DE2810167C2

DE2810167C2 - Transistorverstärker

Info

Publication number: DE2810167C2
Application number: DE2810167A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Dr. 2000 Hamburg 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: 1985-10-03
Also published as: FR2419611A1; CA1138052A; JPS54124957A; IT1111148B; GB2016235A; FR2419611B1; GB2016235B; JPS6136408B2; IT7920792A0; US4247825A; DE2810167A1

Description

ίο Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein solcher Transistorverstärker ist aus der DE-OS 22 49 024 bekannt.
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 Eingangsspannüng 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 dicser lineare Zusammenhang ausgenutzt werden soll, muß aber der Signalstrom hochohmig eingespeist werden (d. h. der innenwiderstand der Signalspannungsquelle muß groß sein im Vergleich zum Eingangswiderstand der Verstärkerschaltung), so daß ein erheblicher Teil der Signalleistung im Innenwiderrstand der hochohmigen 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 Emitterzuleitung des dritten und vierten 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 nicderohmigen 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 i^asis- und die Kollektorelektroden des ersten Transistors mit den entsprechenden Elektroden z. B. des dritten Transistors verbunden. Dann sind die iiasis- und Kollektorelektroden des zweiten Transistors mit den entsprechenden Elektroden des vierten Transistors verbanden. Die Verbindung muß keine direkte Verbindung sein; es genügt, wenn die Verbindung für die Signalfrequenzen einen Kurzschluß darstellt.

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

F i g. 1 einen Transistorverstärker nach der Erfindung,

F i g. 2 die Kennlinien der beiden Transistorpaare eines solchen Transistorverstärkers,

F i g. 3a und F i g. 3b eine für integrierte Schaltungstechnik geeignete Ausführungsform und

F i g. 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 Basis 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 10 mit dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden, der so bemessen ist, 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 Baiis des Transistors I 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 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 !6 angeschlossen ist, derart, daß der Innenwiderstand der Sign^lquelle — gesehen von den Verbindungspunkten der Basen der Transistoren — klein im Vergleich ztim Eingangswiderstand der Schaltung (an den Basen der Transistoren) ist Der Gleichstromarbeitspunkt der beiden Transistorpaare wird mittels eines geeignet bemessenen Spannungsteilers erzeugt der aus zwei Widerstanden 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 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 vorgesehen sein. Alle Transistoren sind vom npn-Typ.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich anhand von F i g. 2 erklären, die die Abhängigkeit der Differenz der Kollektorströme bzw. der Ausgangsspannung u„ von der Eingangsspannung u, an den Basen der Transistorpaare darstellt. Der Kennlinienverlauf ist nullpunktsymmetrisch, jedoch ist in F i g. 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,_c = Iu · sin h (uj 2

Dabei ist Ak die Differenz der Kollektorströme, Iu die Summe der Kollektorgleichströme, u_g die Generatorspannung zwischen den Basen, ut die Temperaturspannung (ungefähr 26 mV bei Zimmertemperatur und

smh(x) = l/2(e*-e-V (Hyperbelsinus).

Demgegenüber weist das Transistorpaar, das die Transistoren 1 und 2 und die Konstantstromquelle 5,6,7 in deren Emitterzuleitung enthält, eine Kennlinie (b)der Form

k = /, · tan h (w,l 2u_T)

auf.

Gleichung (1) ergibt für kleine Generatorspannungen Ug(^Ur) und einen linearen Zusammenhang zwischen Δ_κ und Ug, jedoch steigt Ak mit steigendem u_g stärker als linear an (Kennlinie a). Demgegenüber ergibt Gleichung (2) für kleine u_g zwar auch einen linearen Zusammenhang zwischen A,_c und u_g, jedoch steigt bei größerem u_g die Differenz der Kollektorströme A_lc schwächer als linear an (Kennlinie b).

Addiert man nun die Kollektorströme des ersten Transistorpaares mit den Transistoren 1 und 2 und des zweiten Transistorpaares 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 F i g. 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 Iu = 2/, 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 IuIh von diesem optimalen Wert von 2 :1 geringfügig abweicht. Es ergibt sich dann ein Bereich von 1 < IJ h< 3.

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 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 F i g. 1 kann 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 kleine Kreuzmodulationsprodukte aufweist. Als eigentliche Mischstufe kann dabei ein über Kreuz gekoppeltes Differenzverstärkerpaar verwendet werden, wie es aus der DE-OS 19 03 913. 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

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 Ug die Überlagerung der Differenzen der Kollektorströme nicht mehr zu einer exakten Kompensation der Nichtlinearitäten führt Eine Verbesserung ergibt sich hier, wenn — wie in F i g. 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 Kollektorslröme

in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U₁. Werden derartige Widerstände benutzt, dann kann die Auslöschung der dritten Oberwelle bei Werten von Iu/Ii erfolgen, die von den oben angegebenen Werten abweichen. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, der

ίο 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 Wen annimt, der dazu führt, daß mit steigender Spannung an den Basiselektroden der Transistoren 1 bzw. 2 der den Emittern der Transistoren 1 und 2 zugeführte Strom steigt und nicht asymptotisch einen konstanten Wert erreicht.

Aus F i g. 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 1 und 3, kann daher ein Doppel-Emitter-Transistor verwendet werden, d.h. ein Transistor mit zwei Emittern, insbesondere wenn die Schaltung in integrierter Schaltungstechnik hergestellt wird (F i g. 3a). F i g. 3b zeigt einen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat eines derartigen Doppel-Emitter-Transistors. Die Kollektorzone wird durch einen nleitenden 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 η-leitende Emitterzonen 32a und 32i> eindiffundiert, deren Übergangsflächen entsprechend dem Verhältnis von IJh bemessen sind. Der die Transistoren 2 und 4 ersetzende Doppel-Emitter-Transistor ist entsprechend aufgebaut, wobei jeder Emitter des einen Transistors auf nicht näher dargestellte Weise mit dem Emitter des anderen Doppel-Emitter-Transistors verbunden ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorverstärker mit einem ersten Transistorpaar, das einen ersten Transistor (1) und einen zweiten Transistor (2) enthält, deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind und in deren gemeinsame Emitterzuleitung eine Konstantstromquelle (5... 7) angeordnet ist, und mit einem zweiten Transistorpaar, das einen dritten und einen vierten Transistor enthält, deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind, wobei die Basis- und die Kollektorelektrode eines jeden Transistors (1 bzw. 2) eines Transisorpaares zumindest für die Signalfrequenzen mit der entsprechenden Elektrode jeweils eines Transistors (3 bzw. 4) des anderen Transistorpaares verbunden ist und 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 Emitterleitung des dritten und vierten Transistors (3,4) an ein konstantes Potential angeschlossen 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 (I_u) durch den dritten und vierten Transistor das 1- bis 3fache des von der Konstantstromquelle gelieferten Stromes (Ii) beträgt.

3. Transistorverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Ströme (h) durch den dritten und vierten Transistor ungefähr doppelt so groß ist wie der Strom (!,) der Konstantstromquelle.

4. Transistorverstärker nach Anspruch J, 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 Abschluß 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-Emitter-Transistor gebildet werden (F i g. 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 deich-Basisvorspannungen der Transistorpaare (1, 2 bzw. 3, 4) getrennt eingestellt sind.