DE2636156A1

DE2636156A1 - Spannungsfolgerschaltung

Info

Publication number: DE2636156A1
Application number: DE19762636156
Authority: DE
Inventors: Gijun Idei
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-08-12
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1977-02-17
Also published as: GB1552835A; DE2636156C3; JPS5221751A; US4103248A; DE2636156B2; GB1552836A

Description

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Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd.,
Kawasaki-shi, Japan

11. Aug. 1978

Spannungsfolgerschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsfolgerschaltung, die einen Spannungsverstärkungsfaktor im wesentlichen konstant halten kann und bei einer kleinen Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung eine Stromverstärkung bewirkt.

Eine Emitterfolgerschaltung weist eine große Eingangsimpedanz auf; sie gestattet eine Stromverstärkung bei einer Spannungsverstärkung mit dem Wert Eins. Zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der Emitterfolgerschaltung besteht eine Spannungsdifferenz, die der Spannung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors entspricht. Beispielsweise wird bei einem NPN-Transistor die Ausgangsspannung um einen der Spannung am Basis-Emitter-Übergang dieses Transistors entsprechenden Spannungswert niedriger als die Eingangsspannung. Andrerseits wird bei einem PNP-Transistor die Ausgangsspannung um einen Wert höher als die Eingangsspannung, der der Spannung am Basis-

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Emitter-Übergang dieses Transistors entspricht. Yfenn als Transistor für die Emitterfolgerschaltung ein Siliciumtransistor verwendet wird, liegt die Emitter-Basis-Spannung des Transistors auf einen hohen ¥ert von etwa 0,65 Volt, so daß sich eine beschränkte Ausgangsspannung und folglich eine Einschränkung der Anwendbarkeit der Emitterfolgerschaltung ergibt.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine Spannungsfolgerschaltung geschaffen werden, die einen größeren Ausgangsstron bei einem kleineren Unterschied zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Schaltung enthält eine Eingangsklemme, eine Ausgangsklemme, erste und zweite Energieversorgungsklemmen, einen ersten Transistor, dessen Basis mit der Eingangsklemme verbunden ist, einen zweiten Transistor, mit einem zum Leitungstyp des ersten Transistors entgegengesetzten Leitungstyp, dessen Basis an den Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist, dessen Emitter an die erste Energieversorgungsklernae angeschlossen ist und dessen Kollektor an die Ausgangsklemme angeschlossen ist, eine Schaltungsvorrichtung zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors und dem Emitter des ersten Transistors, die einen Spannungsabfall ermöglicht, und eine zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der zweiten Energieversorgungsklemme liegende Stromquelle.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Spannungsfolgerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

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Fig.2 eine Spannungsfolgerschaltung mit Transistoren, deren Leitungstyp dem jeweiligen Leitungstyp der Transistorer der Schaltung von Fig.1 entgegengesetzt ist,

Fig.3 eine Spannungsfolgerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig.4 eine Spannungsfolgerschaltung mit Transistoren, deren Leitungstyp jeweils den Leitungstyp der Transistoren der Schaltung von Fig.3 entgegengesetzt ist , und

Fig.5 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der Spannungsfolgerschaltung von Fig.4 und einer gewöhnlichen Emitterfolgerschaltung zeigt.

Die Spannungsfolgerschaltung vonFig.1 besteht aus einer kombinierten Transistorschaltung mit einem KPN-Transistor TIVi, einem- PNP-Transistor TR2 und einem als Diode geschalteten NPN-Transistor TR3 sowie aus einer Konstantstroinquelle mit NPN-Transistören TR4 und TR5 und einem Widerstand R1 sowie aus einer Energieversorgungsquelle E. Mit der Basis des Transistors TR1 ist eine Eingangsklemme V₁ verbunden. Die Basis des Transistors TR2 ist mit dem Kollektor des Transistor TR1· verbunden, und sein Emitter ist an die positive Klemme der Energieversorgungsquelle E angeschlossen, deren negative Klemme an Masse liegt. Der Kollektor des Transistors TR2 ist mit einer Ausgangsklemme Vq verbunden, und er ist am Kollektor des Transistors TR3 angeschlossen. Die Basis des Transistors TR3 ist mit seinen eigenen Kollektor verbunden, während sein Emitter mit dem Emitter des Transistors TR1 verbunden ist.

Der Emitter des Transistors TR4 liegt an Masse, und sein Kollektor ist am Verbindungspunkt zwischen den Emittern der

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Transistoren TRI und TR3 angeschlossen. Der Emitter und die Basis des Transistors TR5 sind am Emitter bzw. an der Basis des Transistors TR4 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors TR5 ist mit seiner eigenen Basis verbunden, und er steht über einen ""Widerstand R1 mit der positiven Klemme der Energieversorgungsquelle E in Verbindung.

Ein an die Eingangsklemme V. angelegtes Eingangssignal wird vom Transistor TR1 verstärkt und an die Basis des Transistors TR2 angelegt, wo es erneut verstärkt wird. Vom Kollektor des Transistors TR2 wird ein Ausgangssignal abgenommen. Da das Kollektorausgangssignal des Transistors TR2 über den Transistor TR3 und die Konstantstromquelle mit den Transistoren TR4 und TR5 zu 100% zum Emitter des Transistors TR1 gegengekoppelt ist, hat der Spannungsverstärkungsfaktor der Spannungsfolgerschaltung von Fig.1 im wesentlichen den Wert 1, und der Stromverstärkungsfaktor wird im wesentlichen gleich dem Produkt aus den Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren TR1 und TR2, was einen sehr großen Wert ergibt. In der in Fig.1 dargestellten Spannungsfolgerschaltung ist die Ausgangsklemme Vq mit der Basis des als Diode geschalteten Transistors TR3 verbunden; das Basispotential des Transistors TR3 wird höher als das Emitterpotential dieses Transistors. Wenn die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren TR1 und TR3 so eingestellt sind, daß sie im wesentlichen gleich sind, dann ist es möglich, eine Ausgangsspannung zu erhalten, die im wesentlichen gleich der Eingangsspannung ist. Wenn die Basis-Emitter-Spannung des Transistors TR3 so eingestellt ist, daß sie höher als die Basis-Emitter-Spannung des Transistors TR1 ist , dann ist es möglich, eine hohe Ausgangsspannung zu erhalten, die höher als die Eingangsspannung ist.

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Der Kollektor des Transistors TR2 kann einen Ausgangsstrom liefern, bis die Kollektor-Emitter-Spannung einen Sättigungsspannungswert annimmt. Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors TR.2 liegt auf einem niedrigen Wert von etwa 0,2 V, so daß es möglich ist, eine hohe Ausgangsspannung zu erhalten, deren Wert der Energieversorgungsspannung sehr nahe kommt. Der als Diode geschaltete Transistor TR3 ist zwar zwischen seiner Basis und seinem Kollektor kurzgeschlossen, doch kann die gleiche Wirkung auch erhalten werden, wenn ein in Kollektor-Emitter-Schaltung angeschlossener Transistor oder ein Transistor mit einem zum Leitungstyp des Transistors TR3 entgegengesetzten Leitungstyp oder auch eine Diode anstelle des Transistors TR3 verwendet wird oder wenn der Kollektor des Transistors TR3 an die Energieversorgungsquelle Ξ angeschlossen wird. Die Konstantstromquelle von Fig.1 mit den Transistoren TR4 und TR5 und dem Widerstand R1 bewirkt im wesentlichen die Zuführung eines konstanten Stroms zum Verbindungspunkt zwischen den Emittern der Transistoren TR1 und TR3. Die Konstantstromquelle kann durch einen Widerstand mit einem genügend hohen Wert ersetzt v/erden, doch ist dann eine höhere Versorgungsspannung auf jeden Fall erforderlich.

Fig.2 zeigt eine Spannungsfolgerschaltung mit Transistoren TR11 bis TR15, deren Leitungstyp jeweils dem Leitungstyp der Transistoren TR1 bis TR5 der Spannungsfolgerschaltung von Fig.1 entgegengesetzt ist. Die Spannungsfolgerschaltung arbeitet im wesentlichen ebenso wie die in Fig.1 dargestellte Spannungsfolgerschaltung; es wird die gleiche Wirkung wie bei der Spannungsfolgerschaltung von Fig.1 erreicht.

Wenn in der Spannungsfolgerschaltung von Fig.1 der SJromverstärkungsfaktor des Transistors TR2 hoch ist, dann kann

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dem Transistor TR1 kein ausreichend großer Strom geliefert werden, so daß der Betrieb des Transistors TR1 instabil wird. Wenn durch den Transistor TR1 ein Reststrom fließt, dann besteht die Möglichkeit, daß der Transistor TR2 auf Grund dieses Reststronis~gesättigt wird. Bei Verwendung des .als Diode geschalteten Transistors wie des Transistors TR3 fließt durch den Transistor TR4 unvermeidbar ein Ableitstrom von der Ausgangsklemme Vq nach Masse. Auf Grund der beschränkten Stronbelastbarkeit, kann die Ausgangsimpedanz nicht über einen großen Bereich abgesenkt werden. Dieses Verhalten kann in befriedigender Weise mit Hilfe der Spannungsfolgerschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung vermieden werden.

Die in Fig.3 dargestellte Spannungsfolgerschaltung gleicht der Spannungsfolgerschaltung von Fig.1 mit der Ausnahme, daß anstelle des als Diode geschalteten Transistors TR3 ein Transistor TR6 verwendet wird, und daß parallel zum Transistor TR2 eine Vorspannungsschaltung mit einem Transistor TR7 und einem Widerstand R2 geschaltet wird. Der Emitter des Transistors TR6 ist mit dem. .Kollektor des Transistors TR2 verbunden, sein Kollektor liegt an Masse und seine Basis ist mit dem Emitter des Transistors TR1 verbunden; somit wird die Fähigkeit der Spannungsfolgerschaltung zur Abgabe von Ausgangsstrom gesteigert. Der Kollektor des Transistors TR7 ist mit dem Kollektor des Transistors TR1 verbunden, sein Emitter ist über den Widerstand R2 mit dem Emitter des Transistors TR2 verbunden und seine Basis ist mit der Basis des Transistors TR2 und mit dem Kollektor des Transistors TR7 verbunden.

Dem Transistor TR1 wird über die Vorspannungsschaltung mit dem Transistor TR7 und dem Widerstand R2 ein Vorstrom

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zugeführt, der den Betrieb des Transistors TR1 stabil macht und die Sättigung des Transistors TR2 verhindert. Wenn anstelle des Transistors TR3 von Fig.1 der Transistor TR6 mit dem entgegengesetzten Leitungstyp verwendet wird, dann fließt über den Kollektor des Transistors TR6 ein Ableitstrom von einer Ausgangsklemme Vq nach Masse, was über einen großen Bereich eine niedrige Ausgangsimpedanz ergibt. Es ist offensichtlich, daß die den Transistor TR6 enthaltende Schaltung und die Schaltung mit dem Transistor TR7 und dem Widerstand R2 ihre Wirkungen unabhängig voneinander haben. Die Zusammen-■virkung beider Schaltungen kann die Funktion der Spannungsfolgerschaltung verbessern.

Fig.4 zeigt eine Spannungsfolgerschaltung mit Transistoren . TR11, TR12 und TR14 bis TR17 deren Leitungstypen jeweils den Leitungstypen der Transistoren TR1, TR2 und TR4 bis TR7 in der Spannungsfolgerschaltung von Fig.3 entgegengesetzt sina. Die Spannungsfolgerschaltung arbeitet ebenso wie die Spannungsfolgerschaltung von Fig.3;· es wird auch die gleiche Wirkung wie bei der Spannungs- ' folgerschaltung von Fig.3 erzielt.

Fig.5 zeigt einen Vergleich der Abhängigkeit der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung zwischen der Spannungsfolgerschaltung von Fig.4 und einer gewöhnlichen Emitterfolgerschaltung. Die Kurve 1 in Fig.5 zeigt die Eingangs- und Ausgangskennlinie der Spannungsfolgerschaltung von Fig.4, in der die Transistoren TR11, TR14 und TR15 laterale PNP-Transistoren mit dem Verstärkungsfaktor 3 sind, während die Transistoren TR12, TR16 und TR17, NPN-Transistoren mit dem Stromverstärkungsfaktor 100 sind; die Widerstände R1

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und R2 haben Werte von 20 k Ohm bzw. 4 k Ohm, während parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors TR.16 ein Lastwider stand mit dem Wert 5 k Ohm liegt. Die Kurve 2 zeigt die Eingangs- und Ausgangs-Kennlinie einer gewöhnlichen Emitterschaltung mit einem Lastwiderstand von 5 k Ohm. In jedem Fall hat die Versorgungsspannung den Wert 2 V.

Aus Fig.5 ist offensichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen Spannungsfolgerschaltung eine Ausgangsspannung erhalten wird, die im wesentlichen gleich der Eingangsspannung ist, wie die Kurve 1 zeigt. Bei der gewöhnlichen Spannungsfolgerschaltung wird jedoch der absolute Wert der Ausgangsspannung kleiner als der absolute Wert der Eingangsspannung, wie die Kurve 2 zeigt. Bei der Spannungsfolgerschaltung nach der Erfindung ist folglich die Eingangsund Aüsgangs-Kennlinie merklich verbessert.

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Claims

Patentansprüche

Spannungsfolgerschaltung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und ersten und zweiten Energieversorgungsklemmen, gekennzeichnet durch einen ersten Transistor des einen Leitungstyps, dessen Basis an die Eingangsklemme angeschlossen ist, einen zweiten Transistor mit einem zum Leitungstyp des ersten Transistors entgegengesetzten Leitungstyp, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist, dessen Emitter mit der ersten Energieversorgungsklemme verbunden ist und dessen Kollektor mit der Ausgangsklemme verbunden ist, eine Schaltungsvorrichtung zwischen der Ausgangsklemme und dem Emitter des ersten Transistors, die einen Spannungsabfall dazwischen ermöglicht, und eine zwischen den Emitter des ersten Transistors und die zweite Energieversorgungsklemme geschaltete Stromquelle.

Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung aus einer zwischen die Ausgangsklemme und den Emitter des ersten Transistors geschalteten Diode besteht, die einen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung ermöglicht.

Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung aus einem dritten Transistor besteht, dessen uasis mit der Ausgangsklemme verbunden ist und dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle einen mit dem Kollektor am Emitter des ersten Transistors angeschlossenen vierten Transistor enthält, ferner einen fünften Transistor enthält,

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dessen Basis und dessen Emitter mit der Basis "bzw. mit dem Emitter des vierten Transistors verbunden sind und dessen Kollektor mit seiner Basis verbunden ist und außerdem einen Widerstand zwischen dem Kollektor des fünften Transistors und der ersten Energieversorgungsquelle enthält, wobei ein Verbindungspunkt z'wischen dem Emitter des vierten Transistors und dem Emitter des fünften Transistors an die zweite Energievers or gungskiliemme angeschlossen ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung aus einem sechsten Transistor besteht, dessen Leitungstyp zum Leitungstyp des ersten Transistors entgegengesetzt ist und der einen mit der Ausgangsklemme verbundenen Emitter, eine mit dem Emitter des ersten Transistors verbundene Basis und einen mit der zweiten Energieversorgungsklemme verbundenen Kollektor aufweist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen siebten Transistor, dessen Leitungstyp zum Leitungstyp des ersten Transistors entgegengesetzt ist und dessen Kollektor mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist, während seine Basis mit seinem eigenen Kollektor und mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist, und einen zwischen den Emitter des siebten Transistors und den Emitter des zweiten Transistors eingefügten Widerstand, so daß dem Kollektor des ersten Transistors ein Vorstrom zugeführt wird.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung aus einer zwischen die Ausgangsklemme und den Emitter des ersten Transistors geschalteten Diode besteht, damit ein Spannungsabfall in Durchlaßrichtung ermöglicht wird.

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8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung aus einem dritten Transistor besteht, dessen Basis und dessen Kollektor miteinander verbunden sind, wobei der dritte Transistor als eine Diode wirkt, bei der der-Verbindungspunkt zwischen der Basis und dem Kollektor als erste Elektrode dient, während der Emitter des dritten Transistors als zweite Elektrode dient.

9. Schältung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle einenmit dem Kollektor am Emitter des ersten Transistors angeschlossenen vierten Transistor enthält, ferner einen fünften Transistor enthalt, dessen Basis und dessen Emitter mit der Basis bzw.mit dem Emitter des vierten Transistors verbunden sind und dessen Kollektor mit seiner Basis verbunden ist und außerdem einen Widerstand zwischen dem Kollektor des fünften Transistors und der ersten Energieversorgungsklemme enthält, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des vierten Transistors und dem Emitter des fünften Transistors an die zweite Energieversorgungsklemme angeschlossen ist.

10. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung aus einem sechsten Transistor besteht, dessen Leitungstyp zum Leitungstyp dös ersten Transistors entgegengesetzt ist und der einen mit der Ausgangsklemme verbundenen Emitter, eine mit dem Emitter des ersten Transistors verbundene Basis und einen mit der zweiten Energieversorgungsklemme verbundenen Kollektor aufweist.

11. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transis tor ein NPN-Transistor ist, daß der

■ zweite Transistor ein PNP-Transistor ist und daß der

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Kollektor des zweiten Transistors über die Schaltungsvorrichtung mit der Konstantstromquelle verbunden ist.

12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung eine Diode ist, deren Anode an die Konstantstromquelle angeschlossen ist und deren Katode an den Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist.

13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung aus einem PNP-Transietor besteht, dessen Basis und dessen Kollektor mit dem"Kollektor des zweiten Transistors verbunden sind und dessen Emitter mit der Konstantstromquelle verbunden ist.

14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen PIiP-Transistor enthält, der mit dem Kollektor am Emitter des dritten Transistors angeschlossen ist, ferner einen PKP-Transistor enthält, dessen Basis und dessen Emitter mit der Basis bzw. mit dem Emitter des vierten Transistors verbunden sind, während sein Kollektor mit seiner eigenen Basis verbunden ist, und außerdem einen Widerstand enthält, der zwischen den Kollektor des fünften Transistors und den Emitter des zweiten Transistors geschaltet ist.

15. Schaltung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen NPN-Transistor, dessen Kollektor mit dem Kollektor des ersten Transistors und mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist, und einen Widerstand zwischen dem Emitter des sechsten Transistors und dem Emitter des zweiten Transistors.

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