DE2840937A1 - Integrierter gegengekoppelter verstaerker - Google Patents

Description

• Integrierter gegengekoppelter Verstärker
• Die Erfindung betrifft einen integrierten gegengekoppelten Verstärker und insbesondere einen Stromverstärker, mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungszweig vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt und ein aktives Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist, daß ein Teilstrom des Ausgangsstroms in den Gegenkopplungszweig und ein Teil strom in den Verstärkerausgang geführt ist, nach Patent 25 49 667.
• Ein derartiger Verstärker ist z.B. auch in "Electronics Letters", 10. Juni 1976, vol. 12, Nr. 12, Seiten 315 und 316, beschrieben.
• Bei diesem bekannten Verstärker wird anstelle passiver Bauelemente ein Stromteiler als Gegenkopplungsglied verwendet.
• Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker der eingangs genannten Art mit erweitertem Stromteilerprinzip anzugeben.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem aktiven Element der letzten Verstärkerstufe ein weiteres aktives Element nachgeschaltet ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Sig. 1 - 5 Schaltbilder verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung, Fig. 6 einen Schnitt eines Verstärkers nach der Erfindung, und Fig. 7 das Schaltbild zum Ausführungsbeispiel der Fig. 6.
• In Fig. 1 wird der zu verstärkende Eingangsstrom Ii in einen nicht gegengekoppelten Verstärker V1 eingespeist, der zusätzlich mit einer positiven bzw. negativen Spannungsquelle 10 bzw. 11 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V1 ist mit der Basis eines Transistors C1 verbunden, an dessen Emitter der Ausgangsstrom 1o über einen Anschluß 3 abnehmbar ist. Der Kollektor a des Transistors Cl ist mit dem Emitter eines weiteren Transistors C2 verbunden, während der Kollektor b des Transistors C1 einerseits an einen Anschluß 2 für die Betriebsspannung und andererseits an den Kollektor b des Transistors C2 angeschlossen ist. An der Basis des Transistors C2 liegt eine feste Basisvorspannung. Der Kollektor a des Transistors C2 ist schließlich zum Eingang des Verstärkers V1 zurückgeführt.
• Mit der Schaltung der Fig. 1 sind die Teilungsfaktoren von Stromteilern multiplizierbar.
• Fig. 2 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie Fig. 1, bei dem aber ein PNP- und ein NPN-Stromteiler verwendet werden, deren Stromteilerfaktoren sich multiplizieren.
• Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann auch die erste Teilerstufe (C1) in Basisschaltung betrieben werden.
• Ebenso kann beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die erste Teilerstufe (C1) in Emitterschaltung arbeiten.
• Dabei wird vorausgesetzt, daß das Vorzeichen des vom Verstärker V1 gelieferten Stromes dieser Änderung angepaßt wird.
• Nach diesen Prinzipien können beliebig viele Stromteiler in Reihe geschaltet werden.
• Die Fig. 3 zeigt eine Schaltung mit einem Mehrfachstromteiler mit zwei Transistoren In1, 2 2 als erster Verstärkerstufe. Der Emitter des Transistors T2 ist dabei mit der Basis eines Transistors Cl' verbunden, über dessen Kollektor a2 eine frequenzmäßige Gegenkopplung über Widerstände R1, R2 und einen Kondensator C erfolgt. Der Verstärker erhält hierdurch eine Hochpaßcharakteristik. Im Durchlaßbereich dieses Hochpasses hat der Kollektor a2 nahezu keinen Einfluß auf den Verstärkungsfaktor, da dieser durch den Kollektor a bestimmt wird.
• Das Prinzip kann auf mehr als zwei Stromteilerkanäle ausgedehnt werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, statt frequenzabhängige Glieder nichtlineare Glieder in den Stromteilerkanälen anzuordnen.
• Die Fig. 4 zeigt eine Schaltung, bei der das Signal vom Verstärker V1, der einen Stromteiler im Gegenkopplungsweg besitzt, nicht direkt auf einen Lastwiderstand Ra gegeben wird, sondern zuerst über einen Transistor T fließen muß. Hierdurch arbeitet der Verstärker auf den niedrigen Diffusionswiderstand des Transistors T. Somit wird die Verringerung der Grenzfrequenz durch die Miller-Eapazität (Kollektor-Basis-Kapazität des ersten Transistors im Verstärker V1) klein gehalten. Wesent- lich ist, daß die Basis des Iransistors t direkt an die Betriebsspannung von z.B. + 15 V angeschlossen ist, während der Kollektor über einen Kondensator 5 von z.B.
• 1 nF und einen Anschluß 6 mit der nächsten Verstärkerstufe verbunden ist. Somit ist die mittlere Basisspannung gleich oder größer als die Kollektorspannung. Auf diese Weise wird nicht nur der Basisspannungsteiler sowie ein Abblockkondensator an der Basis eingespart, sondern auch ein sehr leistungsfähiger Begrenzer erhalten. Die maximale Amplitude der am Schwingkreis aus dem Lastwiderstand Ras einem Widerstand R3 und einem Kondensator 7 stehenden Hochfrequenzspannung beträgt 0,5 V.
• Durch einen Serienwiderstand in der Basisleitung kann dieser Wert vergrößert und durch einen Serienwiderstand in der Kollektorleitung verkleinert werden.
• In der Fig. 5 ist eine ähnliche Schaltung mit einem PNP-Transistor T' dargestellt. Die Eingangssignalquelle ist hier eine Fotodiode FD. Wesentlich ist nun, daß parallel zum Eingang des Verstärkers V1 Dioden Dl...Dl9 angeordnet sind. Die Vorspannung, die über einen Widerstand R3' von Spannungsteiler R1', R2, an die Dioden .... . D19 gelegt wird, ist kleiner als die Summe der Schwellspannungen dieser Dioden .... .D19.
• Im Dunkeln leiten die Dioden .... .D19 also nicht.
• Fällt aber außer dem schwachen modulierten Nutzsignal unerwünschtes Tages- oder Lampenlicht auf die Fotodiode FD, dann wird der Spannungsabfall am Widerstand R3 so groß, daß die Dioden D1. . .D19 zu leiten beginnen. Der vom Tageslicht gelieferte Foto strom wird also über die Dioden .... . D19 nach Masse abgeleitet. Die Empfindlichkeit für das Nutzsignal geht um den Faktor zurück. Dabei ist e die Elementarladung, I der Strom durch die Dioden D1. . .D19, k die Boltzmann-Konstante, die absolute Temperatur.
• Der Rückgang der Empfindlichkeit ist zwar nicht erwünscht, er ist aber eher zu akzeptieren als ein vollständiges Versagen des Verstärkers aufgrund der Übersteuerung durch den unerwünschten Fotostrom.
• Beim Einsatz von Stromverstärkern - besonders für die Verstärkung von sehr schwachen, aber breitbandigen Foto strömen bei der Lichtleiterübertragung - ist es notwendig, dem Verstärker einen kleinen Eingangsgleichstrom zuzuführen (z.B.6 100 nA), damit die Übertragungsbandbreite des Verstärkers ausreichend groß ist. Führt man diesen Strom in konventioneller Weise über einen Widerstand zu, dann hat das mehrere Nachteile: a) Der Widerstandswert ist sehr groß (A # 100 MOhm).
• b) Über den Eingangsstromanschluß können Störspannungen eingestreut werden.
• c) Der Eingangsstromanschluß vergrößert die Eingangskapazität des Verstärkers.
• Deswegen wird bei der Erfindung der Eingangsgleichstrom nicht über eine galvanische Verbindung zugeführt, sondern von einem kleinen, in der Nähe befindlichen Injektor I injiziert. Die Fig. 6a zeigt die Schnittzeichnung solch eines integrierten Verstärkers, die Fig. 6b das entsprechende Schaltbild. Mit Hilfe von Widerständen R1'1!, R2" wird der Injektor I relativ zum Substrat S in Flußrichtung vorgespannt. Es werden Minori- tätsträger (Löcher) in das Substrat S injiziert. Ein Teil dieser Minoritätsträger diffundiert zur Fotodiode FD und liefert hier den gewünschten Eingangsstrom. Der Koppelfaktor, d.h. das Verhältnis injizierter Minoritätsträgerstrom zu von der Fotodiode FD empfangener Minoritätsträgerstrom, wird verhältnismäßig klein gewählt ( # 0,1). Dadurch wird der Widerstand R1 klein.
• Einstreuungen von Störspannungen auf den Injektoranschluß werden stark gedämpft. Ein Anschluß am Eingang des Verstärkers entfällt vollkommen, so daß auch keine Kapazitätsprobleme auftreten.
• 7 Figuren 9 Patentansprüche

Claims (9)

1. Patentanspruche ) Integrierter gegengekoppelter Verstärker, insbesondere Stromverstärker, mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungssweig vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt und ein aktives Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist, daß ein Teilstrom des Ausgangsstroms in den Gegenkopplungszweig und ein Teilstrom in den Verstärkerausgang geführt ist, nach Patent 25 49 667, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß dem aktiven Element (C1) der letzten Verstärkerstufe (°1 C2) ein weiteres aktives Element (02) nachgeschaltet ist.
2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens einem der aktiven Elemente (C1, C2) eine feste Betriebsspannung zugeführt ist.
3. 3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die aktiven Elemente (01, C2) Transistoren mit Mehrfach-Kollektoren sind.
4. 4. Verstärker nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Transistoren gleichen oder unterschiedlichen Leitungstyp aufweisen.
5. 5. Integrierter gegengekoppelter Verstärker, insbesondere Stromverstärker mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungszweig vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt ist und wobei ein aktives Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist, daß ein Teilstrom des Ausgangsstroms in den Gegenkopplungszweig und ein Ieilstrom in den Verstärkerausgang geführt ist, nach Patent 25 49 667, da dur c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Element ein Transistor (C1') mit einem Dreifach-Kollektor ist, wobei der erste Kollektor direkt und der zweite Kollektor über ein RC-Glied auf den Verstärkereingang rückgeführt ist, während am dritten Kollektor eine feste Betriebsspannung liegt.
6. 6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Ausgangsstrom einer Verstärkerstufe über einen Transistor (v) einem Lastwiderstand (Ra) zugeführt ist.
7. 7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Eingangssignalquelle eine Fotodiode (2D) ist, und daß parallel zum Eingang der ersten Verstärkerstufe eine Reihenschaltung aus Dioden (D1 bis Dl9) angeordnet ist.
8. 8. Verstärker nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine Vorspannung über einen Widerstand (R3) von einem Spannungsteiler (R1, R2) an die Dioden (D1 bis Dl9) gelegt ist.
9. 9. Verstärker nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Vorspannung kleiner als die Summe der Schwellenwertspannungen der Dioden (11 bis 119) ist.