DE2936286A1

DE2936286A1 - Breitbandverstaerker

Info

Publication number: DE2936286A1
Application number: DE19792936286
Authority: DE
Inventors: Carl Robert Battjes
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-09-07
Publication date: 1980-07-24
Also published as: JPS6218977Y2; GB2029662A; JPS5726115U; NL7904600A; CA1130874A; US4236119A; DE2936286B2; DE2936286C3; GB2029662B; JPS5538794A; FR2435853A1; FR2435853B1; NL177456C; NL177456B

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Joachim StraSSe München

Dr. Hans-Herbert Stoffregen Hanau

■15 0-8000 München 2 0-6450 Hanau t

H '50 S.W. Karl Rraun Drive
• it· ι verton, Orvior ^Lt7077
U.S.A.

f'-ei ttiandverstärker

Die vorliegende Erfindung bezieht sich «auf Verstärker im 3! it-erri«<i nen und im speziellen auf monolithische Breitbandverstärker.

In pinem Transistorverf5tärker ist das Hochire<Tjenrverha I ten durch die Diffusionskapazität begrenzt, die innerhnlh tier Vorrichtung vorlieqt, wobei die vorherrschende Kapazität die des Basis-Frtii tter-Überqanqs ist. Die Kleinsiqna I-Stromverstärkunq ^¹*. oder Π), aufgetragen qegen die Frequenz, bleitit über einen Dereich niedriqer Frequenzen ziemlich flach und fällt dann ungefähr sechs Dezibel pro Oktave ab, wenn die Frequenz jenseits der Betafrequenz f erhöht wird, der Frequenz, wo die Größe cJer Stromverstärkung ß drei Dezibel unterhalb seines Niedriqfrequenzwertes lieqt. Die Frequenz, bei der die Stromverstärkung auf 1 abnimmt, heißt f-p.

Darl ington-Verbundtransistoren sind nützlich als Eingangsverstärker, weil sie eine hohe E inqangsimpedenz haben und bei niedrigen Vorspannunqsstromstärken in Betrieb genommen werden, können. Die Kleinsinnal-Stroti'verstärkung bei niedrigen Frequenzen

2
ist gleich ß β oder einfach ß , wo die beiden Basis-En:itter-Überqänoe des Pari i ngton-Paarrrs im wesentlichen identisch sind.

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!'ei dor Harstel lung dos frccuen/ ν erha I tens fällt der Logarithmuswort (IfT Verstärker ur>- zwölf Dezibel pro Oktave ab, sofern die FiTiiiictv iihrr die Rot a -Orenzf rcciiicrv hinaus erhöht wird. Im ,11 Igemoi nen werden Q oder 10 d" pro Oktave als das Maximum, das für eine qute V/erst ärkers tab i I i t ä t /ti I,is? i η ist, annesehen.

In Vorbindung mit (.'er Übertragungsfunktion eines Verstärkers und des Froguenzverha I tens davon steht eier Phasengang von beta. Für einen F i n/e 11 ra ns i ^c.tor-\/erst ä rker ist die ideale Phasenverschiebung C bei ungefähr 0.1 f , AS Grad bei f und 90 Grad bei ungefähr 10 f . Für ein Pari i ng tun-gescha I tetes Transistorenpaar liegt das Phasen vcr^c h i (^bungstna χ i num über dem Fre-(juen/bcrei ch [)e\ unnefäfir IHf Grarl, da 7v.ei Γ i 3 .-= i s-Εγτι i tter-Übergän <K> eingeschlossen sind. !)ie^ ri'.icht die Konstruktion einer rück<iekof)pel ten f.irei tbandverstärk(>rsr ha I tung , die die Darlington-Schaltung verwendet, schwierig (Hler unmöglich, weil dem bekannten !lodo-Kr i ter i um für einen stabilen Zustand genügt, um Instabilität oder 0s7i 11 at ionen zu verhindern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein verbesserter Breitbandverstärker vorgeschlagen, in (lern ein Dar I ington-gescha I tetes Transistorenpaar durch einen zusätzlichen Transitor modifiziert w i rd.

Fin Dar I ington-gescha I tetes Transistorenpaar umfaßt einen ersten Transistor, dessen Emitter an die Basis eines Transistors desselben Leitfähigkeitstyps angeschlossen ist. Die Kollektoren der beiden Transitoren sind miteinander verbunden, so daß ein zusammengesetzter Transistor mit drei Anschlüssen gebildet wird, in detri die Kollektoren einen ersten Anschluß bilden, die Basis des ersten Transistors einen zweiten Terminal liefert und der Emitter des zweiten Transistors für einen dritten Anschluß sorgt.

Ein dritter Transistor, dessen Kollektor und Dasis miteinander verbunden sind, um eine Diode zu bilden, ist über den Basis-

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Imi t ter-libergang des zweiten Transistors in den zuvor beschriebenen Darl ing ton-gescha I teten Transi storenpnar anneschlossen. Das Hinzufügen des dritten Transistors verringert die Stroniverst Mr-

kung des Gesamt verstiirkera u fba us von unqef.'ilir ß auf 2H, urn dabei effektives f_ zu verursachen, die da? 1.5- bis 2-fache eier eines einzelnen Transistors beträgt. Zusätzlich fällt die Verstärkung bei fi du pro Oktave eher als die 12 dH pro Oktave einer gesteuerten Dar I i n<i tonscha I tung ab und der entsprechende Ph.'senqang ist frei von der ' Jberphasen versch iebung der unn.es teuerten Darlingtonschaltung, f'it dem erzielten stabilisierten Frequenznanq ist ein solcher Verstärker für den Gebrauch als Verstärker 'τι ΐ t ^egenkopp I ung qeeiqnet.

i)er rriofl i f i ζ ierte Dar I ituj ton-Verstärker wird vorzu qs we i se in der normalen monolithischen inteqrierten Scha I tunqstechni k hergestellt, um anqepiilite Retr ich sein ten der Restandteile zu sichern.

Der vorliegenden Erfindunq lipqt dciher die Aufqabe zugrunde, einen verbesserten Bre i tband verst ärker zur Verfüqunq zu stellen.

'■•'.ei terh i η soll ein Rrei tba nd tr, ι η si r, tor-Verst ärker erlnnqt werden, für den die Stromverst ärkunq im wesentlichen itr Vergleich zii eier eines F i nze I vers t ärkers verdoi>[-iel t liegt. Auch soll durch die Erfindung ein abgeänderter zusammengehe tz ter Transistorverstärker gewonnen werden, I)(¹I iier-i die Stromverstärkung bei sechs Hezibel pro Oktave bei hohen Frequenzen abfällt und bei dem die Phasen ν er set ι i ob unq sei iarak ter i st i k ', η η erb a I !> der Stab i I i t ä t sqrenzen I iec: t .

Die der Erfindung zu gründe I i eneru '< ri Aufgaben werden durch die den Patentansprüchen zu entnehmenden technischen Lehren gelöst.

'"eitere Einzelheiten, f'erkmale und Verteile der vorliegenden ergeben sich aus der nachfolgenden Rt ^c Ιιγ·-·ι bung .

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ORIGINAL INSPECTED

Fig.1 eine schematische Darstellung einer erfindungsmäßen modifizierten zusammengesetzten Transistorverstärkers,

Fig.2 eine graphische Darstellung der gegenüber der Frequenz aufgetragen, die den Verstärker gemäß Fig.1 ergibt und

Fig.3 den als rückgekoppelten Verstärker von Fig.1 gehaltenen Verstärker von Fig.1.

In Fiq.1 ist ein Breitbandverstärker dargestellt, der aus drei /usammengescha I teten Transistoren 10, 12 und 14 desselben Leitfahiqkeitstyps besteht, um eine modifizierten zusammengesetzten Transistor mit einem KoI Ick tora nsch I u ß 1f>, einem Basisanschluß und einem Emitteranschluß 20 zu bilden. Der Emitter des Transistors 10 ist an die Basis des Transistors 12 angeschlossen, und die Kollektoren der Transistoren 10 und 12 sind miteinander verbunden. Der Transistor 14, dessen Kollektor und Basis miteinander verbunden sind, um eine Diode zu bilden, ist parallel zum Basis-Emi tter-Übergang cJes Transistors 12 geschaltet.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 läßt sich am besten durch mathematische Beziehungen verstehen. Es wird angenommen, daß die Transistoren 10, 12 und 14 angepaßt sind und deshalb im wesentlichen identische Betriebsdaten aufweisen. Ferner wird angenommen, dad eine Einheit ties KoI lek tor^tromes in den Transistor 1? fließt, um eine Basis für die Feststellung des verbleibenden Stroms zu erhalten. Die GI e i chstrom verstärkung kann wie folgt berechnet iunlen:

¹OUJ _{= e} 26 ♦ 3 ~_2ßforß >₂. (1)

¹IN

F-ür höhere Frequenzen ist Ts > v.niit'i

und s den Laplace Transformat ion·, opera tor darstellen.

Dann ν ird

I— ' ⁽ T_Ts ' (I ♦ 2 T_Ts)

Bei doppel logar i thmischer Auftragung der Verstärkung gegen die Frequenz bleibt der in der Gleichung (1) berechnete 2ß Wert konstant, wenn die Frequenz negen unendlich geht. Die Ergebnisse <!er Gleichung (2) zeigen eine um 45 geneigte Linie, die bildlich darstellt, dnli die Verstärkung von ß - 1 bei eier FrvnMCfiz f_ auf unendlich bei Gleichstrom, also der Frequenz 0 ansteigt. Diese beiden Gleichungen liefern eine stückweise lineare Annäherung des Verstärkerfrequenzganges, und an dem Punkt, wo sich die Linien schneiden, liegt die Polfrequenz oder die Oeta-Grenzfrequenz f„.

Aus den vorangegangenen mathematischen Näherungen kann der Gesamtf requenzgang für den modifizierten zusammengesetzten Transistorverstärker berechnet werden,

β f_T

indem R = -. ?ei, mit 3 r,— und To* P _. T»

^P 1 ♦ TgS O ig POT

und in Gleichung (1) für ß eingesetzt wird.

^2T

(3)

ß^s

⁾ ο

Eine Darstellung der Stromverstärkung gegen die Frecjuerw^ die

k .t<aus Gleichung (3) abgeleitet ist, ist der Fig.2 in Form einer durchgezogenen Linie zu entnehmen. Diese veranschaulicht das

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Frequen/verhaI ten des modifizierten zusammengesetzten Transistorverst ärkers. In Fiq. ? werden außerdem ?u Verq I e ichszwecken in gestrichelten Linien die Kurven des Frequenzverha I tens für einen F i nzel trans istorverstärker und für einen Dar I i nq ton-qescha I teten Trans istorverstärker dargestellt.

lich der Kurven von Fiq.2 wird der Freauenzqang eines E inzel Irans istorverstärkers anhand eines Standard-Lehrbuch-Kurvenbildes aufnozeiqt, wobei die S tromvers t ärkunq -3 du bei der Pol frequenz f-, brträqt und um fi dH/Oktave abfällt, bis die Verstärkung 1 bei f_ erreicht ist. Für einen Darl i nqton-gescha I teten Transistorverstärker, drr von den Transistoren 10 und 12 alleine gebildet würde, ist die K Ie i ns i gna I -Stromverstärkung

2 2

qleich ß 4- 2ß für annepaßte Transistoren oder annähernd ß , wobei ß qleich groß ist. In dem Frequen^qa nq qibt es zwei Pole bei eier Frequenz f und eine Null bei unqefähr 1/2 f_x, die die qe7eiqten Knickpunkte bewirken. In der durch die durchgezogene Kurve des Frequenzgangs für den modifizierten zusammengesetzten Transistorverstärker gibt es Pole bei f. und ungefähr 1/2 f_ und eine Null bei 2/3 f-.

Parameter wie z.H. die effektive Frequenz f_T und die Phasen-

I ·

verschiebung können aus der Gleichunq (3) bestimmt werden, die von dem s Bereich in einen vertrauteren komplexeren Frequenznanq durch die Verwendung von LaPlace Transformierten umgewandelt ν. ird. Die effektive Frequenz f_T ist als das 1.554fache der f— eines F. inzel transistorverstärkers berechnet worden. Maximale Phasen versch iebunq bei unqefähr 1/2 f_ soll -9R.2 Grad sein oder unqefähr 8 Grad-Überscbußphasen versch iebunq bei 1/2 f_T·

So läßt sich feststellen, daß für die zusammengesetzten Transistorenverstärker der vorliegenden Erfindung nicht nur die Stromverstärkung im wesentlichen zweimal die eines E inzel transistorverstärkers ist und die effektive Frequenz f_T davon 1.5 bis 2 Mal die eines E inzel trans i storverstärkers ist, sondern auch daß die entsprechende Phasenfrequenz frei von der Überschußphasenver-

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Schiebung der gesteuerten Dar I inntonschd I tu ng ist. Ein solcher veränderter zusammengesetzter Transistorverstärker wird vorzugsweise unter Verwendung der bekannten monolithischen integrierten Stromkreistechniken hergestellt, so daß die Transistoren 10, 12 und 1 h sorgfältig einander angepaßt werden können, um im wesentlichen identische Betriebsdaten zu sichern.

Hie Fig.3 zeigt einen modifizierten zusammengesetzten Verstärker von Fig.1 in Form eines rückgekoppelten Verstärkers. Die Emitter eier Transistoren 12 und 14 sind an Erde gelegt. Oie Kollektoren der Transistoren 10 und 12 sind mit dem Emitter eines Transistors 30 verbunden, der als Verstärker in Basisscha I tung arbeitet. Der Kollektor des Transistors 30 ist durch einen HeI astungswiderstt'ind 32 mit eier positiven Spannungsquelle V. verbunden. Fin Rückkopp lungswiderstand 34, der parallel zu einem Beschleunigungskondensator 36 geschaltet ist, ist zwischen dem Kollektor des Transistors 30 und der Basis des Transistors 10 angeschlossen. Eine Vorspannunsstromquelle AO und ein Signalstromgenerator 42 werden ebenfalls an die Basis des Transistors 10 angeschlossen, damit die Schaltung in Betrieb sein kann. Das Ausgangsspannungssigna I wird vom Kollektor des Transistors 30 genommen. Ein rückgekoppelter Verstärker dieser Art ist hergestellt und getestet worden, und ein stabiler Betrieb im Frequenzbereich
von 0 bis 50 MegaHz ist beobachtet worden.

Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden sind, ist es für jeden Durchschn i ttsfachmann offensichtlich, daß viele Änderungen und Abänderungen gemacht werden können, ohne daß der Rahmen eier Erfindung verlassen wird.

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Leerseite

Claims

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Belegexemplar

Dcrf nich^eSndert werden
Patentanwälte Dipl."Ing. Joachim StraSSe München

Zweibruckenstr 15 Am Marirt 11

D-BOOO München 2 D-6450 Hanau 1

^^ Dr HansHerbert Stoffregen ϊΙ'Λ^ο"¹⁵⁹* ϊ

Dr. Hans-Herbert Stoffregen Hanau

7. September 1979 1 1 85A

TEKTRONIX, Inc.

U 150 S.V.·¹. Karl Braun Drive

ßeaverton, Oregon 97077

U.S.A.

Breitbandverstärker

Ar) SPRÜCHE

1. Breitbandverstärker, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Transistor (10, 12), deren Kollektoren miteinander verbunden sind, und der Emitter fies ersten Transistors (10) an die 3asis des zweiten Transistors (12) angeschlossen ist, sowie einen ciritten Transistor (1A), dessen Kollektor und LBasis άπ die riasis des zweiten Tr₍msistors (12) und dessen Emitter an den Emitter de. /weiten Transistors (12) angeschlossen sind, wobei die Hot r iebsrin ten der Transistoren (10, 12, IA) im vsesen 11 ichen identisch sind.

2. Verstärker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daßdie Transistoren (10, 12, IA) alle von demselben Leitfähigkeitstyp sind .

3. Verstärker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der

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Verstärker in monolithischem integriertem Schaltkreis gefertigt ist.

A. Verstärker nach zumindest Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzverhalten als

1 ^Tß^s

^il+32TT-> <¹⁺fT-TT> <²⁰o>
¹OUT . ° °_J_ (3)

¹IN ? ^{2 T}ß^s

U²) (l⁾ ^¹

definiert ist.

5. Verstärker nach zumindest Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (10, 12, 14) einen Rückkopplungsweg (30, 34, 36) umfaßt, der von den Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors (10, 12) zu der Basis des ersten Transistors (10) verläuft.

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