DE2850487B2

DE2850487B2 - Transistorverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung

Info

Publication number: DE2850487B2
Application number: DE2850487A
Authority: DE
Inventors: Toyoziro Sakado Saitama Naokawa (Japan)
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1977-11-24
Filing date: 1978-11-21
Publication date: 1980-12-18
Also published as: GB2008875A; US4219781A; GB2008875B; JPS6155288B2; HK81985A; JPS5472941A; DE2850487A1

Description

E\ die Spannung der Gleichspannungsquelle, Rn der Widerstandswert des Widerstands (23) und Rn der Widerstandswert des Emitterwiderstands (34) ist

F -F

Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung, bestehend aus einem Doppelkompensations-Transistorkreis mit StromqueUentransistoren, die mit zwei DifferentiaJverstärkera gekoppelt sind.

Ein typisches Beispiel eines üblichen Transistorverstärkers der erwähnten Bauart ist in F i g. 1 dargestellt Dabei erfolgt die Verstärkungsregelung in d*s Weise, daß die Gleichstrom-Emitterströme der Transistoren 1 und 2 verändert werden, und zwar mittels des Kollektorstroms eines als Konstantstromquelle verwendeten Transistors 3, dessen Kollektorstrom seinerseits durch eine veränderliche Spannungsquelle 8 verändert wird. Ein Anstieg des KoUektorstroms des Transistors 3 vermindert den Emitter-Widerstand der Transistoren 1 und 2, welche die Eingangsstufe des Verstärkers darstellen. Bei einetn derartigen Differential-Transistorverstärker ist es zur Erzielung einer Regelung der Spannungsverstärker Ober einen Bereich von 2OdB erforderlich, den Emitterstrom um das 1Ofache zu verändern. Ist dabei die Kollektorlast der Transistoren 1 und 2 eine ohmsche Last, dann wird im allgemeinen ein Widerstand von einigen 100 Ohm oder ein kQ gewählt Daraus folgt, daß eine Veränderung des Gleichspannungspotentials des Ausgangs mindestens mehrere Volt beträgt Soll nun ein derartiger Verstärkerkreis einen Teil eines integrierten Schaltkreises darstellen, dann bereitet es beträchtliche Schwierigkeiten, den Verstärkerkreis mit einer nächstfolgenden Stufe zu koppeln, weil das Potential seines Gleichstromausgangs sich bei Verstärkungsänderung beträchtlich ändert Außerdem ändert sich bei einer solchen Verstärkerstufe mit Spannungsregelung die Amplituden-Frequenz-Kennlinie.

Aufg3.be der Erfindung ist es deshalb, einen Transistorverstärker der eingangs erwähnten Art in der Weise auszugestalten, daß er ohne weiteres mit nachfolgenden Verstärkerstufen gekoppelt werden kann. Die Lösung cüeser Aufgabe ist im Hauptanspruch gekennzeichnet

Bei der Erfindung wird also eine Stabilisations-Energiequelle in der Ausgangsstufe verwendet, womit der Spannungspegel auf einem gewünschten Wert gehalten wird, mit der Folge, daß der Verstärkerkreis ohne Schwierigkeit mit einer nachfolgenden Verstärkerstufe verbindbar ist Ein weiterer wichtiger Vorteil des Verstärkers nach der Erfindung liegt darin, daß die Verstärkung in einfacher Weise unter Verwendung von Widerständen in der Ausgangsstufe und des Emitterwiderstandes bestimmt werden kann.

Nun war zwar aus der DE-AS 22 38 348 bereits ein Niederfrequenz-Verstärkerkreis mit einem Stromspiegelkreis bekannt Dabei besteht dieser bekannte Verstärkerkreis im wesentlichen aus zwei Transistoren, deren Ausgänge an einem als Lastschaltung verwendeten Stromspiegelkreis liegen. Eine Verstärkungsänderung ohne Änderung des Ausgangspotentials ist jedoch

damit nicht gegeben, so daß dieser bekannte Verstärkerkreis nicht ohne weiteros mit einer nächstfolgenden Verstärkerstufe gekoppelt werden kann, was dort auch nicht angestrebt ist

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Auf der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema eines üblichen Differentialverstärkers und

Fig.2 ein Schaltschema eines Transistorverstärkers nach der Erfindung.

In der Schaltung von F i g. 2 bilden die Transistoren 9 und ?.O einen ersten Differentialverstärker, stellt der Transistor 17 einen ersten Stromquellentransistor dar, bilden die Transistoren It und 12 einen zweiten Differentialverstärker und stellt der Transistor 18 einen zweiten Stromquellentransistor dar. Eine derartige Schaltung wird als Kaskadenverstärker mit Doppelkompensation bezeichnet

Die Basen der Transistoren 10 und 11 der ersten und zweiten Verstärkerstufe sind miteinander verbunden und führen zu einem Verbindungspunkt der zwischen Widerständen 25 und 26 liegt Der Widerstand 26 ist mit einem Widerstand 27 verbunden, so daß über einen durch diese Widerstände gebildeten Spannungsteiler eine Bezugsspannung an die gemeinsame Basis der Transistoren 10 und 11 gelegt werden kann. Eine veränderbare Spannung (Verstärkungssteuerspannung) wird von einer veränderbaren Gleichspannungsquelle Ei der Basis eines Transistors 21 zugeführt, so daß an der gemeinsamen Basis der Transistoren 9 und 12 eine veränderliche Spannung liegt Das bedeutet daß eine veränderliche Spannung an dieser ersten und der zweiten Differentialverstärkerstufe liegt. Von einer Hilfsspannungsquelle £3 wird eine Gleichspannung dem ersten und dem zweiten Stromquellentransistor 17 und 18 zugeführt, und zwar fiber Widerstände 22 bzw. 24. Ober die Klemme A wird eine Wechselspannung Vj dem Transistor 17 zugeführt

Dem Transistor 10 der ersten Verstärkerstufe ist ein aus Transistoren 13 und 15 bestehender Stromspiegelkreis, dem Transistor 11 der zweiten Verstärkerstufe ein aus Transistoren 14 und 16 bestehender Stromspiegelkreis zugeordnet

Der Kollektor des Stromspiegeltransistors 15 ist mit einem als Diode geschalteten Transistor (Basis und Kollektor sind zusammengesetzte^ verbunden, womit sich ein geerdeter Emitter-Kreis ergibt Der Kollektor des Transistors 16 ist mit dem Kollektor eines Transistors 20 verbunden, der durch den als Diode geschalteten Transistor 19 eine Diodenvorspannung erhält Eine Klemme des Widerstandes 23 ist mit dem Verbindungspunkt der Transistoren 16 und 20 verbunden, wehrend die andere Klemme des Widerstandes 23 mit der einen Klemme einer Gleichspannungsquelle E₁ verbunden ist deren andere Klemme geerdet ist Die Kollektorströme der Transistoren 10 und 11 definieren aufgrund der Stromspiegelkreise die Kollektorströme aer Transistoren 15 und 16, welche Ströme einem aus den Transistoren 19 und 20 bestehenden Konstantstrom-Quellenkreis zugeführt werden. Der beschriebene Ausgangskreis wird mit dem zuerst erläuterten Kaskadenverstärker mit Doppelkompensation verbunden.

Der Ausgang des Kaskadenverstärkers erscheint am Verbindungspunkt der Transistoren 16 und 20. Das bedeutet, daß der Ausgang zwischen C und D die Summe von Spannung der Gleichspannungsquelle Et und Spannungsabfall über den Widerstand 23 ist. Die Widerstände 29, 30, 31 und 32 besitzen gleichen Widerstandswert, die Transistoren 13, 14, 15 und 16 gleiche elejctrische Kennlinien,

Es soll nun die Betriebsweise des Kaskadenverstärkers mit Doppelkompensation nach Fig.2 beschrieben werden. Eine Bezugsspannung wird über den Spannungsteiler der Verbindungsstelle der Basen der Transistoren 10 und 11 der ersten und zweiten ίο Verstärkerstufe zugeführt Der Transistor 21 erhält durch die veränderbare Gleichspannungsquelle E₂ eine Vorspannung, so daß zwischen den Widerständen 28 und 33 eine Spannung auftritt die den Verbindungspunkt der Basen der Transistoren 9 und 12 der ersten und zweiten Verstärkerstufe zugeführt wird. Die Folge davon ist daß die Transistoren 9 und 12 der ersten und zweiten Verstärkerstufe in den nichtleitenden Zustand versetzt werden, die Transistoren 10 und 11 dagegen in den leitenden Zustand. Die Stromquellentransistoren 17 und 18, die in Kaskadenschaltung mit der ersten und zweiten Verstärkerstufe verbunden sind, erhalten von der Spannungsquelle E₃ über die Wkarstände 22 und 24 eine Vorspannung. Die Wechselspannujg Vi wird der Basis des Transistors 17 derart zugeführt, daß sie auf die

Vorspannung £3 aufgeprägt wird.

Es sollen nun die Stromkomponenten des Kaskadenvers täikers erläutert werden. Die Gleichstromkomponente des Kollektorstroms des Transitors 10 sei mit /0 und der Widerstandswert des Widerstands 34 mit R?a bezeichnet Wenn dann die Wechselspannung V\ an die Basis des Transistors 17 gelegt wird, dünn fließt im Widerstand 34 ein Wechselstrom ± V\/Rm, mit der Folge, daß der gesamte Kollektorstrom des Transistors 17 durch /o± Vi/Rn ausgedrückt werden kann. Im Gegensatz kann aber durch die Widerstände 10 und 11 der zweiten Differentialverctärkerstufe nur die Gleichstromkomponente fließen. Der Kollektorstrom des Transistors 10 steuert den Kollektorstrom des Transistors 15, und zwar infolge der Wirkung des aus den Transistoren 13 und 15 bestehenden Spiegelkreises. In ähnlicher Weise steuert der Kollektorstrom des Transistors 11 den Kollektorstrom des Transistors 16 durch den aus den Transistoren 14 und 16 bestehenden Stromspiegelkreis. Diese Spiegelströme werden dem durch die Transistoren 19 und 20 gebildeten Stromkreis zugeführt, der als Sammelkreis bezeichnet werden könnte. Der Verbindungspunkt der Transistoren 16 und 20 ist mit dem Widerstand 23 verbunden, der seinerseits mit der Gleichspannungsquelle E\ verbunden ist

so Der die Summe aus Gleichstromkomponente und Wechselstromkomponente darstellende Spiegelstrom /o± V/Ru fließt darch den Transistor 15, der die Gleichstromkomponente /0 darstellende Spiegelstrom durch den Transistor la. Wenn solche Spiegelströme dui bU3 den Spiegelkreisen bestehenden Konstantstromquellen zugeleitet werden, dann wird von der Gleichspannungsquelle E\ die Veränderungskomponente des Wechselstroms ± V₁ZRm durch den Widerstand 23 geleitet

Unter Bezugnahme auf die in F i g. 2 eingezeichneten Stromverläufe soll nachfolgend der Betrieb des erfmdungsgemlßen Schaltkreises erläutert werden. Ein einem Gleichstrom /0 überlagerter Signalsirom ±Δί gelangt in den ersten Differentialverstärker. Dieser Ausgangsstrom macht den Kollektorstrom des Transistors 15 zu ίο±Δί, und zwar aufgrund des aus den Transistoren 13 und 15 bestehenden Stromspiegelkreises. Der dem Ausgangsstrom des ersten Differentialver-

stärkers entsprechende Gleichstrom I₀ fließt in den zweiten Differentialverstärker und macht den Kollektorstrom des Transistors 16 zu /o, und zwar aufgrund der einen Stromspiegelkreis bildenden Transistoren 14 und 16. Die von dci, Stioinspiegelkreisen zugeführten Ausgänge des Kaskadenverstärkers mit Doppelkompensation werden dem Konstantstrom-Quellenkreis zugeführt, der ein Stromspiegelkreis ist und aus den Transistoren 19 und 20 besteht. Der Transistor 15 führt von seinem Kollektor aus einen Strom Ι₀±Δί der gemeinsamen Verbindungsstelle von Basis und Kollektor des Transistors 19 und Basis des Transistors 20 zu. Infolge der Slromspiegelung dutch den aus den Transistoren 19 und 20 bestehenden Schaltkreis weist der Transistor 20 einen Kollektorstrom /ο±Δί auf. Zugleich führt aber der Transistor 16 von seinem Kollektor aus einen Strom k dem Kollektor des Transistors 20 zu. Demgemäß fließt von der Gleichst rnm-Snannnngsnuelle Et aus Signalstrom ±4; durch den Widerstand 23. mit der Folge, daß über dem Widerstand 23 eine Spannung ±Δί χ Rn liegt, wobei /?2! der ohmsche Widerstand des Widerstandes 23 ist. Die über den Klemmen D und C liegende Ausgangsspannung Ecd kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden.

wobei

(I)

Aus Gleichung (1) ergibt sich, daß die Spannungsverstärkung durch das einfache Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 23 und 24 zueinander gegeben ist. Verständlicherweise ist es deshalb leicht möglich, diesen Schaltkreis als integrierten Schaltkreis herzustellen.

Um den Ausgang des Kaskadenverstärkers bzw. die Spannung über den Klemmen C und D konstant zu halten, und zwar unabhängig von Veränderungen der der Klemme A zugeführten Wechselspannung Vi, erfolgt eine Regelung in der Weise, daß die Spannung der über die Klemme B zugeführten Spannung der veränderlichen Gleichspannung E₂ vermindert wird, d. h., die Regelung erfolgt so, daß das Basispotential der Transistoren 9 und 12 höher ist als das Basispotential der Transistoren 10 und 11. Der Kollektorstrom des Transistors 17 fließt durch die Transistoren 9 und 10, und der Kollektorstrom des Transistors 18 fließt durch die Transistoren 11 und 12. In diesem Fall kann dann die Spannungsverstärkung Av durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Av =

(2)

q Elektronenladung 1.6 χ 10-"(C)
K Boltzmann-Konstante 138 χ IO-"(J/K)
Γ absolute Temperatur (° K)

Vc (Basispotential des Transistors 9) — (Basispotential des Transistors 10).

Die Regelung soll also so durchgeführt werden, daß die Ausgangsspannung Fm konstant gehalten wird, und zwar bezüglich der Veränderungen der Wechselspannung V|, welche über die Klemme A zugeführt wird. Mit anderen Worten, es wird die veränderliche Gleichspannung Ei geregelt. In diesem Fall wird der Arbeitspunki des Transistors 17 nicht geändert, und deshalb bleibt die an den Klemmen CP liegende Ausgangsspannung IUu stets unverändert. Selbst wenn aber die Zuführungsspannung V,v sich ändert bleibt der Ausgang stabil, weil die Ausgangsspannung Fro durch die Stabilisations-Gleichspiinnungsquelle Fi festgelegt ist.

Aus obigem ergibt sich, daß der Kaskadenverstärker mit Poppelkompeniation nach der Erfindung ein Differentialverstärker ist, bei dem die Ausgänge der ersten und zweiten Differentialverstärkerstufe mittels Stromsoiegelkreisen erzeugt und über die Konstantstromquelle geerdet werden. Die Stabilisations-Gleichspannungsquelle ist mit den Ausgängen eines der beiden Stromspiegelkreise verbunden. Gemäß der Erfindung kann somit der Vmtärkerkreis leicht hergestellt werden, weil das Maß der Spannungsverstärkung auf einfache Weise aus den Werten der Widerstände 23 und 34 ableitbar ist. Darüber hinaus aber ist der Ausgang bei ausgezeichnetem Frequenzgang über einen weiten Verstärkungsbereich zwischen 50 dB und 70 dB stabil, und zwar im Vergleich zu üblichen Differentialverstärkern oder üblichen Kaskadenverstärkern mit Doppelkompensation. Schließlich ist beim Kaskadenverstärker mit Doppelkompensntion nach der Erfindung eine Gleichspannungsquelle Fi — zusätzlich zur Speisespannung V«. — in der Ausgangsstufe vorhanden. Damit kann dann der Betrieb des Verstärkers von Veränderungen der Speisespannung überhaupt nicht beeinflußt werden. Selbst wenn die Speisespannung beispielsweise auf etwa 1,8 V absinkt, kann der Verstärker weiter arbeiten. Damit kann der Verstärkerkreis nach der Erfindung in Verbindung mit integrierten Halbleiterkreisen wirkungsvoll eingesetzt werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden in den Differentialverstärkerstufen npn-Transistaren verwendet. Die Differentialverstärkerstufen können aber auch aus pnp-Transistoren aufgebaut sein. In diesem Fall sollen die Stromspiegelkreise entsprechend den Verstärkerstufen ebenfalls aus pnp-Transistoren aufgebaut werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Transistorverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung, bestehend aus einem Doppelkompcnsations-Transistorkreis mit Stromquellen- transistoren, die mit zwei Differentialverstärkern gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden Differentialverstärker zur Erzielung verstärkungsgeregelter Ausgänge an zwei Stromspiegelkreisen liegen und daß die verstärkungsgeregelten Ausgänge sowie ein von einer Stromquelle kommender, einer verstärkungsgeregelten Signalkomponente entsprechender Strom einem dritten Stromspiegelkreis zugeführt werden. !5
2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromspiegelkreise aus jeweils zwei Transistoren (13, 15; 14, 16) bestehen, daß die Kollektorströme jeweils eines Transistors (10; 11) der beiden Differentialverstärkerstirfen durch die beiden Pegelkreise in Spiegelstaöme umgewandelt und von jeweils einem Transistor (15; 16) dieser Kreise abgegeben werden, wobei der Kollektor des einen einen Spiegelstrom abgebenden Transistors (15) mit einem als Diode geschalteten Transistor (19) verbunden ist, dessen Kollektor und Basis zusammengeschaltet sind und der einen Kreis mit geerdetem Emitter bildet, daß der Kollektor des anderen einen Spiegelstrom abgebenden Transistors (16) mit einem weiteren Transistor (20) verbunden ist, der durch den als Diode geschalteten Transistor (19) ebenfalls als Diode geschaltet ist, daß die Klemme eines Widerstands (23) mit dem V^rbindungspunkt dieser Transistoren (19,20) ve.-bunden ist, wobei die andere Klemme dieses Widerstands (λ J) über eine Gleichspannungsquelle (Ei) geerdet ist, und daß der Endausgang sich aus der Ober diesem Widerstand (23) liegenden Spannung und der Spannung der Spannungsquelle (E\) zusammensetzt 4η
3. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (9, 10) der ersten Dtfferemiaiverstärkerstufe und die Transistoren (11,12) der zweiten Differentialverstärkerstui'e mit den Stromquellentransistoren (17, 18) und mit Emitterwiderständen (34,35) verbunden sind, daß an der Verbindungsstelle der Basen zweier Transistoren (10, 11) der Verstärkerstufen eine Bezugsspannung liegt, daß am Verbindungspunkt der Basen der beiden anderen Transistoren (9,12) der Verstärkerstufen eine Steuerspannung liegt, daß einer der beiden Stromquellentransistoren (17) mittels einer an seiner Basis liegenden Wechselspannung (Vi) eine Vorspannung aufweist, daß die Kollektorströme zweier Transistoren (10,12) der Verstärkerstufen dem dritten Stromspiegelkreis (19, 20) zugeführt werden, der mit einem Reihenkreis aus dem Widerstand (23) und der Gleichspannungsquelle (E₁) parallel geschaltet ist, daß die Ausgangsspannung (Ecd) des Transistorverstärkers sich aus der μ Spannung über dem Widerstand (23) und der Spannung der Gleichspannungsquelle (Ei) zusanv mensetzt. und daß zwischen der Eingangs-Wechselspannung (V\) und der Ausgangsspannung (Ecd) folgende Gleichung gilt:

wobei