die SpannungsSchwankungen ^V, an der Spannungsquellenklemme +V 2 ^zu stabilisieren, müssen die Schwankungen ^V₁Q des Spannungsabfalls an dem Widerstand 18 folgende Beziehung erfüllen:

worin .u., der Spannungsverstärkungsfaktor des FET 19 ist„

Setzt man die Gleichung (5) in die Gleichung (6) ein, so ergibt sich:

^R18 . AV » . ο · . (7)

^K16

Setzt man die oben definierten Bedeutungen für R,~^! und Av₁' in die Gleichung (7) ein, so ergibt sich:

/^U3 ■"■ I 1 + 1 1 ^Λ16 ^{T Λ}21

^R16 ^R21

1 + Il ^R18 * ^R16

U/, Rip Rm I Rir> ■*■ Rr

16 "21 16 "21

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^R21 ^{+ R}16 ^R18 · ^R16

/^U3 ^R16 ^{β R}21 * ^R16 ^{+ R}21

was übergeht in:

_L. = ' 'hi (8)

/^U3 ^R21

vim zu erreichen, daß die Vorspannung des FET 19 gegenüber den Schwankungen der Spannung an der Spannungsquellenklemme +V j stabilisiert ist»

Entsprechend wird die Vorspannung des FET 20 gegenüber Spannungsschwankungen an der Spannungsquellenklemme -V « stabilisiert, sobald die Widerstandswerte R₁₈ und R₃₃ so gewählt sind, daß sie der Beziehung

genügen, worin .u^ den Spannungsverstärkungsfaktor der FET 20 bedeutet, der gleich .U₃ sein kann.

Wenn die Pinch-Off-Spannungen ν der FETransistoren 19 und 20 gleich sind, wird der Spannungsabfall an dem Widerstand 18 ungefähr gleich 2V , Jetzt ist der durch den Wider stand 18 und die FETransistoren 14 und 15 fliessende Strom I durch folgende Gleichung bestimmt:

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Im allgemeinen ist das Produkt aus der Pinch-Off-Spannung und dem Spannungsverstärkungsfaktor eines FET eine Konstante k, und zwar

V_p . /u = k

oder

^Vp ⁼ — . . . ...... ο ο (ID

/^U

Setzt man die Gleichung (10) in die Gleichung (8) ein, so ergibt sich:

/^U3 ^J ^R21

Setzt man die Gleichung (11) in die Gleichung (12) ein, so ergibt sich

1 _ 2k 1_

rUg, I . _/Ug ' R₂-

-sir- = -τ-— · . . . , (13)

2k R₂₁

In entsprechender Weise kann die folgende Beziehung abgeleitet werden:

R₂₂

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Wenn die Werte von R„-, und R„₂ ^so gewählt werden, daß sie die Gleichungen (13)und (14) unter Berücksichtigung der durch die Konstante k bedingten Kennwerte der FETransistoren 19 und 20 erfüllen, kann die vorbestinunte Vorspannung von etwa 2V an die FETransistoren 19 und 20 gelegt werden, selbst wenn die Pinch-Off-Spannungen dieser FETransistoren voneinander verschieden sind, in welchem Fall die Werte 2k in den Gleichungen (13) und (14) zu k~ plus k^ (das sind die jeweiligen Konstanten für FET 19 bzw. FET 20) werden.

In der nun zu beschreibenden Fig. 7 sind diejenigen Bezugszeichen, die zu aus Fig. 3 bekannten Elementen gehören, mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 3 versehen. Man sieht, daß bei der Ausführungsform nach Fig. 7 der Signaleingangskreis S,* einen Verstärker der Klasse A enthält, bestehend aus einem die n-Kanal-FETransistoren 23a und 23b enthaltenden Differentialverstärker und einem die p-Kanal-FETransistoren 2Ha und 24b enthaltenden Different!alverstärker anstelle der FETransistoren 7 und 8 in Fig. 3, wodurch die erste oder Eingangsstufe weiterhin stabilisiert wird und der Verstärkergewinn dieser Stufe erhöht wird« Die Treiberstufe S₂, bestehend aus den FETransistoren 14 und 15, und die Ausgangsstufe S₃, bestehend aus den FETransistoren 19 und 20, entsprechen gemäß Fig. 7 nach Aufbau und Arbeitsweise den entsprechenden Stufen aus Fig_e 3„ Die Ausführung nach Fig. 7 kann noch abgeändert werden, um die Vorspannung zu stabilisieren, die den FETransistoren 19 und 20 zugeführt wird; die Stabilisierung erfolgt in der gleichen Weise, wie es oben im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben ist.

In Fig, 8 sind die aus Fig. 3 bekannten Elemente mit den gleichen Bezugszahlen versehen wie in Fig. 3; man sieht, daß der Signaleingangskreis S," ausserdem mit einem Differentialverstärker ausgestattet ist, der aus den n-Kanal-

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FETransistoren 25a und 25b besteht und dem aus den FETransistoren 7 und 8 bestehenden Verstärker der Klasse A vorgeschaltet ist. Ferner ist bei der Ausführungsform nach Figo 8 ein n-Kanal-FET 26 in Quelle-Folger-Anordnung zwischen der Treiberstufe S₂" und der Ausgangsstufe S₃ vorgesehen, um den FET 20 der letztgenanntenStufe zu betreiben, und ein p-Kanal-FET 27 in Quelle-Folger-Anordnung ist in entsprechender Weise vorgesehen, um den FET 19 der Ausgangsstufe zu treibenβ

Bei der Bauweise nach Fig. 8 ergibt sich ein ausreichender rückführungsfreier Gewinn, und gleichzeitig wird die Eingangsleistung der FETransistoren 19 und 20 durch die FETransistoren 26 und 27 einer Impedanzwandlung unterworfen, so daß die Kennwerte des Verstärkers in dem höheren Bande verbessert werden können_o

Ferner sind in Fig. 8 die Widerstände 28 und 29 in Reihe zwischen der Spannungsquellenklemme +V ^ und Erde geschaltet gezeigt, um einen "Brüter"-Widerstand zu bilden, der die Drain-Spannungen der FETransistoren 25a und 25b bestimmt. Genauer gesagt: der Verbindungsschaltpunkt zwischen den Widerständen 28 und 29 wird mit der Drain-Elektrode des FET 25a und mit den Source-Elektroden der FETransistoren 7 bzw. 8 über die Widerstände 30 bzw, 31 verbunden. Die Spannung an dem Verbindungsschaltpunkt ist so festgelegt, daß er gleich der Spannung an dem Verbindungsschaltpunkt zwischen den Gate-Elektroden der FETransistoren 7 und 8 ist, indem die Widerstände 28 und 29 geeignet gewählt werden, und der Verbindungsschaltpunkt zwischen den Gate-Elektroden der FETransistoren 7 und 8 ist mit der Drain-Elektrode des FET 25b verbunden. Auf diese Weise werden die Drain-Spannungen der FETransistoren 25a und 25b einander gleich gemacht.

Für den FET 25b ist ein Belastungswiderstand 32 vorgesehen;

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er kann einen hohen Widerstandswert erhalten, um die erste Stufe mit einem hohen Gewinn arbeiten zu lassen. Auf diese Weise läßt sich der rückführungsfreie Gewinn erhöhen. Ferner kann ein (nicht gezeichneter) Kondensator dem Widerstand 29 parallel geschaltet werden,

Ausserdem kann die Anordnung nach Fig. 8 mit einer Vorspannungsstabilisierung gemäß der entsprechenden Anordnung in Fig. 6 versehen werden.

Wenn bei der Anordnung nach Fig. 8 ein (nicht gezeichneter) Kondensator dem Widerstand 18 parallel geschaltet wird, kann die Ungleichheit der Treiberverhältnisse, die durch irgendeinen Unterschied in den Eingangsleistungen der FETransistoren 26 und 27 hervorgerufen ist, beseitigt werden, und dadurch wird der Verzerrungsfaktor für das Hochfrequenzband verbessert. Ferner kann, wenn ein (nicht gezeichneter) Kondensator zwischen die Gate-Elektroden der FETransistoren 19 und 20 geschaltet wird, die Antriebswirksamkeit der FETransistoren 19 und 20 für die Eingangs leistung verbessert und können gute Hochfrequenzband-Kennwerte erreicht werden»

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche ;

1«) Feldeffekttransistor-Verstärker (FET-Verstärker) mit einer ersten Gleichspannungsquelle, einem ersten und einem zweiten FET mit jeweils Gate- (Tor-), Source-(Quelle-) und Drain- (Senke-) Elektroden, einem zwischen die Drain-Elektroden des ersten und zweiten FET geschalteten Widerstand, einer Einrichtung, die die Source-Elektroden des ersten und des zweiten FET an die genante erste Gleichspannungsquelle anschließt, ferner mit einer Eingangsschaltung, die den Gate-Elektroden des genannten ersten bzw, zwiten FET zugeordnete Signale gleicher Polarität zuführt, die einem zu verstärkenden Eingangssignal entsprechen, und mit einer zweiten Gleichspannungsquelle,

gekennzeichnet durch einen dritten und einen vierten FET mit jeweils Gate-, Source- und Drain-Elektrode, wobei die Drain-Elektroden des"dritten bzw. vierten FET mit der genannten zweiten Gleichspannungsquelle verbunden sind, während die Source-Elektroden des genannten dritten bzw. vierten FET zusammengeführt sind, durch eine Ausgangsklemme, die an die zusammengeführten Source-Elektroden des genannten dritten bzw. vierten FET geführt ist, und durch eine Einrichtung, mit der die Spannung über den genannten Widerstand als Vorspannung an die Gate-Elektroden des genannten· dritten bzw. vierten FET geleitet wird.

β Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch

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• gekennzeichnet, daß mindestens einer der genannten beiden dritten bzw. vierten FET als Triodeη-Kennwert-FET ausgebildet ist.

Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der genannten vier FETransistoren als Trioden-Kennwert-FETausgeführt ist.

k, Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite FET komplementäre Kennwerte aufweisen und daß der dritte und der vierte FETkomplementäre Kennwerte aufweisen.

5. Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Einrichtung zum Anlegen einer Spannung vorgesehen ist, mit denen eine in der genannten zweiten Gleichspannungsquelle vorhandene Brummspannung an die genannte Source-Elektrode des ersten bzw, des zweiten FET gelegt wird, so daß die genannte Spannung an dem genannten Widerstand stabilisiert wird im Hinblick auf Spannungsschwankungen, die in der genannten zweiten Gleichspannungsquelle auftreten.

6. Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die genannten Source-Elektroden des genannten ersten bzw* zweiten FET an die genannte erste Gleichspannungsquelle anlegende Einrichtung aus

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einem zweiten bzw„ einem dritten Widerstand besteht, und daß die genannte erste bzw, zweite Einrichtung zum Anlegen einer Spannung einen vierten bzw, einen fünften Widerstand aufweisen, die zwischen der genannten zweiten Gleichspannungsquelle und den genannten Source-Elektroden des genannten ersten bzw. zweiten FET liegen.

Feldeffekttransistor-Verstärker nac h Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte Widerstand und der vierte und der fünfte Widerstand Widerstandswerte R₁, R₁₁ und R₅ haben, die den folgenden Gleichungen genügen:

worin .u~ bzw. .U₁, die Spann ungs Verstärkungsfaktoren des genannten dritten bzw, vierten FET bedeuten.

8. Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Widerstandswerte des genannten vierten bzw, fünften Widerstands den folgenden Gleichungen genügen:

I = I ,1 = 1

-~5 "öv una κ ΤΓ7-

K₄ 2JC K₅ 2JC

worin I den Strom bedeutet, der durch den genannten ersten Widerstand und den genannten ersten bzw. zweiten FET für die Pinch-Off-Spannungen des genannten dritten

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bzw. vierten FET fließt, und k eine Konstante für den genannten dritten bzw„ vierten FET ist, die durch das Produkt aus der jeweiligen Pinch-Off-Spannung und dem Spannungsverstärkungsfaktor bestimmt wird«,

9, Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte FET als Trioden-Kennwert-FET ausgebildet ist, und daß der genannte Eingangskreis eine Verstärkerstufe der Klasse A umfaßt, die den ersten und den zweiten FET betreibt.

10, Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verstärkerstufe der Klasse A der Eingangsschaltung einen fünften und einen sechsten FET aufweist, die in komplementärer Gegentaktschaltung zu der genannten ersten Spannungsquelle liegen, um den ersten und den zweiten FET gleichphasig zu betreiben»

11. Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Negativ-Spannungs-Rückkopplung zwischen den genannten zusammengeführten Source-Elektroden des genannten dritten und vierten FET und der genannten Verstärkerstufe der Klasse A der Eingangskreisschaltung vorgesehen ist.

12. Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verstärkerstufe

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der Klasse A in der Eingangskreisschaltung zwei Differentialverstärker aufweist.

13ο Feldeffekttransistor-Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Eingangskreisschaltung ferner einen der Verstärkerstufe der Klasse A vorgeschalteten weiteren Differentialverstärker aufweist.

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