DE2951161A1 - Verstaerker - Google Patents
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Description
Beschreibung;
Die Erfindung betrifft Verstärker; sie ist insbesondere auf einen Breitbandverstärker gerichtet,der bipolare
Transistoren verwendet·
Für einen Verstärker , der zum Verstärken einer großen Bandbreite dienen soll, etwa eines Videosignals, ist
es notwendig, die Verzerrung des Verstärkers möglichst klein zu machen. Zu diesem Zweck wird ein Verfahren zum
Unterdrücken der Verzerrung mittels einer negativen Rückkoppelung in großem Umfang verwendet. Die negative Rückkoppelung
kann jedoch nicht angewandt werden, ohne den Verstärkungsfaktor herabzusetzen. Um den gewünschten
Verstärkungsfaktor zu erzielen, ist es deshalb notwendig, mehrere Verstärkungsglieder oder Verstärkerkreise zu verwenden.
In diesem Fall wird die Stabilität der gesamten Verstärkerschaltung vermindert, was zu einer Schwingung führen
kann·
Verwendet man die Ein-Ausgangskennlinie zwischen Basis und
Emitter eines Transistors als Verstärkungselement, so ist dieses nichtlinear. Um diese Nichtlinearität zu beheben,
verwendet man entweder ein Verfahren mit einem hohen Strom oder ein Verfahren mit einer negativen Rückkoppelung. Keines
dieser Verfahren hat sich jedoch als vollkommen akzeptabel erwiesen. Speziell die negative Rückkopplungstechnik leidet
unter den oben beschriebenen Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezweckt daher, einen Transistorverstärker zu schaffen, bei dem die nichtlineare Verzerrung von Transistoren
eliminiert ist, ohne daß dazu eine negative Rückkopplung verwendet wird.
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Um dies zu erreichen, werden in einem erfindungsgemäßen Verstärker zwei in ihrer Leitfähigkeit entgegengesetzte
Transistoren derart verbunden, daß vorzugsweise einer der Transistoren als Emitterfolger geschaltet ist, während
der andere so verbunden ist, daß er den Ausgang des Emitterfolgers
verstärkt. Eine Stromversorgungseinrichtung, wie etwa eine Stromspiegelschaltung, liefert praktisch
gleiche Strome zu den beiden Transistoren als Emitterlast und Kollektorlast der beiden Transistoren, so daß
zwischen dem Bezugspotential und dem Emittervorwiderstand eines Transistors, der die Kollektorlast des oben
erwähnten verstärkenden Transistors der die Stromspiegelschaltung bildenden Transistoren ist, ein verstärkter Ausgang
vorgesehen wird.
In einem erfindungsgemäßen Verstärker werden zwei in ihrer Leitfähigkeit entgegengesetzte Transistoren und ein Ausgangswiderstand
als Mittel zur Umwandlung des Ausgangs verwendet. Einer der beiden Transistoren ist als Emitterfolger
geschaltet, während der zweite zum Verstärken des Ausgangs des Emitterfolgers angeschlossen ist. Weiter ist
eine Stromspiegelschaltung als Emitterlast des ersten Transistors und als Kollektorlast des zweiten Transistors vorgesehen.
Die Stromspiegelschaltung liefert praktisch gleiche Ströme zu den beiden Transistoren und zum Ausgangswiderstand·
Der Ausgang des Verstärkers liegt über dem Ausgangswiderstand .
Ein bevorzugter Gedanke liegt darin, einen rauscharmen, bipolaren Breitband-Transistorverstärker vorzusehen, in
dem die durch die nichtlineare Transistorkennlinie verursachte Verstärkung praktisch behoben wird, indem ein Eingangssignal
an die Basis eines ersten, als Emitterfolger geschalteten Transistors gelegt wird, wobei das am Emitter
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des ersten Transistors erzeugte Signal an die Basis eines zweiten Transistors gelegt wird. Dem ersten und dem
zweiten Transistor werden von einer Stromspiegelschaltung gleiche Ströme zugeführt. Als Reaktion auf Stromänderungen
in einem Transistor der Stromspiegelschaltung, der Strom zu dem zweiten Transistor schickt, wird ein Ausgangs signal
erzeugt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verstärkers zeigt; Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verstärkers; Fig. 3 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgeraäßen Verstärkers; Fig. 4 ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verstärkers.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird ein Eingangssignal Vjjj an die Basis eines pnp-tfransistors Q* gelegt,
der als Emitterfolger geschaltet ist, und der Emitterfolgerausgang des Transistors Q^ ist an die Basis eines npn-Transistors
Q2 in der Folgestufe gelegt. Eine Stromspiegelschaltung
1 ist als Emitterlast des Transistors Q^.und als
Kollektorlast des Transistors Qp vorgesehen, so daß ein
gleicher Strom zu den beiden Transistoren geleitet wird. Die Stromspiegelschaltung 1 besteht aus pnp-Transistoren
Q, und Q^, deren Basen miteinander verbunden sind, und
Emittervorwiderständen R~ und R,, die mit den Emittern der
Transistoren Q, bzw. Q^ verbunden sindJDer Transistor Q*
ist als Diode geschaltet, d.h. seine Basis ist mit seinem
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ORIGINAL INSPECTED
Kollektor verbunden. Wenn demnach die Widerstände der Vorwiderstände
Ro und Rz gleich gewählt werden, dann werden
praktisch gleiche Ströme von den Kollektoren der Transisto ren Qx und Q^ zu dem Emitterfolger-Transistor Q^ und dem
zu verstärkenden Transistor Qo geschickt.
Ein Emitterwiderstand R^ liegt zwischen dem Emitter des
verstärkenden Transistors Q2 und der Erde des Bezugspotentials
""d der verstärkte Ausgang erscheint zwischen
einer Klemme des Widerstandes R2 und Erde.
Wenn in dieser Schaltung die Basis-Emitterspannungen der Transistoren Q/j und Q2 mit Vgjvj bzw. V^g2, die Spannung
am Emitter des Transistors Q^ mit V^ und der in den Transistoren
Q^ und Q2 fließende Strom mit Iq^ bzw. Iq2 bezeichnet
werden, (wobei IcieIC2^' dann können folgende
Gleichungen aufgestellt werden:
VA - VIN + VBE1
1C2 - CV^2)A1 (2)
Die Ausgangsspannung VQUT wird durch die folgende Gleichung
(3) wiedergegeben:
voüt · νσσ *"
worin V„„ die Speisespannung ist.
Durch Substitution der Gleichung (2) in die Gleichung (3) erhält man die folgende Gleichung (4)
V00T - VCC - iq
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Unter Verwendung von Gleichung (1) kann die Gleichung
wie folgt umgeschrieben werden:
R2
VOÜT " V0C " EJ ^7IN + VBE1 ~ V^
Wie schon erwähnt, wird durch die Stromspiegelschaltung 1 der Strom IG>. gleich dem Strom I«2 gemacht. Man kann daher
berücksichtigen, daß die Basis-Emitterspannung des Transistors Q1 gleich derjenigen des Transistors Q2 ist·
Folglich läßt sich die Gleichung (5) weiter umschreiben zu der folgenden Gleichung (6)
Rp
VODT - VCC "Β* '1TS
VODT - VCC "Β* '1TS
Wie aus der Gleichung (6) hervorgeht, ist der Ausgang unabhängig von der Basis-Emitter spannung νβΕ jedes Transistors.
Der Eingang Vjn wird um einen Verstärkungsfaktor
angehoben, der von dem Verhältnis des Widerstandes R2 zum
Widerstand Ry. abhängt. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben,
daß die Auswirkungen der Nichtlinearität der Transistoren Qj und Q2 aufgrund ihrer Basis-Emitterspannungen dadurch
beseitigt werden, daß die in den Transistoren Q^ und Q2
fließenden Strome gleich gemacht werden.
Nunmehr werden die in den verschiedenen Elementen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung fließenden Ströme im einzelnen
beschrieben. Wenn man annimmt, daß die in den Widerständen R2 und R, fließenden Ströme gleich sind und sich jeweils
als Ig-SIg darstellen, wobei Iß der Basisstrom jedes Transistors
ist, dann sind die Kollektorströme der Transistoren Q, und Q^ einander gleich und jeweils Ig-3Ig. Der Kollektorstrom
Ig-3IB des Transistors Q^ wird den Basisströmen 2IB
der beiden Transistoren hinzugefügt und der resultierende Strom Ijj-Ig wird an den Kollektor des Transistors Q2 angelegt.
Folglich kann der Emitterstrom des Transistors Q2
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durch Ig ausgedrückt werden. Andererseits wird aus dem
Kollektorstrom IE - 31g der Strom Ig als Basisstrom des
Transistors Qo verwendet, während der verbleibende Strom
Ij, - 4IB als Emitterstrom des Transistors Q^ fließt·
Also ist der Emitterstrom der beiden Transistoren Q1 und
Q2 durch Ij, - 41g bzw. Ij, angegeben. Das bedeutet, die
Differenz zwischen dem Emitterstrom ist 41g. Demzufolge
sind die Basis-Emitterspannungen der beiden Transistoren nicht vollständig gleich und die Auswirkungen ihrer Nichtlinearität
sind nicht vollständig eliminiert. Doch in der Praxis kann dies vernachlässigt werden.
In Fig. 2 ist eine Schaltung zur vollständigen Aufhebung
der Nichtlinearitäten gezeigt, in der diejenigen Teile, die schon anhand der Fig. 1 beschrieben wurden, die gleichen Bezugsziffern tragen. Nachfolgend werden nur die von
Fig. 1 verschiedenen Bestandteile beschrieben. In Fig. 1 ist der Transistor Q^ als Diode geschaltet. In der in Fig.2
gezeigten Schaltung dagegen ist zusätzlich ein pnp-Transistor
Qc vorgesehen und die Basis und der Kollektor des Transistors Q^ sind mit dem Emitter bzw. der Basis des Traneistors
Qc verbunden. Außerdem ist der Kollektor des Transistors
Qc mit dem Kollektor des Transistors Q, verbunden. Mit Hilfe des Transistors Q1- werden also die Basisströme
21g der Transistoren Q* und Q^ dem Kollektorstrom des Transistors
Qj hinzugefügt, so daß am Kollektor des Transistors Qx ein Strom Ij. - Ig vorhanden ist. Von dem Strom Ig-Ig
wird der Strom Ig als Basisstrom des Transistors Q2 verwendet,
während der restliche Strom IE-2Ig als Emitterstrom
des Transistors Q^ fließt.
Wenn der Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q1- groß
ist, ist der Basisstrom des Transistors entsprechend klein, so daß er vernachlässigt werden kann. Folglich fließt in
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diesem Fall der Kollektorstrom IE-3IB des Transistors
Q^ praktisch vollständig in den Kollektor des Transistors
Qg. Daher ist der Emitterstrom des Transistors Qg
1E-21B1 was exakt eleicl1 dem döS Transistors Q1 ist, und
demgemäß sind die Basis-Emitterspannungen der beiden Transistoren gleich. Somit werden mit Hilfe des Transietore
Qc die Basisströme der Transistoren in der Stromspiegel» schaltung, deren Basen miteinander verbunden sind, an den
Kollektor des Transistors Q, und demgemäß an den Emitter
des Transistors Q1 angelegt, so daß die Effekte der Nichtlinearitäten
aufgrund der Basis-Emitterspannungen Vgg dee
Emitterfolger Q., und des verstärkenden Transistors Qg
vollständig eliminiert werden.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verstärkers. Ein Eingangssignal Vj^, das verstärkt
werden soll, wird an die Basis eines pnp-Transistors Q1,
der als Emitterfolger geschaltet ist, angelegt. Der Emitterfolgerausgang
des Transistors ist an die Basis eines verstärkenden npn-Transistors Qg in der Folgestufe angelegt.
Eine Stromspiegelschaltung 1 ist als Emitterlast des Transistors Q^ und als Kollektorlast des Transistors Qg vorge
sehen, um zu diesen Transistoren gleiche Ströme zu schicken.
Die in Fig. 3 gezeigte Stromspiegelschaltung 1 weist pnp-Transistoren
Q,, Q^ und Qg sowie Widerstände Rg, IU und Rc
auf, die jeweils mit den Emittern der Transistoren Q*, Q
und Qg verbunden sind. Die Basen der Transistoren Qx,
und Qg sind zusammengeschaltet. Der Transistor Q^ ist als
Diode geschaltet, das heißt, seine Basis ist mit seinem Kollektor verbunden. In dieser Schaltanordnung werden
durch Wahl der Widerstände Rg, R, und R,- so, daß diese
gleiche Widerstandswerte haben, von den genannten Transistoren Qx, Q^ und Q6 praktisch gleiche Ströme geliefert.
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ORIGINAL INSPECTED
Der Kollektorstrom des Transistors Q, wird an den Emitterfolger-Transistor Q1 angelegt, der Kollektorstrom des
Transistors Q^ wird an den verstärkenden Transistor Q2
angelegt und der Kollektorstrom des Transistors Qg wird
an den Auegangewiderstand R^ angelegt. Der Ausgangswiderstand R^ liegt »wischen der Ausgangsklemme der Schaltung
und Erde· Der Ausgang der Schaltung erscheint somit über dem Ausgangswider stand.
Venn in den oben beschriebenen S chaltung die Basis-Emitterspannungen der Transistoren Q1, Q2* Q4. und Q6 sich als
VBE1* VBE2* VBE4 un<il VBE6 d^steHe11 u21^ di® Spannung des
Emitters des Transistors Q1 mit V^ bezeichnet ist und
die in den Transietoren Q1 und Q2 und dem Ausgangswiderstand R^ fließenden Ströme mit 1^1, Iq2 bzw. I0^ bezeichnet sind,dann können die folgenden Gleichungen aufgestellt
werdeni
VA * VIN + VBE1
*02 ■ (VB - VBE2)/R1
Die Spannung Vg an der gemeinsamen Basisleitung der Transistoren in dor Stromspiegelschaltung ist:
Die unter Verwendung der Gleichungen (7) und (8) umgeform
te Gleichung (9) lautet dann:
Ferner kann der Strom Iq, durch die folgende Gleichung
dargestellt werden? c
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ORIGINAL INSPECTED
Daher ist der Ausgang VQOT der Schaltung:
R ~ I
l VBE4 VBE6 ~ tVIN VBE1 VBE2iK I
- 1C3^4- -"T-^CC - VBE6 ■ V· .
5
Wenn die Gleichung (10) in die Gleichung (12) eingesetzt
wird, dann:
RR
v0UT ρ l VBE4 VBE6 ~ tVIN VBE1
R5 R1
Da die in den Transistoren Q^ und Q2 fließenden Ströme einander
gleich sind und die in den Transistoren Q^ und Qg fließenden
Ströme ebenfalls einander gleich sind, sind die Basis-Emitterspannungen dieser Transistoren einander gleich. Daher
kann die Gleichung (13) folgendermaßen umgeschrieben werden:
Aus Gleichung (14) wird deutlich, daß der Ausgang Vqut 1^1"
abhängig von der Basis-Emitterspannung VBE der Transistoren
ist. Außerdem erhält man den Ausgang VQUT durch Anheben
des Eingangs Vjn um einen Verstärkungsfaktor, der durch
das Verhältnis der Widerstände R^ und Rp und der Widerstände
R^ und Rc definiert ist.
Nunmehr werden die Ströme an verschiedenen Punkten in der Schaltung der Fig. 3 genauer beschrieben. Nimmt man an, daß
der in den Widerständen Rp und R, fließende Strom gleich
ist und jeweils sich als IE-2Iß darstellt, worin Iß der
Basisstrom jedes Transistors ist, dann sind die Kollektorströme der beiden Transistoren Q, und Qj, einander gleich
und stellen sich als IE - 3Iß dar. Der Kollektorstrom
Ig - 31g des Transistors Q^ wird den Basisströmen 3Iv der
drei Transistoren Q,, Q^ und Q6 am Kollektor des Transistors
Q2 hinzugefügt. Das heißt, an den Kollektor des Transistors
Q2 wird ein Kollektorstrom I^ angelegt. Demgemäß ist der
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Emitterstrom des Transistors Q2 gleich I-g + Ig· Vom
Kollektorstrom I33 - 31g wird der Strom Ig als Basisstrom
des Transistors Qg verwendet, während der verbleibende Strom I-g - 4-Ig als Emitter strom des Transistors
Q1 fließt.
Die Emitterströme der beiden Transistoren Q1 und Qg sind also
Χ« - 4IB bzw. Ij. + Ig. Folglich sind die Basis-Emitterspannungen
Vgj, dieser beiden Transistoren nicht vollständig gleich,
wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, und demgemäß sind die Auswirkungen der Nichtlinearität dieser Transistoren
nicht vollständig beseitigt. In der Praxis kann dies jedoch vernachlässigt werden.
Um die Nichtlinearitäten vollständiger zu eliminieren, kann gemäß der Erfindung eine Schaltung vorgesehen werden, wie
sie in Fig. 4· gezeigt ist. In Fig. 4- haben die schon im
Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Komponenten die gleichen Bezugsζiffern. Nachstehend werden nur die Teile
beschrieben, die sich von denen in Fig. 3 unterscheiden.
In den Fig. 1 und 3 ißt der Transistor Q^ als Diode geschaltet.
Stattdessen ist in der Schaltung der Fig. 4 ein pnp-Transistor Q1- vorgesehen, dessen Emitter und Basis
mit der Basis bzw. dem Kollektor des Transistors Q^ verbunden
ist. Der Kollektor des Transistors Qc ist mit dem Kollektor des Transistors Q* verbunden.
Mittels des Transistors Qc werden also die Basisströme
31g der Transistoren Q^, Q^ und Q6 dem Kollektorstrom des
Transistors Q, hinzugefügt, so daß man als Resultat einen
Strom Ig erhält. Vom Strom Ij. wird der Strom Ig als Basisstrom
des Transistors Qo verwendet, während der restliche Strom I-g - Ig als Emitterstrom des Transistors Q1 fließt.
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Wenn der Stromverstärkungsfaktor des Transistors Qc groß
gewählt wird, dann ist der Basisstrom des Transistors ausreichend klein, um vernachlässigt zu werden. Daher
fließt praktisch der gesamte Kollektorstrom des Transistors
Q^ in den Kollektor des Transistors Q2- Der
Emitterstrom des Transistors Q2 ist also Ig - 2IQ. Somit
ist die Differenz zwischen dem Emitterstrom des Transistors Q2 und demjenigen des erwähnten Transistors Q^
nur Ig und daher sind die Basis-Emitterspannungen V«™
der beiden Transistoren near einander gleich als diejenigen
in der Schaltung der Pig. 1 und 3-
Die Schaltung in Pig. 4- ist so konstruiert, daß mit Hilfe des Transistors Qc die Basisstrome der Transistoren, deren
Basen miteinander in der Stromspiegelschaltung verbunden sind, an den Kollektor des Transistors Q, und damit an
den Emitter des Transistors Q^ angelegt werden. Folglich
sind die Auswirkungen der Nichtlinearitäten des Emitter— folger-Transistors Q>j und des verstärkenden Transistors Q2
vollständig eliminiert.
Aus vorstehender Beschreibung wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Transistorverstärker einfach in seiner
Konstruktion ist und die Verzerrung ohne negative Rückkopplung eliminiert ist und ein angestrebter Verstärkungsfaktor
erzielt ist.
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, Λ5 Leerseite
Claims (8)
1. Verstärker, gekennzeichnet durch einen ersten Transistor (Qxj) an dessen Basis ein Eingang angelegt ist, einen zweiten Transistor (Q2)* an dessen Basis
ein Ausgang des ersten Transistors angelegt ist und dessen Leitfähigkeit derjenigen des ersten Transistors entgegengesetzt ist, ferner durch eine Stromzuführungseinrichtung (1), die dem ersten und zweiten Transistor (0^,Q2)
gleiche Ströme zuführt, und durch eine Anordnung, um einen Ausgang vorzusehen, der den Veränderungen in dem
an den zweiten Transistor angelegten Strom entspricht.
030029/0613
(oas) aaaaea telex οβ-aasso tkleoramme monapat telekopicrcr
ORiGINAL INSPECTED
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromzuführungseinrichtung
einen dritten und vierten Transistor (Qx,Q^.) aufweist,
deren Basen miteinander verbunden sind, und ein Glied, das einen Leitungspfad bildet, der die Basisströme des
dritten und vierten Transistors zum ersten Transistor" leitet.
3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das den Leitungspfad für den Basisstrom
bildende Glied ein fünfter Transistor(Qc) ist, dessen Basis mit dem Kollektor des vierten Transistors
(Q/i)t dessen Emitter mit den Basen des dritten und vierten Transistors (Q*, Q^) und dessen Kollektor mit dem
Emitter des ersten Transistors (Q^) verbunden ist·
4. Verstärker, gekennz e ichnet durch einen
ersten Transistor (Q/]), an dessen Basis ein Eingang angelegt
ist, einen zweiten Transistor (Qo), an dessen Basis ein Ausgang des ersten Transistors angelegt ist und
dessen Leitfähigkeit zu derjenigen des ersten Transistors entgegengesetzt ist, ein Glied (RO zum Umwandeln des Ausgangs,
das zwischen einem Bezugspotentialpunkt und einer Ausgangsklemme der Schaltung liegt und einen den Änderungen
des in dem Glied fließenden Stromes entsprechenden Ausgang liefert, und durch eine Stromzuführungseinrichtung
(1), die praktisch gleiche Ströme zu dem ersten Transistor, dem zweiten Transistor und dem den Ausgang wandelnden
Glied schickt.
5. Verstärker nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromzuführungseinrichtung
eine Stromspiegelschaltung (1) ist, die praktisch gleiche Ströme zum ersten Transistor, zum zweiten Transistor und
zu dem den Ausgang wandelnden Glied schickt.
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6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromspiegelschaltung einen
dritten und vierten Transistor (Qz,Q^.) aufweist, deren
Kollektoren mit dem Emitter des ersten Transistors bzw. dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden sind,
deren Basen miteinander verbunden sind und deren Emitter jeweils über einen Widerstand (IU,Ro) an ein Bezugspotential gelegt sind.
7· Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß noch ein fünfter Transistor (Qc)
vorgesehen ist, dessen Emitter mit den Basen des dritten und vierten Transistors verbunden ist, dessen Basis am
Kollektor des vierten Transistors liegt und dessen Kollektor mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden ist.
8. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das den Ausgang wandelnde Glied
einen sechsten Transistor (Q5) aufweist, dessen Basis mit den Basen des dritten und vierten Transistors verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand (Rc) an
das Bezugspotential gelegt ist und dessen Kollektor über einen Widerstand (R^) geerdet ist, wobei der Ausgang am
Kollektor des sechsten Transistors erscheint.
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