DE2600594C3

DE2600594C3 - Transistorverstärker

Info

Publication number: DE2600594C3
Application number: DE2600594A
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: 1979-02-22
Also published as: GB1536023A; JPS5181541A; US4047118A; DE2600594A1; DE2600594B2

Description

Ein Transistorverstärker mit den Merkmalen der Oberbegriffe der beiden Patentansprüche ist aus der deutschen Offenlegungsschrifl 17 62 459 bekannt. Bei der bekannten Schaltung wird der Gleichspannungspegel an den Kollektorelektroden der beiden Verstärkertransistoren dadurch eingestellt, daß der Strom aus dem Stromkonstanthalter über ein ebenfalls an die Kollektorelektroden der Verstärkertransistoren angeschlossenes Widerstandsnetzwerk fließt. Dabei ist die Größe des von dem Stromkonstanthalter jeweils zugeführten Stroms nicht gleich der Größe des Emittergleichstroms des betreffenden Verstärkertransistors, weil jeweils ein Teil des Stroms aus dem Stromkonstanthalter über das Widerstandsnetzwerk abfließt. Ferner bildet bei der bekannten Schaltung das Widerstandsnetzwerk in Verbindung mit einem mit den Emitterelektroden der beiden Verstärkertransistoren verbundenen weiteren Transistor eine Rückkopplungsschleife, die bei Verstimmung der elektrischen Eigenschaften zwischen den Verstärkertransistoren oder zwischen den mit deren Kollektorelektroden verbundenen Zweigen des Widerstandsnetzwerks eine unerwünschte Gleichstromrüekkopplung von den Ausgängen der Verstärkertransistoren auf den genannten weiteren Transistor bewirkt, was zu einer Erhöhung des Verzerrungsfaktors in Abhängigkeit von der nichtlinearen WidcrMandskennlinie der Basis-Etnitter-Strccke des weiteren Transistors führt. Da außerdem die Ausgungslast bei der bekannten Schaltung parallel zu οinein Teil tics Widerstanclsnelzwerks lictit, läßt si«.h der Wert dieser Last nicht unabhängig von den Werten des Widerstandsnetzwerks wählen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistorverstärker zu schaffen, der bei geringer Verzerrung eine Dimensionierung seines Verstärkungsfaktors und seines Kollektorlastwiderstandes mit geringeren Einschränkungen zuläßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Danach arbeitet ίο die erfindungsgemäße Schaltung ohne verzerrende Rückkopplung, und der Ausgangsgleichspannungspegel ist im wesentlichen unabhängig von den Verhältnissen am Verstärkertransistor.

Aus der USA-Patentschrift 34 40 554 ist ein weiterer ι ^r> Verstärkertransistor bekannt, der der oben abgehandelten bekannten Schaltung insofern ähnlich ist, als ebenfalls mit einer Rückkopplungsschleife gearbeitet wird, die zu den genannten Verzerrungen führt, bei der Erfindung dagegen vermieden wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsge(7iäßen Transistorverstärkers in Form eines Differentialverstärkers ist in Anspruch 2 gekennzeichnet.

In der nachstehenden Beschreibung werden fünf Ausführuiigsbeispiele der Erfindung anhand der F i g. 1 j bis 5 der Zeichnungen näher erläutert.

Beispiel 1

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des

jo Verstärkers der Erfindung enthält einen Verstärkertransistor Q 1 in Emitterschaltung, einen Emilterwiederstand RE, Vorspannungswiderständc R 1 und R 2, einen Eingangskondensator Ci. einen Eingangsanschluß 1, einen Ausgangsanschluß 2 und einen Versorgungsspan-

ji nungsanschluß 3. Auf den Eingangsanschluß I wird das Eingabespannungssignal Viii aufgeprägt. Auf den Versorgungsspanniingseingang 3 wird die Versorgungsspannung + Vcc gegeben. Am Ausgangsanschluß 2 tritt das Spannungsausgangssignal Vom auf. Ein Anschluß

4(i des Kollektorwiderstandes RLhl mit dem Kollektoranschluß des Verstärkungstransistors Q 1 verbunden. Auf den anderen Anschluß des Kollektorlastwiderstandes RL wird eine Gleichspannung + B I aufgeprägt. Diese Gleichspannung bestimmt den Gleichspannungspegcl

-ti des am Ausgang 2 zur Verfügung stehenden Ausgangssignals. Mit dem Kollektoranschluß des Verstärkertransistors ist weiterhin der Ausgang eines Stromkonstanthalter CS verbunden. Der Stromkonstanthalter CS besteht aus den Dioden D3 und DA, einem Widerstand

id R 6 und einem Transistor Q3. Der am Ausgang des Stromkonstanthalter CS auftretende Strom IO ist so gesetzt, daß er gleich dem Emittergleichslrom //-'ist, der über den Verstärkertransistor Ql fließt. Über einen Ausgangskondensalor COist ein Lastwidcrstand ZL auf

-,-> den Ausgangsanschluß 2 geschaltet, dessen Impedanz, wesentlich größer als der Kollektorlastwidcrstand RL ist.

In Abwesenheit eines am Eingangsanschluß I auftretenden Eingangssignals Vm fließt tier gesamte am

,mi Ausgang des Stromkonstanthalter CV auftretende Strom über den Verstärkertransistor Q I. Über den Kollektorkistwiderstand Rl. fließt auch kein Vorspannunjrsstrom. Der am Ausgangsanschluß 2 des Verstärkers auftretende Aiisgangsgleichspanniing.spegel Vom

tv'i (DC) ist daher durch die Gleichspannung +IiI bestimmt, die am außenliegenden Anschluß ties Kollckiorlastwidct'standüs Rl. aufgeprägt ist. Der Ausgangsgleiclispannungspegel hängt weder von der

Versorgungsspannung + Vcc noch von der Größe des Kollektorlasiwiderstandes RL ab.

Tritt dagegen am Fingangsanschluß 1 des Verstärkers ein Eingangssignal Vin auf, so fließt unter Steuerung durch dieses Eingangssignal Vin über den K.ollektorlaslwiderstand RL ein .Signalstrom, wobei uor .Spannungsverstärkungsfaktor praktisch den Wert RL RE annimmt.

Beispiel 2

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf dem außenliegenden Anschluß des Emitterwiderstandes RE eine zweite Gleichspannung + 02 aufgeprägt. Diese Spannung ist gleich oder doch zumindest praktisch gleich der Differenz VB- VBE. Mit dem EmitteranschluU des Verstärkertransistors QI ist weiterhin ein zweiter Stromkonstanthalter CS' verbunden, der aus den Dioden D 1 und DI. dem Widerstand R4 und dem Transistor Q2 aufgebaut i·.¹.. 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. 3 gezeigt. Die Schaltung enthält als wesentliche Bauelemente zwei Differentialverstärkungstransistoren Q\ und QV. Ein Anschluß des Kollektorlastwiderstandes RL ist mit dem Kollektoranschluß des Differentialverstärkertransistors QV verbunden. An dem Kollektoranschluß des Differentialverstärkertransistors QV ist auch der Ausgang des Verstärkers abgegriffen. Der Glcichspannungspegel 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 Kcllektoranschlüsscn der VerstärkcrtransiiO^en Ql und Q\' verbunden. Der Stromkonstanthalter CS besteht aus einem Transistor Qi in Diodenschaltung und einem Transistor Q 3'. dessen Basis auf die Basis des Transistors C*3 geschaltet ist. Die Basis sowohl des Transistors Q\ als auch des Transistors QV ist mit einer Gleichspannung VB vorgespannt, die an einem Verknüpfungspunkt zwischen den Vorspannungswiderständen R\ und R 2 abgegriffen ist. Die Emitlerans'.'hlüssc der beiden Verstärkungsüansistoren Qi und QV sind wechselseitig über jeweils zugeordnete Emitterwiderstände RE bzw. RE' miteinander verbunden. Sie sind auf den Kollektor eines Transistors QA eines Stromkonstanthalter geschaltet. Das auf den Eingangsanschluß 1 des Verstärkers gelangende Eingangssignal Vin gelangt auf die Basis des Differentialverstärkungstransistors QX über einen Eir.gangskondcnsator Ci. Zwischen den beiden Emitterwidersländen RE und RE' und den Vorspannungswiderständen /?5 und Rb bestehen die Beziehungen RE=RE' und R¹S = Re. In Abwesenheit eines Signals auf dem Eingangskunai ist daher

IE=IE'= 1O = K)'.

Die F.miltcrstiöme //:' und //:'' Hießen dabei über die Differcnlialverstärkerlransistori'n Q I und Q Γ. während die Konsiantsirömc IQ und K)' über die Transistoren Q 3 und Q 3' des Stromkonstanthalter (S Hießen. In diesem Zustand Hießt kein Vorspannunyssirum über den Kollektorlastwidersiand RL. Die am Ausgangsanschluß 2 auftretende Ausgangspegelgleichspannung Vuut (DC) ist daher aiiein durch die Gleichspannung + öl bestimmt, die auf den außenseitigen Anschluß des Kollektorlastwiderstandes RL aufgeprägt ist. Der Ausgangsspannungspege! des Verstärkers hängt daher weder von der Versorgungsspannung + Vcc noch vom Wert des Kolleklorlastwiderslandes R L ab.

Wenn dagegen am Hingangsanschluß 1 des Verstärkers ein Eingangsspannungssignal Vm auftritt, fließt über den Kollektorlastwidersiand RL ein das Eingangssignal abbildender differentieller Signalstrom. Aufgrund dieses uifferentialsignalstroms fließt ein diesem gleicher Signalstrom, der am Ausgang des Transistors QZ' des Stromkonstanthalters CSauftritt. auf den Kollektorlastwiderstand. Der erzielbare .Spannungsverstärkungsfaktor CV des Verstärkers ist daher doppelt sogroß wie die bei gebräuchlichen Differentialverstärkern erzielbare Spannung und kann durch folgenden Ausdruck wiedergegeben werden:

wobei

GV ^ (2.Ii"! (1 + IRE gin)) RL.

>>m = ij ■ IE 4AT

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

Beispiel 4

r, In der F i g. 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zu dem in F i g. 3 (Beispiel 3) gezeigten Verstärker sind die beiden Emitter der Differentialverstärkertransistoren Ql und QV über einen einzigen gemeinsamen Emitterv der-

4Ii stand /?/f miteinander verbunden. Sie sind aber getrennt voneinander mit den Kollektoren der Transistoren Q4 bzw. Q4" eines Stromkonstanthalter verbunden. Um zu verhindern, daß in Abwesenheit eines Spannungssignals auf dem Eingangskanal ein Vorspannungsstrom

.ι, aber den gemeinsamen Emitterwiderstand RE flieiii, sind die Widerslände R 4 und R 4" auf gleiche Widerslandswerte gesetzt.

Beispiel 5

,Ii In der Fig.") ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in größerer Ausführlichkeil gezeigt. Alle Transistoren, Widerstände und Leiterbahnen innerhalb der unterbrochen gezeichneten Linie IC sind auf einem einzigen Halbleiterplättchcn nach gebräuchlichen Ver-

■-,-, fahren der Herstellung integrierter Halbleiterschaltung gen hergestellt. Die Gesamtheit der dargestellten Bauelemente bildet einen ein/igen monolithischen integrierten Haibleilerschaltkreis. Die Anschlüsse des Schaltungsbausteins sind durch größere, mit Ziffern

ho versehene Kreise kenntlich gemacht. Im ein/einen sind dies der Eingangsanschluß 1. der Ausgar:gsanschluß 2. der Versorgungsspanniingsanschluß 3 und der Erdan-Schluß 5. Die Emitter der Dilferenti.mc:-..citken!.;;isi· stören Ql und Ql' sind iiiitt'ii.aridc¹' ;".! -.■; Li'.iilter-

i,, w idersiiinde RE und RE' verbunden. Sie ■ ■ ·κ! über diese Widerstände mit dein Kollektor eines Transistors (J4 eines Stromkonstanthalter verbunden Die B.iiisanschlüsse der Transistoren Ql und QI' sind über

Vorspannungsvvidersiäiide ,V5 bzw. Wr> mil einem Vorspannungs-Spanmiiigsteiler /ill, W 12. Λ I 3. C.^4 und W 4' verbunden. Sie werden aul diese Weise mit einer Gleichspannung VIi vorgespannt Hin Anschluß des Kollekion.isiwiders:. inics W/. ist mil dein Koilck to ran senil:!.! des Differentialverstärkertransisnir· Q \' verhunden. · >er AusgangsaiKichluß 2 des Verstärkers, an deui das Ausgangssignai Vom zur Verfügung steht, wird über eine i JriiilerfolgersehalRiiig Q8. O7 und W 7 am Kollekloranschluß des Yerstärkcrtransistors U I' abgegriffen. Aiif den Ausgangsanschluß 2 ist weiterhin ürvr u.icn Ausgangskondensator CU ein Lastwiders',;;nd //. geschaltet. Die Emitterfolgerschaltung dient dem Zweck, unabhängig von der Größe der Impedanz des Laslwidersiandcs ZL ein konstantes Ausgangssignal zu erhalten. Aus dem zuvor genannten Spannungsteiler wird weiterhin eine Gleichspannung + H 1 abgegriffen, die auf den anderen, außenseitigen Anschluß des Kollektorlastwiderstandes RL geprägt wird, und zwar über eine zweite Emiucrfolgerschaltung QlO, O9 und W 9. Die Spannung + B 1 bestimmt den Ausgangsgleiehspannungspegcl am Ausgangsanschluß 2. Auf die Kollektoranschlüsse der Verstärkertransistoren Q 1 und Cl' ist weiterhin der Ausgang eines Stromkonstanthalter CSgeschaltet. Der Stromkonstanthalter CSbesteht aus den Transistoren O 3 und Q3', deren Basisanschlüssc aufeinandergeschaltet sind und gemeinsam auf den Emitter eines Transistors Q 3" geschaltet sind. Der Kollektor dieses Transistors ist gecrdel.

Das im Eingangssignal auftretende Eingangssignal Vin wird über einen Eingangskondensator CV auf den Eingangsanschluß 1 geprägt. Es gelangt von dort auf die Basis des Differentialverstärkertransislors QV. Zui" Abgleich der Schaltung ist RE=RE'. R 5 = Wb und W 14= W 14'. In Abwesenheit eines Eingangssignals ist daher

Dabei fließt.η die Ijniiicrstrome // ■■.; A .'.':' übe: die DiHerentialvcTsüirke!lran->ist< >i''n U i b/\i Q Γ und di<' Konslai,.sirc:*v.' /f)iind Ii) über die 1 ι ansiMoren ι) i 'ir.d QV ties .Stiomkt)ii.sUintii..;;c:s CS. Dadurch wird

-, erreicht, daß der ^usgapgsglciclispannungspegel \ Hm(DC'). der am Ausgaiigsaiisciikili 2 auftritt, aus-M.!iiicüiii ii durcli di·.· Glei'-'lispannung I B \ b;st.i.;.nt ist und weder von der Ycrsuigungssp.nuu;-^ + l'tv noih \on der Größe de·. Kollekic i:istwiJerstandes Hl.

in abhängt. Wenn dagegen am Eing^ngsansLlilul! I liii '•'''j™;·.' -v^wA Vm auflnit. Hießt ein der Eingangs>.iun,¹!: ;-„i[:iHiiij; eiv.spiechcnder und tiiesu abbildende:! Differenliiilsignalstrom üb·¹!· den Kollek'ot laslwidcr stand Rl -\m Ausgang ,a.v.chhiß 2 tritt ein Ausgangs-

|-, spannungssignal Wim .iiif, dessen Verstärkung (SV durch die Gleichung ! gegeben ist.

Dti /U¹¹Or iirh:tiid von Ausführungshcispielen beschriebenc Verstärker weist also lolgende l'unktionsmerkmale auf:

:n (Π Über den Kollektorlastwidersiand fließ! kein durch die Vorspannung verursachter (ileichstrom. Der Wert des Kollektorlastwiderstandes kann frei gewählt und recht hoch gesetzt werden. Dadurch können sehr hohe Verstärkungsfaktoren erzielt werden.

_>-i (2) Bei dem hier beschriebenen Verstärker wird der Klirrfaktor durch einen sein- hohen Wert des Emitterglcichstroms /Af. der über den Verstärkertransisloi fließt, umerdrückt. Der Verstärker ermöglicht dahei auch ohne Rückkopplung eine verzerrungsfreie hohe

vi Verstärkung. Insbesondere wird dadurch Phasenkonipensaiionskondensator überflüssig. Bei Herstellung des Verstärkers in monolithischer integrierter Halbleiter tcchnik brauchen daher auch keine zusätzlicher Aiißenanschlüssc für diesen Phasenkompensation^kon·

Γι densator vorgesehen zu sein. Sowohl der Verstärke! selbst als auch mit diesem Verstärker aufgebauk Schaltungen können daher kostengünstiger hergestellt w erden. »

Hierzu 2 Blatt Zeiclinunuen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorverstärker mit einem Verstärkertransistor, dessen Basis an die Eingangsklemme für das zu verstärkende Signal und dessen Kollektor an die Ausgangsklemme des Verstärkers angeschlossen ist, mit einem zwischen den Kollektor des Verstärkertransistors und eine Versorgungsspannungsklemme eingeschalteten Stromkonstanthalter sowie mit einem an den Kollektor des Verstärkertransistors angeschlossenen Kollektor-Lastwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorlastwiderstand (RL) mit seinem anderen Ende an eine von der Versorgungsspannung (+ Vcc) unabhängige Gleichspannungsklemme ( + Sl) angeschlossen isu die den Gleichspani.ungspegel an der Ausgangsklemme (2) festlegt, daß der Stromkonstanthalter (CS) dem Kollektor des Verstärkertransistors (Qi) einen Strom zuführt, der gleich oder doch zumindest praktisch gleich dem Emittergleichstrom des Verstärkertransistors (Q 1) ist, und daß die Schaltung derart abgeglichen ist, daß beim Betrieb über den Kollektor-Lastwiderstand (RL) praktisch kein Gleichstrom fließt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Verstärkertransistor durch zwei emitterseitig zusammengeschaltete und kollektorseitig mit dem Stromkonstanthalter verbundene Transistoren ersetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme (1) mit der Basis des einen Transistors (Q 1) und die Ausgangsklemme (2) sowie der Kollektor-Lastwiderstand (RL) mh dem Kollektor des anderen Transistors (Q Γ) verbunden sind.