DE2600594A1

DE2600594A1 - Transistorverstaerker

Info

Publication number: DE2600594A1
Application number: DE19762600594
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kominami; Yoshio Sakamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-01-16
Filing date: 1976-01-09
Publication date: 1976-08-05
Also published as: JPS5181541A; DE2600594B2; DE2600594C3; GB1536023A; US4047118A

Description

Priorität: 16. Januar 1975, Japan, Nr. 6271

Transistorverstärker

Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker mit einem Verstärkertransistor in Emitterschaltung, einem kollektorseitigen Lastwiderstand,, einem kollektorseitigen Stromkonstanthalter und einem am Kollektoranschluss des Verstärkertransistors abgegriffenen Ausgangsanschluss.

Ein Transistor der genannten Art ist aus der JA-OS 14 660/73 bekannt. Der bekannte Verstärker weist einen besonders niedrigen Verzerrrungs- oder Klirrfaktor auf, ohne eine negative Rückkopplung einsetzen zu-müssen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sind im folgenden ' nicht nur die Erfindung und Ausführungsbeispiele der Erfindung, sondern auch der Stand der Technik anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen Verstärker nach dem Stand der Technik;

Fig. 2

ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figuren 3

bis 6 weitere Ausführungsbeispiele der

Erfindung.

Im Transistorverstärker nach dem Stand der Technik (Fig. 1) ist die Basisgleichspannung VB (Fig. 1) des Verstärker-

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transistors Q1 auf einen relativ hohen Wert gesetzt. Dadurch wird auch die Stärke des Emittergleichstroms IE gross und wird dementsprechend der Klirrfaktor verringert, der von der nichtlinearen Widerstandskennlinie re der VBE-IE-Kennlinie abhängt (VBE = Basis-Emitter-Spannung; IE = Emitterstrom). Eine Konstantstromquelle CS ist parallel zum Lastwiderstand RL auf die Kollektorelektrode des Verstäi-kertransistors Q1 geschaltet. Die Konstantstromquelle bzw. der Stromkonstanthalter CS besteht aus einem Transistor Q3, einem Widerstand R6 und den Dioden D3 und D4. Durch diese Schaltung wird der Gleichspannungsabfall über den Lastwiderstand RL abgefangen. Im Ergebnis wird dadurch ein Verstärker mit hoher Leistungsverstärkung erhalten, der eine nur geringe Versorgungsspannung benötigt.

Auf der anderen Seite ist jedoch bekannt, dass ein Transistorverstärker dieser Art ein verstärktes Ausgangssignal Vout liefert, dessen obere und untere Amplituden asymmetrisch abgeschnitten sind, solange der Gleichspannungspegel Vout(DC) der Ausgangsspannung zumindest nicht etwa gleich der halben Versorgungsspannung VCC, also nicht zumindest dem Haltwertpotential 0,5Vcc, entspricht. Es ist daher praktisch nicht möglich, den bekannten Verstärker im Bereich grosser Amplituden zu betreiben. Der bekannte Verstärker lässt also einen nur relativ schmalen dynamischen Bereich der Ausgangsleistung zu.

Der Gleichspannungsausgangspegel Vout(DC) des Transistorverstärkers nach Fig. 1 ist durch die folgende Gleichung bestimmt.

Vout(DC) = VcC-(Rl'IRL) = Vcc-RL(IE-IO)

In den vorstehenden Gleichungen ist IRL der über den

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Lastwiderstand RL fliessende Vorspannungsgleichstrom. Um den Gleichspannungspegel der Ausgangsspannung auf das Halbwertpotential zu setzen, ist es daher erforderlich, sowohl die Grosse des Lastwiderstandes RL und des Emittergleichstroms IE als auch den Wert des Konstantstromes 10, der über den Stromkonstanthalter CS fliesst, zuvor genau einzustellen. Andererseits ist jedoch die Spannungsverstärkung GV dieses Transistorverstärkers durch den Ausdruck

GV = RL/RE

gegeben. Bei der Auslegung des in Fig. 1 gezeigten Transistorverstärkers muss also die Grosse des Lastwiderstandes RL ■ zuvor sowohl unter Berücksichtigung des Ausgangsgleichspannungspegels Vout(DC) als auch des Spannungsverstärkungsfaktors GV gewählt werden. Durch dieses Erfordernis wird der Freiheitsgrad beim Schaltungsentwurf stark eingeengt^

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde', unter Vermeidung dieser Beschränkung einen Transistorverstärker zu schaffen, bei dem der Ausgangsgleichspannungspegel Vout(DC) unabhängig von der Grosse' des Lastwiderstandes ist und gewählt werden kann, der Spannungsverstärkungsfaktor des Verstärkers frei wählbar ist und der Verstärker dadurch beim Aufbau grösserer Schaltungen freier eingesetzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Transistorverstärker der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der erfindungsgeinäss dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Anschluss des Kollektorlastwiderstandes mit dem Kollektoranschluss des Verstärkertransistors verbunden ist, während sein anderer Anschluss mit einer Gleichspannung beaufschlagt ist, die einen Gleichspannungspegel auf dem Verstärkerausgang festlegt, und dass der mit dem Kollektoranschluss

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des Verstärkertransistors verbundene Stromkonstanthalter einen Konstantstrom liefert/ dessen Stärke praktisch gleich dem über den Verstärkertransistor fliessenden EmittergLeichstrom ist.

Zusammengefasst schafft die Erfindung also einen Transistorverstärker mit einem Verstärkertransistor in Emitterschaltung mit einem Lastwiderstand, dessen einer Anschluss mit dem Kollektoranschluss des Verstärkertransistors verbunden ist, und mit einem Stromkonstanthalter, der mit dem Kollektoranschluss des Verstärkertransistors verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluss des Transistorverstärkers vom Kollektoranschluss des Verstärkertransistors abgegriffen ist. Die Verbesserung, die die Erfindung an dieser Schaltung schafft, liegt darin, dass der Stromkonstanthalter einen Strom
liefert, der gleich oder doch zumindest praktisch gleich dem Emittergleichstrom ist, der über den Verstärkertransistor fliesst und dass eine Gleichspannung, die den Gleichspannungspegel auf dem Verstärkerausgang bestimmt, auf den anderen Anschluss des KollektorlastwiderStandes
aufgeprägt ist, so dass über den Widerstand praktisch
kein Gleichstrom fliesst.

Das Wesen der Erfindung liegt also darin, dass eine
Gleichspannung +B1 auf einen Anschluss eines Kollektorlastwiderstandes geprägt wird, dessen anderer Anschluss
mit dem Kollektor des Verstärkertransistors verbunden ist. Mit dem Kollektoranschluss des Verstärkertransistors ist
gleichzeitig der Ausgang eines Stromkonstanthalters oder einer Konstantstromquelle verbunden, wobei die Schaltung so abgeglichen ist, dass beim Betrieb über den Kollektorlastwiderstand kein Gleichstrom fliesst.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Beispiel 1

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des Verstärkers der Erfindung enthält einen Verstärkertransistor Q1 in Emitterschaltung, einen Emitterwiderstand RE, Vorspannungswiderstände R1 und R2, einen Eingangskondensator Ci, einen Eingangsanschluss 1, einen Ausgangsanschluss 2 und einen Versorgungsspannungsanschluss 3. Auf den Eingangsanschluss 1 wird das Eingabespannungssignal Vin aufgeprägt. Auf den Versorgungsspannungseingeng 3 wird die Versorgungsspannung -t-Vcc gegeben. Am Aus gangs anschluss 2 tritt das Spannungsausgangssignal Vout auf. Ein Anschluss des Kollektorlastwiderstandes RL ist mit dem Kollektoranschluss des Verstärkungstransistors Q1 verbunden. Auf den anderen Anschluss des Kollektorlastwiderstandes RL wird eine Gleichspannung +B1 aufgeprägt. Diese Gleichspannung bestimmt den Gleichspannungspegel des am Ausgang 2 zur Verfügung stehenden Ausgangssignals. Mit dem Kollektoranschluss des Verstärkertransistors ist weiterhin der Ausgang eines Stromkonstanthalters CS verbunden. Der Stromkonstanthalter CS besteht aus den Dioden D3 und D4, einem Widerstand R6 und einem Transistor Q3. Der am Ausgang des Stromkonstanthalters CS auftretende Strom IO ist so gesetzt, dass er gleich dem Emittergleichstrom IE ist, der über den Verstärkertransistor Q1· fließt, über einen Ausgangskondensator CO ist ein Lastwiderstand ZL auf den Ausgangsanschluss 2 geschaltet, dessen Impedanz wesentlich grosser als der Kollektorlastwiderstand RL ist.

In Abwesenheit eines am Eingangsanschluss 1 auftretenden Eingangssignals Vin fliesst der gesamte am Ausgang des Stromkonstanthalters CS auftretende Strom über den Verstärkertransistor Q1. Über den Kollektorlastwiderstand RL fliesst auch kein Vorspannungsstrom. Der am Ausgangsanschluss 2 des Verstärkers auftretende Ausgangsgleichspannungspegel

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Vout(DC) ist daher durch die Gleichspannung +B1 bestimmt, die am aussenliegenden Anschluss des Kollektorlastwiderstandes RL aufgeprägt ist. Der Ausgangsgleichspannungspegel hängt weder von der Versorgungsspannung +Vcc noch von der Grosse des Kollektorlastwiderstandes RL ab.

Tritt dagegen am Eingangsanschluss 1 des Verstärkers ein Eingangssignal Vin auf, so fliesst unter Steuerung durch dieses Eingangssignal Vin über den Kollektorlastwiderstand RL ein Signalstrom, wobei der Spannungsverstärkungsfaktor praktisch den Wert RL/RE annimmt.

Beispiel 2

Bei dem in Fig.3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf dem aussenliegenden Anschluss des Emitterwiderstandes RE eine zweite Gleichspannung^-+B2 aufgeprägt. Diese Spannung ist gleich oder doch zumindest praktisch gleich der Differenz VB-VBE. Mit dem Emitteranschluss des'Verstärkertransistors Q1 ist weiterhin ein zweiter Stromkonstanthalter CS¹ verbunden, der aus den Dioden D1 und D2, dem Widerstand R4 und dem Transistor Q2 aufgebaut ist. Dieser Stromkonstanthalter nimmt einen konstanten Strom IE auf, der gleich oder doch zumindest praktisch gleich dem vom Stromkonstanthalter CS gelieferten Konstantstrom IO ist. Dies bewirkt, dass auch über den Emitterwiderstand RE kein Vorspannungsgleichstrom fliesst.

Beispiel 3

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, ein Transistordifferentialverstärker, ist in Fig. 4 gezeigt. Die Schaltung enthält als wesentliche Bauelemente avei Differentialverstärkertransistoren Q1 und Q1'. Ein Anschluss des Kollektorlastwiderstandes RL ist mit dem Kollektor-

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anschluss des DifferentialVerstärkertransistors Q1' verbunden. An dem Kollektoranschluss des Differentialverstärkertransistors Q1' ist auch der Ausgang des Verstärkers abgegriffen. Der Gleichspannungspegel des Ausgangskanals ist durch eine Gleichspannung +B1 festgelegt, die auf dem anderen Anschluss, dem aussenseitigen Anschluss, des Kollektorlastwiderstandes RL aufgeprägt ist. Ein Stromkonstanthalter CS ist mit seinen Ausgängen mit den Kollektoranschlüssen der Verstärkertransistoren Q1 und Q1' verbunden. Der Stromkonstanthalter CS besteht aus einem Transistor Q3 in Diodenschaltung und einem Transistor Q3', dessen Basis auf die Basis des Transistors Q3 geschaltet ist. Die Basis sowohl des Transistors Q1 als auch des Transistors Q1' ist mit einer Gleichspannung VB vorgespannt, die an einem Verknüpfungspunkt zwischen den Vorspannungswiderständen R1 und R2 abgegriffen ist. Die Emitteranschlüsse der beiden Verstärkungstransistoren Q1 und Q1 ' sind wechselseitig über jeweils zugeordnete Emitterwiderstände RE bzw. RE¹ miteinander verbunden.'Sie sind auf den Kollektor eines Transistors Q4 eines Stromkonstanthalters geschaltet. Das auf den EingangsanSchluss 1 des Verstärkers gelangende Eingangssignal Vin gelangt auf die Basis des Differentialverstärkungstransistors Q1 über einen Eingangskondensator Ci. Zwischen den beiden Emitterwiderständen RE und RE¹ und den Vorspannungswiderständen R5 und R6 bestehen die Beziehungen RE = RE¹ und R5 = R6. In Abwesenheit eines Signals auf dem Eingangskanal ist daher IE = IE¹ = IO = IO'. Die Emitterströme IE und IE¹ fliessen dabei über die Differentialverstärkertransistoren Q1 und QV, während die Konstantströme IO und IO' über die Transistoren Q3 und Q3¹ des Stromkonstanthalters CS fliessen. In diesem Zustand fliesst kein Vorspannungsstrom über den Kollektorlastw^derstand RL. Die am Ausgangsanschluss 2 auftretende Ausgangspegelgleichspannung Vout(DC) ist daher allein durch die Gleich-

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spannung +Β1 bestimmt, die auf den aussenseitigen Anschluss des Kollektorlastwiderstandes KL aufgeprägt ist. Der Ausgangsspannungspegel des Verstärkers hängt daher weder von der Versorgungsspannung +Vcc noch vom Wert des Kollektorlas twiderstandes RL ab.

Wenn dagegen am Eingangsanschluss 1 des Verstärkers ein Eingangsspannugssignal Vin auftritt, fliesst über den Kollektorlastwiderstand RL ein das Eingangssignal abbildender differentieller Signalstrom. Aufgrund dieses Differentialsignalstroms fliesst ein diesem gleicher Signalstrom, der am Ausgang des Transistors Q3' des Stromkonstanthalter CS auftritt, auf den Kollektorlastwiderstand. Der erzielbare Spannungsverstärkungsfaktor GV des Verstärkers ist daher doppelt so gross wie die bei gebräuchlichen Differentialverstärkern erzielbare Spannung und kann durch folgenden Ausdruck wiedergegeben werden:

^ (2gm/(1+2RE-gm))-KL , (1) wobei

gm = q*IE/4kT .

Dabei ist ferner q die elektrische Ladung, IE der Emittergleichstrom, k die Boltzmannkonstante und T die absolute Temperatur.

Beispiel 4

In der Fig. 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zu dem in Fig. 4 (Beispiel 3) gezeigten Verstärker sind die beiden Emitter der Differentialverstärkertransistoren Q1 und Q1' über einen einzigen gemeinsamen Emitterwiderstand KE miteinander verbunden. Sie sind aber getrennt voneinander mit den

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Kollektoren der Transistoren Q4 bzw. Q4" eines Stromkonstanthalters verbunden. Um zu verhindern, dass in Abwesenheit eines Spannungssignals auf dem Eingangskanal ein Vorspajinungsstrom über den gemeinsamen Emitterwiderstand RE fliesst, sind die Widerstände R4 und R4" auf gleiche Widerstandswerte gesetzt.

Beispiel 5

In der Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in grösserer Ausführlichkeit gezeigt. Alle Transistoren, Widerstände und Leiterbahnen innerhalb der unterbrochen gezeichneten Linie IC sind auf einem einzigen Halbleiterplättchen nach gebräuchlichen Verfahren der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen hergestellt. Die Gesamtheit der dargestellten Bauelemente bildet einen einzigen monolithischen integrierten Halbleiterschaltkreis. Die Anschlüsse des Schaltungsbausteins sind durch grössere, mit Ziffern versehene Kreise kenntlich gemacht. Im einzelnen sind dies der Eingangsanschluss 1, der Ausgangsanschluss 2, der Versorgungsspannungsanschluss 3 und der Erdanschluss Die Emitter der Differentialverstärkertransistoren Q1 und Q1' sind miteinander über Emitterwiderstände RE und RE¹ verbunden. Sie sind über diese Widerstände mit dem Kollektor eines Transistors Q4 eines Stromkonstanthalters verbunden. Die Basisanschlüsse der Transistoren QI und Q1' sind über Vorspannungswiderstände R5 bzw. R6 mit einem Vorspannungs-Spannungsteiler R11, R12, R13, Q4' und R4' verbunden. Sie werden auf diese Weise mit einer Gleichspannung VB vorgespannt. Ein Anschluss des Kollektorlastwiderstandes RL ist mit dem Kollektoranschluss des Differentialverstärkertransistors Q1' verbunden. Der Ausgangsanschluss 2 des des Verstärkers, an dem das Ausgangssignal Vout zur Verfügung steht, wird über eine Emitterfolgerschaltung Q8,Q7 und R7 am Kollektoranschluss des Verstärkertransistors Q1' abge-

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griffen. Auf den Ausgangsanschluss 2 ist weiterhin über einen Ausgangskondensator CO ein Lastwiderstand ZL geschaltet. Die Emitterfolgerschaltung dient dem Zweck, unabhängig von der Grosse der Impedanz des Lastwiderstandes ZL ein konstantes Ausgangssignal zu erhalten. Aus dem zuvor genannten Spannungsteiler wird weiterhin eine Gleichspannung +B1 abgegriffen, die auf den anderen, aussenseitigen Anschluss des Kollektorlastwiderstandes RL geprägt wird, und zwar über eine zweite Emitterfolgerschaltung Q10, Q9 und R9. Die Spannung +B1 bestimmt den Ausgangsgleichspannungspegel am Ausgangsanschluss 2. Auf die Kollektoranschlüsse der Verstärkertransistoren Q1 und Q1' ist weiterhin der Ausgang eines Stromkonstanthalters CS geschaltet. Der Stromkonstanthalter CS besteht aus den Transistoren Q3 und Q3', deren Basisanschlüsse aufeinandergeschaltet sind und gemeinsam auf den Emitter eines Ti~ansistors Q3" geschaltet sind. Der Kollektor dieses Transistors ist geerdet.

Das im Eingangskanal auftretende Eingangssignal Vin wird über einen Eingangskondensator CI auf. den Eingangsanschluss 1 geprägt. Es gelangt von dort auf die Basis des Differentialverstärkertransistors Q1'. Zum Abgleich der Schaltung ist RE = RE¹, R5 = R6 und R14 = R14'. In Abwesenheit eines Eingangssignals ist daher IE = IE¹ = ¹IO = 10*. Dabei fliessen die Emitterströme IE und IE¹ über die Differentialverstärkertransistoren Q1 bzw. Q1' und die Konstantströme IO und 10' über die Transistoren Q3 und Q3' des Stromkonstanthalters CS. Dadurch wird erreicht, dass der Ausgahgsgleichspannungspegel Vout(DC), der am Ausgangsanschluss 2 auftritt, ausschliesslich durch die Gleichspannung +B1 bestimmt ist und weder von der Versorgungsspannung +Vcc noch von der Grosse des Kollektorlastwiderstandes RL abhängt. Wenn dagegen am Eingangsanschluss 1 ein Eingangssignal Vin auftritt, fliesst ein der Eingangssignalspannung entsprechender und diese abbildender Differentialsignalstrom über den Kollektorlastwiderstand RL. Am Ausgangsanschluss 2 tritt ein Ausgangs-

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Spannungssignal Vout auf, dessen Verstärkung GV durch die Gleichung 1 gegeben ist.

Der zuvor anhand von Ausführungsbeispielen beschriebene Verstärker weist also folgende Funktionsmerkmale auf:

(1) Über den Kollektorlastwiderstand fliesst kein durch die Vorspannung verursachter Gleichstrom. Der Wert des Kollektorlastwiderstandes kann frei gewählt und recht hoch gesetzt werden. Dadurch können sehr hohe Verstärkungsfaktoren erzielt werden.

(2) Nach dem Stand der Technik wird der nichtlineare Widerstand re der Emittersperrschicht durch negative Rückkopplung reduziert. Dies ist beim Verstärker der Erfindung nicht erforderlich, bei dem der Klirrfaktor durch einen sehr hohen Wert des Emittergleichstroms IE, der über den Verstärkertransistor fliesst, unterdrückt wird. Der Verstärker der Erfindung ermöglicht daher auch'ohne Rückkopplung eine verzerrungsfreie hohe Verstärkung. Insbesondere wird dadurch der beim Verstärker nach dem Stand der Technik erforderliche Phasenkompensationskondensator überflüssig. Bei Herstellung des Verstärkers in monolithischer integrierter Halbleitertechnik brauchen daher auch keine zusätzlichen Aussenanschlüsse für diesen Phasenkompensationskondensator vorgesehen zu sein. Sowohl der Verstärker selbst als auch mit diesem Verstärker aufgebaute Schaltungen können daher kostengünstiger hergestellt werden.

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Claims

Patentansprüche

1.'Transistorverstärker mit einem Verstärkertransistor in Emitterschaltung, einem kollektorseitigen Lastwiderstand, einem kollektorseitigen Stromkonstanthalter und einem am Kollektoranschluss des Verstärkertransistors abgegriffenen Ausgangsanschluss, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss des Kollektorlastwiderstandes (RL) mit dem Kollektoranschluss des Verstärkertransistors (Q1) verbunden ist, während sein anderer Anschluss (4) mit einer Gleichspannung (+331) beaufschlagt ist, die einen Gleichspannungspegel auf dem Verstärkerausgang festlegt, und dass der mit dem Kollektoranschluss des Verstärkertransistors (Q1) verbundene Stromkonstanthalter (CS) einen Konstantstrom (10) liefert, dessen Stärke praktisch gleich dem über den Verstärkertransistor (Q1) fliessenden Emittergleichstrom (IE) ist.

2. Transistorverstärker mit zwei Differentialverstärkertransistoren, Lastwiderständen und Stromkonstanthaltern, dadurch gekennzeichnet , dass ein Anschluss eines Kollektorlastwiderstandes (RL) mit dem Kollektoranschluss eines der beiden Verstarkertransxstoren (Q1, Q1') verbunden ist, dass das Ausgangssignal des Verstärkers am Kollektoranschluss dieses Verstärkertransistors abgegriffen ist, dass auf den anderen Anschluss des

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Kollektorlastwiderstandes flRL) eine Gleichspannung aufgeprägt ist, die den Ausgangsgleichspannungspegel bestimmt, und dass der Stromkonstanthalter (CS) mit den Kollektoranschlüssen der Verstärkertransistoren (Q1 und Q.1¹) verbunden ist.

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