DE2810167A1

DE2810167A1 - Transistorverstaerker

Info

Publication number: DE2810167A1
Application number: DE19782810167
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Dr Berger
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1978-03-09
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1979-09-13
Also published as: IT1111148B; IT7920792A0; JPS6136408B2; GB2016235B; CA1138052A; US4247825A; FR2419611B1; JPS54124957A; GB2016235A; DE2810167C2; FR2419611A1

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, STEINDAMM 94, 2000 HAMBURG 1

"Transistorverstärker"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker mit einem ersten Transistorpaar, das einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor enthält, deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind und in deren gemeinsamer Emitterzuleitung eine Konstantstromquelle angeordnet ist, und mit einem zweiten Transistorpaar, das einen dritten und einen vierten Transistor enthält, deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind, wobei den Basiselektroden der Transistoren das zu verstärkende Eingangssignal von einer niederohmigen Signalquelle zugeführt wird und das verstärkte Signal am Kollektor der Transistoren abgenommen wird.

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Ein solcher Transistorverstärker ist im wesentlichen aus der Zeitschrift J.SCI. INSTRUM. 1966, Vol. 43, Seite 165 ff bekannt (allerdings in Verbindung mit einem Analog-Multiplizierer) sowie aus der US-PS 3,512,096 (dort wird das Eingangssignal allerdings den miteinander verbundenen Emitterzuleitungen zugeführt.

Wird ein derartiger Transistorverstärker niederohmig gespeist, d.h. von einer Signalspannungsquelle, deren Innenwiderstand klein im Vergleich zum Eingangswiderstand des Verstärkers ist, dann ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der den Basen der Transistorpaare zugeführten Eingangsspannung und den an den Kollektoren abnehmbaren AusgangsSignalen. Diese Nichtlinearität bzw. die dadurch hervorgerufenen Verzerrungen sind um so größer, je größer das Eingangssignal ist.

Es ist bekannt, daß man Verzerrungen durch Gegenkopplung verringern kann. Dadurch wird aber gleichzeitig auch die Verstärkung verringert. Benutzt man eine solche Verstärkerschaltung beispielsweise als Empfängereingangsschaltung, dann lassen sich infolge der Gegenkopplung größere Signale zwar besser verarbeiten (geringere Verzerrungen), jedoch werden kleinere Signale infolge der Gegenkopplung schlechter verarbeitet (weil sich dann aufgrund der Verstärkungsabnahme das Rauschen der Schaltung stärker bemerkbar macht).

Es ist weiterhin bekannt, daß Transistorverstärker einen weitgehend linearen Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom haben, weil zwischen dem Kollektorstrom und dem Basisstrom ein linearer Zusammenhang besteht (nicht aber zwischen der Basis-Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom) . Wenn dieser lineare Zusammenhang ausgenutzt werden soll, muß äDer der Signalstrom hochohmig eingespeist werden (d.h. der Innenwiderstand der Signalspannungsquelle muß groß sein im Vergleich zum Eingangswiderstand der Ver-

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Stärkerschaltung), so daß ein erheblicher Teil der Signalleistung im Innenwiderstand der hachohmigen Signalquelle verlorengehen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Transistorverstärkerschaltung zu schaffen, die bei Steuerung durch eine niederohmige Signalquelle große Signale weitgehend verzerrungsfrei verarbeitet, ohne daß die Signalverstärkung herabgesetzt wird.

Ausgehend von einem Transistorverstärker der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Emitte.r zuleitung des dritten und -uierten Transistors an ein konstantes Potential angeschlossen ist und daß die Basis und die Kollektorelektrode eines jeden Transistors eines Transistorpaares zumindest für die Signalfrequenzen mit der entsprechenden Elektrode jeweils eines Transistors des anderen Transistorpaares verbunden ist.

Als konstantes Potential ist dabei ein Potential bezeichnet, das von der Spannung am Eingang des Transistorverstärkers weitgehend unabhängig ist. Ein solches Potential läßt sich beispielsweise mit einer niederohmigen Gleichspannungsquelle erzeugen. Ebenso ist als Konstantstromquelle eine (hochohmige) Stromquelle bezeichnet, die einen Strom liefert, der vom Eingangssignal des Transistorverstärkers unabhängig ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung sind jeweils die Basis- und die Kollektorelektroden des ersten Transistors mit den entsprechenden Elektroden z.B. des dritten Transistors verbunden. Dann sind die Basis- und Kollektorelektroden des zweiten Transistors mit den entsprechenden Elektroden des vierten Transistors verbunden. Die Verbindung muß keine direkte Verbindung sein; es genügt, wenn die Verbindung für die Signalfrequenzen einen Kurzschluß darstellt.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Transistorverstärker nach der Erfindung, Fig. 2 die Kennlinien der beiden Transistorpaare eines

solchen Transistorverstärkers, Fig. 3a und Fig. 3b eine für integrierte Schaltungstechnik

geeignete Ausführungsform und Fig. 4 eine Schaltungsmodifikation, die die Verzerrungen gegebenenfalls weiter herabsetzt.

In Fig. 1 ist ein Transistorverstärker dargestellt, der ein erstes Transistorpaar enthält, das aus einem ersten Transistor 1 und einem zweiten Transistor 2 besteht. Die Emitter dieser beiden Transistoren sind miteinander verbunden. In der gemeinsamen Emitterzuleitung findet sich eine Signalstromquelle in Form der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 5, dessen Basis mit der BaeLs und dem Kollektor eines als Diode geschalteten Transistors 6 verbunden ist und dem über einen Widerstand 7 ein Gleichstrom zugeführt wird. Diese Schaltung stellt einen sogenannten Stromspiegel dar und liefert einen Strom, der von der Spannung an den Basen der Transistoren 1 und 2 praktisch unabhängig ist.

Es ist ein weiteres Transistorpaar vorgesehen, das einen Transistor 3 und einen Transistor 4 umfaßt, deren Emitter ebenfalls miteinander verbunden sind. Die Emitterzuleitung ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der aus einem Widerstand 8 besteht, der den Emitter mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbindet und aus der Serienschaltung von in Durchlaßrichtung geschalteten Dioden 9, die den Emitter mit dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle, der an Masse angeschlossen ist, verbinden. Der Emitter ist außerdem über einen Kondensator

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mit dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden, der so bemessen ist₅ daß er für Signalfrequenzen einen Kurzschluß darstellt. Infolgedessen ist die Gleichspannung am Emitter der Transistoren 3 und 4 unabhängig von der Signalspannung an den Basen dieser Transistoren« Die Schaltung aus den Elementen 8, 9 und 10 wirkt also so, als ob die Emitter der Transistoren 3 und 4 an eine niederohmige Gleichspannungsquelle angeschlossen wären.

Die Basis des Transistors 3 ist direkt mit der Basis des Transistors 1 und sein Kollektor ist direkt mit dem Kollektor des Transistors 1 verbunden. Ebenso ist die Basis des Transistors 2 direkt mit der Basis des Transistors 4 und der Kollektor des Transistors 2 direkt mit dem Kollektor des Transistors 4 verbunden. Das Ausgangssignal wird zwischen der den Verbindungspunkten der Kollektoren der Transistoren 1 und 3 bzw. 2 und 4 abgenommen, die mit 11 und 12 bezeichnet sind. Diese Verbindungspunkte sind über gleich große Widerstände 13 und 14 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Die miteinander verbundenen Basen der Transistoren 1 und 3 einerseits und der Transistoren 2 und 4 andererseits sind an je ein Ende einer Sekundärwicklung eines Übertragers 15 angeschlossen, an dessen Primärwicklung die Signalquelle 16 angeschlossen ist, derart, daß der Innenwiderstand der Signalquelle - gesehen von den Verbindungspunkten der Basen der Transistoren - klein im Vergleich zum Eingangswiderstand der Schaltung (an den Basen der Transistoren) ist. Der Gleichstromarbeitspunkt der beiden Transistorpaare, wird mittels eines geeignet bemessenen Spannungsteilers erzeugt, der aus zwei Widerständen 17 und 18 besteht, deren Verbindungspunkt über einen Kondensator 24 mit der einen Versorgungsspannungsklemme verbunden ist, die an die Versorgungsspannung angeschlossen sind und deren Verbindungspunkt über je einen Widerstand 19 und 20 mit den Verbindungspunkten der Basen der Transistoren 2 und 4 bzw. 1 und 3 verbunden ist. Die Widerstände 19 und 20 sind klein im

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Vergleich zu den Widerständen 17 bzw. 18 und ungefähr gleich groß. Es empfiehlt sich dabei, den Verbindungspunkt der Widerstände 19 und 20 mit einer sekundären Mittelanzapfung des Übertragers 15 zu verbinden. Zur genauen Einstellung des Stromes durch das Transistorpaar 3, 4 kann in Serie zu einem der Widerstände 17 oder 18 ein im Vergleich dazu kleiner, einstellbarer Widerstand vorgesehen sein. Alle Transistoren sind vom npn-Typ.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich anhand von Fig. 2 erklären, die die Abhängigkeit der Differenz der Kollektorströme bzw. der Ausgangsspannung u_ von der

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Eingangsspannung u. an den Basen der Transistorpaare darstellt. Der Kennlinienverlauf ist nullpunktsymmetrisch, jedoch ist in Fig. 2 der Einfachheit halber nur der Verlauf in einem Quadranten dargestellt. Zunächst sei nur das Transistorpaar mit den Transistoren 3 und 4 betrachtet (Kennlinie a). Dieses Transistorpaar hat im Idealfall eine Kennlinie der Form

A_fc = I₁₁ · sin h (u_g/2u_T) (1)

Dabei ist A. die Differenz der Kollektorströme, I_TT die Summe der Kollektorgleichströme, u die Generatorspannung zwischen den Basen, u_T die Temperaturspannung (ungefähr 26 mV bei Zimmertemperatur und sin h (x) = 1/2(e - e ) (Hyperbelsinus ).

Demgegenüber weist das Transistorpaar, das die Transistoren und 2 und die Konstantstromquelle 5, 6, 7 in deren Emitterzuleitung enthält, eine Kennlinie (b) der Form

A_ic = I₁ · tan h (u_±/2U₁) (2)

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Gleichlang (1) ergibt für kleine Generator spannungen u (4- uj und einen linearen Zusammenhang zwischen Δ . und u_, jedoch

ic g

steigt A_ic mit steigendem u stärker als linear an (Kennlinie a). Demgegenüber ergibt Gleichung (2) für kleine u zwar auch einen linearen Zusammenhang zwischen A_ic und u , jedoch steigt bei größerem u die Differenz der Kollektorströme A-„ schwächer als linear an (Kennlinie b). ic

Addiert man nun die Kollektorströme des ersten Transistorpaares mit den Transistoren 1 und 2 und des zweiten Transistor paares mit den Transistoren 3 und 4 indem man die Kollektoren der Transistoren 1 und 3 und die Kollektoren der Transistoren 2 und 4 miteinander verbindet, dann ergibt sich ein Verlauf, der nur noch wenig von dem in Fig. 2 mit c bezeichneten linearen Verlauf abweicht, der die verzerrungsfreie Verstärkung kennzeichnet.

Die Schaltung stellt einen Gegentaktverstärker dar, bei dem bekanntlich bei symmetrischem Aufbau geradzahlige Oberwellen entfallen. Zur Herstellung der Symmetrie kann gegebenenfalls einer der Widerstände 13 bzw. 14 einstellbar ausgeführt werden, so daß ein Abgleich möglich ist. Es läßt sich zeigen, daß die Oberwellen 3. Ordnung entfallen, wenn Iy = 2I₁ gemacht wird, d.h. wenn die Summe der Ruheströme durch die Transistoren 3 und 4 doppelt so groß ist wie der vom Transistor 5 gelieferte konstante Gleichstrom. In der Praxis ist eine exakte Kompensation der Oberwellen 3. Ordnung nicht möglich, und es hat sich gezeigt, daß die Oberwellen auch dann befriedigend reduziert werden können, wenn das Verhältnis Ijj/Ij. ^{von diesem} optimalen Wert von 2 : 1 geringfügig abweicht. Es ergibt sich dann ein Bereich von /

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Basen der Transistoren 1 und 3 bzw. 2 und 4 direkt miteinander verbunden sind. Es genügt, wenn zwischen den Basen dieser Transistoren

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eine Verbindung hergestellt wird, die im Signalfrequenzbereich wie ein Kurzschluß wirkt und z.B. durch je einen Kondensator realisiert ist. In diesem Fall könnten die Emitter der Transistoren 3 und 4 direkt an Masse angeschlossen werden, wenn die Vorspannung an den Basen dieser Transistoren entsprechend geändert wird. Die Gleichspannungsquelle, die bei der Schaltung nach Fig. 1 durch die Komponenten 8, 9 und 10 gebildet wird, würde dabei also entfallen.

Die Schaltung nach Fig, 1kann beispielsweise als Empfängereingangsstufe benutzt werden. Sie gestattet es, Eingangssignale bis zu 50 mV mit einem Klirrfaktor von weniger als 1 % zu verarbeiten und verstärkt gleichzeitig sehr kleine Signale hinreichend über den durch diese Schaltung verursachten Rauschpegel hinaus, so daß eine ausreichende Empfindlichkeit gewährleistet ist.

Die Schaltung kann auch zur Realisierung einer multiplikativen Mischstufe benutzt werden, die Heine Kreuzmodulationsprodukte aufweist. Als eigentliche Mischstufe kann dabei ein über Kreuz gekoppeltes Differenzverstärkerpaar verwendet werden, wie es aus der DE-OS 1 903 913, Fig. 9 bekannt ist (Bezugszeichen 72 bis 78), wobei die Emitter dieser Differenzverstärkertransistoren mit den Anschlüssen 11 und 12 zu verbinden wären (die Widerstände 13 und 14 könnten entfallen) und die Basisspannungen dieser Differenzverstärkertransistoren durch eine weitere erfindungsgemäße Schaltung erzeugt würden, die anstelle der Transistoren 88 und 90 treten würde. - Gegebenenfalls könnte die Schaltung aber auch direkt zur Mischung benutzt werden, indem den Emittern der Transistoren 1 und 2 ein entsprechend modulierter Emitterstrom zugeführt wird und indem die Vorspannung der Transistoren 3 und 4 im Takt der zweiten Mischfrequenz so geändert wird, daß der Gleichstrom I_u (vgl. Gleichung (2)) sich proportional zur Amplitude dieses Mischsignals ändert.

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Die Differenz der Kollektorströme der Transistoren 3 und 4 nimmt (zumindest theoretisch) unbegrenzt zu, während die Differenz der Kollektorströme der Transistoren 1 und 2 einem Grenzwert zustrebt, nämlich dem Wert des von der Konstantstromquelle gelieferten Gleichstroms. Es leuchtet ein, daß für große Werte von u die Überlagerung der Differenzen der Kollektorströme nicht mehr zu einer exakten Kompensation der Nichtlinearitäten führt. Eine Verbesserung ergibt sich hier, wenn - wie in Fig. 4 dargestellt - in die Emitterzuleitungen der Transistoren 3 und 4 sehr kleine (klein im Vergleich zum Reziprokwert der Transistorsteilheit) , gleich große Widerstände 21, 22 eingefügt werden, die die Emitter der Transistoren 3 und 4 mit dem Punkt konstanten Potentials verbinden. Diese Widerstände bewirken eine Scherung der Kennlinie a, d.h. einen weniger steilen Anstieg der Differenz der Kdüektorströme in Abhängigkeit von der Eingangsspannung n^. Werden derartige Widerstände benutzt, dann kann die Auslöschung der dritten Oberwelle bei Werten von ly^i ^erf°lg^en> die von den oben angegebenen Werten abweichen. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, der Konstantstromquelle in der Emitterzuleitung der Transistoren 1 und 2 einen verhältnismäßig großen Widerstand 23 parallel zu schalten, so daß der Innenwiderstand des Stromgenerators einen endlichen Wert annimmt, der dazu führt, daß mit steigender Spannung an den Basiselektroden der Transistoren 1 bzw. 2 der den Emittern der Transistoren und 2 zugeführte Strom steigt und nicht asymptotisch einen konstanten Wert erreicht.

Aus Fig. 1 erkennt man, daß die Transistoren 1 und 3 einerseits und die Transistoren 2 und 4 andererseits eigentlich nur einen gemeinsamen Kollektor- und Basisanschluß benötigen. Anstelle jeweils zweier Transistoren, z.B. der Transistoren und 3, kann daher ein Doppel-Emitter-Transistor verwendet werden, d.h. ein Transistor mit zwei Emittern, insbesondere

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wenn die Schaltung in integrierter Schaltungstechnik hergestellt wird (Fig. 3a). Fig. 3b zeigt einen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat eines derartigen Doppel-Emitter-Transistors. Die Kollektorzone wird durch einen n-leitenden Bereich 30 gebildet, der epitaktisch auf ein p-leitendes Substrat 33 aufgebracht ist und durch eine p-Isolationsdiffusion seitlich begrenzt ist, in den die gemeinsame Basiszone in Form eines p-leitenden Bereichs eindiffundiert ist. In die gemeinsamen Basiszonen sind zwei n-leitende Emitterzonen 32a und 32b eindiffundiert, deren Übergangsflächen entsprechend dem Verhältnis von Itt/¹! ^bemessen sind. Der die Transistoren 2 und 4 ersetzende Doppel-Emitter-Tranistor ist entsprechend aufgebaut, wobei jeder Emitter des einen Transistors auf nicht näher dargestellte Weise mit einem Emitter des anderen Doppel-Emitter-Transistors verbunden ist.

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Claims

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, STEINDAMM 94, 2000 HAMBURG PATENTANSPRÜCHE:

Transistorverstärker mit einem ersten Transistorpaar, das einen ersten Transistor (1) und einen zweiten Transistor (2) enthält, deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind und in deren gemeinsamer Emitterzuleitung eine Konstantstromquelle (5...7) angeordnet ist, und mit einem zweiten Transistorpaar, das einen dritten und einen vierten Transistor (3» 4) enthält, deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind, wobei den Basiselektroden der Transistoren das zu verstärkende Eingangssignal (U.) von einer niederohmigen Signalquelle (15, 16) zugeführt wird und das verstärkte Signal am Kollektor der Transistoren abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzuleitung des dritten und vierten Transistors (3, 4) an ein konstantes Potential angeschlossen ist und daß die Basis und die Kollektorelektrode eines jeden Transistors (1 bzw. 2) eines Transistorpaares zumindest für die Signalfrequenzen mit der entsprechenden Elektrode jeweils eines Transistors (3 bzw. 4) des anderen Transistorpaares verbunden ist.
2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisvorspannung der Transistoren, das Potential an den Emittern des dritten und des vierten Transistors (3» 4) und der Strom der Konstantstromquelle (5...7) so bemessen sind, daß die Summe der Ströme (l_u) durch den dritten und vierten Transistor das 1 bis 3fache des von der Konstantstromquelle gelieferten Stromes (1^) beträgt.
3. Transistorverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Ströme (I„) durch den dritten und vierten Transistor ungefähr doppelt so groß ist wie der Strom (l^) der Konstantstromquelle.

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4. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der dritten und vierten Transistoren über je einen kleinen Widerstand (21, 22) mit dem Punkt konstanten Potentials verbunden sind.
5. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Konstantstromquelle ein Widerstand (23) geschaltet ist.
6. Transistorverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen an die Versorgungsspannung angeschlossenen Spannungsteiler (8, 9), dessen Abriff mit den Emittern der Transistoren des dritten und vierten Transistors (3, 4) und über einen Kondensator (10), der für Signalfrequenzen einen Kurzschluß darstellt, mit einem Anschluß der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist.
7. Transistorverstärker in integrierter Schaltungstechnik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (1, 3 bzw. 2, 4), deren Kollektoren und Basen miteinander verbunden sind, durch einen Doppel-ßmitter-Transistor gebildet werden. (Fig. 3a)
8. Transistorverstärker nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Emitterfläche (32a) des Doppel-Emitter-Transistors ein- bis dreimal so groß ist wie die andere Emitterfläche (32b). (Fig. 3b)
9. Transistorverstärker nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der jeweils verbundenen Transistoren (1 und 3 bzw. 2 und 4) nur für Wechselspannungen z.B. durch je einen Kondensator verbunden sind, und daß die Gleich-Basisvorspannungen der Transistorpaare (1, 2 bzw. 3, 4) getrennt eingestellt sind.

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