DE3009904A1

DE3009904A1 - Temperaturkompensierte vorspannungsschaltung

Info

Publication number: DE3009904A1
Application number: DE19803009904
Authority: DE
Inventors: Jack Rudolph Harford
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1979-03-16
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1980-09-25
Also published as: CA1143803A; IT1129646B; US4260956A; GB2047496A; AU5626580A; KR830001875B1; ES489573A0; PL222726A1; FI800708A; ES8103522A1; FR2451662A1; KR830002440A; DE3009904C2; GB2047496B; IT8020551A0; PL127575B1; PT70922A; JPS55125705A

Description

3009^

RCA 73,308

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Temperaturkompensierte Vorspannungsschaltung

Die Erfindung betrifft temperaturstabilisierte Transistorschaltungen im allgemeinen, und bezieht sich insbesondere auf eine Vorspannungsschaltung zur Stabilisierung der Verstärkung eines Transistorverstärkers gegenüber Temperaturschwankungen.

Die Spannungsverstärkung eines in Emittergrundschaltung betriebenen Transistorverstärkers läßt sich ausdrücken durch

V verst. = R_r g (1)

L m

wobei R_ die Impedanz der an den Kollektor angeschlossenen Last und g die Transkonduktanz oder Steilheit des Transistors ausgedrückt in mS ist. Bekanntermaßen ändert sich die Spannungsverstärkung eines Transistorverstärkers mit Änderungen der Betriebstemperatur der Schaltung, weil die Steilheit eine temperaturabhängige Komponente enthält, die sich ausdrücken läßt durch

—d Ic q It-i /t \

*m = TTvT- ⁼ Ft ^{|ic| (2)}

be

0 3 0 ü 3 9 / 0 8 0 3

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wobei Ic der Kollektorstrom, V, die Basis-Emitter-Spannung, q die elektronische Ladung, k die Boltzmann-Konstante, |lc| die Größe des Kollektorruhestroms und T die absolute Temperatur sind. Da g umgekehrt proportional zur Temperatur ist, führt ein Temperaturanstieg zu einer Abnahme von g und damit zu einer Abnahme des Verstärkungsgrades des Transistorverstärkers. Da weiterhin die absolute Temperatur eines Transistors um etwa 40 bis 55 ⁰K ansteigen kann, gerechnet vom Zeitpunkt, in dem bei Zimmertemperatur Strom zugeführt wird, bis der Transistor seine stabile Betriebstemperatur erreicht, sieht man, daß die Verstärkung eines Transistorverstärkers durch diese normalen Temperaturschwankungen erheblich beeinflußt wird.

Die hier zu beschreibende Erfindung schafft nun eine Vorspannungsschaltung zur Stabilisierung des Verstärkungsgrades eines Transistorverstärkers gegen Temperaturschwankungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Verstärker einen Eingangsanschluß und einen Transistor, dessen Basis-Emitter-Strecke zwischen diesen Eingangsanschluß und einen zweiten Anschluß einer zweipoligen Betriebsstromquelle geschaltet ist. Die Vorspannungsschaltung ist zwischen die beiden Stromquellenanschlüsse geschaltet und enthält einen mit dem ersten Anschluß gekoppelten Widerstand, einen zwischen den Eingangsanschluß des Verstärkers und den zweiten Stromquellenanschluß angeschlossen gleichrichtenden Halbleiterübergang und die Parallelschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors mit einem Spannungsteiler, welcher zwischen dem Widerstand und dem gleichrichtenden Übergang liegen. Die Basis des zweiten Transistors ist an einen Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen. Mit anwachsender Schaltungstemperatur sinkt der Wert g des Verstärkertransistors. Die Spannungsabfälle an den in der erläuterten Weise geschalteten Elemente der Vorspannungsschaltung haben zur Folge, daß ein zunehmender Strombetrag zum Verstärker fließt, wenn die Betriebstemperatur der Schaltung anwächst. Dieses Anwachsen des Vorspannungsstromes bewirkt ein Anwachsen des Kollektorstroms des Verstärkertransistors, wodurch die Steilheit g und damit der Verstärkungsgrad des Verstärkers stabilisert werden.

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Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der hier zu beschreibenden Erfindung umfaßt der gleichrichtende Übergang einen dritten Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen den Eingangsanschluß des Verstärkers und den zweiten Stromquellenanschluß geschaltet ist. Ein zweiter Widerstand liegt zwischen Basis und Kollektor des dritten Transistors. Über die Basis des dritten Transistors bewirkt eine Verstärkungsregelspannung eine Verringerung der Kollektorspannung und damit der Verstärkung des Transistorverstärkers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der dritte Transistor so geschaltet, daß er eine Nachbildung des Transistorverstärkers darstellt. Ein vom dritten Transistor geleiteter Strom wird im ersten Transistor in einem Verhältnis nachgebildet, das durch die Emitterflächen der beiden Transistoren bestimmt ist, so daß die Ruhevorspannung des Transistorverstärkers stabilisiert wird.

Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung läßt sich die Vorspannungsschaltung so aufbauen, daß sie die notwendige Gleichvorspannung für einen Kaskodentransistorverstärker liefert.

In der einzigen beiliegenden Figur ist eine Ausführungsform der Erfindung teilweise in Blockdarstellung veranschaulicht.

Die Figur veranschaulicht einen Fernseh-Zwischenfrequenz-Verstärker mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen. Der Verstärker enthält eine erste und eine zweite Zwischenfrequenzverstärkerstufe 300 und 330, wo die von einer Quelle 200 gelieferten Zwischenfrequenzsignale verstärkt werden. Eine nachgebildete Vorspannungsschaltung 370 reagiert auf die Verstärkungsregelspannung, welche durch eine automatische Verstärkungsregelschaltung 400 zur Regelung der Verstärkung der Zwischenfrequenzverstärker und zur Vorspannung einer HF-Regelschaltung 150 zugeführt wird. Die ZF-Verstärker, die Vorspannungs-Nachbildungsschaltung und die HF-Regelschaltung sind gegen Verstärkungsänderungen infolge von Temperatur Schwankungen durch eine Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 kompensiert. Die Schaltungen 370 und 600 sind so ausgebildet,

0 3 C υ 3 9 / 0 8 0 3

ORIGINAL

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daß sie eine geeignete Vorspannung für die Kaskodeverstärkerstufen im ersten und zweiten ZF-Verstärker 300 und 330 bewirken. Die ZF-Verstärker 300 und 330, die Nachbildungsschaltung 370 und die Vorspannungsschaltung 150 für die HF-Regelung sowie die Vielfactive -Vor spannungs schaltung 600 können bequemerweise auf einem einzigen monolithischen integrierten Halbleiterplättchen ausgebildet werden, welches Kontaktflächen zum Anschluß äußerer Schaltungskomponenten, Signalquellen und Stromquellen an das Plättchen aufweisen. Die Herstellung als integrierte Schaltung stellt ferner sicher, daß die einzelnen Schaltungsteile den gleichen Umgebungstemperaturänderungen ausgesetzt sind, so daß man eine Temperaturkompensation aller Schaltungsteile mit einer einzigen Temperaturkompensationsvorspannungsschaltung erreicht.

Die in der Figur dargestellten Schaltungsteile verstärken die von einer ZF-Signalquelle 200 zugeführten ZF-Signale. Diese ZF-Signa-Ie stammen im allgemeinen von einer Mischstufe im Fernsehtuner und liegen in einem ZF-Band, das durch eine dem ZF-Verstärker vorgeschaltete Filterschaltung festgelegt ist. Die ZF-Signalquelle 200 ist über einen äußeren Kontaktanschluß 202 mit dem ZF-Verstärker gekoppelt. Der Kontaktanschluß 202 ist an die Basis eines Puffertransistors 302 des ersten ZF-Verstärkers 300 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 302 ist an eine Versorgungsspannungsquelle +V angeschlossen, sein Emitter liegt über einen Widerstand 304 an einer Bezugsspannungsquelle (Masse)· Der Emitter des Transistors 302 ist ferner an die Basis eines Transistors 306 angeschlossen, dessen Emitter über die Parallelschaltung eines Widerstandes 310 mit einer in Durchlaßrichtung vorgespannten PIN-Diode 308 an Masse liegt. Der Kollektor des Transistors 306 ist an den Emitter eines Transistors 312 angeschlossen, dessen Basis über einen Widerstand 314 an der Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 liegt und dessen Kollektor an einen äußeren Kontaktanschluß 316 geführt ist. Der Kollektor des Transistors 312 liegt auch über die Reihenschaltung eines Widerstandes 324 mit einem spannungsabhängigen Kapazitätselement 326, welches zur Anhebung des Frequenzgangs des Verstärkers in der Nähe des Bildträgers bei schwachen Signalen dient, an der Spannungsquelle +V. Die Transi-

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stören 306 und 312 sind als Kaskodeverstärker geschaltet und bilden eine erste Stufe eines regelbaren Verstärkers für das ZF-Signal.

An den äußeren Kontaktanschluß 316 ist über einen Widerstand 318 eine externe abgestimmte Schaltung 320 angeschlossen. Das ZF-Signal wird dann von der abgestimmten Schaltung 320 zum Eingang eines zweiten ZF-Verstärkers 330 über einen äußeren Kontaktanschluß geführt, welcher an die Basis eines Puffertransistors 332 angeschlossen ist, dessen Kollektor an der Versorgungsspannung +V liegt und dessen Emitter über einen Widerstand 334 an Masse geführt ist.

Der zweite ZF-Verstärker 330 ist in gleicher Weise wie der erste ZF-Verstärker 300 ausgebildet und enthält einen Puffertransistor 332, einen Kaskodeverstärker mit Transistoren 336 und 342, eine vom Emitter des in Emittergrundschaltung betriebenen Transistors 336 nach Masse geschaltete PIN-Diode 338 und die zugehörigen Widerstandselemente. Der Ausgang des zweiten ZF-Verstärkers 330 führt vom Kollektor des Transistors 342 zu einer externen abgestimmten Schaltung 350 über einen äußeren Kontaktanschluß 346. Das verstärkte ZF-Signal wird dann über die abgestimmte Schaltung 350 einem nicht dargestellten dritten ZF-Verstärker zur weiteren Verstärkung und nachfolgenden Signalverarbeitung zugeführt. Die ersten beiden ZF-Verstärker sind in weiteren Einzelheiten in der US-Patentanmeldung U.S. Ser. No. 021,324 vom 16. März 1979 unter dem Titel "Gain Controlled Amplifier And PIN Diode For Use Therein" erläutert.

Der Verstärkungsgrad der ZF-Verstärker 300 und 330 wird durch eine ZF-Verstärkungsregelspannung geregelt, die von einer mittels der Regelschaltung 400 erzeugten Verstärkungsregelspannung abgeleitet wird. Die Regelschaltung 400 kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß sie eine Verstärkungsregelspannung liefert, die sich im Verhältnis zum Pegel des demodulierten Videosignals ändert, wie dies in der US-Patentanmeldung Ser. No. 934,823 vom 18. August 1978 (DE-OS 29 33 396) mit dem Titel "Keyed AGC Circuit" be-

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schrieben ist. Die Verstärkungsregelspannung wird der Basis eines Transistors 372 in der Nachbildungsschaltung 370 über die Reihenschaltung von Widerständen 362 und 364 vom äußeren Kontaktanschluß 402 zugeführt. Der Kollektor des Transistors 372 liegt an der Spannungsquelle +V und sein Emitter liegt an der Basis eines Transistors 376 und über einen Widerstand 374 an Masse. Der Transistor 376 ist emitterseitig über eine PIN-Diode 378 an Masse geführt und liegt mit seinem Kollektor an einer ZF-Regelspannungsleitung 360, die über einen Kondensator 368 an der Basis des Transistors 372 und über einen Widerstand 366 am Verbindungspunkt der Widerstände 3 62 und 364 liegt.

Die Vorspannungs-Nachbildungsschaltung 370 ist so bezeichnet, weil sie den Vorspannungsstrom, welcher dem ersten und zweiten ZF-Verstärker 300 und 330 und der HF-Regelschaltung 150 zugeführt wird, liefert und so ausgebildet ist, daß ihre Geometrie ein Abbild der Geometrie des ZF-Verstärkers und der HF-Regelschaltung ist. Man sieht, daß bei der Nachbildungsschaltung 370 im einzelnen drei Basis-Emitter-Spannungsabfälle (3V, ) zwischen der Basis des Transistors 372 und der geerdeten Kathode der PIN-Diode 378 auftreten, welche die 3V, -Schaltungen des ZF-Verstärkers und der HF-Regelschaltung nachbilden. Da diese Nachbildungs-Vorspannungsschaltung 370 ein Abbild des ersten und zweiten ZF-Verstärkers 300 bzw. 330 ist, wird der Kollektor-Emitter-Ruhestrom des Transistors 376 als Ruhevorspannungsgleichstrom in den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 306 und 336 nach Art eines Stromspiegels nachgebildet. Das Verhältnis des den Transistor durchfließenden Stromes zu den in den ZF-Verstärkertransistoren fließenden Strömen hängt von den Emitterflächen der betreffenden Transistoren ab. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Emitterflächen der Transistoren 306 und 336 zweimal so groß wie die Emitterfläche des Transistors 37 6 bemessen. Das bedeutet, daß bei fehlender Regelung (also im Ruhezustand) ein Strom von einem Milliampere durch den Transistor 376 als ein Strom von 2 mA jeweils im Transistor 306 und 336 nachgebildet wird. Die Emitterflächen der betreffenden Transistoren können natürlich auch in anderen Verhältnissen stehen, wenn andere Ruhevorspannungsströme

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in den ZF-Verstärkern gewünscht werden. Die Nachbildungs-Vorspannungsschaltung 370 läßt sich auch zur parallelen Ruhevorspannung von mehr als zwei Verstärkern verwenden, wenn dies gewünscht ist.

Die ZF-Regelspannung auf der Leitung 360 wird der Basis 302 des ersten ZF-Verstärkers 300 über die Reihenschaltung von Widerständen 382 und 384 zugeführt. Vom Verbindungspunkt dieser Widerstände ist ein Kondensator 386 nach Masse geschaltet, der durch Filterung eine Isolierung der ZF-Regelspannungsleitung 360 von den ZF-Signalen an der Basis des Transistors 302 bewirkt. In gleicher Weise wird die ZF-Regelspannung der Basis des Transistors 332 über die Reihenschaltung von Widerständen 3 90 und 392 von der Regelspannungsleitung 360 zugeführt. Die ZF-Regelspannungsleitung 360 wird gegen das ZF-Signal an der Basis des Transistors 332 durch einen Kondensator 394 isoliert, welcher vom Verbindungspunkt der Widerstände 390 und 392 nach Masse geführt ist und eine Tiefpaßfilterung der ZF-Regelspannung an dieser Stelle bewirkt. Die ZF-Regelspannung wird auch der HF-Regelspannungsschaltung 150 über einen Isolationswiderstand 380 zugeführt.

Die HF-Regelspannungsschaltung 150 erzeugt bei abnehmender ZF-Regelspannung an ihrem Eingang eine verzögerte HF-Regelspannung, welche dem Tuner des nicht dargestellten Fernsehempfängers zugeführt wird. Der Isolationswiderstand 3 80 liegt an der Basis eines Transistors 154 und wird ebenfalls von einem Kondensator 152 nach Masse überbrückt. Der Kollektor des Transistors 154 ist an die Betriebsspannungsquelle +V geführt, sein Emitter liegt über einem Widerstand 156 an Masse und über einen Widerstand 158 an der Basis eines Transistors 160. Der Emitter des Transistors 160 liegt über eine in Durchlaßrichtung vorgespannte PIN-Diode 162 an Masse, sein Kollektor liegt an der Basis eines Transistors 166 und an einem Widerstand 190, welcher der variablen Regelungsverzögerung dient. Die Einstellung dieses Widerstandes 190 bestimmt den Vorspannungspunkt (also denjenigen Spannungspegel auf der ZF-Regelspannungsleitung 360), bei welchem die HF-Verstärkungsverminderung durch die HF-Regelspannungsschaltung beginnen soll.

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ORIG/NAL INSPECTED

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Eine Zenerdiode 164 ist mit ihrer Anode an die Basis des Transistors 160 und mit ihrer Kathode an den Kollektor dieses Transistors angeschlossen. Die Zenerdiode 164 dient als Klemmelement mit dynamischem Bereich, um einen starken Kollektor-Spannungsanstieg am Transistor 160 zu verhindern, wie er beim Kanalumschalten auftreten kann. Erhält der Fernsehempfänger momentan ein sehr starkes Rundfunksignal bei der Kanalumschaltung, dann reagiert das Regelsystem durch Verringerung der Verstärkung der HF- und ZF-Verstärker. Eine solche Verstärkungsherabsetzung bewirkt ein Sperren des Transistors 160, und ohne die Zenerdiode 164 kann seine Kollektorspannung auf die Höhe der Spannungsquelle +V ansteigen, an welche der einstellbare Widerstand 190 angeschlossen ist. Wenn der Kanalwähler schließlich bei einem Kanal stehen bleibt, auf welchem ein schwaches Funksignal empfangen wird, dann sollte der Tuner mit hoher Verstärkung arbeiten und der Transistor 160 muß leitend werden, damit seine Kollektorspannung zur Erhöhung der HF-Verstärkung sinkt. Jedoch enthält das Regelsystem viele Verzögerungen, welche diese Erholzeit der HF-Regelspannungsschaltung 150 verlangsamt, und kann eine an den Kollektor des Transistors 160 angeschlossene Kapazität enthalten. Die Zenerdiode verhindert nun eine solche langsame Erholung der HF-Regelspannungsschaltung durch Klemmen der Kollektorspannung des Transistors 160 auf einen Maximalwert, von dem sich die Schaltung schneller erholen kann.

Es ist bereits gesagt worden, daß die Eingangsschaltung der HF-Regelspannungsschaltung, welche die Transistoren 154 und 156 und die PIN-Diode 162 enthält, eine 3 V^-Schaltung ist, welche der Vorspannung der nachgebildeten Schaltung 370 angepaßt ist. Da die HF-Regelspannungsschaltung 150 bei sehr niedrigen Strompegeln im Vergleich zu den ZF-Verstärkern im dargestellten Beispiel betrieben wird, wird die Emitterfläche des Transistors 160 wesentlich kleiner als diejenige des Transistors 376 gewählt. Das bedeutet, daß der Kollektor-Emitter-Strom im Transistor 160 kleiner als der Kollektor-Emitter-Strom im angepaßten Transistor 376 in der nachgebildeten Vorspannungsschaltung 370 ist.

_Λ „ _n . _Λ ORIGINAL INSPECTED

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Der Transistor 166 ist mit seinem Kollektor an die Versorgungsquelle +V und mit seinem Emitter an die Basis eines Transistors 168 angeschlossen, dessen Kollektor wiederum an +V liegt und der eine HF-Vorwärtsregelspannung für den Tuner des Fernsehempfängers am Emitter 170 erzeugt. Der Transistor 168 hat eine zweite Elektrode 172, welche über die Reihenschaltung von Widerständen 174 und 176 an Masse liegt. Der Verbindungspunkt der Widerstände 174 und 176 liegt an der Basis eines Transistors 180, dessen Emitter über einen Widerstand 182 an Masse liegt, und er erzeugt eine Rückwärts-HF-Regelspannung an seinem Kollektor. Die HF-Regelspannungsschaltung 150 erzeugt damit sowohl eine Vorwärts- als auch eine Rückwärtsregelspannung und erlaubt damit ihre Verwendung bei einem Tuner, welcher die eine oder die andere Regeltechnik benutzt. Es sei noch erwähnt, daß der Bereich der Rückwärts -HF- Regelspannung nicht festgelegt ist, sondern durch den Anwender über die Wahl der Lastimpedanz am HF-Regelspannungsausgang bestimmt werden kann.

Die Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 dient als Spannungsquelle für die ZF-Regelspannungsleitung 360 und dem Transistor 376. Ein Transistor 602 ist mit seinem Kollektor über einen Widerstand 610 an die Versorgungsspannung +V und mit seinem Emitter über einen Widerstand 608 an die ZF-Regelspannungsleitung 360 angeschlossen. Vom Kollektor zur Basis des Transistors 602 ist ein Widerstand 604 geschaltet und von der Basis zum Emitter des Transistors 6O2 ist ein Widerstand 606 geschaltet. Wählt man die Widerstände 604 und 606 mit den als Beispiel in der Figur eingetragenen Werten, dann wird wegen der parallelliegenden Basis-Emitter-Strecke des Transistors 602 die Spannung am Widerstand 606 bei 1 V, (etwa 0,7 Volt) gehalten. Weil die Widerstände 604 und 606 in diesem Beispiel im Verhältnis von 5:1 stehen, erscheint am Widerstand 604 ein Spannungsabfall von 5 V, bei insgesamt 6 V, zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 602. Die Emitterspannung des Transistors 602 (und damit auch die Spannung der ZF-Regelspannungsleitung 360) bleibt somit auf einem Wert von etwa 6 V, unterhalb der Kollektorspannung des Transistors. Beim Fehlen einer Verstärkungsregelspannung von

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"ORIGINAUNSPECTED

der Regelschaltung 400 (also beim Betrieb mit maximaler Verstärkung) wird die Spannung auf der ZF-Regelspannungsleitung 360 durch die nachgebildete Vorspannungsschaltung 370 etwa um 3 V, oberhalb Masse gehalten. Bei diesen Verhältnissen liegt die Spannung, welche den Basen der in Basisgrundschaltung betriebenen Kaskodeverstärkertransistoren 312 und 342 zugeführt wird, um etwa 9 V, oberhalb Massepotential.

Zweckmäßigerweise sollen die Kaskodeverstärker 306, 312, 336 und 342 so vorgespannt werden, daß an jedem der beiden Kaskodetransistoren im Ruhezustand die halbe Spannung +V abfällt. Wählt man für +V beispielsweise +12 Volt, dann wird diese Spannung praktisch den Kollektoren der in Basisgrundschaltung betriebenen Kaskodetransistoren 312 und 342 über die abgestimmten Schaltungen 320 bzw. 350 zugeführt. Die Kaskodeverstärker sollten daher zweckmäßigerweise so vorgespannt werden, daß an den Kollektoren der Transistoren 306 und 3 36 ein Gleichspannungswert von 6 Volt erscheint. Die Basisspannungen der Transistoren 312 und 342 liegen dann um 1 V. höher als 6 Volt. Da die Basen der Transistoren 312 und 342 durch die nachgebildete Vorspannungsschaltung 370 und die Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 auf 9 V, , als näherungsweise 6,3 Volt, vorgespannt werden, zeigt sich, daß die Kaskodeverstärker durch diese Schaltung im Ruhezustand geeignet vorgespannt werden.

Im Betrieb erzeugt die Regelschaltung 400 eine Verstärkungsregelspannung, die unmittelbar vom Pegel des demodulierten Videosignals abhängt; ein schwaches Videosignal (mit niedrigem Pegel) bewirkt die Erzeugung einer Regelspannung niedrigen Wertes und ein starkes Videosignal (mit hohem Pegel) bewirkt die Erzeugung einer Verstärkungsregelspannung hohen Wertes. Bei schwachem Signal wird die Verstärkungsregelspannung kleinen Wertes der nachbildenden Vorspannungsschaltung 370 zugeführt und bewirkt wenig Änderung im Ruhezustand der Transistoren 372 und 376. Die Spannung auf der ZF-Regelspannungsleitung 360 bleibt daher auf einem hohen Wert von etwa 3 V, . Diese hohe Regelspannung wird den ZF-Verstärkern 300 und 3 30 an den Basen der Transistoren 302

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und 332 zugeführt. Die Transistoren 302, 306 und 332, 336 leiten daher stark, und von den Transistoren 306 bzw. 336 werden den PIN-Dioden 308 bzw. 338 hohe Vorspannungsgleichströme zugeführt, so daß die PIN-Dioden niedrige Widerstände haben und für die Transistoren 306 und 336 niedrige Emitterwiderstände darstellen. Die Kaskodeverstärker 306, 312 und 336, 342 bewirken dann eine erhebliche Verstärkung des schwachen ZP-Signals, das von der ZF-Signalquelle 200 kommt.

Wenn der Videosignalpegel mit zunehmendem Empfangspegel des HF-Fernsehsignals ansteigt, dann wächst auch der Wert der Verstärkungsregelspannung, die von der Regelschaltung 400 erzeugt wird. Diese anwachsende Regelspannung bewirkt einen verstärkten Stromfluß durch den Widerstand 362 zur Vorspannungsschaltung 370 und zur ZF-Verstärkungsregelspannungsleitung 360. Die Schaltung 370 reagiert auf den Stromfluß von der Regelschaltung 400 durch einen Versuch, den Spannungswert an der Basis des Transistors 372 auf etwa 3 V, zu halten. Sie macht dies durch verstärktes Leiten im Transistor 376. Praktisch der gesamte erhöhte Stromfluß von der Regelschaltung 400 wird über den Widerstand 366 zur Regelspannungsleitung und dann über den Transistor 376 nach Masse geführt, wobei ein Spannungsabfall am Widerstand 366 auftritt. Dieser Spannungsabfall bewirkt, daß die Spannung der Regelspannungsleitung unter den 3 V, -Wert an der Basis des Transistors 372 fällt. Der Transistor 37 6 leitet dann praktisch den gesamten von der Regelspannungsschaltung 400 über den Widerstand 366 gelieferten Strom ebenso wie den durch die Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 zugeführten Ruhestrom.

Die verringerte ZF-Verstärkungsregelspannung auf der Leitung 360 gelangt über Widerstände 382, 384 bzw. 390, 392 an die Basen der Transistoren 302 bzw. 332 und bewirkt eine Verringerung der Steilheit der Transistoren 306 und 336. Wegen der verkleinerten Steilheit der Transistoren 306 und 336 nehmen die den PIN-Dioden 308 und 338 über die Transistoren 306 und 336 zugeführten Vorspannungsgleichströme ab, und der Widerstand der PIN-Dioden 308 und 338 wächst. Die vergrößerten Emitterimpedanzen der Transistoren

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306 und 336 bewirken eine Verringerung der Verstärkung der Kaskodeverstärker 306, 312 und 336, 342. Weil die Vielfach-V_be~Vorspannungsschaltung eine konstante Spannungsdifferenz von 6 V, zwischen der ZF-Regelspannungsleitung 360 und den Basen der Kaskodetransistoren 312 und 342 aufrechterhält, folgt außerdem die den Transistoren 312 und 342 zugeführte Gleichvorspannung dem abnehmenden Spannungswert auf der ZF-Regelspannungsleitung 360. Der von der Regelschaltung 400 gelieferte Strom steigt weiter an, wenn der Videosignalpegel zunimmt, und der anwachsende Spannungsabfall am Widerstand 366 läßt den Pegel der ZF-Regelspannung auf der Leitung 360 weiter absinken. Die abnehmende Regelspannung erniedrigt zunehmend die Steilheit q der ZF-Verstärkertransi-

^Jm

stören 306 und 336, so daß die Widerstände der PIN-Dioden 308 und 338 zunehmend anwachsen. Die Steilheit g der Transistoren

306 und 336 erreicht schließlich einen Minimalwert, bei dem die Spannungsverstärkung der ZF-Verstärker etwa 1 ist und der volle Bereich der ZF-Verstärkungsminderung durchlaufen ist. Eine weitere Verstärkungsabsenkung tritt im Tuner unter Steuerung durch die verzögert arbeitende HF-Regelschaltung 150 ein.

Wenn die ZF-Verstärker die Grenze der ZF-Verstärkungsminderung erreicht haben, bewirkt die niedrige ZF-Regelspannung, welche über den Isolationswiderstand 102 an die Basis des Transistors 154 gelangt, daß der Transistor weniger leitet. Die Emitterspannung des Transistors 154 sinkt, wenn der Transistor gesperrt wird, so daß der Transistor 160 schwächer leitet. Die Kollektorspannung des Transistors 160 wächst in einem Maße an, welches durch die Einstellung des Widerstandes 190 für die Regelungsverzögerung der HF-Verstärker bestimmt ist, wenn der Transistor gesperrt ist. Schließlich wird ein Spannungspegel an der Basis des Transistors 166 erreicht, welcher ausreicht, um diesen Transistor einzuschalten, und damit beginnt auch der Transistor zu leiten. Es fließt dann ein Strom durch den ersten Emitter des Transistors 168, der zur Erzeugung einer Vorwärtsregelspannung für den Tuner verwendet werden kann. Gleichzeitig fließt ein Strom durch den zweiten Emitter 172 des Transistors 168, infolgedessen der Transistor 180 zu leiten beginnt, wobei er

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einen Kollektorstrom führt, dessen Polarität derjenigen des Stromflusses im ersten Emitter 170 des Transistors 168 entgegengesetzt ist. Der Kollektorstrom des Transistors 180 kann zur Erzeugung einer Rückwärtsregelspannung für den Tuner benutzt werden.

Die Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 wandelt die vom Transistor 610 gelieferte Vorspannung in Abhängigkeit von der Temperatur so um, daß die normale Herabsetzung der Steilheit g der Verstärkertransistoren 306 und 33 6 bei zunehmender Temperatur kompensiert wird. Es wurde bereits gesagt, daß der Kollektor des Transistors 602 wegen der Vorspannungsnachbildungsschaltung 370 und der Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 einen Ruhevorspannungspunkt für 9 V, bildet. An diesem Vorspannungspunkt tritt ein negativer Temperaturkoeffizient auf, der von der Anzahl der Spannungen V, des Vorspannungspotentials an diesem Punkt abhängt.

Die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors läßt sich in erster Näherung ausdrücken durch die Gleichung

^Vbe

In / ¹E

^Isat

wobei I„ der Emitterstrom und I , der Sättigungsstrom des Tran-

^s k T

sistors ist. Obgleich im Zähler des Bruches —— die Temperatur T erscheint, ändert sich V. wegen der extremen Temperaturabhängigkeit von I . umgekehrt mit der Temperatur. Die Spannung V, eines Transistors nimmt wegen dieses Vorherrschens des Ausdruckes I ,in der Gleichung für V, mit zunehmender Temperatur ab.

Die Temperaturabhängigkeit von V, läßt sich über die Änderung von V, bei konstantem I„ ausdrücken. Wegen der Temperaturabhängigkeit des Sättigungsstromes erhält man die folgende Gleichung:

d V

be

= - 2 mV/⁰C

d T

I = konstant

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Es zeigt sich, daß dieser Wert für alle Transistortypen und alle normalen Werte von I„ nahezu konstant ist- Demnach wirkt am 9 V, -Ruhevorspannungspunkt am Kollektor des Transistors 602 ein negativer Temperaturkoeffizient von -18 mV/°C. Damit nimmt die Spannung am Kollektor des Transistors 602 für jedes Grad Temperaturanstieg der Schaltung um 18 mV ab.

Es war bereits gesagt worden, daß der 9 V, -Punkt am Kollektor des Transistors 602 bei etwa 6,3 Volt verbleibt, wenn von der Regelschaltung 400 und der Vorspannungsnachbildungsschaltung keine Regelspannung kommt. Wird die Spannung auf der ZF-Regelspannungsleitung 360 während des Regelvorgangs von der Vorspannungsnachbildungsschaltung 370 verringert, dann nimmt die Spannung am 9 V, -Punkt leicht ab, wird aber auf einem Spannungswert gehalten, der um 6 V, über dem Spannungspegel der ZF-Regelspannungsleitung liegt. Im Durchschnitt liegt die Kollektorspannung des Transistors 602 bei etwa 6 Volt.

Wählt man den in der Figur als Beispiel gezeigten Wert von 1000 Ohm für den Widerstand 610 bei einer Spannung der +V-Spannungsquelle von +12 Volt, dann zeigt sich, daß an dem Widerstand ein Spannungsabfall von 6 Volt auftritt, der einen Strom von 6 mA zu der Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 6OO fließen läßt. Dieser Strom fließt über die Schaltung 600 zur Regelspannungsleitung 360 und über den Transistor 37 6 der Vorspannungsschaltung 370 nach Masse. Dieser Strom von 6 mA im Transistor 376 spiegelt sich wieder im Verhältnis 2:1 in den Kaskodeverstärkern 366, 312 und 336, 342 wegen des Verhältnisses von 2:1 zwischen den Emitterflächen der Transistoren 306 und 336 einerseits und dem Transistor 37 6 andererseits. So führt also der Strom von 6 mA durch den Transistor 376 zu einem Kollektorstrom von 12 mA sowohl des Transistors 306 wie auch des Transistors 336. Setzt man diese Werte in Gleichung (2) für g ein, dann erhält man für Raumtemperatur (29O°K) das folgende Ergebnis:

0 3 C Π 3 9 / 0 8 0 3

ORIGINAL INSPECTED

"τη

-20-
= _£_ I Tr I = (1,6 χ 10~¹⁹Coul.) (12 χ ίο"

(1,38 χ 10 7°K) (290⁰K)

= 4,79 χ 10 ^] I = 0,479 mS

Wenn die Temperatur der in der Figur dargestellten Schaltung von Raumtemperatur auf die maximale nominelle Betriebstemperatur von 55⁰C oberhalb Raumtemperatur (345⁰K) anwächst, dann nehmen die Werte V, der Transistoren in der Schaltung bei jedem Grad Temperaturanstieg um 2 mV ab. Während des Temperaturanstiegs von 55⁰C sinkt also die Spannung am 3 V, -Punkt am Kollektor des Transistors 376 um 330 mV. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 602 nimmt ebenfalls um 2 mV/⁰C ab, so daß die Spannung am Widerstand 606 abnimmt. Die Spannung am Widerstand 604 des Spannungsteilers 604, 606 sinkt um einen Betrag, der durch das Verhältnis der Spannungsteilerwiderstände bestimmt ist, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel 5:1 beträgt. Damit ist der Gesamtspannungsabfall an der Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 gleich 6 V, oder 660 mV bei einem Temperaturanstieg von 55⁰C. Der Gesamtabfall der Spannung am 9 V, -Vorspannungspunkt am Kollektor des Transistors 602 beträgt daher näherungsweise 1 VoIt,und dieses Ergebnis erhält man auch durch Multiplizierung des Temperaturkoeffizienten von -18 mV/°C, der für diesen Punkt gilt, mit der Temperaturänderung von 55⁰C.

Dieses Absinken der Kollektorspannung des Transistors 602 führt zu einem Spannungsabfall am Widerstand 610 von 7 Volt, infolgedessen dann ein Strom von 7 mA durch die Vielfach-V, -Vorspannungsschaltung 600 zur NachbiIdungsvorspannungsschaltung 370 führt. Der Stromfluß von 7 mA im Transistor 376 spiegelt sich im Verhältnis 2:1 in den Transistoren 306 und 336 wieder, die je einen Kollektorstrom von 14 mA führen. Setzt man diese Werte in die Gleichung (2) für g ein, dann erhält man:

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q ι ι _ (1,6 χ 10 ¹⁹ Coul.) (14 χ 1Ο~³Α) ^{Κ Χ} (1,38 χ 10 ^J /⁰K) ( 245^ΟΚ)

g = 4,7 χ 1O^-1 A = 0,47 mS

und dies ist das gleiche wie der für Betrieb bei Raumtemperatur erhaltene g -Wert. Es zeigt sich also, daß die Vielfach-V, Vorspannungsschaltung in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Steilheit g des ZF-Verstärkers gegen Änderungen der Betriebstemperatur stabilisiert.

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Leerseite

Claims

ΡΑΤΕΝΤΛΝ'Λ'Ai-TE

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER"

MARlA-THEBtSlA STRASSt 22

Postfach 86 02 60 D-80O0 MUENCHEN

TELEFON 089/47 69 476819

AB SEPT. 1980: 4 70 60 TELEX 522 TELEGRAMM SOMBEZ

RCA 73,308/Sch/Vu
U.S. Ser. No. 021,322
vom 16. März 1980

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.) Patentansprüche

y\J Schaltungsanordnung zur Kompensierung der Verstärkung eines Transistors mit einem Basis-Emitter-Ubergang gegen Verstärkungsänderungen infolge von Temperaturänderungen, mit einer einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweisenden Betriebsspannungsquelle, gekennzeichnet durch eine temperaturkompensierende Vorspannungsschaltung, die in Serie in der nachstehenden Reihenfolge zwischen den ersten und den zweiten Anschluß geschaltet ist und enthält:

eine erste Stromleitungseinrichtung (376) mit einem Basis-Emitter-Halbleiter-Ubergangs-Spannungsabfall, der sich mit Temperaturänderungen verändert,

eine zweite Stromleitungseinrichtung (600) mit einem Spannungsabfall, der ein konstantes Vielfaches des Basis-Emitter-Halbleiter-Ubergangs-Spannungsabfalls der ersten stromleitenden Einrichtung ist und sich bei Temperaturänderungen in konstanter Beziehung zu demjenigen der ersten Stromleitungseinrichtung ändert,

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3003904

und eine dritte Stromleitungseinrichtung (610) mit einer Impedanz, die bei Temperaturänderungen im wesentlichen konstant ist,

wobei die Basis-Emitter-Strecke des Transistors (306) zwischen den Verbindungspunkt der ersten und zweiten Stromleitungseinrichtung (376,600) und den ersten Anschluß (Masse) der Betriebsspannungsquelle geschaltet ist.
2) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (306) und die erste und die zweite Stromleitungseinrichtung (376,600) in einem einzigen monolithischen integrierten Schaltungsplättchen hergestellt sind.
3) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromleitungseinrichtung einen Basis-Emitter-Halbleiterübergang aufweist, daß die dritte Stromleitungseinrichtung einen ersten Widerstand (610) aufweist, daß die zweite Stromleitungseinrichtung einen zweiten Transistor (602) aufweist, von dessen Basis zu seinem Emitter ein zweiter Widerstand

und
(606)_Λνοη dessen Kollektor zu seiner Basis ein dritter Widerstand

(604) gekoppelt ist, und daß der Spannungsabfall am zweiten Widerstand (606) einen Basis-Emitter-Spannungsabfall beträgt und der Spannungsabfall am dritten Widerstand (604) zum Spannungsabfall am zweiten Widerstand (606) in einer Beziehung steht, die durch das Verhältnis des dritten Widerstandes (604) zum zweiten Widerstand (506) bestimmt ist.
4) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (312) mit seinem Emitter an den Kollektor des ersten Transistors (306) und mit seiner Basis an den Verbindungspunkt des ersten Widerstandes (610) mit der zweiten Stromleitungseinrichtung (600) und schließlich mit seinem Kollektor an den zweiten Anschluß (+V) der Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist, derart, daß der erste Transistor (306) und der dritte Transistor (312) einenKaskodeverstärker (300) bilden und daß das Verhältnis des dritten Widerstandes (604) zum zweiten Widerstand (606) derart gewählt ist, daß die Basisspannung des

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3003S04

dritten Transistors (312) im wesentlichen gleich die Hälfte der Spannung zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen der Betriebsspannungsquelle beträgt.
5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste stromleitende Einrichtung enthält einen zweiten Transistor (376) mit Basis, Emitter und Kollektor, dessen Kollektor an die Basis des ersten Transistors (306) angeschlossen ist, einen zwischen Kollektor und Basis des zweiten Transistors (376) gekoppelten Widerstand (366) und eine erste PIN-Diode (378), die zwischen den Emitter des zweiten Transistors und den ersten Anschluß geschaltet ist; daß die zweite stromleitende Einrichtung

(600) an den Kollektor des zweiten Transistors (376) angekoppelt ist; und daß die Schaltungsanordnung weiterhin eine zweite PIN-Diode (308) enthält, die zwischen den Emitter des ersten Transistors (306) und den zweiten Anschluß (Masse) geschaltet ist, derart, daß ein durch die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (376) mit der ersten PIN-Diode

(378) fließender Vorspannungsstrom zu dem durch die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors (306) mit der zweiten PIN-Diode (308) fließenden Vorspannungsstrom in proportionaler Beziehung zum Verhältnis der Emitterfläche des zweiten Transistors (376) zur Emitterfläche des ersten Transistors

(306) steht.
6) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen zweiten Transistor (602) und einen Spannungsteiler (604,606) enthält, der parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (602) geschaltet ist und dessen Abgriff an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist, daß die dritte Einrichtung einen Widerstand (610) aufweist, und daß die Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (602) und der Halbleiterübergang (376) in dieser Reihenfolge in Serie zwischen den ersten und zweiten Anschluß (+V bzw. Masse) geschaltet sind und daß der Verbindungspunkt des zweiten Transistors (602) mit der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (306) über eine Koppelschaltung (382,384,302) mit-

0 3 Ü ..■ 3 9/0803

einander gekoppelt sind und diese Koppelschaltung in Reihe mit der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (306) parallel zu dem Halbleiterübergang (376) liegt.
7) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturkompensierende Vorspannungsschaltung (610, 600,370) dem ersten Transistor (306) einen Vorspannungsstrom zuführt, welcher mit TemperaturSchwankungen Änderungen solcher Größe und solchen Sinnes unterworfen ist, daß die Verstärkung des Transistors (306) bei Temperaturänderungen praktisch konstant bleibt.
8) Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterübergang (376) einen zweiten Transistor

(376) mit einer Basis, einem an den ersten Anschluß gekoppelten Emitter und einem an die Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (306) gekoppelten Kollektor aufweist, und daß die temperaturkompensierende Vorspannungsschaltung weiterhin einen ersten Widerstand (366) enthält, der zwischen Kollektor und Basis des zweiten Transistors (37 6) geschaltet ist.
9) Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Basis des zweiten Transistors (376) eine Verstärkungsregelspannungsquelle (400) angeschlossen ist und der zweite Transistor (37 6) aufgrund der Verstärkungsregelspannung den dem ersten Transistor (306) zugeführten Vorspannungsstrom im Sinne einer Regelung von dessen Verstärkung regelt.
10) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (306) ein Verstärkertransistor mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Elektrode (E, B bzw. C) ist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß gekoppelt ist und der zweiten Elektrode Eingangssignale von einer Signalquelle (200) zugeführt werden, daß die erste Einrichtung einen Verstärkungsregeltransistor (376) mit einer an den ersten Anschluß (Masse) geschalteten ersten Elektrode (Emitter), einer durch die veränderbare Verstärkungsregelspannung angesteuerten

03., i 9 / 0 S 0 3

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zweiten Elektrode (Basis) und einer mit der zweiten Elektrode (Basis) des Verstärkertransistors (306) gekoppelten dritten Elektrode aufweist, daß die zweite Elektrode des Verstärkungsregeltransistors (376) über eine Koppelschaltung (364,366,372,382,384, 302) mit der zweiten Elektrode des Verstärkertransistors (306) gekoppelt ist, und daß die dritte Einrichtung einen mit dem zweiten Anschluß gekoppelten Widerstand (610) aufweist, und daß die zweite Einrichtung eine Vorspannungsschaltung (306) aufweist, die zwischen den Widerstand und die dritte Elektrode des Verstärkungsregeltransistors geschaltet ist und an der ein Spannungsabfall auftritt, der sich mit Temperaturänderungen verändert.
11) Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Vorspannungsschaltung fließende Strom mit zunehmender Temperatur anwächst.
12) Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor (306), der Verstärkungsregeltransistor (376), die Koppelschaltung (364,366,372,382,384, 302) und die Vorspannungsschaltung (600) in einem einzigen monolithischen integrierten Schaltungsplättchen ausgebildet sind.
13) Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Elektrode des Verstärkertransistors (306) und des Verstärkungsregeltransistors (376) Emitter, Basis bzw. Kollektor dieser Transistoren sind.
14) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kollektor des Verstärkungsregeltransistors (376) auftretende Spannung sich bei Änderungen der veränderbaren Verstärkungsregelspannung im umgekehrten Sinne ändert.

030U.39/0 8 03 _0B|G|NAL ,NSPECTED