DE2936286B2 - Breitbandverstärker - Google Patents

Description

definiert ist und hur- Ausgangsstrom, /w: Eingangs strom, ßa — f-Hfß, fr· Frequenz, bei der die Stromverstärkung den Wert Eins hat, fß: Abschneidefrequenz, s: Laplaceoperator, Τβ=βοΤτ und Ττ—\Ι(2πίτ) bedeuten.

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.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verstärker im allgemeinen und im speziellen auf monolithische Breitbandverstärker.

In einem Transistorverstärker ist das Hochfrequenzverhalten durch die Diffusionskapazität begrenzt, die innerhalb der Vorrichtung vorliegt, wobei die vorherrschende Kapazität die des Basis-Emitter-Übergangs ist. Die Kleinsignal-Stromverstärkung (hf_eoatvß), aufgetragen gegen die Frequenz, bleibt über einen Bereich niedriger Frequenzen ziemlich flach und fällt dann ungefähr sechs Dezibel pro Oktave ab, wenn die Frequenz jenseits der Beta-Grenzfrequenz fß erhöht wird, der Frequenz, wo die Größe der Stromverstärkung β drei Dezibel unterhalb ihres Niedrigfrequenzwertes liegt. Die Frequenz, bei der die Stromverstärkung auf 1 abnimmt, heißt fr.

Darlington-Verbundtransistoren sind nützlich als Eingangsverstärker, weil sie eine hohe Eingangsimpedanz haben und bei niedrigen Vorspannungsstromstärken in Betrieb genommen werden können. Die Darlingtonschaltung ist beispielsweise in »Funk-Technik«, Nr. 13, Seite 499, Bild Ib (1968) beschrieben. Die Kleinsignal-Stromverstärkung bei niedrigen Frequenzen ist gleich β_λ ß₂ oder einfach ß², wo die beiden Basis-Emitter-Ubergänge des Darlington-Paares im wesentlichen identisch sind. Bei der Darstellung des Frequenzverhaltens fällt der Logarithmuswert der Verstärkung um zwölf Dezibel pro Oktave ab, sofern die Frequenz über die Beta-Grenzfrequenz hinaus erhöht

ίο wird. Im allgemeinen werden 9 oder 10 dB pro Oktave als das Maximum, das für eine gute Verstärkerstabilität zulässig ist, angesehen.

In Verbindung mit der Übertragungsfunktion eines Verstärkers und des Frequenzverhaltens davon steht der Phasengang von beta. Für einen Einzeltransistor-Verstärker ist die Phasenverschiebung im Idealfall 0 bei ungefähr 0.1 fß, 45 Grad bei fß, und 90 Grad bei ungefähr 10 fß. für ein Darlington-geschaltetes Transistorenpaar liegt das Phasenverschiebungsmaximum über den Frequenzbereich bei ungefähr 180 Grad, da zwei Basis-Emitter-Übergänge eingeschlossen sind. Dies macht die Konstruktion einer rückgekoppelten Breitbandverstärkerschaltung, die die Darlington-Schaltung verwendet, schwierig oder unmöglich, weil das bekannte Bode-Kriterium für einen stabilen Zustand erfüllt sein muß, um Instabilität oder Oszillationen zu verhindern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein verbesserter Breitbandverstärker vorgeschlagen, in dem ein Darlington-geschaltetes Transistorenpaar durch einen

JO zusätzlichen Transistor modifiziert wird.

Ein Darlington-geschaltetes Transistorenpaar umfaßt einen ersten Transistor, dessen Emitter an die Basis eines Transistors desselben Leitfähigkeitstyps angeschlossen ist. Die Kollektoren der beiden Transistoren

J5 sind miteinander verbunden, so daß ein zusammengesetzter Transistor mit drei Anschlüssen gebildet wird, in dem die Kollektoren einen ersten Anschluß bilden, die Basis des ersten Transistors einen zweiten Anschluß liefert und der Emitter des zweiten Transistors für einen dritten Anschluß sorgt.

Ein dritter Transistor, dessen Kollektor und Basis miteinander verbunden sind, um eine Diode zu bilden, ist über den Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors in dem zuvor beschriebenen Darlington-geschalteten Transistorenpaar angeschlossen. Das Hinzufügen des dritten Transistors verringert die Stromverstärkung des Gesamtverstärkeraufbaus von ungefähr ß² auf 2ß, um dabei effektives fr zu verursachen, die das 1.5- bis 2fache der eines einzelnen Transistors beträgt. Zusätz-Hch fällt die Verstärkung mit 6 dB pro Oktave statt mit 12 dB pro Oktave bei einer ungesteuerten Darlingtonschaltung ab und der entsprechende Phasengang ist frei von der Überphasenverschiebung der ungesteuerten Darlingtonschaltung. Mit dem erzielten stabilisierten Frequenzgang ist ein solcher Verstärker für den Gebrauch als Verstärker mit Gegenkopplung geeignet.
Der modifizierte Darlington-Verstärker wird vorzugsweise in der normalen monolithischen integrierten Schaltungstechnik hergestellt, um angepaßte Betriebs-

bo daten der Bestandteile zu sichern.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Breitbandverstärker zur Verfügung zu stellen.

Weiterhin soll ein Breitbandtransistor-Verstärker erlangt werden, für den die Stromverstärkung im wesentlichen im Vergleich zu der eines Einzelverstärkers verdoppelt liegt. Auch soll durch die Erfindung ein abgeänderter zusammengesetzter Transistorverstärker

gewonnen werden, bei dem die Stromverstärkung mit sechs Dezibel pro Oktave bei hohen Frequenzen abfällt und bei dem die Phasenverschiebungscharakteristik innerhalb der Stabilitätsgrenzen liegt

Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe werden durch die den Patentansprüchen zu entnehmenden technischen Lehren gelöst

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen modifizierten zusammengesetzten Transistorverstärkers,

F i g. 2 Diagramm der Verstärkung als Funktion der Frequenz des Verstärkers von F i g. 1,

F i g. 3 den als rückgekoppelter Verstärker geschalteten Verstärker von F i g. 1.

In F i g. 1 ist ein Breitbandverstärker dargestellt der aus drei zussmmengeschalteten Transistoren 10,12 und 14 desselben Leitfähigkeitstyps besteht, um einen modifizierten zusammengesetzten Transistor mit einem Kollektoranschluß 16, einem BasisanschluB 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 Basi Emitter-Übergang des Transistors 12 geschaltet.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 läßt sich am besten durch mathematische Beziehungen verstehen. Es wird angenommen, daß die Transistoi en 10,12 und 14 angepaßt sind und deshalb im wesentlichen identiche Betriebsdaten aufweisen. Ferner wird angenommen, daß eine Einheit des Kollektorstromes in den Transistor 12 fließt, urne ine Basis für die Feststellung des verbleibenden Stroms zu erhalten. Die Gleichstromverstärkung kann wie folgt berechnet werden:

=ß

ß + 2

~2ß für ß>2.

Für höhere Frequenzen ist ß = \/(Trs), wobei 7>= l/(2jr/V)und sden Laplaceoperator darstellen. Dann wird

\T_Ts

2T_Ts)

Bei doppellogarithmischer Auftragung der Verstärkung gegen die Frequenz bleibt der in der Gleichung (1) berechnete 2ß Wert konstant, wenn die Frequenz gegen unendlich geht Die Ergebnisse der Gleichung (2) zeigen eine um 45° geneigte Linie, die bildlich darstellt, daß die Verstärkung von β = 1 bei der Frequenz f_T 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 Beta-Grenzfrequenz /,.

Aus den vorangegangenen mathematischen Näherungen kann der Gesamtfrequenzgang für den modifizierten zusammengesetzten Transistorverstärker berechnet werden, indem ß = ßo/(\ + T_ßs) sei, mit ß₀ = frffß und Τβ = β_ηΤτ\ιηά in Gleichung(l) für/} eingesetzt wird.

Eine Darstellung der Stromverstärkung gegen die Frequenz, die aus Gleichung (3) abgeleitet ist, ist der Fig.2 in Form einer durchgezogenen Linie zu entnehmen. Diese veranschaulicht das Frequenzverhalten des modifizierten zusammengesetzten Transistorverstärkers. In F i g. 2 werden außerdem zu Vergleichszwecken in gestrichelten Linien die Kurven des Frequenzverhaltens für einen Einzeltransistorverstärker und für einen Darlington-geschalteten Transistorverstärker dargestellt

Bezüglich der Kurven von F i g. 2 wird der Frequenzgang eines Einzeltransistorverstärkers anhand eines Standard-Lehrbuch-Kurvenbildes aufgezeigt, wobei die Stromverstärkung -3 dB bei der Polfrequenz f_ß beträgt und um 6 dB/Oktave abfällt bis die Verstärkung 1 bei /V erreicht ist Für einen Darlington-geschalteten Transistorverstärker, der von den Transistoren 10 und 12 alleine gebildet würde, ist die Kleinsignal-Stromverstärkung gleich ß²+2ß für angepaßte Transistoren oder annähernd ß² für großes ß. In dem Frequenzgang gibt es zwei Pole bei der Frequenz fß und eine Null bei ungefähr '/2 f_T, die die gezeigten Knickpunkte bewirken. In der durch die durchgezogene Linie dargestellten Kurve des Frequenzgangs für den modifizierten zusammengesetz-J5 ten Transistorverstärker gibt es Pole bei fß und ungefähr '/2 /V-und eine Null bei ²Ii fr.

Parameter wie z. B. die effektive Frequenz /V und die Phasenverschiebung können aus der Gleichung (3) bestimmt werden, die von dem s Bereich in einen vertrauteren komplexeren Frequenzgang durch die Verwendung von LaPlace-Transformalion umgewandelt wird. Die effektive Frequenz /Vist als das 1.554fache der fr eines Einzeltransistorverstärkers berechnet worden. Maximale Phasenverschiebung bei ungefähr '/2 f_T soll - 98.2 Grad sein oder ungeähr 8-Grad-Überschußphasenverschiebung bei Ui f_T.

So läßt sich feststellen, daß für den zusammengesetzten Transistorenverstärker der vorliegenden Erfindung nicht nur die Stromverstärkung im wesentlichen zweimal die eines Einzelttansistorverstärkers ist und die effektive Frequenz fr davon 1.5- bis 2mal die eines Einzeltransistorverstärken; ist, sondern auch daß der entsprechende Phasenganj; frei von der Überschußphasenverschiebung der ungesteuerten Darlingtonschaltung ist Ein solcher veränderter zusammengesetzter Transistorverstärker wird vorzugsweise unter Verwendung der bekannten monolithischen integrierten Stromkreistechniken hergestellt, so daß die Transistoren 10, 12 und 14 sorgfältig einander angepaßt werden können, um im wesentlichen identische Betriebsdaten zu sichern. Die Fig.3 zeigt einen modifizierten zusammengesetzten Verstärker von F i g. 1 in Form eines rückgekoppelten Verstärkers. Die Emitter der Transistoren 12 und 14 sind an Erde gelegt. Die Kollektoren der Transistoreri 10 und 12 sind mit dem Emitter eines Transistors 30 verbunden, der als Verstärker in Basisschaltung arbeitet. Der Kollektor des Transistors 30 ist durch einen Belastungswiderstand 32 mit der positiven Spannungs-

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quelle Vcc verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand rückgekoppelter Verstärker dieser Art ist hergestellt

34, der parallel zu einem Beschleunigungskondensator und getestet worden, und ein stabiler Betrieb im

36 geschaltet ist, ist zwischen dem Kollektor des Frequenzbereich von 0 bis 50 MHz ist beobachtet

Transistors 30 und der Basis des Transistors 10 worden.

angeschlossen. Eine Vorspannungsstromquelle 40 und ^r> Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin-

ein Signalstromgenerator 42 werden ebenfalls an die dung beschrieben worden sind, ist es für jeden

Basis . des Transistors 10 angeschlossen, damit die Durchschnittsfachmann offensichtlich, daß viele Ände-

Schaltung in Betrieb sein kann. Das Ausgangssignal rungen und Abänderungen gemacht werden können,

wird vom Kollektor des Transistors 30 genommen. Ein ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Breitbandverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Kollektor miteinander verbunden sind, wobei der Emitter des ersten Transistors an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist (Darlingtonschaltung), gekennzeichnet durch einen dritten Transistor (14), dessen Kollektor und Basis an die Basis des zweiten Transistors (12) und dessen Emitter an den Emitter des zweiten Transistors (12) angeschlossen sind, wobei die Betriebsdaten der Transistoren (10,12,14) im wesentlichen identisch sind.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (10, 12, 14) alle von demselben Leitfähigkeitstyp sind.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker in monolithischem integriertem Schaltkreis gefertigt ist

4. Verstärker nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzverhalten als