DE2819087C2

DE2819087C2 - Verstärkerschaltung mit zwei Transistoren

Info

Publication number: DE2819087C2
Application number: DE2819087A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. Dipl.-Ing. Innsbruck Berger
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1978-04-29
Filing date: 1978-04-29
Publication date: 1985-10-31
Also published as: DE2819087A1; JPS6012331Y2; US4287478A; FR2424666A1; GB2020130B; FR2424666B1; CA1135803A; GB2020130A; JPS58166115U; JPS54144162A

Description

,
0,70, ist

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Faktor a ungefähr 0,64 be-

g , ₇Ic 0 bet

gemeinsamer Verbincungspu-.ikt mit dem Punkt konstanten Potentials üüer einen Widerstand (Re) verbunden ist, dessen Wert ungv/ähr 0,4 U-HIc 0 be-

1. Verstärkerschaltung mit zwei Transistoren, deren Basiselektroden das Eingangssignal im Gegentakt zugeführt wird, an deren Kollektorelektroden das Ausgangssignal abgenommen wird und deren Emitterelektroden über ein symmetrisches Wider-Standsnetzwerk mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden sind, dadurch gekennzeichne t, daß das Widerstandsnetzwerk so bemessen ist, daß die Steilheit jedes der beiden Transistoren um den Faktor a kleiner ist als der Wert IcolU_T, wobei

/coder KollektoiTuhestrom eines jeden Transistors, ppg g g

Ut die Temperaturspannung und a ein Faktor zwi- 15 zeitig auch die Verstärkung verringert Benutzt man eischen 0,47 und 0,78, vorzugsweise zwischen 0,57 und ne solche Verstärkerschaltung beispielsweise als Emp-

fängereingangsschaltung, dann lassen sich infolge der Gegenkopplung größere Signale wegen der geringeren Verzerrungen zwar besser verarbeiten, jedoch werden kleinere Signale infolge der Gegenkopplung schiechter

3. Verstärkerschaltung nach einem der vorherge- verarbeitet, weil sich dann aufgrund der Verstärkungshenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß abnähme das Rauschen der Schaltung stärker bemerkzwischen die Emitter der Transistoren und den bar macht

Punkt konstanten Potentials je ein Widerstand (R) Es ist weiterhin bekannt, daß Transistorverstärker ei-

geschaltet ist, dessen Größe wenigstens annährend 25 nen weitgehend linearen Zusammenhan? zwischen Ein-0,56 U₇//cobeträgt gangs-und Ausgangsstrom haben, weil zwischen dem

4. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche Kollektorstrom und dem Basisstrom ein linearer Zu-1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der sammenhang besteht (nicht aber zwischen der Basisbeiden Transistoren über zwei in Serie geschaltete Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom). Wenn die-Widerstände (R) miteinander verbunden sind, deren 30 ser lineare Zusammenhang ausgenutzt werden soll, muß Größe ungefähr 0,56 U₇ZIc 0 beträgt, und daß ihr aber der Signalstrom hochohmig eingespeist werden,

i Vbi d.h. der Innenwiderstand der Signalspannungsquelle

muß groß sein im Vergleich zum Eingangswiderstand der Verstärkerschaltung, so daß ein erheblicher Teil der 35 Signalleistung im Innenwiderstand der hochohmieen Signaiquelle verlorengehen würde. Außerdem würde der große Innenwiderstand der Signalquelle in Verbindung mit den unvermeidlichen .Eingar jskapazitäten des g Transistorverstärkers wie ein Tießpaß wirken und die

und über je einen Widerstand (R'), dessen Größe 40 höheren Signalfrequenzen bedampfen, näherungsweise 0,64 U₇/ho beträgt, mit dem Punkt Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verkonstanten Potentials verbunden ist Stärkerschaltung zu schaffen, die bei Steuerung durch

6. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche eine niederohmige Signalquelle auch große Signale 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden weitgehend verzerrungsfrei verarbeitet ohne daß die Emitter über je zwei in Serie geschaltete Widerstän- 45 Signalverstärkung wesentlich herabgesetzt wird, de (10,11 bzw. 12,13), deren Summe etwa 0,56 U₇Hc Ausgehend von einer Verstärkerschaltung der einih i d gangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsge

maß dadurch gelöst, daß das Widerstandsnetzwerk die ( Emitterelektroden mit einem Punkt konstanten Potenti-

13) wesentlich kleiner ist als der andere Widerstand 50 als verbindet und so bemessen ist, daß die Steilheit jedes (10 bzw. 12), und wobei die beiden Verbindungs- der beiden Transistoren urn den Faktor a kleiner ist als k d bid Widd b der Wert ho/U_T, wobei /co der Kollektorruhestrom ei-

nes jeden Transistors, i/r die Temperaturspannung und a ein Faktor zwischen 0,47 und 0,78, vorzugsweise zwisehen 0,57 und 0,70 ist. Als Steilheit ist dabei der Quotient aus dem Kollektorsignalstrom eines Transistors und dem zwischen der Basis und dem Punkt konstanten Potentials anliegenden Eingangssignal dieses Transi-

. stors für kleine Eingangssignalamplituden bezeichnet

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit 60 (gleichwohl kann die Schaltung auch mit sehr großen

zwei Transistoren nach dem Oberbegriff des Hauptan- Eingangssignalamplituden betrieben werden, wie später

Spruches. _noch erläutert wird). Die Transistoren müssen dabei ei-

Eine solche Schaltung ist aus der DE-OS 23 06 355 nen exponentiellen Zusammenhang zwischen Kollek-

bekannt. Das Widerstandsnetzwerk wird in diesem Fall torstrom und Basis-Emitterspannung aufweisen, was bei

durch zwei Widerstände gebildet, deren einer Anschluß 65 den bipolaren Transistoren in der Regel der Fall ist. AIh

mit der Emitterelektrode jeweils eines der Transistoren Kollektorruhestrom /_co ist dabei der Gleichstrom be-

und deren anderer Anschluß mit Masse verbunden ist. zeichnet, der jeden der beiden Transistoren durchfließt,

Wird ein derartiger Transistorverstärker niederoh- wenn kein Eingangssignal anliegt. Die Temperaturspan-

5. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Emitterelektroden über einen Widerstand (Re), dessen Größe ungefähr 9 U₇JIc beträgt, miteinander

entspricht, mit dem Punkt konstanten Potentials verbunden sind, wobei der jeweils mit dem Punkt konstanten Potentials verbundene Widerstand (11 bzw. 13) lih kli i l

( ) gs

punkte der beiden Widerstände über ein Potentiometer (14) miteinander verbunden sind, dessen Abgriff an den Punkt konstanten Potentials angeschlos ^{scn ist}·

nung ergbit sich bekanntlich aus der Gleichung kTlq, wobei k die Boltzmann-Konstante, 7*die absolute Temperatur und q die Elementarladung ist Die Temperaturspannung Ut beträgt bei Zimmertemperatur etwa 25,2 mV. Die Transistoren werden gleichstrommäßig symmetrisch betrieben.

Bei einer derartigen Schaltung ergibt sich eine gute Linearität zwischen Eingangsspannung und der Differenz der KoUektorströme. Wenn diese Linearität ausgenutzt werden soll, muß das Eingangssignal so zugeführt werden, daß die Eingangsspannung, d. h. die Spannung zwischen den Basen der Elektroden bzw. zwischen jeder der beiden Basen und dem Punkt konstanten Potentials, nicht verzerrt wird. Das Signal muß also niederohmig eingespeist werden. Außerdem muß die Basisstromversorgung ebenfalls einen niedrigen Innenwiderstand aufweisen.

Die optimale Einstellung ergibt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung ungefähr dann, wenn der Faktor a ungefähr 0,64 beträgt. Im einfachsten Fall kann das Widerstandsnetzwerk durch je einen Widerstand zwischen den Emittern der Transistoren und dem Punkt konstanten Potentials realisiert werden. Bekanntlich errechnet sich die Steilheit 5 eines Transistors mit einem Widerstand R in der Emitterzuleitung nach der Formel

5 = &/( + S₀RX

wobei Sb die Steilheit ist die sich ergibt wenn kein Emitterwiderstand vorhanden ist Bekanntlich gilt hierfür

5b = Ic öl Ut. Erfindungsgemäß muß also gelten:

5 = aSo - Sb/(1 + Daraus folgt:

R = (1 - aJ/aSbbzw.
R = (1 _ )

Bei der erfindungsgemäßen Bemessung von a ergibt sich dann, daß der Emitterwiderstand R zwischen 0,28 Ujt'Ic 0 und 1,12 UtIIc 0 liegen soll, vorzugsweise zwisehen 0,42 U-HIc α und 0,75 Ut/Ic 0. wobei das Optimum bei ungefähr 0,56 U-HIc 0 liegt, und daß zwischen die Emitter der Transistoren und den Punkt konstanten Potentials je ein Widerstand geschaltet ist, dessen Größe wenigstens annähernd 0,56 U-HIc₀ beträgt Bei einem Kc'iektorr'jhestrom von Ί mA pro Transistor ergeben sich also minimale Verzerrungen, wenn in den Emitterzuleitungen jeweils Widerstände von etwa 14 Ohm eingeschaltet sind.

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

F i g. 1 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung,

F i g. 2 die Abhängigkeit der Differenz der Kollektorströme von der Spannung zwischen den Basen der Transistoren,

F i g. 3 bis 5 verschiedene Abwandlungen der Schaltung nach Fig. 1.

Die Schaltung enthält zwei Transistoren 1 und 2, deren Emitterelektroden über zwei gleich große Widerstände /{jeweils mit Masse verbunden sind, während die Kollektorelektroden über je einen Widerstand 3 (die beiden Kollektorwiderstände sind ebenfalls gleich groß) mit dem positiven Pol einer nicht näher dargestellten Versorgungsspannungsquelle verbunden sind. Die Signalspannung wird den Basen der Transistoren 1,2 über einen Übertrager 4 zugeführt, dessen Sekundärwicklung an ihren Enden mit den Basen der Transistoren verbunden ist und eine Mittenanzapfung aufweist die über einen Kondensator 5, der für Signalfrequenzen einen Kurzschluß darstellt an Masse angeschlossen ist Zwischen der Basis eines jeden der beiden Transistoren und Masse liegt somit stets die halbe in der Sekundärwicklung des Übertragers 4 induzierte Signalspannung an. Der Basisgleichstrom der beiden Transistoren wird durch einen Spannungsteiler erzeugt der aus einem zwischen den positiven Pol der Speisespannungsquelle und die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des Übertragers geschalteten Widerstand 8, einem an die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des Übertragers angeschlossenen Abgleichwidc-ntand 6 und einem dazu in Serie geschalteten Widerstand 7 besteht dessen anderes Ende an Masse angeschlossen ist Die Arbeitspunkte der möglichst denselben Kennlinienverlauf aufweisenden Transistoren 1,2 sind durch den Spannungsteiler 6 ... 8 so eingestellt daß sich der gewünschte Koliekiorstrom ergibt

In Verbindung mit den niederohmigen Spannungsteiler 6... 8 bewirkt dies, daß die Spannung an den Basiselektroden der beiden Transistoren 1 und 2 ohne jede Verzerrung der Signalspannung an der Primärwicklung

des Übertragers 4 entspricht während der Basisstrom durchaus Verzerrungen aufweisen kann. Das Ausgangssignal U₀, das der Differenz der Kollektorströme proportional ist wird mittels zweier Kondensatoren 9 und 10, die an die Verbindungspunkte der Widerstände 3 einerseits und der Kollektoren der Transistoren 1 und 2 andererseits angeschlossen sind, entnommen. Die Differenz der Kollektorströme kann aber auch auf andere Weise verarbeitet werden. Beispielsweise können die beiden Kollektorströme direkt den beiden Emitterver bindungspunkten zweier über Kreuz gekoppelter Diffe renzverstärkerpaare zugeführt werden. Wenn dann noch an die Basiselektroden dieser Differenzverstärkerpaare eine weitere Signalspannung bzw. ein Oszillatorsignal angelegt wird, ergibt sich eine Mischstufe.

Wenn davon ausgegangen wird, daß zwischen der Basis-Emitter-Spannung jedes der beiden Transistoren 1 und 2 und dem Kollektorstrom Ic₀ dieses Transistors eine Beziehung der Form

besteht, wobei Ic der Kollektorstrom, /o der Kollektorreststrom, U die Spannung zwischen Basis und Emitter und Ut die Temperaturspannung (ungefähr 25 mV) ist, dann ergibt sich für die Differenz AI der Koliektorströ· me der in F i g. 2 durch die Kurve a dargestellte Verlauf in Abhängigkeit von der Spannung AU zwischen den Basen der Transis.jren 1 und 2, wenn die Emitterwiderstände R 0 rind.

Sind hingegen die Emitterwiderstände R so groß gewählt, daß der an ihnen erzeugte Spannungsabfall groß im Vergleich zur Temperaturspannung ist, dann ergibt sich der Verlauf gemäß Kurve c. Bei einem Wert

la R - 0,56 U-Hko

hingegen ergibt sich der in F i g. 2 mit b bezeichnete geradlinige Verlauf bis zu einer Eingangsspannungsam-

plitude von JU-200 mV. Dabei ist /roder Kollektorruhestrom, d. h. der Kollektorstrom der jeden der Transistoren 1,2 durchfließt, wenn die Spannung zwischen den Basen JU=O ist. Bei dieser Bemessung ergibt sich am Widerstand R ein vergleichsweise kleiner Gleichspannungsabfall (bei JU-O nur ungefähr 14 mV). Das bedeutet, daß die Steilheit bzw. die Verstärkung ebenfalls nur geringfügig herabgesetzt wird, und zwar auf etwa 64% des Wertes, den sie ohne einen Emitterwiderstand haben würde.

In der Praxis bewirkt der unvermeidliche Basisbahnwiderstand eines Transistors, daß seine Steilheit etwas niedriger ist als der theoretische Wert l_c o/ Ut- Dieser Einfluß kann aber durch Verkleinerung von R wenigstens teilweise wieder kompensiert werden; er ist um so is kleiner, je kleiner der Basisstrorn des Transistors ist und je kleiner der Basisbahnwiderstand ist. Er kann vernachiäSSigi werden, wenn der au den Basisbahnwiderstand erzeugte Spannungsabfall klein im Vergleich zu dem Spannungsabfall am Widerstand R, d. h. klein im Vergleich zu 0,56 t/r ist.

Die erfindungsgemäß bemessene Schaltung gewährleistet also eine lineare Verstärkung auch großer Eingangsspannungen, ohne daß die Verstärkung und damit das Signalrauschverhältnis bei kleinen Amplituden wesentlich verschlechtert wird.

Die Ergebnisse dieser Berechnung konnten durch Messungen der Amplitude der dritten Oberwelle des am Eingang zugeführten Signals bestätigt werden. Geradzahlige Oberwellen sind bei einer Schaltung nach F i g. 1 bei unsymmetrischem Aufbau nicht vorhanden, weil sie sich bei dieser Gegentaktanordnung kompensieren. Die höheren ungeradzahligen Oberwellen haben auf die Verzerrungen praktisch kaum noch einen Einfluß, so daß es im wesentlichen auf die dritte Oberwelle ankommt, B?i einem Transistorruhestrom /cc von 0,5 niA wurde bei fehlenden Emitterwiderständen R und bei einem Effektivwert der Kollektorwechselstromdifferenz von 0,76 mA eine Dämpfung a₃ der Oberwellen dritter Ordnung von — 20 db gemessen. Bei Verwendung von Emitterwiderständen von 14 Ohm ( = 0,28 Ujt Ic) wurde eine Oberwellendämpfung 33 von —33 db gemessen (bei derselben Kollektorstromdiffercnz). Die gleiche Oberwellendämpfung ergab sich bei Verwendung von Emitterwiderständen von 56 Ohm (-1,12 U₇/ /co)· Bei Verwendung von 27 Ohm-Emitterwiderständen (=0,54 U₁J Ic 0) vergrößerte sich die Oberwellendämpfung auf —47 db. Das bedeutet, daß bei einer Kollektorstromdifferenz, deren Amplitude (1,07 mA) größer ist als die Sumri.« der Ruheströme beider Transisto- ren, der Effektivwert der Oberwellen dritter Ordnung nicht einmal ein halbes Prozent des Effeküvwertes der Grundwelle betrug. Bei Verwendung der Emitterwiderstände von 27 Ohm bei einem Kcllektorruhesirom von 04 mA betrug die Oberwellendämpfung selbst bei einer Amplitude der Kollektorstromdifferenz von 5,4 mA noch immer 35 db. Bei diesen Amplituden der Kollektorströme, die die Kollektorruheströme um ein Vielfaches übersteigen, arbeitete der Verstärker bereits im B-Betrieb. _w

Bei einer sehr großen Aussteuerung des Verstärkers nach F i g. 1 nimmt JI auch bei der erfindungsgemäßen Vemessung stärker als linear zu (entsprechend Kennlinie al Dies liegt daran, daß dann der eine der beiden Transistoren vollständig gesperrt wird, so daß sich dann die Exponentialkennlinie des anderen Transistors bemerkbar macht Dieser Effekt, der sich sowohl auf die dritte als auch hauptsächlich auf die fünfte Harmonische auswirkt, kann dadurch etwas gemildert werden, daß — wie in Fig. 3 dargestellt — die beiden erfindtingsgemäß bemessenen Emitterwiderstände R miteinander verbunden werden und daß der gemeinsame Verbindungspunkt über einen sehr kleinen Widerstand Rr. der ungefähr Ά« R beträgt, mit Masse verbunden wird. Diese Bemessung führt dazu, daß bei kleinen Kollektorruheströmen der Widerstand R_E sehr kleine Werte annehmen muß. Um dem aus dem Wege zu gehen, kann die aus F i g. 3 erkennbare, aus den Widerständen R und Ri: bestehende Widerstands-T-Schaltung durch eine äquivalente Pi-Schaltung ersetzt werden (F i g. 4). Die Emitterelektroden der beiden Transistoren sind dann über Widerstände R' direkt mit Masse verbunden und über einen Widerstand R^ miteinander. Die Widerstände R' betragen dabei jeweils etwa 0,64 U-HIc0. während Ri! ungefähr 9 U-HIc 0 betragen muß.

Zu beachten ist, daß bei diesen Schaltungen bei großen Aussteuerungen neben dem gewünschten Differenzstrom durch den sich ändernden Summenstrom eine Gleichtaktwelle mit der doppelten Frequenz entsteht Diese kann aber durch einen Transformator oder einen Differenzverstärker, der die Kollektorsignale verstärkt, unschädlich gemacht werden.

Wie bereits erwähnt, erzeugt die Schaltung nach F i g. 1 bei symmetrischem Aufbau keine geradzahligen Oberwe'iiai. Das setzt also voraus, daß die Transistoren 1 und 2 identische Kennlinien haben (was bei Aufbau in integrierter Schaltungstechnik auch erreichbar ist) und daß bei beiden Emitterwiderstände R identisch sind. Wenn sich diese Voraussetzungen nicht erfüllen lassen, kann eine Schaltung nach F i g. 5 benutzt werden. Dabei ist die Emitterelelektrode des Transistors 1 bzw. 2 über die Serienschaltung zweier Widerstände 10 und 11 bzw. 12 und 13 mit Masse verbunden. Die direkt an Masse ancTAc/)KJAccenAri Ι^ϊΛα«· 3j»j-Ia i t ttnA i*X SJjV^ HaI « im Vergleich zu den Widerständen 10 und 12, die mit den Emitterelektroden verbunden sind. Zwischen die Verbindungspunkte der Widerstände 10 unsd 11 einerseits und 12 und 13 andererseits ist ein Potentiometer 14 angeschlossen, dessen Abgriff mit Masse verbunden ist. Durch Verstellen des Abgriffs lassen sich Unsymmetrien wenigstens teilweise kompensieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

mig gespeist, d. h. von einer Signalspannungsquelle, deren Innenwiderstand klein im Vergleich zum Eingangswiders*and des Verstärkers ist, dann ergibt sich ein nichtlir.earer Zusammenhang zwischen der den Basen der beiden Transistoren zugeführten Eingangsspannung und den an den Kollektoren abnehmbaren Ausgangssignalen, weil der Kollektorstrom jedes der beiden Transistoren einem oberen Grenzwert zustrebt, der liem von der Stromquelle gelieferten Strom entspricht Diese Nichtlinearität bzw. die dadurch hervorgerufenen Signalverzerningen sind um so größer, je größer das Eingangssignal ist

Es ist bekannt, daß man Verzerrungen durch Gegenkopplung verringern kann. Dadurch wird aber gleich-

ii h di Vk ri